數(shù)字孿生驅(qū)動半潛式鉆井平臺智能技術(shù)應(yīng)用

蔣愛國1，王金江，谷明1，于昊天，常開順

(1.中海油田服務(wù)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(huán)境惡劣[1]，目前鉆井平臺監(jiān)控系統(tǒng)多采用總線技術(shù)將各個系統(tǒng)的物理設(shè)備(傳感器、儀表、PLC等)連接起來，將監(jiān)控的設(shè)備和數(shù)據(jù)集中顯示，但在信息層面，各系統(tǒng)處于相互獨立的狀態(tài)，形成一個個的信息孤島，數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)存儲方式不同引發(fā)的數(shù)據(jù)利用率低、數(shù)據(jù)融合難、數(shù)據(jù)挖掘不徹底等一系列問題給平臺的集成控制、統(tǒng)籌管理和維護決策帶來不便。

信息物理系統(tǒng)CPS作為一個綜合計算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復雜系統(tǒng)，其可靠、安全、高效、實時協(xié)同等優(yōu)點引起了各行業(yè)的廣泛關(guān)注。數(shù)字孿生作為信息物理系統(tǒng)融合領(lǐng)域的新技術(shù)，憑借物聯(lián)網(wǎng)獲取的與日俱增的海量信息和長期積累的各類歷史數(shù)據(jù)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(zhí)行能力的數(shù)字孿生體，為海洋鉆井平臺數(shù)字化和智慧化研究提供了新思路。

本文從信息物理系統(tǒng)融合角度，探討基于數(shù)字孿生的半潛式鉆井平臺關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，利用大量實時監(jiān)測數(shù)據(jù)驅(qū)動信息空間中構(gòu)建的設(shè)備狀態(tài)演變、運行監(jiān)測等各類模型,實現(xiàn)在信息空間中模擬和預測海洋鉆井平臺的關(guān)鍵設(shè)備發(fā)展變化情況。考慮一方面利用模擬預測結(jié)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(jiān)測產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)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(guān)系。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近年來，我國在海洋鉆井平臺數(shù)字化研究中取得了許多成果，比如，將三維激光掃描技術(shù)與三維地理信息系統(tǒng)應(yīng)用到海洋鉆井平臺模型的搭建，利用細節(jié)層次模型技術(shù)和動態(tài)調(diào)度技術(shù)將建好的三維模型加載到鉆井平臺管理系統(tǒng)，實現(xiàn)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(xiàn)實技術(shù)開發(fā)了海上石油鉆井平消防演示仿真系統(tǒng)，有利于學員從根本上克服現(xiàn)場培訓所帶來的各種負面影響[5]；運用應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)，及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)異常或損傷[6]；運用光纖光柵傳感技術(shù)優(yōu)選平臺的有效部位，采用高效的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，設(shè)計測點布置網(wǎng)絡(luò)，分析監(jiān)測應(yīng)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(jié)構(gòu)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(yīng)力狀態(tài)并建立檢測數(shù)據(jù)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(shù)字化鉆井平臺建設(shè)方面，美國通用電氣公司GE依托工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)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(shù)字鉆井船和數(shù)字孿生體的試點工作。數(shù)字鉆機連接到所有目標控制系統(tǒng)，通過集中在鉆井船上的傳感器和控制系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)并實時發(fā)送到GE的工業(yè)性能和可靠性中心，以此建立實際資產(chǎn)數(shù)字副本的數(shù)據(jù)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(shù)研究中心結(jié)合遠程操控、虛擬現(xiàn)實和實時監(jiān)測等技術(shù)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(xiàn)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(yè)研究院海洋研究機構(gòu)(SINTEF Ocean)正在合作創(chuàng)建一個用于開發(fā)新船的開放資源數(shù)字平臺，該平臺旨在建立關(guān)于數(shù)字化模型及系統(tǒng)仿真的海事行業(yè)標準的聯(lián)合工業(yè)項目，從而將允許行業(yè)各方可以重復使用模型并更安全、更經(jīng)濟高效地建立現(xiàn)有及未來資產(chǎn)的數(shù)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(tǒng)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(shù)字雙胞胎”，作為一個油氣無人生產(chǎn)設(shè)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(shè)計質(zhì)量和流程，增強跨學科協(xié)作，降低項目和運營風險；同時還將為石油和天然氣生產(chǎn)設(shè)施提供自主、無人和遠程運營的優(yōu)勢條件。

從國內(nèi)外的發(fā)展趨勢來看，數(shù)字化海洋平臺凸現(xiàn)出綜合化、智能化、虛擬化的趨勢，以數(shù)字化建模為基礎(chǔ)，構(gòu)建海洋平臺的數(shù)字孿生模型，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代通信技術(shù)實現(xiàn)平臺的數(shù)據(jù)集成和全方位監(jiān)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(jīng)濟效益和社會效益。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

針對海上鉆井平臺結(jié)構(gòu)復雜、設(shè)備布置密集、工作環(huán)境惡劣等特點，構(gòu)建海上鉆井平臺的五維數(shù)字孿生系統(tǒng)[9]，見圖1。系統(tǒng)包括實際物理鉆井平臺、信息空間的虛擬平臺、孿生數(shù)據(jù)、海洋平臺運維服務(wù)和各子系統(tǒng)之間的連接。

