数字孪生驱动半潜式钻井平台智能技术应用

刘遵港

[摘    要 ]半潜式钻井平台的运行环境十分恶劣，大量的设备在管理、维护起来也十分困难。为了提高半潜式钻井平台运行的安全性，必须应用数字孪生技术构建虚拟的半潜式钻井平台模型，并综合利用人工智能技术、大数据挖掘技术来构建全新的监测系统，实现对各种设备运行状态的实时监测，切实提高半潜式钻井平台运行的安全性。

[关键词]数字孪生驅动;半潜式钻井平台;智能技术

[中图分类号]U674.381 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）09–00–03

[Abstract]The operation environment of semi submersible drilling platform is very bad， and it is very difficult to manage and maintain a large number of equipment. In order to improve the safety of semi submersible drilling platform operation， it is necessary to build a virtual semi submersible drilling platform model by using digital twin technology， and build a new monitoring system by comprehensively using artificial intelligence technology and big data mining technology， so as to realize real-time monitoring of various equipment operation status and effectively improve the safety of semi submersible drilling platform operation.

[Keywords]digital twin drive; semi submersible drilling platform; intelligent technology

通过利用数字孪生技术构建半潜式钻井平台的五维数字孪生系统，可以推动半潜式钻井平台监测系统的升级，构建全新的智能监测系统，设备的故障问题能够被及时发现，设备的维护管理工作也能够变得更加高效。

1 数字孪生概述

数字孪生是一种极其先进、超越现实的概念，可以看做是一种由一个或多个互相联系的装备系统所构成的数字映射系统。数字孪生综合利用了传感器信息、运行历史、物理模型等数据，利用这些数据形成多概率、多物理量、多尺度的仿真过程，并在虚拟空间中完成映射，将相应实体装备的运行过程完全反映出来。美国国防部率先将数字孪生技术应用到航天飞行器的维护保养工作中，结合真实的飞机结构来将飞机模型建立到数字空间中，并依靠传感器来获得飞机的实时状态，在航天飞机完成飞行任务后，可以将之前收集到的数据信息、结构状况和目前的数据信息、结构状况进行对比，从而判断出航天飞机的状态，判断航天飞机是否可以承受住下次飞行任务的载荷，判断航天飞机是否需要进行维修保养。通过将数字孪生技术应用到航天飞行器的维护保养工作中，可以大大提高维护保养工作的效率和质量，航天飞机的一点微小结构变化都可以及时在数字空间中的飞机模型中显示出来，工作人员不必对航天飞机进行细致的人工检查。实现数字孪生需要综合利用多种先进技术，比如高性能计算技术、多物理量建模等，这些不同领域的技术是实现数字孪生的基础，进行综合利用能够有效评估装备的健康状况。数字孪生是一个非常具有颠覆性、超越现实的概念，能够将物理世界中的各项因素展示在数字空间中，能够实现物理世界、数字空间的一致。数字孪生技术需要结合各种数据分析技术、人工智能技术、仿真技术进行应用，数字空间中的各种信息能够更加准确，能够实现和物理世界的动态一致。

2 数字孪生驱动半潜式钻井平台的研究现状

半潜式钻井平台是一种大部分结构处于水面下的移动式钻井平台，主要由立柱、平台本体、浮箱、下体等结构构成，在立柱和平台、立柱和立柱之间都有着一些支撑相连接，通过这些相连接的支撑来减少半潜式钻井平台在水面上移动时的阻力。半潜式钻井平台需要长时间在海面上运行，会受到海浪、暴风等长时间的影响，运行环境非常的恶劣，一旦半潜式钻井平台运行过程中的问题无法被及时发现和解决，这些问题很容易扩大，使得半潜式钻井平台无法正常运行，造成巨大的经济损失，还会严重威胁半潜式钻井平台上工作人员的人身安全。为了确保半潜式钻井平台的安全以及能够顺利运行，必须为半潜式钻井平台配备齐全的运行监控系统。目前我国大多数半潜式钻井平台的监控系统主要依靠总线技术来对各个设备进行连接，比如仪表、传感器等，通过连接这些设备来掌握各个设备的运行状况，并将各种运行数据信息实时展示在监控系统中。虽然这种监控系统能够实现对半潜式钻井平台设备运行的实时监控，但是不同部分之间没有进行有效的联系，各部分仍然处于独立的状态，数据难以互通、共享，不同设备运行信息的类型、格式不同，难以将这些信息进行综合利用，监控系统也难以彻底对设备运行的各项信息进行挖掘，在管理、维护方面也比较困难。为了对现有的半潜式钻井平台监控系统进行完善，提高对信息的利用率，相关工作人员需要将数字孪生技术应用到半潜式钻井平台中，构建全新的监测系统，保障半潜式钻井平台的运行。利用数字孪生技术构建的半潜式钻井平台监控系统，能够依靠物联网快速获得大量的数据信息，并且这些数据信息是一直处于更新状态，还可以记录大量的历史数据信息，最终利用这些数据信息在信息空间中构建物理实体，形成一种能够自动检测、分析、执行的数字孪生体，最终推动半潜式钻井平台朝着更加智能化、数字化的方向发展。

