數(shù)字孿生標準體系在石油化工行業(yè)的構(gòu)建

張 霞

（森諾科技有限公司，山東 東營 257000）

數(shù)字孿生技術(shù)在石油化工行業(yè)的應(yīng)用，為解決產(chǎn)品質(zhì)量差、生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品銷售困難等問題上提供了可操作的解決方案，很多的石油化工企業(yè)選擇利用數(shù)字孿生技術(shù)建立生產(chǎn)模型，能夠幫助企業(yè)迅速發(fā)展。然而，目前在石油化工行業(yè)領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用還處于初級階段，大多數(shù)研究還處于理論階段，缺乏實際實踐。因此，為了實現(xiàn)數(shù)字孿生在石油行業(yè)的真正登陸，還需要科研人員與企業(yè)進一步密切合作，進行更深地開發(fā)和研究。

1 數(shù)字孿生技術(shù)概述

1.1 數(shù)字孿生內(nèi)涵

1969年，美國宇航局的阿波羅計劃，為了確?！败壍郎狭愎收稀?，利用在軌裝配技術(shù)，建造了一對雙胞胎，通過大量的模擬測試，來反映運行中的航天器的狀態(tài)，以降低成本，這就是數(shù)字雙胞胎（數(shù)字孿生）的起源。Grieves教授于2003年提出了“產(chǎn)品生命周期管理”和“實物產(chǎn)品的虛擬數(shù)字等價物”的概念，并給出了詳細的定義，即數(shù)字雙胞胎的正式出現(xiàn)，Grieves教授被稱為“數(shù)字雙胞胎之父”。2003～2005年，數(shù)字孿生技術(shù)被稱為“鏡像空間模型”，后來又被稱為“信息鏡像模型”。直到2011年，“數(shù)字雙胞胎”這個名稱才被正式采用，定義為“一個實現(xiàn)虛擬產(chǎn)品及其關(guān)聯(lián)的三維模型”，具有將實物產(chǎn)品映射到虛擬信息空間的功能，以及對產(chǎn)品生命周期的實時監(jiān)控，從而優(yōu)化了產(chǎn)品維護過程。隨著飛機技術(shù)要求的提高，研究人員開始將數(shù)字孿生與飛機設(shè)計結(jié)合起來，將數(shù)字孿生描述為仿真模型，通過物理模型和各種數(shù)據(jù)反映相應(yīng)物理實體的性質(zhì)。同時，美國空軍將數(shù)字孿生的功能定義為“反映物理實體在虛擬信息空間中的功能、實時狀態(tài)和演化趨勢”。2015年，民用通用產(chǎn)品數(shù)字孿生問世，并在民用基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)中得到應(yīng)用。2017年，數(shù)字化雙面車間(數(shù)字車間)的出現(xiàn)，不僅使制造車間進入了數(shù)字化轉(zhuǎn)型階段，而且為制造車間的建設(shè)提供了相關(guān)的理論依據(jù)[1]。

1.2 數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字孿生技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括:多域多尺度融合建模、數(shù)據(jù)采集與傳輸技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、高性能計算、數(shù)據(jù)驅(qū)動與物理模型融合狀態(tài)評估、生命周期數(shù)據(jù)管理等。

1.2.1 多領(lǐng)域多尺度融合建模

多域建模是將不同領(lǐng)域的模型組合成一個具有不同屬性的綜合模型，在特定域建模多尺度模型的基礎(chǔ)上進行數(shù)據(jù)集成，是對單尺度模型的多維擴展，通過調(diào)整物理參數(shù)來連接同一模型在不同時間內(nèi)的變化，通過分析不同時間模型的工作狀態(tài)來獲得更高的模型精度。

多領(lǐng)域多尺度融合模型是在自然科學(xué)、工程技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)等不同學(xué)科中，以多個理論為指導(dǎo)建立起來的一套較為完整而科學(xué)的綜合方案。它可以將一個復(fù)雜問題分解成若干個小部分，通過對各個具體對象進行分析比較得出規(guī)律性強，且具有普遍適用價值并能被實際應(yīng)用所利用，從而達到解決各種現(xiàn)實或經(jīng)濟社會領(lǐng)域面臨重大課題難題時，能夠發(fā)揮其應(yīng)有作用和效果。

1.2.2 數(shù)據(jù)采集和傳輸

高效的數(shù)據(jù)采集和傳輸是數(shù)字孿生技術(shù)的基礎(chǔ)。同時，先進可靠的傳輸網(wǎng)絡(luò)使采集到的數(shù)據(jù)能夠快速準確地傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，保證了數(shù)字孿生技術(shù)的實時應(yīng)用，保證了數(shù)字孿生系統(tǒng)的及時性能[2]。

