數字孿生技術在工程數字化交付中的應用研究

云 震 鐘 華

（1.中海石油（中國）有限公司海南分公司工程建設中心，海南 海口 570100；2.中海油能源發展裝備技術有限公司南海工程分公司，廣東 湛江 524057）

0 引言

近年來，以物聯網、大數據、云計算和人工智能為代表的新一輪信息技術浪潮撲面而來，深刻改變著人類生產生活方式，企業發展面臨全新的商業環境和競爭挑戰。中國海油積極融入數字化創新大潮，大力推動現代信息技術與傳統產業深度融合，積極通過數字化轉型促進管理變革，實現降本增效，為公司高質量發展提供重要支撐[1]。

1 背景情況

1.1 工程數字化建設現狀

自2009年在渤海的兩個油田實施了工程數字化技術試點項目以來，中國海油研究小組不僅從技術上驗證了可行性，而且通過歸納和經驗總結，初步建立了信息規范和規律性認識及工作模板，并以此為指導實施工程數據中心項目（EDIS），取得了較好的成效[2]。

公司經過多年的建設，雖然已經建立起基礎生態環境，擁有良好的發展氛圍，從管理、技術、人力等多方面形成了完善的運行機制，但由于仍沿用較老舊的常規數字化建設思路及技術路線，工程數字化的成果應用范圍相對受限，應用群體也較小，未能很好地發揮出原有的數據價值。

1.2 數字孿生技術

數字孿生作為賽博物理系統的關鍵技術，能夠對物理世界進行數字化描述并有效管控產品全生命周期的數據，為實現產品研發生產中各種活動的優化決策提供了新的思路[3]。近年來，隨著油氣田業務數字化進程的不斷推進完善，物聯網、云計算、大數據分析、人工智能等高新技術應用的不斷拓展，數字孿生技術在推動油氣田業務數字化轉型的企業變革中顯得越來越重要[4]。

1.2.1 技術簡介

數字孿生技術是正在高速發展的新技術，為復雜動態系統的物理信息融合提供了解決思路，是智能制造與智能自動化重要的解決方案之一[5]。數字孿生技術是指在真實世界與數字世界之間建立全面準實時的聯系，以數字化的形式（數字孿生模型）對某一物理實體生命周期的行為或狀態進行多維動態的映射。基于此，數字孿生技術除了有利于解決油氣田工程建設及生產運維中的難題，也可以為智能油氣田建設提供精準的數字孿生模型，通過數字孿生將物理實體的橫向延續，將其全生命周期相關產業的縱向串聯。借助數字孿生技術的突出特點，可以不斷促進產業和技術迭代升級，提升傳統業務競爭力，助力企業的數字化轉型。

1.2.2 國內外設施情況

近年來，由于油價的不確定性和波動性挑戰，企業越來越多地將數字化及三維可視化技術視為提高生產率、獲得競爭優勢的手段，特別是數字孿生技術。殼牌公司全球解決方案國際公司近期與康士伯數據公司達成基于KognitwinEnergy數字化雙胞胎軟件的企業框架協議。該協議包括為英荷能源和石化公司上游、天然氣、下游和制造綜合業務生產線的全球資產組合和資本項目提供基于云技術的數字化雙胞胎服務。通過數字化雙胞胎，可以實現遠程操作、自動化和顯著增強協作，因而可大大提高作業效率。在船舶領域，新加坡船廠勝科海事通過與多家船級社及研究所展開合作，致力于數字孿生技術上的研發及應用，以保持公司的全球競爭力。

國內石油行業中，中石化已經利用數字孿生技術在智能工廠建設、運維管理中取得成效。石化盈科協助中石化建立的智能工廠1.0，在九江石化成功運用，提供基于數字孿生技術的智能化管理服務，實現檢維修管理、專業管理、設備運行管理、運維培訓管理等專業化應用。而中石油目前還未有成功的數字孿生技術研究應用案例。

2 研究思路

對于數字孿生技術而言，生成數字模型是第一步，而加入更多的數據集才是關鍵[6]。鑒于此，本文通過研究國內外數字孿生技術及應用方向，掌握數字孿生模型建立、處理及數據應用等關鍵技術，形成適用于油氣田工程數字化交付的技術要求及研究成果，通過計算機應用系統功能的實現來推動數字孿生技術的應用。其整體技術實施路線如圖1所示。

2.1 實施技術研究

2.1.1 數據采集實施

結合調研需求，開展數據規劃，定義數字孿生技術需要采集信息的范圍、深度以及格式，形成可執行的技術實施指南。

2.1.2 數字孿生模型實施

依據三維仿真模擬、動態數據接收及VR展示的需求，研究數字孿生模型建模的制作、貼圖、LOD分級、UV拆分以及烘焙處理等技術，包括設備內外部構件的拆解程度、分層成組的基本規范。研究數字孿生模型法線烘焙的建模技術，在數字孿生三維模型占用資源最小的前提下實現效果達到最理想狀態，為系統的運行及后續的跨平臺開發提供保證。

2.1.3 數據通用接口實施

研究靈活且高效的通用API數據接口，兼容主流的數據格式。在滿足當前需求的情況下，使用主流的數據庫或明確使用主流的數據信息格式標準完成數據映射和數據配置，確保數據交互時的完整性及準確性，實現與前臺客戶端以及其他不同信息系統間的數據對接。

