“數字孿生”在油田地面油氣站場中的應用和探索

張德發(fā) 姚衛(wèi)濤 董智超 石成 李艦

大慶油田設計院有限公司

隨著社會信息化、數字化程度的提高，越來越多的企業(yè)意識到數據資產與物理資產同等重要。對于油田的生產和運營而言，沒有工程設計和建造階段的數據資產積累和繼承，業(yè)主運營方的日常生產將受到很大的影響和制約。因此工廠在工程竣工或驗收時，是否能夠同步得到工程建設過程中產生的、與工廠運行管理密切相關的數字化成果，顯得尤為重要[1]。

為培養(yǎng)工程數據自動化移交能力，支持和保障在役領域的業(yè)務拓展，助推工廠數字化、智慧化運營管理，大慶油田公司根據集團總體部署要求，結合自身業(yè)務特點和數據基礎，需制定一套完整、科學、合理的數字化移交標準和流程，并開發(fā)數字化移交平臺。該平臺以工程對象位號作為管理核心，將工程設計和建造階段產生的和業(yè)主運維所需要的文件、數據、圖紙、模型等，高效有序集成并管控起來，交付給業(yè)主方使用，使其在獲得實體工廠的同時，獲得一個數字化工廠[2-3]。

1 建設目標

為打破傳統(tǒng)基建期信息平臺孤立的局面，實現地面建設各參與方數據的共享，形成一套完整、切合油田地面建設工程實際業(yè)務的技術規(guī)范，建設一個服務于油田地面建設工程全生命周期的管理平臺，通過關聯設計、采購、施工、運維各階段信息，構建地面建設工程“數字孿生體”，形成全新的地面建設工程全生命周期信息化管理模式，助力精益生產。

2 建設思路

設計階段依托公司三維全專業(yè)協同設計平臺，直觀展現設計意圖，產生項目建設所需的設計文件和數據，有效減少各專業(yè)設計的錯漏碰缺，保證設計質量，為項目數字化交付提供先決條件。

采購、施工階段依托油田基本建設運行管理平臺和智慧工地系統(tǒng)，對采購、施工的過程管理記錄文件和數據進行采集，主要建設內容包括物資管理、施工管理、質量管理和HSE 管理等；數字化移交階段以工程對象為核心，對工程項目建設期產生的靜態(tài)數據進行數字化創(chuàng)建至移交，涵蓋信息交付策劃、交付規(guī)定、交付方案、信息整合與校驗、信息交付和信息驗收，實現項目一鍵交付。

運維階段在數字化交付所形成的數字化站場基礎上，利用物聯網技術、監(jiān)控技術、信息技術等，對整個生產過程進行仿真、評估、模擬和優(yōu)化，將靜態(tài)數據和現場的動態(tài)數據進行有機的融合，提高生產過程可控性、減少生產人員干預，合理安排生產維修計劃，實現持續(xù)的人機協調交互，使項目能夠不斷優(yōu)化、修正運行數據，促進“數字孿生體”的持續(xù)成長。油田地面工程全生命周期信息化管理模式基本框架如圖1 所示。

圖1 油田地面工程全生命周期信息化管理模式基本框架Fig.1 Basic framework of the whole life cycle information management mode of oilfield surface engineering

3 數字化協同設計

設計是工程信息的源頭，數字化協同設計階段產生的模型與信息是數字化交付的基礎。因此，2018 年至2020 年從協同設計導航項目到實際工程驗證，公司共編制完成數字化協同設計技術規(guī)定100 余項，完成工藝、設備、儀表、電力、通信、結構等專業(yè)配套數據庫開發(fā)9 446 種，設計模板定制594 項，完成物資編碼庫錄入10 000 余條，已經具備工藝系統(tǒng)、管道布置、土建、電力、儀表、通信等專業(yè)二三維一體化協同設計能力，建立了以數據中心為核心，材料管理、系統(tǒng)設計、布置設計3個部分組成的協同設計基本框架（圖2）。

圖2 協同設計技術路線Fig.2 Collaborative design technical route

根據油田建設特點，將數字化交付建設方式分為新建設施和已建設施兩種。針對新建設施，最大限度地采用全專業(yè)三維協同設計，從工藝模擬計算開始進行數據集成；其次，工藝系統(tǒng)設計以數據集成平臺為核心，實現工藝、自控、電氣專業(yè)系統(tǒng)設計集成，以三維工廠布置平臺實現管道、建筑、結構、設備、電氣、儀表、通信、總圖道路布置協同，以材料管理平臺實現對項目材料的控制。針對已建設施，采用激光掃描技術獲取點云，應用三維建模軟件完成模型建立，收集歷史數據，完成數據與工程對象關聯；同時結合地理信息系統(tǒng)展現站場設施的空間位置數據，實現數字化工廠的基本靜態(tài)數據[4]管理，為數字化工廠建立打下堅實數據基礎[5-8]。

