智能油氣田數(shù)字孿生體建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究*

胡耀義

（中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司西南分公司，四川 成都 610041）

1 智能油氣田建設(shè)的構(gòu)想

油氣田的數(shù)字化完成了物理油氣田及其附屬物信息的數(shù)字化轉(zhuǎn)換，智能油氣田是基于數(shù)字化油氣田，實(shí)現(xiàn)油氣田生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)及管理的智能決策、全面感知、趨勢(shì)預(yù)測(cè)、信息共享、主動(dòng)管理和業(yè)務(wù)協(xié)同，并通過(guò)價(jià)值模型/經(jīng)濟(jì)模型的建立，使得油氣田具備人的邏輯思維和行為特征，進(jìn)而達(dá)到油氣田智能化運(yùn)營(yíng)和智慧化發(fā)展的愿景。

對(duì)于智能油氣田的總體架構(gòu)，從建設(shè)內(nèi)容的角度看，主要包括數(shù)據(jù)生態(tài)與應(yīng)用生態(tài)兩部分。其中，數(shù)據(jù)生態(tài)建設(shè)主要解決數(shù)據(jù)的資產(chǎn)化管理與運(yùn)營(yíng)問(wèn)題，需涵蓋數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、交付、應(yīng)用及管理五項(xiàng)內(nèi)容，最終目標(biāo)是形成可支撐油氣田智能化運(yùn)營(yíng)與管理的數(shù)字孿生體；應(yīng)用生態(tài)建設(shè)是基于數(shù)據(jù)生態(tài)形成可視化或智能化的應(yīng)用，需包括但不限于油氣田建設(shè)管理、設(shè)備與設(shè)施管理、生產(chǎn)運(yùn)行管理、安全與應(yīng)急管理以及其他綜合性管理內(nèi)容。

智能油氣田的數(shù)據(jù)生態(tài)和應(yīng)用生態(tài)在相互依賴、相互影響、相互制約的環(huán)境中協(xié)同工作，共同支撐智能油氣田的螺旋式運(yùn)行優(yōu)化和漸進(jìn)式管理提升。

2 數(shù)字孿生體建設(shè)的總體方案

2.1 建設(shè)目標(biāo)與范圍

構(gòu)建數(shù)字孿生體，提升數(shù)據(jù)質(zhì)量，降低或消除數(shù)據(jù)孤島，通過(guò)數(shù)據(jù)的資產(chǎn)化管理與運(yùn)營(yíng)，實(shí)現(xiàn)油氣田企業(yè)數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理的內(nèi)增值、外增效，促進(jìn)油氣田運(yùn)營(yíng)管理水平的提升是數(shù)字孿生體建設(shè)的本質(zhì)目標(biāo)。

數(shù)字化孿生體建設(shè)的范圍主要包括數(shù)字孿生體的形成，承載、管理數(shù)字孿生體的平臺(tái)與工具，以及其配套的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范體系3部分內(nèi)容。數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)主要包括數(shù)字化建造過(guò)程中的二、三維設(shè)計(jì)，四維及多維采購(gòu)與施工，以及運(yùn)行過(guò)程中的檢維修等數(shù)據(jù)。承載、管理數(shù)字孿生體的平臺(tái)與工具主要包括數(shù)據(jù)采集工具，以及數(shù)據(jù)資產(chǎn)的存儲(chǔ)、交付、應(yīng)用、管理等工具。

2.2 建設(shè)思路

隨著三維協(xié)同設(shè)計(jì)理論體系和軟件支撐體系的不斷發(fā)展，三維協(xié)同設(shè)計(jì)將成為未來(lái)工程設(shè)計(jì)行業(yè)的必然趨勢(shì)。文章所提出的數(shù)字孿生體構(gòu)建方法就是以三維模型為載體，通過(guò)物資編碼和設(shè)備位號(hào)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工及檢維修等數(shù)據(jù)在三維模型上的關(guān)聯(lián)與融合，即通過(guò)三維模型將油氣田所有結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行整合與呈現(xiàn)，最終形成與物理油氣田及其附屬信息完全一致的數(shù)字油氣田，即數(shù)字孿生體。

