★昆侖數智科技有限責任公司宋子平

★北京興油工程項目管理有限公司葛亮

★昆侖數智科技有限責任公司高亮，韓宏志，陳冰

摘要：數字孿生技術(shù)作為推動(dòng)油田生產(chǎn)效率提升、助力企業(yè)降本增效、安全管理以及實(shí)現能源可持續發(fā)展的重要手段之一，已成為油氣行業(yè)產(chǎn)業(yè)數字化轉型的重點(diǎn)研究方向。目前，國內外已在油氣藏、鉆井、管道、平臺、資產(chǎn)監管等多場(chǎng)景進(jìn)行了技術(shù)探索，但由于各業(yè)務(wù)模型獨立搭建，仍存在數據孤島問(wèn)題，并且虛實(shí)雙向聯(lián)動(dòng)尚未實(shí)現，因此未真正發(fā)揮數字孿生的價(jià)值。針對現有技術(shù)應用的不足，本研究推出了一體化數字孿生平臺，它通過(guò)一個(gè)中心（展示協(xié)同中心）和三個(gè)中臺（數據、技術(shù)、業(yè)務(wù)中臺）的技術(shù)架構實(shí)現資源共享、信息互聯(lián)、協(xié)同管理。該平臺已完成共享辦公場(chǎng)景和可視化設備管理場(chǎng)景的應用研究，能夠有效提高生產(chǎn)決策效率和設備使用效能，具備良好的推廣和應用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：數字孿生；油田一體化工作平臺；共享辦公；可視化設備管理

石油與天然氣作為能源行業(yè)的重要組成部分，當前它們的生產(chǎn)效率仍有很大提升空間，因此利用先進(jìn)的信息技術(shù)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)數字化轉型已成為油氣行業(yè)的重點(diǎn)研究方向^[1]。其中，數字孿生技術(shù)作為可視化管控、高效協(xié)同生產(chǎn)制造、全生命周期管理的重要手段，成為企業(yè)實(shí)現降本增效并確保長(cháng)期可持續運營(yíng)發(fā)展的關(guān)鍵^[2,3]。將數字孿生技術(shù)與油氣行業(yè)發(fā)展進(jìn)行有機結合，構建中國石油與數字孿生體融合交互的閉環(huán)系統，推進(jìn)實(shí)體業(yè)務(wù)與數字化世界的雙向連接運行，形成內外部連接、共享、協(xié)同機制，可實(shí)現降本增效、協(xié)同共享、持續創(chuàng )新、風(fēng)險預控和智慧決策，可不斷提高全員勞動(dòng)生產(chǎn)率和資產(chǎn)創(chuàng )效能力^[4]。

1　數字孿生技術(shù)在油氣行業(yè)的應用現狀

數字孿生技術(shù)在油氣行業(yè)的應用主要體現在資產(chǎn)監控維護、鉆井、管道、平臺、場(chǎng)站、油氣藏等方面^[1,3]。例如挪威FutureOn公司開(kāi)發(fā)了可以將海上油氣田完全映射建立數字孿生體的軟件FieldTwin，業(yè)主可通過(guò)數字孿生模型模擬油氣開(kāi)發(fā)，有效提高了方案設計效率并降低了探索成本^[5]。斯倫貝謝、SekalAS、哈里伯頓等公司實(shí)現了鉆井場(chǎng)景的數字孿生，他們通過(guò)可視化的實(shí)時(shí)監測和自動(dòng)化的控制，有效提高了作業(yè)效率和安全性，實(shí)現風(fēng)險隱患的全范圍排查和及時(shí)治理^[6-8]。隨著(zhù)國內研究的發(fā)展，2018年新疆油田開(kāi)啟了一項大型的數字工廠(chǎng)試點(diǎn)建設，其數字孿生范圍覆蓋處理站庫設計、施工建造、生產(chǎn)運行及維護各階段，實(shí)現全生命周期的監測與管理^[9]。

然而，目前數字孿生技術(shù)在油氣行業(yè)的應用還存在較大局限性^[10]。首先，各業(yè)務(wù)場(chǎng)景模型獨立搭建，不利于數據互通，暴露了信息化建設階段信息孤島的問(wèn)題；其次，數字孿生技術(shù)未與現場(chǎng)實(shí)時(shí)數據連接，無(wú)法做到虛實(shí)結合聯(lián)動(dòng)，僅僅是冰冷的三維模型，體現不出孿生體的價(jià)值。故數字孿生技術(shù)在油氣行業(yè)僅作為一項信息技術(shù)，不具備任何功能。它需要與物聯(lián)網(wǎng)平臺、SCADA系統、DCS系統等結合，實(shí)現底層數據的實(shí)時(shí)采集、存儲以及結構化數據、非結構化數據的流轉調用，并支撐平臺服務(wù)應用，才能最終以孿生模型的形式展現。