我国重视对海洋钻井平台的数字化研究，并取得了一定的成果，比如我国已经将三維地理信息系统和三维激光扫描技术进行了融合，共同应用到了海洋钻井平台模型的构建中。通过应用动态调度技术、细节层次模型技术实现了对海洋钻井平台的信息化、可视化管理，并利用虚拟现实技术构建了海洋钻井平台的消防仿真系统供工作人员进行演练。我国海洋钻井平台的安全检测、预警以及维护保养工作的水平也在各种数字化监测系统、模型的帮助下而不断提高。

3 数字孪生驱动半潜式钻井平台的结构设计

半潜式钻井平台的工作环境十分恶劣，结构十分复杂，并且在有限的空间内需要堆放大量的设备，难以有效对设备进行维护、管理。针对这些问题，工作人员需要建立半潜式钻井平台的五维系统，将半潜式钻井平台本体、利用数字孪生技术构建的虚拟半潜式钻井平台、孪生数据、运维服务以及各种子系统进行有效连接。构建的虚拟半潜式钻井平台模型是现实半潜式钻井平台在信息空间的1：1映射，二者在规模、结构等方面都是完全一样的。通过应用虚拟现实技术对构建的虚拟半潜式钻井平台进行处理，可以将现实中一些难以实现的、危险性较大的场景还原出来，一些原本只能够通过数字进行展示的信息也可以通过图形、表格等形式展示出来，更加的直观，工作人员可以依靠信息空间的虚拟半潜式钻井平台模型对各种操作进行模拟，并可以更加实时、有效的对半潜式钻井平台的状态进行监测，相关的管理、维护工作也能够变得更加简单。在通过数字孪生技术构建半潜式钻井平台虚拟模型的过程中，工作人员不仅要收集半潜式钻井平台实体的各种信息，还需要综合利用通信技术和传感监测技术对半潜式钻井平台实体的运行状态进行监测，将各种动态的信息直观显示出来。不同半潜式钻井平台实际的工作环境、状况不同，因此工作人员还需要利用先进的通讯技术来将各个半潜式钻井平台的运行数据传输到陆地端的管理系统中，对各个半潜式钻井平台的运行状态进行分析、对比，从而让后续的控制决策变得更加智能、准确。例如，工作人员需带着极高责任感对所收集的多个数据进行科学且全面化分析，同时结合现场的实际运行情况来完成细致化对比，通过物理实体所带来温度、压力和其振动情况等多种不同且准确的信息完成决策设计，在验证与优化的方式下对分析机制进行极大程度完善，能够使健康指标凸显出科学性，也可对诊断规则做到相应明确，对于可能发生的操作风险进行切实有效规避，能够让处理技术及成效呈现出高效性，在质量与精准度上达到较高要求，满足数字孪生驱动半潜式钻井平台的多种需求。实践中，该平台系统对数字孪生五要素进行深入化探索，将其与先进技术结合而呈现出可视化服务，能够在平台与陆地间做好远程化通讯。

