數字孿生驅動半潛式鉆井平臺智能技術應用

蔣愛國1，王金江，谷明1，于昊天，常開順

(1.中海油田服務股份有限公司,河北 三河 065201；2.中國石油大學(北京) 安全與海洋工程學院，北京 102249)

半潛式鉆井平臺運行環境惡劣[1]，目前鉆井平臺監控系統多采用總線技術將各個系統的物理設備(傳感器、儀表、PLC等)連接起來，將監控的設備和數據集中顯示，但在信息層面，各系統處于相互獨立的狀態，形成一個個的信息孤島，數據格式、數據類型、數據存儲方式不同引發的數據利用率低、數據融合難、數據挖掘不徹底等一系列問題給平臺的集成控制、統籌管理和維護決策帶來不便。

信息物理系統CPS作為一個綜合計算、網絡和物理環境的多維復雜系統，其可靠、安全、高效、實時協同等優點引起了各行業的廣泛關注。數字孿生作為信息物理系統融合領域的新技術，憑借物聯網獲取的與日俱增的海量信息和長期積累的各類歷史數據將物理實體在信息空間進行全要素重建[2-3]，形成具有感知、分析、執行能力的數字孿生體，為海洋鉆井平臺數字化和智慧化研究提供了新思路。

本文從信息物理系統融合角度，探討基于數字孿生的半潛式鉆井平臺關鍵設備狀態監測技術，利用大量實時監測數據驅動信息空間中構建的設備狀態演變、運行監測等各類模型,實現在信息空間中模擬和預測海洋鉆井平臺的關鍵設備發展變化情況。考慮一方面利用模擬預測結果對實體平臺的運行和決策進行指導;另一方面利用實體平臺監測產生的大量數據促進信息空間模型的學習,提升模型的準確程度和預測能力，從而形成實體海洋鉆井平臺與虛擬信息空間模型相互指導、相互映射的良性互動關系。

1 國內外研究現狀

近年來，我國在海洋鉆井平臺數字化研究中取得了許多成果，比如，將三維激光掃描技術與三維地理信息系統應用到海洋鉆井平臺模型的搭建，利用細節層次模型技術和動態調度技術將建好的三維模型加載到鉆井平臺管理系統，實現了海上鉆井平臺的三維可視化和信息化管理[4]；運用虛擬現實技術開發了海上石油鉆井平消防演示仿真系統，有利于學員從根本上克服現場培訓所帶來的各種負面影響[5]；運用應用物聯網技術設計旋轉導向系統的監控系統，及時發現結構異常或損傷[6]；運用光纖光柵傳感技術優選平臺的有效部位，采用高效的數據采集和處理系統，設計測點布置網絡，分析監測應力場的變化，以此來評價其安全性并進行預警[7]；對海洋導管架平臺結構建立有限元模型，對部分導管架損傷類型進行有限元模擬，分析應力狀態并建立檢測數據庫，確保能夠及時開展維修維護，以有效延長平臺的使用壽命[8]。

在數字化鉆井平臺建設方面，美國通用電氣公司GE依托工業物聯網Predix平臺，與知名鉆井承包商Nobel Corporation、美國船級社ABS、馬士基鉆井公司Maersk Drilling合作，進行數字鉆井船和數字孿生體的試點工作。數字鉆機連接到所有目標控制系統，通過集中在鉆井船上的傳感器和控制系統收集數據并實時發送到GE的工業性能和可靠性中心，以此建立實際資產數字副本的數據模型，并采用先進的分析算法，進行預測分析；在智能船舶研究中，英國Rolls-Royce公司和芬蘭VTT技術研究中心結合遠程操控、虛擬現實和實時監測等技術推出了無人駕駛船舶的概念，并期望在2020年左右使其成為現實；挪威船級社DNV GL和英國Rolls-Royce公司、挪威科技大學(NTNU)、挪威科技工業研究院海洋研究機構(SINTEF Ocean)正在合作創建一個用于開發新船的開放資源數字平臺，該平臺旨在建立關于數字化模型及系統仿真的海事行業標準的聯合工業項目，從而將允許行業各方可以重復使用模型并更安全、更經濟高效地建立現有及未來資產的數字孿生模型，以在其建造之前和貫穿其使用期來評估船舶及其系統的安全性和績效。在與挪威石油公司成功進行可行性研究后，Kongsberg Digital在ONS 2018上推出了新的“數字雙胞胎”，作為一個油氣無人生產設施的虛擬模型，可以提供對操作、行為、維護、成本、性能等的深入了解，將進一步提高設計質量和流程，增強跨學科協作，降低項目和運營風險；同時還將為石油和天然氣生產設施提供自主、無人和遠程運營的優勢條件。

從國內外的發展趨勢來看，數字化海洋平臺凸現出綜合化、智能化、虛擬化的趨勢，以數字化建模為基礎，構建海洋平臺的數字孿生模型，結合物聯網等現代通信技術實現平臺的數據集成和全方位監測，從而提高海洋鉆井平臺的安全管理和智能決策水平，降低全生命周期成本以獲取最大的經濟效益和社會效益。

2 系統設計

2.1 系統架構

針對海上鉆井平臺結構復雜、設備布置密集、工作環境惡劣等特點，構建海上鉆井平臺的五維數字孿生系統[9]，見圖1。系統包括實際物理鉆井平臺、信息空間的虛擬平臺、孿生數據、海洋平臺運維服務和各子系統之間的連接。