4 數字化交付技術的應用

數字化交付區(qū)別于傳統(tǒng)工程以“卷冊”為核心的交付體系，其以“工廠對象”為核心，將工程設計、采購、施工、制造、安裝等階段產生的數據，進行結構化處理，建立以“工廠對象”為核心的網狀關系數據庫，存儲于工程數據中心，并基于統(tǒng)一的數據接口完成數據交付，為業(yè)主提供可靠的工程基礎數據，形成構建數字化工廠的企業(yè)靜態(tài)數據資產[9-10]。數字化交付的實現途徑如圖3 所示。

圖3 數字化交付原理Fig.3 Digital delivery principle

4.1 建立標準

數字化移交標準是移交平臺開發(fā)的前提和保障。油田公司進行了國內外數字化移交標準研究，參照了ISO15926 系列國際標準、資本設施信息移交規(guī)范（CFIHOS）和GB/T51296—2018《石油化工工程數字化交付標準》，制定了12 項數字化交付標準，包括：①《數字化交付策略》；②《數字化交付分解結構及類庫定義》；③《設計文件編碼規(guī)定》；④《工程對象命名規(guī)定》；⑤《設計數字化交付內容規(guī)定》；⑥《采購數字化交付內容規(guī)定》；⑦《施工數字化交付內容規(guī)定》；⑧《承包商、供應商項目采購數字化交付內容規(guī)定》；⑨《數字化交付管理程序》；⑩《數字化交付實施方案》；?《數字化交付質量管理方案》；?《數字化交付驗收方案》。在移交標準中，確定移交范圍和內容，制定移交編碼規(guī)則和體系，定義移交數據類型、格式和規(guī)范，明確移交責任和時間，形成數據移交質量管理體系等。

4.2 移交內容

4.2.1 設計階段

按照交付標準和清單進行設計階段的全過程數據采集、錄入。

在進入數字化交付平臺前，對COMOS P&ID進行設計繪制的流程和產生的數據，經過數據清洗工具處理后，將圖形和數據導入數字化交付平臺[11]。

通過使用PDMS、Revit 等設計軟件采集三維模型，并輸出相應文件及圖紙，在移交平臺中導入精準的工程模型[12]。

按項目編碼規(guī)定和數字化移交規(guī)定將工程電子文檔進行移交，接收設計階段各專業(yè)的所有文檔，并對接收的文檔按項目數據和信息移交規(guī)定進行合規(guī)性及完整性檢查。

通過位號處理，提交完整、準確的對象屬性數據，在平臺實現智能P&ID、三維模型、工程對象與文檔圖紙數據關聯。

平臺通過數據校驗機制對屬性數據進行完整性、合規(guī)性、一致性校驗核對，形成最終的屬性數據成果，作為后期運維的數據基礎。

設計交付清單見表1。

表1 工程數字化設計交付清單Tab.1 Project digital design delivery list

4.2.2 采購階段

按照交付標準和清單進行采購階段的全過程數據采集、錄入，實現資源配置的精細化、數字化管理。以此實現項目全生命周期中采購工作的全過程可視化操作，以及對采購工作進度、項目到場物料管理、項目交付后業(yè)主運行維護過程中保養(yǎng)及耗材采購等工作實時動態(tài)管理，并提供數據資料支持。

采購交付清單見表2。

表2 工程數字化采購交付清單Tab.2 Project digital procurement delivery list

4.2.3 施工階段

施工階段主要通過各專業(yè)施工數據采集，并由專業(yè)技術人員對所采集的數據進行復核驗證，經監(jiān)理實體驗收合格后，交付數字化工程師收集、錄入，通過平臺對施工進度、質量、安全、變更、合同、機具設備、人力資源及監(jiān)理監(jiān)督等全過程進行數字化管理。

施工交付清單見表3。

表3 工程數字化施工交付清單Tab.3 Project digital construction delivery list

4.3 實施效果

2020 年大慶油田公司實現了一個天然氣深冷裝置設計階段的數字化交付，正在組織實施天然氣凈化廠和儲氣庫的全過程數字化交付，通過各階段的平臺實施，取得了較好的實施效果。