在利用数字孪生技术构建半潜式钻井平台监控系统时，工作人员必须对不同设备的真实状态进行相应掌握，了解加速度的数值，对油液分析仪也做好监测，同时将冲击脉冲所带来的信息完成精准化收集，能够把控传感器的感知能力，继而借助采集卡、对实时数据进行收集，还应配以嵌入式控制器的使用来保证数据准确性。除此之外，工作人员还依托光纤交换机的配合，将所需数据完成共享与传输，待服务器接收后会进行集成存储，让平台可以在先技术及多种设备的辅助下完成实时化监控操作。正常来讲，通讯卡或智能平台下的硬接线读取系统能够将实际电流、温度、电压等工况参数和当前控制系统进行极大程度结合，能够保证数据的多源异构性，为后续数据分析带来饱含时代气息之助力。为保证平台具有极强智能性，使中管理凸显精准与科学性，工作人员需要通过倒谱分析、波形频谱分析等方法对设备运行过程中的各种数据进行提取和分析，通过深度学习算法、机器学习算法来深入挖掘、整理各种数据，构建故障标准库和特征征兆故障库，最终形成一种能够对设备运行状态进行智能监测、对故障进行智能诊断的监控系统。半潜式钻井平台监控系统还要设计历史趋势分析模块，工作人员可以对设备在任意时间段的数据进行分析，获得设备全生命周期中所有的异常数据，后续构建设备运行状态预警模型，实现对各种设备的智能、交互管理。例如，系统涵盖多个人机交互环节，增设留言记录与报警等模块，在进行平台管理时可借助消息交流对平台对设备养护方案进行分享与探讨，结合报警模块所提供的准确信息来完成有针对性的养护，彰显关键效用，也能够将协同管理做到极大程度完善。数字孪生钻井平台在实时监测中，应注重主机发电机轴承、推进器电机轴承和顶驱电机轴承等，在运行状态的掌握中制定并优化后续养护方案，让平台得到稳定且长效化的运行，满足实际操作中的多样化需求，使之发挥出其应有效用。

4 总结

将数字孪生技术应用到半潜式钻井平台的智能化建设中，工作人员需要利用传感监测技术将半潜式钻井平台实体在信息空间中构建出来，确保构建的虚拟模型和实体是完全相同的，并运用数据仿真技术对各种设备的运行状态进行模拟，从虚拟的信息空间中提前预知、解决现实中可能出现的问题，切实提高监测系统运行的效率和准确性，能够实现半潜式钻井平台的安全、平稳运行。

参考文献

[1] 蒋爱国，王金江，谷明.数字孪生驱动半潜式钻井平台智能技术应用[J].船海工程，2019，48（5）：49-52，55.

[2] 陶飞，戚庆林.面向服务的智能制造[J].机械工程学报，2018（16）：11-23.

[3] 程骏超，何中文.我国海洋信息化发展现状分析及展望[J].海洋开发与管理，2017（2）：46-51.

[4] 李杰.以CPS为核心的智能化大数据创值体系[J].中国工业评论，2015（12）：50-58.

[5] 李春梅，申素梅，林越，等.基于光纤光栅传感技术的海洋平台结构健康监测方法[J].船海工程，2011（6）：165-167.

刘遵港

[摘    要 ]半潜式钻井平台的运行环境十分恶劣，大量的设备在管理、维护起来也十分困难。为了提高半潜式钻井平台运行的安全性，必须应用数字孪生技术构建虚拟的半潜式钻井平台模型，并综合利用人工智能技术、大数据挖掘技术来构建全新的监测系统，实现对各种设备运行状态的实时监测，切实提高半潜式钻井平台运行的安全性。

[关键词]数字孪生驱动;半潜式钻井平台;智能技术

[中图分类号]U674.381 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2020）09–00–03

[Abstract]The operation environment of semi submersible drilling platform is very bad， and it is very difficult to manage and maintain a large number of equipment. In order to improve the safety of semi submersible drilling platform operation， it is necessary to build a virtual semi submersible drilling platform model by using digital twin technology， and build a new monitoring system by comprehensively using artificial intelligence technology and big data mining technology， so as to realize real-time monitoring of various equipment operation status and effectively improve the safety of semi submersible drilling platform operation.

[Keywords]digital twin drive; semi submersible drilling platform; intelligent technology

通过利用数字孪生技术构建半潜式钻井平台的五维数字孪生系统，可以推动半潜式钻井平台监测系统的升级，构建全新的智能监测系统，设备的故障问题能够被及时发现，设备的维护管理工作也能够变得更加高效。

1 数字孪生概述

数字孪生是一种极其先进、超越现实的概念，可以看做是一种由一个或多个互相联系的装备系统所构成的数字映射系统。数字孪生综合利用了传感器信息、运行历史、物理模型等数据，利用这些数据形成多概率、多物理量、多尺度的仿真过程，并在虚拟空间中完成映射，将相应实体装备的运行过程完全反映出来。美国国防部率先将数字孪生技术应用到航天飞行器的维护保养工作中，结合真实的飞机结构来将飞机模型建立到数字空间中，并依靠传感器来获得飞机的实时状态，在航天飞机完成飞行任务后，可以将之前收集到的数据信息、结构状况和目前的数据信息、结构状况进行对比，从而判断出航天飞机的状态，判断航天飞机是否可以承受住下次飞行任务的载荷，判断航天飞机是否需要进行维修保养。通过将数字孪生技术应用到航天飞行器的维护保养工作中，可以大大提高维护保养工作的效率和质量，航天飞机的一点微小结构变化都可以及时在数字空间中的飞机模型中显示出来，工作人员不必对航天飞机进行细致的人工检查。实现数字孪生需要综合利用多种先进技术，比如高性能计算技术、多物理量建模等，这些不同领域的技术是实现数字孪生的基础，进行综合利用能够有效评估装备的健康状况。数字孪生是一个非常具有颠覆性、超越现实的概念，能够将物理世界中的各项因素展示在数字空间中，能够实现物理世界、数字空间的一致。数字孪生技术需要结合各种数据分析技术、人工智能技术、仿真技术进行应用，数字空间中的各种信息能够更加准确，能够实现和物理世界的动态一致。