2.2 數字孿生應用平臺研究

2.2.1 數字孿生基礎應用平臺

開發基于Windows系統的易用的數字孿生應用平臺，該平臺用于加載并操作依據標準制作的數字孿生模型，建立第一人稱視角、自動加載環境效果，實現各類基礎屬性信息的關聯展示。平臺在快速平穩運行的同時，兼具較高的安全性。另外，還應具備多客戶異地并發訪問的能力。基于軟件系統及功能需求，匹配相關硬件，采用技術整合、功能整合、模式整合等技術手段，實現軟硬件的協同開發及無縫集成。數字孿生模型應用流程如圖2所示。

2.2.2 數字孿生基礎功能

2.2.2.1 設備立體裝配功能

數字孿生技術可以將產品數字模型與物理模型建立起關聯，并逐漸向包括制造過程的整個產品生命周期覆蓋，為面向裝配過程的裝配工藝設計提供了一種解決途徑[7]。結合其虛擬仿真的數字孿生模型，可以實現設備各關鍵（重要）組成構件的拆解及展示，達到設備的拆分“爆炸”效果，如圖3所示，成功解決復雜產品裝配過程中質量管控時效性差、缺乏預測性等問題[8]。

2.2.2.2 設備設施剖切功能

通過控制基準橫切面位置的移動和旋轉，實現對單體數字孿生模型的平面剖切功能，展示設備設施的內部構造，其中橫切面可以實現任意角度的設置，以達到不同的視覺效果，如圖4所示。剖切功能采用shader原理處理，保證資源占用少，無破面壞面的產生，保證運行效率。

2.2.3 數字孿生深化功能

2.2.3.1 工藝流程模擬功能

在數字孿生模型的模擬工藝流程上（不涉及設備內部的工藝流程），以動態的形式展現物流在整個工藝系統中的流向信息，用不同的顏色區分物流介質，可方便地進行相關模擬流程的制定和調整，如圖5所示。

2.2.3.2 實時數據展示功能

開發實時數據接收功能，實時響應傳輸端的數據請求并調用數據庫進行數據識別及觸發展示請求。在數字孿生模型的重點設備（或部件）預設“熱點”位置信息，通過與數據接收功能的數據映射，實現當“熱點”被選中或觸發時，能及時展示出該處實時數據信息的功能。

2.2.3.3 姿態模擬功能

基于建立的數字孿生模型，通過簡化的姿態展示形式，實現對浮體（船體）整體狀態及姿態的模擬展示；通過預留與相關設施的狀態監測、檢測系統的數據接口，今后可實現根據實時監測信息進行準確的姿態模擬和可視化展示。

2.3 數字孿生水準的VR技術應用研究

2.3.1 數字孿生模型轉化與處理

基于對UV拆分、貼圖處理、法線烘焙等基礎模型美化技術的研究，掌握LOD層級模型的轉化輸出技術，以輸出滿足數字孿生水準的高保真數字孿生模型。

2.3.2 VR場景制定和模擬

在VR模式下設置自由及定制兩種瀏覽方式。

2.3.2.1 自由瀏覽模擬

用戶可以用VR設備自由規劃行走路線，并可在瀏覽途中隨時調用、查看設備當中的結構化數據信息。

2.3.2.2 定制瀏覽模擬

根據需求，預制瀏覽線路，應用于不同的場景方面的流程模擬，為后續的學習、培訓或交流過程提供直觀的方式。

2.3.2.3 水下運行狀態模擬

利用VR技術對水下的生產運行狀態進行模擬研究，對介質流向、井口及閥門狀態、周圍環境等進行預設，給使用者提供沉浸式的瀏覽體驗，可為水下作業生產的培訓及應急處理提供逼真的數字化模擬情景。

2.4 試點應用

在試點項目中通過對項目實際情況進行驗證及分析研究，實現方案的進一步完善，并結合項目進行應用實踐，為后續的方案推廣應用提供實例數據及參考。

3 結語

目前，中國海油的工程數字化交付深度和廣度較低，在運營階段及完整性管理中的應用有限，通過對數字孿生技術的研究，結合裝備技術公司對工程數據的專業分析及應用能力，為中國海油上游建立起基于數字孿生模型的三維可視化平臺以及更加深入完善的深度數字化標準體系，可以進一步提升中國海油在數字化領域的權威性并形成技術優勢乃至技術壁壘。

通過數字孿生應用平臺軟件系統的開發，把數字孿生模型、實時數據、環境條件等數據進行三維集成展示及應用，能協助作業方快速制定維修策略，有利于縮短運維改造工期，也能盡量減少各類現場的調研活動，從而降低成本，并不斷提升管理及運營水平；通過今后對數據的深度開發應用及與其他系統對接，可以更好地對數據進行分析，獲得準確的分析結果，進而轉變作業方式以創造更多價值，增強在不斷變化的環境中應對各種挑戰的韌性；還可實現在線評估及決策，為智能油田提供豐富的基礎數據，有利于油田實現少人化、無人化甚至智能化運行。