（1）實現三維模型多方審查。主要通過三維的方式查看對象及其關聯的屬性信息，實現項目相關方（建設方、設計方、施工方等）信息共享，提高審查效率、實現問題可追溯、減少施工返工等。

（2）打通交付平臺與文檔管理系統(tǒng)的接口。實現交付平臺與文檔管理系統(tǒng)的對接，可以實時或按照頻率同步文檔管理系統(tǒng)的文檔，實現設計文檔的一鍵交付。

（3）實現二三維聯動。通過三維模型的引入，在三維模型中選擇具體某一個對象后，實現與二維圖紙的聯動，并準確定位到圖紙的具體位置；同樣，在二維圖紙中，選擇一個對象后，能快速定位到三維模型。通過二三維聯動能快速地實現二三維之間的切換，更加方便地查找項目所需的相關信息。

（4）采購數據跟蹤和追溯。以二維碼作為載體，將物資部分的設計專業(yè)數據、采購過程數據、供應商生產數據、物資出入庫和安裝數據進行集成和展示。物資管理各環(huán)節(jié)數據相互銜接，通過業(yè)務流程關聯數據，將物資全流程的數據以列表和數據關聯圖的方式進行展示，并可以對數據進行向下挖掘，實現物資狀態(tài)的跟蹤和全過程追溯。

（5）實現智慧化工地管理。智慧工地系統(tǒng)接入視頻信息、人員信息、車輛信息、環(huán)境信息、安全信息等現場監(jiān)控數據，對數據統(tǒng)一利用，提升施工期主要施工區(qū)域管理效率。

（6）實現施工進度可視化。通過進度信息可視化適配，實現在線對進度計劃進行4D 模擬播放，支持進度計劃和實際計劃的對比，并可以對截至當天各任務的狀態(tài)進行不同顏色的顯示，方便各參與方進行形象進度管控。

5 運維期數字站場的探索

業(yè)主方在獲得“數字化工廠”后，結合工廠生產和運維管理需要，對運行相關數據進行錄入/導入（或與生產運維業(yè)務系統(tǒng)做接口），并與設備對象、模型等關聯，實現工廠的數字化、智能化管理，形成“數字孿生體”。

5.1 資產管理

（1）設備管理臺賬。交付平臺可利用數字化移交成果建立設備全周期臺賬，包括基本參數、關聯資料、運行記錄、保養(yǎng)記錄、維修記錄、異動記錄、改造記錄、關鍵配件等。設備管理主要關鍵點包括：設備備用、運轉、停用、閑置及報廢等設備狀態(tài)管理，設備關鍵信息變更，以及廠區(qū)間調撥管理。

（2）設備保養(yǎng)管理。交付平臺具備的設備保養(yǎng)管理主要內容包括：根據設備類型設定保養(yǎng)規(guī)則及保養(yǎng)內容，通過數據采集獲取設備關鍵信息，自動觸發(fā)保養(yǎng)規(guī)則并下發(fā)保養(yǎng)任務；執(zhí)行保養(yǎng)作業(yè)，保養(yǎng)記錄自動歸入設備臺賬和平臺知識庫。

（3）設備巡檢管理。交付平臺建立廠區(qū)標準巡檢點庫，并根據設備巡檢需要關聯具體的巡檢點和采集點；根據管理需要制定巡檢計劃，系統(tǒng)自動下發(fā)巡檢計劃；執(zhí)行巡檢作業(yè)，巡檢記錄自動歸入設備運行記錄和平臺知識庫。

（4）設備故障維修。設備故障維修模塊通過不同方式上報或自動獲取設備故障信息，主要包括：對設備故障信息進行確認并派發(fā)維修工單；維修人員領取維修工單并執(zhí)行，按實際進度提交完成情況、備件試用情況及維修驗收情況；對維修情況進行確認并歸入平臺知識庫，自動為類似問題的處理推送解決方案。

（5）設備運行數據采集。交付平臺與實時數據中心進行對接，接入設備的運行數據并能夠根據運行數據驅動相關的業(yè)務操作。根據采集數據觸發(fā)相關的動作，包括故障報警、保養(yǎng)任務下發(fā)等。

5.2 智能運維

（1）指導設備安裝。設備安裝調試過程中，通過攝像頭、麥克風能夠及時獲得專家的支持，并生成安裝和調試記錄，以支持設備的維修和技改。

（2）現場可視化。利用AI 設備內置的攝像頭和音頻設備，讓位于不同地理位置的專家能夠看到工作現場的實施畫面，并可以進行語音交流；專家在傳回的界面上進行批注和圈閱，現場工作人員能夠及時看到批注和圈閱；專家可以發(fā)送操作指令，推送相關的資料文檔；可以抓取關鍵視頻畫面的圖像內容，放大以查看更準確的信息。