1.2.3 VR呈現(xiàn)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)不僅可以再現(xiàn)目標系統(tǒng)的狀態(tài)，還可以通過虛擬地圖將收集到的數(shù)據(jù)映射到創(chuàng)建的數(shù)字雙系統(tǒng)中，從而保證人機交互的實時連續(xù)性。虛擬現(xiàn)實技術(shù)使用戶能夠通過數(shù)字雙機系統(tǒng)快速學(xué)習(xí)和理解目標系統(tǒng)的各種信息，幫助用戶激發(fā)系統(tǒng)的改進，有助于人們監(jiān)測和指導(dǎo)復(fù)雜設(shè)備的制造、操作和維護。

1.2.4 高性能計算

由于需要實時繪圖，數(shù)字雙系統(tǒng)應(yīng)該具有很強的計算能力。考慮到硬件技術(shù)的現(xiàn)狀，目前的方法是基于分布式計算平臺，輔之以高性能嵌入式計算系統(tǒng)和異構(gòu)加速計算系統(tǒng)的融合，并通過優(yōu)化數(shù)據(jù)分發(fā)級別、檢索方法和存儲形式，以提高操作性能。

1.2.5 全壽命周期數(shù)據(jù)管理

復(fù)雜系統(tǒng)的生命周期數(shù)據(jù)存儲和管理是數(shù)字雙系統(tǒng)的另一項關(guān)鍵技術(shù)，即通過云服務(wù)器進行分布式管理、高速讀取和備份冗余數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)分析算法的開發(fā)提供了大量可靠的數(shù)據(jù)，對維護整個數(shù)字雙系統(tǒng)的正常運行起到關(guān)鍵作用。采用全壽命周期數(shù)據(jù)管理，能對一個完整的工程項目進行全過程、全方位和多角度地動態(tài)規(guī)劃與控制，使項目的開發(fā)成本最小化，即從設(shè)計階段到運行維護階段都能在極小程度上降低風(fēng)險。

1.2.6 其他關(guān)鍵技術(shù)

人工智能的發(fā)展為數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展提供了動力。在不同的數(shù)字孿生應(yīng)用場景中，數(shù)據(jù)生成、建模和數(shù)據(jù)分析可以通過定量分析進行優(yōu)化，不需要或只需要小樣本強化學(xué)習(xí)。此外，半實物仿真、驗證和評估方法在數(shù)字雙平臺建設(shè)過程中也非常重要。將這些技術(shù)與數(shù)字孿生技術(shù)相結(jié)合，可以大大提高數(shù)字孿生系統(tǒng)的性能，促進數(shù)字孿生技術(shù)的不斷進步。

2 數(shù)字孿生標準體系在石油化工行業(yè)的構(gòu)建

當前，數(shù)字孿生在石油工業(yè)領(lǐng)域還處于開發(fā)階段，與大規(guī)模應(yīng)用還有較大差距，但研究重點已基本指明方向，主要集中在以下四個方面：建設(shè)目標、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)主要功能、應(yīng)用情景開發(fā)。

2.1 建設(shè)目標

要完成石化工業(yè)的任務(wù)，就必須開發(fā)相應(yīng)的數(shù)字雙系統(tǒng)框架。通過改進信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)的融合方法，優(yōu)化了多時相多尺度模型的參數(shù)求解性能，提高了石化工業(yè)關(guān)鍵過程指標的預(yù)測能力。同時，進一步改進了石化工業(yè)系統(tǒng)故障診斷和關(guān)鍵應(yīng)用場景中工藝參數(shù)優(yōu)化的數(shù)字雙解決設(shè)計，使其更大、更實用。

2.2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

目前在數(shù)字孿生的基礎(chǔ)上建立了石化工業(yè)物理實體狀態(tài)的虛擬模型，然后利用各種傳感器和其他基礎(chǔ)設(shè)施收集石化工業(yè)生產(chǎn)過程中可能涉及到的所有數(shù)據(jù)，最后將石化工業(yè)的物理實體映射到虛擬實體，并利用各種優(yōu)化算法對模型參數(shù)進行改進和優(yōu)化。