圖1 數字孿生鉆井平臺系統架構

2.2 技術路線

基于數字孿生五維模型開發的鉆井平臺系統包含物理實體、虛擬模型、信息傳輸、孿生數據和應用服務五部分內容。

物理實體是所分析對象在當前空間和時間下的客觀存在，虛擬模型作為物理實體在信息空間的1∶1映射，主要表現方式為三維動畫和三維模擬成像，利用虛擬現實技術，把專業技術領域的一些難以實現的場景進行虛擬可視化還原，其優勢在于能夠將一些原本有數字表現的信息通過圖形、顏色、表格的形式進行直觀的反映，從而提升海上平臺狀態監測的可閱讀性，降低管理的學習門檻。

除了物理實體本身具備的屬性信息外，還需要通過先進傳感監測技術和通信技術對物理實體的運行狀態進行監測，并在虛擬模型上表達，從而實現信息的可視化顯示。此外，由于各海上平臺的工作狀態和工作環境的差異性，可以通過平臺-陸地遠程通訊技術將平臺數據傳輸至陸地端平臺管理系統，綜合對比各平臺的運行狀態，制定更加準確智能的控制決策。

通過傳感監測和數據通訊得到的數據往往都是物理實體的觀測信息，如振動、溫度、壓力等，這些表觀數據缺乏使管理者能夠進行直接決策的信息。因此，為了挖掘隱藏于表觀數據中的深層信息，就需要通過數據分析手段對原始的傳感監測數據進行特征提取，獲得系統狀態與系統響應之間的對應關系。目前常用的數據分析手段包括傳統的基于時頻域轉換的信號處理方法和新興的大數據驅動的基于人工智能的數據處理方法。通過將數據分析結果與現場的運行狀況對比驗證，不斷完善分析機制、健康指標、診斷規則、閾值設定和操作風險等內容，從而提高數據分析的處理效率和準確性。數字孿生鉆井平臺系統綜合了數字孿生五要素，最終形成了海上平臺安全可視化預控服務、關鍵設備在線精密診斷服務、平臺可視化管理服務和平臺-陸地遠程通訊服務。

3 應用實踐

以某海洋石油半潛式鉆井平臺為例，開發基于數字孿生的海洋平臺關鍵設備監測系統。

3.1 監測方案

系統監測方案見圖2。

圖2 海洋石油半潛式鉆井平臺關鍵設備全方位監測方案

為了獲取設備的不同狀態參數，應用加速度、沖擊脈沖、油液分析儀等傳感器對關鍵設備的運行狀態進行感知，通過嵌入式控制器、采集卡和保護模塊實現實時數據的采集，最后由光纖交換機將數據傳輸至服務器并集成存儲，實現平臺關鍵設備的實時監測。通過通訊卡(Modbus/Profibus)以及硬接線讀取控制系統中溫度、壓力、電壓、電流等相關工況參數，實現與平臺現有控制系統的互通互聯，全方位整合平臺海量的多源異構數據，進而為數據分析奠定基礎。

3.2 系統開發

為實現平臺的智能服務，提升平臺關鍵設備的宏觀管理與智能精準管理水平[10]，在數據交互的基礎上，通過波形頻譜分析、包絡譜分析、倒譜分析以及小波變換四種信號處理方式提取設備狀態特征參數，用機器學習和深度學習等先進算法和分析工具對設備當前運行狀態的所有數據整理進一步挖掘和處理，結合特征征兆故障庫和故障標準庫，形成鉆井平臺關鍵設備智能診斷服務，包括鉆井平臺關鍵設備狀態智能化狀態監測，以及關鍵設備故障自動化診斷，并形成包含設備信息、振動監測、整機狀態評價、診斷與分析以及檢修建議的精密故障診斷報告，實現了數據統籌分析和系統輔助決策。

為了能實現平臺關鍵設備的全生命周期管理，系統設計了歷史趨勢分析模塊，通過對任意設備、任意測點、任意時間段的數據查詢，形成趨勢圖表，隨時獲得設備生命周期中的異常數據。依據這些歷史監測數據，采用基于神經網絡的回歸方法，建立平臺關鍵設備的狀態預測模型，實現平臺關鍵設備狀態的智能預測與預警。系統還設置了豐富的人機交互窗口，包括報警記錄模塊和留言記錄模塊，其中報警記錄模塊顯示了一定時間范圍內系統的報警信息，這對及時發現設備的異常狀態以及后期維修保養具有關鍵性的指導作用，留言記錄模塊為平臺管理人員消息交流的窗口，有助于實現平臺關鍵設備的協同管理。

數字孿生鉆井平臺關鍵設備在線監測系統現已在現場得到了有效利用，實時監測下，鉆井平臺在某井作業過程中關鍵設備的運行狀態趨勢見圖3。選擇的測點分別為：頂驅電機上軸承、頂驅電機下軸承、主機發電機驅動端軸承、主機柴油機驅動端軸承、推進器電機上軸承和推進器電機下軸承。從圖3顯示的趨勢可以觀測平臺關鍵設備任一時間段內的運行狀態，為設備維護管理、作業控制提供有效技術保障。

圖3 半潛式鉆井平臺關鍵設備狀態趨勢分析

4 結論

將數字孿生概念運用到半潛式鉆井平臺的智慧化建設中，運用傳感監測技術實現物理實體的描述，三維建模軟件構建與物理實體相映射的虛擬模型。結合數據交互和數據仿真技術，實現了設備狀態精準模擬。數據信息直觀可視，打破了傳統監測系統在數據呈現上的弊端，集成了人工智能技術的數字孿生模型實現了物理實體與虛擬系統之間的雙向映射和互操作，并可不斷優化實現系統自升級。所創建的數字孿生鉆井平臺系統實現了鉆井平臺安全智能診斷、關鍵設備狀態智能預測預警以及平臺安全可視化預控等智能服務，可為平臺安全有效運行提供保障。