数字孪生技术助力行业智慧绿色升级

文｜尹光荣 齐蕾

数字孪生这个名词来源于英语Digital Twin，也称为数字双孪、数字映射和数字化双胞胎等。数字孪生的概念最早提出是用来描述产品的生产制造和实时虚拟化呈现，但受限于当时的技术水平，该理念没有获得广泛的应用。以iTwin数字孪生平台为例，它集成多种类型的原生数据格式，存储在统一的结构化数据库中，这包括不同软件厂商的三维模型、二维图纸、实景模型、点云等，同时提供地理信息的数据接口，建立真实的“工程数字孪生”。它反映的是一种将虚拟的信息世界与现实的物理世界融合互生，从而超越传统现实的概念。

数字孪生的数据来源于物理实体，而数据模型是利用数据建立的物理实体的映射，现实与虚拟世界之间利用数据和信息通道进行双向动态数据交互，在这个过程中数据模型不断自我学习完善，提高对物理实体描述的完整性和准确性，最终实现整个运行过程的实时模拟反馈。这种理念的提出为解决工业生产和制造中的问题，以及产品的全生命周期管理提供了新的方法。目前越来越多的学者关注和重视数字孪生技术，研究并将其用于解决实际的工程问题。Bentley iTwin服务使工程公司能够创建、可视化和分析基础设施项目和资产的数字孪生。

图1 iTwin全生命周期全行业数据描述框架

在国家“十四五”规划中，提出要大力推动传统业务和数字化技术融合创新，鼓励传统行业积极开展数字化转型。海洋石油平台作为一种定制化的大型工业产品，一方面属于传统制造业范畴，另一方面又与流水线制造的产品有所区别。数字孪生所衍生的智能制造在海洋石油平台设计中有着自己的特点，贯穿于设计、建造、安装与运维等整个工程项目生命周期的全部过程，对于提高海洋石油平台研发和设计水平、建造施工效率和质量、海上安装可操作性和精度、在役改造和运维可预测性具有重要意义，同样对于降低碳排放、实现绿色能源转型具有现实意义。

设计与数字孪生

图2 设计阶段的数字孪生

图3 某协同设计平台整体架构

图4 建造阶段的数字孪生

设计是整个工程建设项目实施阶段的开始，通常采用计算机信息化手段模拟和仿真完成设计成果，其实质就是利用专业知识创建和验证数据模型的过程，可以说设计与数字孪生有天生的联系。在设计阶段，利用数字孪生可以提高设计的准确性，并验证产品在真实环境中的性能。目前国内海洋平台设计阶段仅仅主要包括数字模型设计以及各专业的模拟和仿真，还远远达不到数字孪生的技术水平，主要欠缺以下两个方面：

一是设计内部各专业之间，以及与各厂家资料之间的数据协同，保障数据交换的流畅性和准确性。二是设计内部各专业通过建造、安装以及运维与现实中的海洋平台建立双向数据交换通道。

第一点是近年来国内外各大能源工程企业的数字化、智能化转型主要方向之一，在这两年的新冠疫情影响下，国内企业数字化进程大大加快。以国内某海洋石油工程公司为例，面对疫情来袭，积极推进数字化转型顶层设计，搭建协同设计平台，统一数据编码，有效推进生产的过程管理、专业设计、设计工具、上下游等四个维度协同，实现全链条一体化贯通，大幅提升生产效率。

设计一般直接面对的是虚拟世界作业，通过建造、安装和运维等其他阶段影响物理实体，因此第二点的重点是不同业务阶段或者不同板块之间的数据协同，这是实现数字孪生最主要的困难，也是未来的重点发展方向。在数字孪生的驱动下，实现海洋石油平台设计、建造、安装与运维全过程在虚实空间迭代优化的一种产业新模式。这种基于数字孪生的新模式为实现海洋石油工程全产业链的信息物理系统提供了新思路，同时也为智能海洋石油平台跨域协同仿真、测试、验证、评估及检验能力建设提供了新的理念和工具。

建造与数字孪生

目前世界各国分别提出了国家层面的制造业转型战略。这些战略核心目标之一就是构建物理信息系统，实现物理工厂与信息化的虚拟工厂的交互和融合，从而实现智能制造，数字孪生是实现物理工厂与虚拟工厂交互融合的最佳途径。信息技术的不断发展推动了人工智能、物联网、云计算等新技术的广泛应用，从而使数字孪生成为了实践工业化智能制造理念的使能技术与手段，有效解决了智能制造的信息物理融合难题，数字孪生技术在智能制造领域展现了良好的应用前景。

传统的海洋平台建造过程是一种劳动密集型活动，需要大量的钢结构件卷制、切割、焊接、组对和吊装等工序，人员、机器设备和材料投入量大，在整个项目的费用和进度影响占比非常大，并且建造与上游设计、下游安装和运维的数据交互少、数据通用性和实时性差。因此海洋平台建造对基于数字孪生技术的智能制造有迫切的需求，也是实现智能制造的理想场所。