2.3 系統(tǒng)主要功能

在石化工業(yè)中引入數(shù)字雙機技術(shù)的主要目的是對設(shè)備和系統(tǒng)運行過程進行模擬、分析、優(yōu)化、監(jiān)控和預(yù)測。通過對設(shè)備運行過程的仿真，獲得了設(shè)備的性能參數(shù)，并將這些參數(shù)加入到模型中進行分析，以預(yù)測關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備的質(zhì)量和關(guān)鍵控制指標，最終優(yōu)化設(shè)備和系統(tǒng)工藝。

3 數(shù)字孿生技術(shù)在石油化工行業(yè)行業(yè)的前景分析

為了在擴大石化工業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模，保障石化工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量和服務(wù)效率，更多的石油化工企業(yè)為了提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本，建立了數(shù)字化的石化產(chǎn)品孿生體。目前，數(shù)字孿生技術(shù)在石化工業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)取得一定成果，其發(fā)展方向包括以下幾個方面。

3.1 融合5G技術(shù)的數(shù)據(jù)采集與傳輸

高效的數(shù)據(jù)采集和傳輸是數(shù)字孿生技術(shù)的基礎(chǔ)。石化工業(yè)場地復(fù)雜，需要采集的信息節(jié)點多，自動化程度要求高，這就要求在實施數(shù)字雙機技術(shù)時，必須保證高效、準確的數(shù)據(jù)采集和傳輸。一方面，“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”可以整合石化工業(yè)場地的信息流、指令流和操作流，完成各個環(huán)節(jié)的在線遠程控制，實現(xiàn)石油工業(yè)系統(tǒng)和設(shè)備的數(shù)字化雙機。進一步發(fā)展，“5G+產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”可以收集和獲取全社會生產(chǎn)資源、生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)能力的信息，實現(xiàn)大規(guī)模協(xié)同的長尾效應(yīng)，促進石油化工行業(yè)生產(chǎn)習(xí)慣和實踐的逐步優(yōu)化、高速迭代，實現(xiàn)效率最大化；另一方面，隨著數(shù)字雙胞胎的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)安全問題顯得尤為重要。由于引進了數(shù)字雙生技術(shù)和加速的一體化，石化工業(yè)系統(tǒng)從原來的封閉系統(tǒng)向開放系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。為了保持高效率，實現(xiàn)資源控制，應(yīng)盡可能簡化網(wǎng)絡(luò)連接過程，使其高效、順暢，但系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險將被完全暴露出來。如果“5G+石油工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”受到攻擊，將直接破壞石化工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)能力，造成巨大損失。因此，融合5G通信技術(shù)，構(gòu)建數(shù)字雙網(wǎng)安全保障體系，解決數(shù)字雙海量數(shù)據(jù)的采集和傳輸，將是石化工業(yè)領(lǐng)域數(shù)字雙網(wǎng)技術(shù)的主要研究和應(yīng)用方向。

3.2 數(shù)字孿生智能信息處理方法

石化工業(yè)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)源多、時變性強的特點。系統(tǒng)模型多種多樣，難以匹配。系統(tǒng)計算復(fù)雜，模型求解困難。傳統(tǒng)的信息處理方法越來越不完善，給數(shù)字孿生在石化工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用帶來了巨大的挑戰(zhàn)。云計算和云存儲、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、人工智能等為數(shù)字雙胞胎處理和系統(tǒng)建模提供了很好的手段。如何利用這些智能方法完成數(shù)字孿生的信息處理，是石化油工業(yè)領(lǐng)域數(shù)字孿生的下一步研究和努力的方向。

4 結(jié)語

該技術(shù)已經(jīng)成為數(shù)字化領(lǐng)域最有前途的技術(shù)之一，數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展迅速，在許多領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴大。石油化工行業(yè)作為國家的重要戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，可以利用數(shù)字化技術(shù)對其進行技術(shù)升級，大大提高其經(jīng)濟效益和社會效益。目前，通過對數(shù)字孿生在生產(chǎn)過程建模與參數(shù)優(yōu)化、工藝參數(shù)設(shè)計與仿真、系統(tǒng)健康監(jiān)測與遠程維護等方面的應(yīng)用研究，極大提高了石化工業(yè)領(lǐng)域的數(shù)字化與智能化水平，不斷取得不錯的成果。然而，數(shù)字雙晶技術(shù)在石化工業(yè)中的應(yīng)用還存在不少難題。在今后研究中，石油化工行業(yè)中的數(shù)字雙星將在標準系統(tǒng)建設(shè)、5G技術(shù)數(shù)據(jù)采集與傳輸、智能信息處理算法等方面做出輝煌的研究成果。