針對現有不足，本研究將物聯(lián)網(wǎng)云平臺與大數據、人工智能、數字孿生等多種技術(shù)有機結合，建立了一體化協(xié)同交互平臺，并將油田生產(chǎn)現場(chǎng)、管理決策等過(guò)程映射到數字孿生世界，通過(guò)場(chǎng)景畫(huà)像與系統融合搭建了一體化數字孿生平臺，虛擬人物與關(guān)聯(lián)數據在孿生體中按需流動(dòng)、協(xié)同工作，并通過(guò)數據融合與機理仿真打通了所有數據關(guān)聯(lián)，生產(chǎn)業(yè)務(wù)以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化的場(chǎng)景呈現，生動(dòng)且具有代入感，從而達到以數字化轉型驅動(dòng)油氣產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的目標。

2　構建一體化數字孿生平臺

一體化數字孿生平臺內置數字孿生技術(shù)引擎，向下通過(guò)接口實(shí)現集成業(yè)務(wù)系統的能力，向上以超現實(shí)的視覺(jué)呈現方式展現業(yè)務(wù)場(chǎng)景與操作流程，并且可以實(shí)現業(yè)務(wù)場(chǎng)景中所涉及到的視覺(jué)模型的快速建設和場(chǎng)景定義。系統整體架構由一個(gè)中心（展示協(xié)同中心）、三個(gè)中臺（數據、技術(shù)、業(yè)務(wù)中臺）組成，如圖1所示。

圖1 一體化數字孿生平臺技術(shù)架構

（1）數據中臺：將工程建設數據、生產(chǎn)運行數據、經(jīng)營(yíng)管理數據、油藏地質(zhì)數據、安全環(huán)保數據、音頻視頻監控等數據接入，并進(jìn)行數據治理、建模分析、口徑統一等處理，再以API方式為前臺業(yè)務(wù)部門(mén)提供所需數據。中臺的數據集中與共享能力有助于解決“數據孤島”問(wèn)題，并支撐業(yè)務(wù)部門(mén)的服務(wù)應用落地，提升了決策效率和運營(yíng)精細化。

（2）技術(shù)中臺：融合數字孿生、智能物聯(lián)、人工智能等先進(jìn)成熟技術(shù)，基于主流DockerKubernetesPaaS基礎架構構建，為業(yè)務(wù)中臺和應用提供底層技術(shù)資源和能力支持。

（3）業(yè)務(wù)中臺：依托業(yè)務(wù)需求和業(yè)務(wù)場(chǎng)景，在數據中臺的基礎之上，將油田業(yè)務(wù)應用核心功能進(jìn)行抽象和重新設計，以此沉淀為可復用的業(yè)務(wù)中臺能力。整個(gè)系統的架構，圍繞數字孿生、智能物聯(lián)、勘探開(kāi)發(fā)一體化、生產(chǎn)運行一體化、生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)一體化、綜合管理等典型應用場(chǎng)景，重新組合設計形成數字化交付、三維可視化、井筒服務(wù)、財務(wù)共享、人力資源服務(wù)、數據監控等業(yè)務(wù)中臺能力，以此支撐上層業(yè)務(wù)應用場(chǎng)景便捷、高效的開(kāi)發(fā)模式。通過(guò)業(yè)務(wù)中臺服務(wù)的建設，共享可復用的核心業(yè)務(wù)能力，能夠大幅度提升業(yè)務(wù)系統交付質(zhì)量、延長(cháng)業(yè)務(wù)系統生命周期。

（4）展示協(xié)同中心：提供跨設備、多環(huán)境的應用展示和協(xié)同環(huán)境，支持2D、3D等多種展示形式，是應用展示與工作協(xié)同的入口，可適配每個(gè)工作人員的角色和場(chǎng)景，實(shí)現“千人千面”。

一體化數字孿生平臺基于上述架構可快速構建數字孿生應用，平臺底層提供數字孿生及可視化組件，用戶(hù)可通過(guò)組件化方式進(jìn)行擴展，形成新的數字孿生相關(guān)應用。并且，平臺能夠通過(guò)MQTT、HTTP等協(xié)議接入物聯(lián)網(wǎng)數據，依托平臺層的AI算法庫，可對物聯(lián)網(wǎng)數據進(jìn)行數據分析挖掘，支撐油氣田生產(chǎn)運行、生產(chǎn)保障、技術(shù)分析、管理決策、安全環(huán)保等多個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應用需求，實(shí)現生產(chǎn)云管理。此外，還可實(shí)現數字孿生與生產(chǎn)運營(yíng)的無(wú)縫銜接。平臺依托數字孿生云渲染技術(shù)，以數字化交付數據為基礎，融合生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的數據，并通過(guò)數字孿生模型為生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)提供更為直觀(guān)、全面、多樣的數據展示形式。

3　一體化數字孿生平臺在油氣田的應用探索

3.1  共享辦公場(chǎng)景建設

共享辦公場(chǎng)景建設以現實(shí)辦公環(huán)境為孿生體，建立高度逼真的虛擬辦公場(chǎng)景，將現實(shí)工作中的辦公流程實(shí)體化地、直觀(guān)地展示，用戶(hù)可在系統內直接操作、協(xié)同工作，實(shí)現沉浸式虛擬辦公，如圖2所示。