2 数字孪生驱动半潜式钻井平台的研究现状

半潜式钻井平台是一种大部分结构处于水面下的移动式钻井平台，主要由立柱、平台本体、浮箱、下体等结构构成，在立柱和平台、立柱和立柱之间都有着一些支撑相连接，通过这些相连接的支撑来减少半潜式钻井平台在水面上移动时的阻力。半潜式钻井平台需要长时间在海面上运行，会受到海浪、暴风等长时间的影响，运行环境非常的恶劣，一旦半潜式钻井平台运行过程中的问题无法被及时发现和解决，这些问题很容易扩大，使得半潜式钻井平台无法正常运行，造成巨大的经济损失，还会严重威胁半潜式钻井平台上工作人员的人身安全。为了确保半潜式钻井平台的安全以及能够顺利运行，必须为半潜式钻井平台配备齐全的运行监控系统。目前我国大多数半潜式钻井平台的监控系统主要依靠总线技术来对各个设备进行连接，比如仪表、传感器等，通过连接这些设备来掌握各个设备的运行状况，并将各种运行数据信息实时展示在监控系统中。虽然这种监控系统能够实现对半潜式钻井平台设备运行的实时监控，但是不同部分之间没有进行有效的联系，各部分仍然处于独立的状态，数据难以互通、共享，不同设备运行信息的类型、格式不同，难以将这些信息进行综合利用，监控系统也难以彻底对设备运行的各项信息进行挖掘，在管理、维护方面也比较困难。為了对现有的半潜式钻井平台监控系统进行完善，提高对信息的利用率，相关工作人员需要将数字孪生技术应用到半潜式钻井平台中，构建全新的监测系统，保障半潜式钻井平台的运行。利用数字孪生技术构建的半潜式钻井平台监控系统，能够依靠物联网快速获得大量的数据信息，并且这些数据信息是一直处于更新状态，还可以记录大量的历史数据信息，最终利用这些数据信息在信息空间中构建物理实体，形成一种能够自动检测、分析、执行的数字孪生体，最终推动半潜式钻井平台朝着更加智能化、数字化的方向发展。

我国重视对海洋钻井平台的数字化研究，并取得了一定的成果，比如我国已经将三维地理信息系统和三维激光扫描技术进行了融合，共同应用到了海洋钻井平台模型的构建中。通过应用动态调度技术、细节层次模型技术实现了对海洋钻井平台的信息化、可视化管理，并利用虚拟现实技术构建了海洋钻井平台的消防仿真系统供工作人员进行演练。我国海洋钻井平台的安全检测、预警以及维护保养工作的水平也在各种数字化监测系统、模型的帮助下而不断提高。