圖1 數(shù)字孿生鉆井平臺系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 技術(shù)路線

基于數(shù)字孿生五維模型開發(fā)的鉆井平臺系統(tǒng)包含物理實體、虛擬模型、信息傳輸、孿生數(shù)據(jù)和應(yīng)用服務(wù)五部分內(nèi)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(xiàn)方式為三維動畫和三維模擬成像，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，把專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的一些難以實現(xiàn)的場景進行虛擬可視化還原，其優(yōu)勢在于能夠?qū)⒁恍┰居袛?shù)字表現(xiàn)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(tài)監(jiān)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(jiān)測技術(shù)和通信技術(shù)對物理實體的運行狀態(tài)進行監(jiān)測，并在虛擬模型上表達，從而實現(xiàn)信息的可視化顯示。此外，由于各海上平臺的工作狀態(tài)和工作環(huán)境的差異性，可以通過平臺-陸地遠程通訊技術(shù)將平臺數(shù)據(jù)傳輸至陸地端平臺管理系統(tǒng)，綜合對比各平臺的運行狀態(tài)，制定更加準確智能的控制決策。

通過傳感監(jiān)測和數(shù)據(jù)通訊得到的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中的深層信息，就需要通過數(shù)據(jù)分析手段對原始的傳感監(jiān)測數(shù)據(jù)進行特征提取，獲得系統(tǒng)狀態(tài)與系統(tǒng)響應(yīng)之間的對應(yīng)關(guān)系。目前常用的數(shù)據(jù)分析手段包括傳統(tǒng)的基于時頻域轉(zhuǎn)換的信號處理方法和新興的大數(shù)據(jù)驅(qū)動的基于人工智能的數(shù)據(jù)處理方法。通過將數(shù)據(jù)分析結(jié)果與現(xiàn)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(guī)則、閾值設(shè)定和操作風險等內(nèi)容，從而提高數(shù)據(jù)分析的處理效率和準確性。數(shù)字孿生鉆井平臺系統(tǒng)綜合了數(shù)字孿生五要素，最終形成了海上平臺安全可視化預控服務(wù)、關(guān)鍵設(shè)備在線精密診斷服務(wù)、平臺可視化管理服務(wù)和平臺-陸地遠程通訊服務(wù)。

3 應(yīng)用實踐

以某海洋石油半潛式鉆井平臺為例，開發(fā)基于數(shù)字孿生的海洋平臺關(guān)鍵設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)。

3.1 監(jiān)測方案

系統(tǒng)監(jiān)測方案見圖2。

圖2 海洋石油半潛式鉆井平臺關(guān)鍵設(shè)備全方位監(jiān)測方案

為了獲取設(shè)備的不同狀態(tài)參數(shù)，應(yīng)用加速度、沖擊脈沖、油液分析儀等傳感器對關(guān)鍵設(shè)備的運行狀態(tài)進行感知，通過嵌入式控制器、采集卡和保護模塊實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的采集，最后由光纖交換機將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器并集成存儲，實現(xiàn)平臺關(guān)鍵設(shè)備的實時監(jiān)測。通過通訊卡(Modbus/Profibus)以及硬接線讀取控制系統(tǒng)中溫度、壓力、電壓、電流等相關(guān)工況參數(shù)，實現(xiàn)與平臺現(xiàn)有控制系統(tǒng)的互通互聯(lián)，全方位整合平臺海量的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，進而為數(shù)據(jù)分析奠定基礎(chǔ)。

3.2 系統(tǒng)開發(fā)

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

為了能實現(xiàn)平臺關(guān)鍵設(shè)備的全生命周期管理，系統(tǒng)設(shè)計了歷史趨勢分析模塊，通過對任意設(shè)備、任意測點、任意時間段的數(shù)據(jù)查詢，形成趨勢圖表，隨時獲得設(shè)備生命周期中的異常數(shù)據(jù)。依據(jù)這些歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的回歸方法，建立平臺關(guān)鍵設(shè)備的狀態(tài)預測模型，實現(xiàn)平臺關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)的智能預測與預警。系統(tǒng)還設(shè)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(nèi)系統(tǒng)的報警信息，這對及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常狀態(tài)以及后期維修保養(yǎng)具有關(guān)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(xiàn)平臺關(guān)鍵設(shè)備的協(xié)同管理。

數(shù)字孿生鉆井平臺關(guān)鍵設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)已在現(xiàn)場得到了有效利用，實時監(jiān)測下，鉆井平臺在某井作業(yè)過程中關(guān)鍵設(shè)備的運行狀態(tài)趨勢見圖3。選擇的測點分別為：頂驅(qū)電機上軸承、頂驅(qū)電機下軸承、主機發(fā)電機驅(qū)動端軸承、主機柴油機驅(qū)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(guān)鍵設(shè)備任一時間段內(nèi)的運行狀態(tài)，為設(shè)備維護管理、作業(yè)控制提供有效技術(shù)保障。

圖3 半潛式鉆井平臺關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)趨勢分析

4 結(jié)論

將數(shù)字孿生概念運用到半潛式鉆井平臺的智慧化建設(shè)中，運用傳感監(jiān)測技術(shù)實現(xiàn)物理實體的描述，三維建模軟件構(gòu)建與物理實體相映射的虛擬模型。結(jié)合數(shù)據(jù)交互和數(shù)據(jù)仿真技術(shù)，實現(xiàn)了設(shè)備狀態(tài)精準模擬。數(shù)據(jù)信息直觀可視，打破了傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)在數(shù)據(jù)呈現(xiàn)上的弊端，集成了人工智能技術(shù)的數(shù)字孿生模型實現(xiàn)了物理實體與虛擬系統(tǒng)之間的雙向映射和互操作，并可不斷優(yōu)化實現(xiàn)系統(tǒng)自升級。所創(chuàng)建的數(shù)字孿生鉆井平臺系統(tǒng)實現(xiàn)了鉆井平臺安全智能診斷、關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)智能預測預警以及平臺安全可視化預控等智能服務(wù)，可為平臺安全有效運行提供保障。