圖2 虛擬辦公室示例圖

在已有會(huì )議系統功能基礎上，如圖3所示，結合數字孿生技術(shù)，實(shí)現跨地域的連接與互動(dòng)、生產(chǎn)場(chǎng)景全息共享、現場(chǎng)問(wèn)題及時(shí)有效呈現以及人與人、人與生產(chǎn)業(yè)務(wù)互聯(lián)互動(dòng)，從而達到高效共享，避免誤判，提高了決策效率，如圖4所示。

圖3 協(xié)同會(huì )議室效果圖

圖4 共享決策效果圖

目前，該場(chǎng)景已在中石油某海外油田部署應用。用戶(hù)可在虛擬辦公室中遠程工作，有效解決了油氣田員工辦公場(chǎng)所分散、溝通難的問(wèn)題。此外，員工可以直接在虛擬會(huì )議室共享數據、共享3D模型、共享生產(chǎn)場(chǎng)景及生產(chǎn)業(yè)務(wù)等，將現場(chǎng)問(wèn)題直觀(guān)呈現，便于多方協(xié)同、共同決策。并且，將文字、語(yǔ)音、視頻信息采用加密、差異傳輸等技術(shù)在虛擬多功能報告廳中進(jìn)行準確的綜合展示和使用，解決了低帶寬鏈路下系統平穩運行問(wèn)題和信道安全問(wèn)題，使會(huì )議系統更高效、生動(dòng)。

3.2  可視化設備管理場(chǎng)景建設

可視化設備管理場(chǎng)景建設如圖5所示，以全廠(chǎng)設備健康狀態(tài)實(shí)時(shí)可視化展示、自動(dòng)分析為核心，將設備的靜態(tài)信息、實(shí)時(shí)運行參數和檢修信息等接入一體化孿生平臺數據中臺，并借助數字孿生、視頻識別、智能物聯(lián)、大數據等技術(shù)手段，實(shí)現設備仿真、定期工作、故障預警、狀態(tài)評價(jià)等，協(xié)助完成設備保養維護、風(fēng)險分析、檢修決策等工作，最終達到設備運行安全可靠、檢修成本合理的閉環(huán)管理目標。

圖5 工藝流程可視化效果圖

圖6 設備巡檢效果圖

如圖6所示，可視化設備管理場(chǎng)景建設有助于實(shí)現生產(chǎn)區域無(wú)人巡檢，一線(xiàn)員工可在集控室、辦公室等區域通過(guò)電腦在數字孿生世界高效、快捷、準確地掌握現場(chǎng)設備和環(huán)境的真實(shí)情況，并可查看來(lái)自多個(gè)系統采集的數據和隱患風(fēng)險預警。此外，通過(guò)數字孿生技術(shù)，模擬設備在不同工作條件下的性能和行為，并進(jìn)行數據分析，可以?xún)?yōu)化設備的維護計劃和保養周期，提高維護效率和設備壽命。對于設備實(shí)際運行狀態(tài)的監測，還可實(shí)現對設備故障的預測，有效避免意外停機情況的發(fā)生，節省維修成本，提高設備使用效能。同時(shí)，一體化數字孿生平臺將多個(gè)系統重新整合，實(shí)現了資源共享和信息互通互聯(lián)，充分發(fā)揮了一體化管控的技術(shù)優(yōu)勢，可進(jìn)行標準化、流程化的管理，可構建多系統的協(xié)同化，實(shí)現了多系統的智能聯(lián)動(dòng)。

4　結論

數字孿生技術(shù)作為具有極大發(fā)展潛力的科技手段，已成為各行業(yè)的重點(diǎn)研究對象之一，但目前其在油氣行業(yè)仍處于初步探索階段，并存在場(chǎng)景應用獨立、系統建設分散、生產(chǎn)網(wǎng)與辦公網(wǎng)分割、數據不互通等問(wèn)題。針對現有不足，本文提出的一體化數字孿生平臺通過(guò)接口可將多個(gè)獨立系統集成，并采用數字孿生技術(shù)以超現實(shí)的可視化方式呈現業(yè)務(wù)場(chǎng)景，為油氣行業(yè)的勘探、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、煉化等賦能。目前，該平臺已實(shí)現在共享辦公場(chǎng)景和可視化設備管理場(chǎng)景的應用探索，助力了協(xié)同辦公、無(wú)人巡檢以及設備維檢修效率的提升。未來(lái)，我們還將積極探索該平臺在油氣藏、可視化生產(chǎn)等場(chǎng)景的研究，更加全面地管理和優(yōu)化油氣田的生產(chǎn)過(guò)程，提高油氣開(kāi)采效率，降低生產(chǎn)成本，進(jìn)一步推動(dòng)油氣行業(yè)的可持續發(fā)展。

作者簡(jiǎn)介：

宋子平（1998-），女，河北平泉人，工程師，碩士，現就職于昆侖數智科技有限責任公司，主要從事油氣物聯(lián)網(wǎng)咨詢(xún)顧問(wèn)工作。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2023年4月刊