3 数字孪生驱动半潜式钻井平台的结构设计

半潜式钻井平台的工作环境十分恶劣，结构十分复杂，并且在有限的空间内需要堆放大量的设备，难以有效对设备进行维护、管理。针对这些问题，工作人员需要建立半潜式钻井平台的五维系统，将半潜式钻井平台本体、利用数字孪生技术构建的虚拟半潜式钻井平台、孪生数据、运维服务以及各种子系统进行有效连接。构建的虚拟半潜式钻井平台模型是现实半潜式钻井平台在信息空间的1：1映射，二者在规模、结构等方面都是完全一样的。通过应用虚拟现实技术对构建的虚拟半潜式钻井平台进行处理，可以将现实中一些难以实现的、危险性较大的场景还原出来，一些原本只能够通过数字进行展示的信息也可以通过图形、表格等形式展示出来，更加的直观，工作人员可以依靠信息空间的虚拟半潜式钻井平台模型对各种操作进行模拟，并可以更加实时、有效的对半潜式钻井平台的状态进行监测，相关的管理、维护工作也能够变得更加简单。在通过数字孪生技术构建半潜式钻井平台虚拟模型的过程中，工作人员不仅要收集半潜式钻井平台实体的各种信息，还需要综合利用通信技术和传感监测技术对半潜式钻井平台实体的运行状态进行监测，将各种动态的信息直观显示出来。不同半潜式钻井平台实际的工作环境、状况不同，因此工作人员还需要利用先进的通讯技术来将各个半潜式钻井平台的运行数据传输到陆地端的管理系统中，对各个半潜式钻井平台的运行状态进行分析、对比，从而让后续的控制决策变得更加智能、准确。例如，工作人员需带着极高责任感对所收集的多个数据进行科学且全面化分析，同时结合现场的实际运行情况来完成细致化对比，通过物理实体所带来温度、压力和其振动情况等多种不同且准确的信息完成决策设计，在验证与优化的方式下对分析机制进行极大程度完善，能够使健康指标凸显出科学性，也可对诊断规则做到相应明确，对于可能发生的操作风险进行切实有效规避，能够让处理技术及成效呈现出高效性，在质量与精准度上达到较高要求，满足数字孪生驱动半潜式钻井平台的多种需求。实践中，该平台系统对数字孪生五要素进行深入化探索，将其与先进技术结合而呈现出可视化服务，能够在平台与陆地间做好远程化通讯。

在利用数字孪生技术构建半潜式钻井平台监控系统时，工作人员必须对不同设备的真实状态进行相应掌握，了解加速度的数值，对油液分析仪也做好监测，同时将冲击脉冲所带来的信息完成精准化收集，能够把控传感器的感知能力，继而借助采集卡、对实时数据进行收集，还应配以嵌入式控制器的使用来保证数据准确性。除此之外，工作人员还依托光纤交换机的配合，将所需数据完成共享与传输，待服务器接收后会进行集成存储，让平台可以在先技术及多种设备的辅助下完成实时化监控操作。正常来讲，通讯卡或智能平台下的硬接线读取系统能够将实际电流、温度、电压等工况参数和当前控制系统进行极大程度结合，能够保证数据的多源异构性，为后续数据分析带来饱含时代气息之助力。为保证平台具有极强智能性，使中管理凸显精准与科学性，工作人员需要通过倒谱分析、波形频谱分析等方法对设备运行过程中的各种数据进行提取和分析，通过深度学习算法、机器学习算法来深入挖掘、整理各种数据，构建故障标准库和特征征兆故障库，最终形成一种能够对设备运行状态进行智能监测、对故障进行智能诊断的监控系统。半潜式钻井平台监控系统还要设计历史趋势分析模块，工作人员可以对设备在任意时间段的数据进行分析，获得设备全生命周期中所有的异常数据，后续构建设备运行状态预警模型，实现对各种设备的智能、交互管理。例如，系统涵盖多个人机交互环节，增设留言记录与报警等模块，在进行平台管理时可借助消息交流对平台对设备养护方案进行分享与探讨，结合报警模块所提供的准确信息来完成有针对性的养护，彰显关键效用，也能够将协同管理做到极大程度完善。数字孪生钻井平台在实时监测中，应注重主机发电机轴承、推进器电机轴承和顶驱电机轴承等，在运行状态的掌握中制定并优化后续养护方案，让平台得到稳定且长效化的运行，满足实际操作中的多样化需求，使之发挥出其应有效用。

4 总结

将数字孪生技术应用到半潜式钻井平台的智能化建设中，工作人员需要利用传感监测技术将半潜式钻井平台实体在信息空间中构建出来，确保构建的虚拟模型和实体是完全相同的，并运用数据仿真技术对各种设备的运行状态进行模拟，从虚拟的信息空间中提前预知、解决现实中可能出现的问题，切实提高监测系统运行的效率和准确性，能够实现半潜式钻井平台的安全、平稳运行。

参考文献

[1] 蒋爱国，王金江，谷明.数字孪生驱动半潜式钻井平台智能技术应用[J].船海工程，2019，48（5）：49-52，55.

[2] 陶飞，戚庆林.面向服务的智能制造[J].機械工程学报，2018（16）：11-23.

[3] 程骏超，何中文.我国海洋信息化发展现状分析及展望[J].海洋开发与管理，2017（2）：46-51.

[4] 李杰.以CPS为核心的智能化大数据创值体系[J].中国工业评论，2015（12）：50-58.

[5] 李春梅，申素梅，林越，等.基于光纤光栅传感技术的海洋平台结构健康监测方法[J].船海工程，2011（6）：165-167.