2.3 建設(shè)內(nèi)容與重點(diǎn)

數(shù)字化孿生體的組成要素，一是構(gòu)成物理油氣田各個(gè)對(duì)象，二是每個(gè)對(duì)象所攜帶的屬性數(shù)據(jù)，三是對(duì)象與對(duì)象之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系及其標(biāo)簽數(shù)據(jù)。這三個(gè)方面的內(nèi)容需通過(guò)數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理與運(yùn)營(yíng)平臺(tái)來(lái)予以承載。因此，數(shù)字孿生建設(shè)重點(diǎn)包括數(shù)據(jù)的資產(chǎn)化建設(shè)，以及承載和管理數(shù)字孿生體的平臺(tái)與工具。

3 數(shù)字孿生體建設(shè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與關(guān)鍵技術(shù)

3.1 數(shù)字化交付標(biāo)準(zhǔn)

從業(yè)務(wù)鏈與技術(shù)鏈的角度來(lái)看，數(shù)字化交付包括設(shè)計(jì)、采購(gòu)、制造、物流、施工等橫向業(yè)務(wù)鏈上的數(shù)字化交付，以及數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)應(yīng)用、數(shù)據(jù)管理等縱向技術(shù)鏈上數(shù)字化交付。文章所指的數(shù)字化交付是指通過(guò)數(shù)字化建造形成的數(shù)字孿生體向業(yè)主數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理與運(yùn)營(yíng)平臺(tái)的移交。

數(shù)字孿生體的價(jià)值在于為油氣田的智能化運(yùn)營(yíng)提供數(shù)據(jù)支撐，因此，數(shù)字化交付的數(shù)據(jù)范圍、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)模型直接決定油氣田智能化應(yīng)用的程度和水平。

（1）數(shù)據(jù)范圍：智能化油氣田的規(guī)劃階段，就要確定數(shù)字孿生體在建設(shè)期的數(shù)據(jù)交付范圍，其內(nèi)容主要包括二維結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和文檔數(shù)據(jù)、三維模型及其屬性數(shù)據(jù)，以及基于三維的設(shè)計(jì)成果的多維采購(gòu)與施工等業(yè)務(wù)鏈數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：油氣田的數(shù)據(jù)量龐大、數(shù)據(jù)類型多樣、數(shù)據(jù)關(guān)系復(fù)雜、數(shù)據(jù)查詢與讀寫(xiě)速率要求高，而滿足這些特征的最佳數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就是樹(shù)或圖。目前NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)的深化應(yīng)用和不斷發(fā)展，為數(shù)字孿生體數(shù)據(jù)的組織提供了解決方案。

（3）數(shù)據(jù)模型：數(shù)據(jù)模型包括了概念模型、邏輯模型和物理模型，針對(duì)數(shù)字孿生體數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 15926和《石油化工工程數(shù)字化交付標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51296-2018）提供了一種較為適宜的思路和方法。

3.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

按照《大數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化白皮書(shū)（2018版）》和《數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理實(shí)踐白皮書(shū)（3.0版）》的內(nèi)容來(lái)看，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)可以分為數(shù)據(jù)資源、數(shù)據(jù)共享與交換兩部分內(nèi)容。其中數(shù)據(jù)資源就是對(duì)數(shù)據(jù)的內(nèi)容、格式、數(shù)據(jù)字典、元數(shù)據(jù)等要素進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，此項(xiàng)工作可根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 15926和《石油化工工程數(shù)字化交付標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51296-2018）進(jìn)行細(xì)化與完善，形成企業(yè)級(jí)的數(shù)據(jù)資源標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)交換與共享是智能油氣田相關(guān)可視化/智能化應(yīng)用調(diào)用數(shù)據(jù)的接口與方法，當(dāng)前可以借鑒的前瞻技術(shù)有基于微服務(wù)架構(gòu)的數(shù)據(jù)中臺(tái)，該方法可為前臺(tái)應(yīng)用提供多樣化的數(shù)據(jù)訴求和快速響應(yīng)能力，當(dāng)然需要后臺(tái)數(shù)據(jù)湖或數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理與運(yùn)營(yíng)平臺(tái)予以支撐。