海洋平台建造阶段的数字孪生主要体现在智能车间和智能生产两个方面。智能车间包括自动化的加工设计、预制、焊接和组对等工序作业，是影响实体产品的过程；智能生产包括生产仿真和执行、物料和生产管理、计划与调度管理、设备与物流管理，以及监控评价和反馈机制等，是影响虚拟产品的过程。建造最终将平台的实体产品和虚拟产品提供给业主和下游阶段。数字孪生技术能够将物理世界中的实体设备与信息世界中的虚拟设备连接在一起，虚拟设备可以实时反映实体设备的生产情况并对实际生产过程进行控制，从而增加生产系统的灵活性，提高生产效率和产品质量，降低能耗和物耗。

目前国内对智能制造、智慧工厂研究和投入较多，在海洋工程装备领域应用也比较成熟。以最近投产的国内海洋油气装备制造行业首个智能工厂——“天津海洋工程装备智能制造基地”为例，该基地是集海洋工程建造、油气田运维保障以及海洋工程创新研发等功能为一体的综合性高端智能制造基地，重点发展油气生产平台上部模块、FPSO模块、LNG模块等产品的智能制造。板材型材自动切割、甲板片机器人焊接、H型钢智能打磨及组对、工艺管件自动打磨焊接、智能化仓储等一系列智能制造技术，将应用在项目各生产环节中，从而大幅提升生产效率和产品质量，实现工程项目的高效率生产和高质量交付。

安装与数字孪生

海洋平台安装阶段主要包括平台的装船、拖航、吊装、下水、座底、打桩等作业，海上施工风险大、工期短、精度要求高，为了降低海上施工风险，每次重大作业前都要进行施工方案分析、评估和预演，作业时需要持续实时的状态监测数据指导并调整。总之，海上作业对方案可行性和数据监测反馈时效性提出很高的要求。

海上施工方案一般由设计和施工方根据图纸和三维模型，并结合以往项目经验来确定，相关人员的个人经验和专业水平决定了方案的可行性。海上监测一般是在平台或者作业船上布置传感器，记录下施工过程中的各种数据，然后下载到本地进行数据分析，数据的获得和处理非常不及时，无法对施工进行预测和指导。

图5 安装阶段的数字孪生

数字孪生关键技术包括传感器数据的实时传输、搜集和应用集成，以及结合物理传感器输入的数据进行快速、实时的仿真与预测。海洋平台安装阶段的数字孪生主要体现在海上施工智能实时监测系统和海上施工作业数字化仿真系统。

以海上打桩施工为例，一方面打桩控制站可以实时监测桩锤和打桩状态数据；另一方面现场动测可以实时监测打桩过程中的速度加速度和应力应变等数据，据此可推算出土壤阻力、承载力等结果。两部分监测数据相互独立，不能及时预测打桩风险和指导现场作业。图6所示的海上打桩智能实时监测系统可以很好的解决此问题。

图6 某海上打桩智能实时监测系统整体架构

数字孪生与运维

海洋平台运维周期远大于平台设计建造周期，而大量的数据响应和基础迭代也是来自于运维阶段，所以运维向的交互，将更能体现数字孪生本身在物理对象和数字空间的双向映射、动态交互和实时连接的价值。近年来，国内外海洋油气行业的数字化、智能化转型带动了基于数字孪生技术的海洋石油平台数字化和油田运维智能化发展，实现包括生产和设备控制、平台维修和改造、平台预测预警等无人化和科学化管理。

图7展示了某智能油田运维系统整体架构图，该系统应用层包括了安全管理、油藏管理、生产管理、现场巡检、设备运维、环境能耗管理和远程决策等业务。通过信息化、智能化手段，实现实时监测预警、远程操作控制、海陆协同作业，转变生产方式和管理模式，最终达到减员降本、提质增效、安全管控的目的。

图7 运维阶段的数字孪生

图8 某智能油田运维系统整体架构

图9 海洋石油平台数字孪生系统整体架构

在数字孪生技术应用的过程中，还需要不断结合其他工业现代化技术，例如虚拟现实技术、人工智能技术等。各类技术的整合应用，将会更加全面地展现现场生产维护的实际状况，形成从数据监测到生产决策再到设备评估的全过程智能化。

目前而言，海洋石油平台全生命周期内对于数字孪生技术的应用还处于基础建设的起步阶段，需要长时间的研发和应用才能完全建立。但是数字孪生技术可以打通海上油气开发上下游的信息孤岛限制，让数据能顺畅流通，可以为各阶段人员提供详细的数据分析、直观的状态展示和可靠的决策支持，有利于提高整个工程项目建设、生产和维护效率，大幅度降低各过程中的风险。在更实际的未来世界中，还可以利用数字孪生技术，将海洋石油平台物理实体内包含的全部信息进行数字化、关联化，从设计方案、建造过程、安装和运维阶段等全寿命周期的信息内，发掘和应用藏在背后的数据价值。