（3）查詢設備信息。通過直接掃描設備的二維碼，提取設備的基本靜態(tài)信息、實時動態(tài)信息、關聯的文檔資料、設備的備品備件。

（4）智能檢索。智能檢索功能可以使作業(yè)現場的人員能夠隨時隨地查看數字化平臺中所有的技術資料，包括設備的安裝說明、接線圖、施工圖、操作手冊。

（5）故障設備引導。在運維系統(tǒng)監(jiān)控設備運行狀態(tài)時，當發(fā)生設備異常報警后，向現場作業(yè)人員推送報警消息，并引導定位。根據設備異常信息，從人、機、料、法、環(huán)的維度提供處理異常所需的數據支持。

（6）巡檢巡查。運維系統(tǒng)能夠顯示巡檢巡查任務列表；為巡檢巡查人員提供下一個巡查點的引導；為巡檢人員提供具體設備的巡檢點和需要提交的巡檢信息，自動生成巡檢記錄。

（7）人員實時定位及歷史軌跡可視化。可結合無線定位設備對廠區(qū)內工作人員進行實時定位，可實現30 cm 內的定位精度，顯示人員姓名、工號、部門等相關信息；在三維場景中實現人員歷史軌跡查詢與回放。

（8）電子圍欄可視化。滿足現場危險區(qū)域可視化，在三維空間中實現電子圍欄以及報警聯動展示應用。

（9）實時監(jiān)控可視化。實現現場實時監(jiān)控并在三維場景中關聯聯動，支持視頻監(jiān)控隨時調取。

（10）報警可視化。通過對設備狀態(tài)進行實時監(jiān)測，當設備狀態(tài)發(fā)生異常時，可實現報警與三維模型聯動定位與展示。

5.3 虛擬仿真

針對油田站場實際，依托數字化交付成果，只有實現項目全生命周期的三維可視化乃至沉浸式虛擬體驗，設計和施工的數據模型完全統(tǒng)一，并在站場運維中可以充分利用前期數據模型才是真正意義上的“數字孿生體”。

以“數字孿生體”三維模型為背景，以油田站場實際運行工況為依據，可以開發(fā)虛擬仿真培訓平臺，通過沉浸式VR 仿真培訓及事故演練完成以下內容：①標準化操作培訓；②典型故障處置；③典型危險作業(yè)仿真模擬培訓課程。

虛擬仿真培訓可以提高人員對事故應急能力的反應敏捷度、行動能力、聯動能力；降低人員對近距離感知恐懼、焦慮、無助甚至絕望等產生的心理影響。培訓人員對典型事故（如泄漏、著火、爆炸等）進行流程切斷、關鍵危險作業(yè)環(huán)節(jié)的處置操作，提高各級人員應對突發(fā)事件的能力，最終達到檢驗預案、鍛煉隊伍、完善準備的演練培訓目的。

6 認識

（1）業(yè)主運營部門需要在項目初期，整體規(guī)劃工廠信息化，做信息化頂層設計。需結合工廠將要建設的信息化系統(tǒng)全面考慮數字化移交內容。在工程項目開始前考慮并實施數字化交付，可以大幅度降低數字化（智能）工廠建設成本和實施難度。

（2）建設期數字化交付的工作重點是如何實現可視化站場多參與方數據協同，加快信息的傳遞效率，提升數據的互用性，確保數據的質量。運維期重點是站場資產的高效運維，可通過搭建工廠設備資產全生命周期可視化管理系統(tǒng)實現。

（3）數字化交付平臺建設的難點是與已建各類信息系統(tǒng)的數據集成。油田工程設計公司可以協助業(yè)主運營部門，把移交的數字化工廠虛擬模型、屬性數據與和日常運維中產生的動態(tài)數據融合在一起。

7 結束語

國內數字化工廠建設起步較晚，各油田已經開始規(guī)劃數字化油田的藍圖，數字化交付項目已經啟動，作為國內一流的油田工程設計公司，應該承擔起推廣作用。在工程項目中要逐步使用數字化設計，借鑒數字化工廠在行業(yè)成功的經驗，探索適用的數字化方法，利用三維虛擬工廠實現對工廠實時的立體式監(jiān)控和協同管理，建成符合實際的油田地面“數字孿生體”，最終實現將真正智能關聯的虛擬數字化工廠移交給業(yè)主。