3.3 智能建造技術(shù)

（1）智能化條件下的油氣田工程建設(shè)有別于傳統(tǒng)油氣田工程建設(shè)，核心是如何利用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)成果、物資編碼和設(shè)備位號(hào)等，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工地面建設(shè)工程業(yè)務(wù)鏈的貫通，形成設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工三位一體的數(shù)字化建造環(huán)境，開(kāi)展四維或多維的數(shù)字化采購(gòu)和數(shù)字化施工，助力油氣田的智能化運(yùn)營(yíng)和智慧化發(fā)展。

（2）以三維模型為核心，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化全專業(yè)二、三維協(xié)同設(shè)計(jì)成果的信息關(guān)聯(lián)、在線審查和可視化查詢，并融合三維模型、物資編碼、設(shè)備位號(hào)和進(jìn)度計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)了四維采購(gòu)實(shí)際狀態(tài)展示，以及與計(jì)劃狀態(tài)的對(duì)比和預(yù)警，實(shí)現(xiàn)物資采購(gòu)的有效管理和狀態(tài)監(jiān)控，同時(shí)構(gòu)建采購(gòu)組包規(guī)則庫(kù)，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字化全專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計(jì)成果的智能組包，達(dá)到了油氣田工程項(xiàng)目采購(gòu)組包的精細(xì)化管理，解決了采購(gòu)組包的漏項(xiàng)問(wèn)題。

（3）將三維模型和現(xiàn)場(chǎng)施工管理深度融合，形成施工四維狀態(tài)管理模型和信息深度融合，為現(xiàn)場(chǎng)施工的人、機(jī)、料管理和安排提供準(zhǔn)確依據(jù)，同時(shí)基于三維數(shù)字化模型，實(shí)現(xiàn)焊縫信息的四維管理和焊縫施工信息在三維模型的呈現(xiàn)，為智能化運(yùn)營(yíng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

基于三維模型形成的帶有設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工等最終屬性信息的模型，即三維竣工圖（數(shù)字孿生體）。

3.4 數(shù)據(jù)資產(chǎn)化管理技術(shù)

形成數(shù)據(jù)資產(chǎn)的前提條件是數(shù)據(jù)要產(chǎn)生價(jià)值，數(shù)據(jù)的資產(chǎn)化管理是智能油氣田數(shù)據(jù)生態(tài)構(gòu)建的基石。油氣企業(yè)的數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理主要包括數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)的交換、數(shù)據(jù)的質(zhì)量、數(shù)據(jù)的安全、數(shù)據(jù)的服務(wù)與應(yīng)用7項(xiàng)管理內(nèi)容，而完成數(shù)據(jù)資產(chǎn)化管理的成功要素就是形成數(shù)據(jù)閉環(huán)，即數(shù)據(jù)的全生命周期管理。

數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理技術(shù)框架的設(shè)計(jì)，需以數(shù)據(jù)采集為起點(diǎn)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)的模型化、數(shù)據(jù)的平臺(tái)化提供服務(wù)到最后數(shù)據(jù)的銷毀，從而全面盤(pán)活數(shù)據(jù)資產(chǎn)、增強(qiáng)數(shù)據(jù)質(zhì)量、加強(qiáng)數(shù)據(jù)安全、提升數(shù)據(jù)獲取效率、持續(xù)釋放數(shù)據(jù)價(jià)值。

需要說(shuō)明的是數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系可通過(guò)定義規(guī)則進(jìn)行配置，即完全基于數(shù)據(jù)邏輯的關(guān)聯(lián)，數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)過(guò)程中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，而數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系可通過(guò)規(guī)則進(jìn)行事后定義，而不是傳統(tǒng)意義上的數(shù)據(jù)“硬”關(guān)聯(lián)。同時(shí)，對(duì)象與對(duì)象之間形成具有關(guān)聯(lián)關(guān)系的端到端模型，且允許用戶進(jìn)行關(guān)系的自定義，并可通過(guò)數(shù)據(jù)資產(chǎn)目錄進(jìn)行分類管理，最終實(shí)現(xiàn)面向應(yīng)用的敏捷交付。

3.5 數(shù)據(jù)編碼技術(shù)

數(shù)據(jù)編碼是數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，是企業(yè)或組織保證數(shù)據(jù)資產(chǎn)的安全、完整、合理配置、有效利用的最有效的辦法。

（1）一個(gè)擁有大量數(shù)據(jù)的企業(yè)，要發(fā)揮其數(shù)據(jù)的價(jià)值必須整合和加工現(xiàn)有或新建的各種信息系統(tǒng)或者業(yè)務(wù)應(yīng)用中的數(shù)據(jù)，并通過(guò)將經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)嵌入到業(yè)務(wù)流程中，實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)營(yíng)與管理，在此過(guò)程中，企業(yè)能不能做好數(shù)據(jù)編碼就顯得尤為重要。

（2）在數(shù)據(jù)產(chǎn)生到數(shù)據(jù)整合、加工、使用的端到端過(guò)程中，數(shù)據(jù)編碼對(duì)數(shù)據(jù)定義、格式、業(yè)務(wù)規(guī)則、加工邏輯等全生命周期的管理起到了不可或缺的作用。數(shù)據(jù)編碼的管理是讓數(shù)據(jù)的使用者能夠清楚地掌握數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)關(guān)系，進(jìn)而能夠用好、管好數(shù)據(jù)。

（3）要做好數(shù)據(jù)編碼，一定要在編碼的完整性、一致性、準(zhǔn)確性、唯一性、規(guī)范性上做足工作，保證每一條數(shù)據(jù)的編碼都符合以上的要素，這樣才能把數(shù)據(jù)編碼更好的用在企業(yè)的數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理中去。

3.6 數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)

在傳統(tǒng)模式下，應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的應(yīng)用通過(guò)API、中間庫(kù),或文件形成。在智能化條件下，對(duì)數(shù)據(jù)的應(yīng)用要求呈現(xiàn)出不同的需求，可通過(guò)屏蔽數(shù)據(jù)源，通過(guò)數(shù)據(jù)中臺(tái)的API網(wǎng)關(guān)為業(yè)務(wù)應(yīng)用提供統(tǒng)一規(guī)范的接口，提供接口交付、文件交付、中間庫(kù)交付等多種標(biāo)準(zhǔn)交付模式，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)快速的、敏捷的、中臺(tái)化的數(shù)據(jù)交付服務(wù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字孿生體建設(shè)的核心就是通過(guò)智能建造實(shí)現(xiàn)建設(shè)期不同類型數(shù)據(jù)的融合，以及基于建設(shè)期數(shù)字孿生體之上的運(yùn)營(yíng)期數(shù)據(jù)的不斷更新與迭代，使之始終保持與物理油氣田實(shí)體及附屬信息的高度一致。眾所周知，油氣田建設(shè)期的數(shù)據(jù)具有不可逆的特征，尤其是地下隱蔽工程，會(huì)影響數(shù)字孿生體承載的數(shù)據(jù)質(zhì)量和應(yīng)用效果。文章所論述的智能油氣田數(shù)字孿生體關(guān)鍵技術(shù)為數(shù)字孿生體建設(shè)提供理論依據(jù)和關(guān)鍵技術(shù)選型的最佳實(shí)踐，助力油氣企業(yè)數(shù)字化建造、智能化運(yùn)營(yíng)和管理水平的持續(xù)提升和不斷創(chuàng)新發(fā)展。