數(shù)字孿生技術(shù)及其在石油化工行業(yè)的應(yīng)用

陳岳飛，肖珍芳 ，方 向

(1. 中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院戰(zhàn)略研究中心，北京 100029；2. 中國(guó)社會(huì)科學(xué)院財(cái)經(jīng)戰(zhàn)略研究院，北京 100028；3. 國(guó)家煤炭石油天然氣分析儀器產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，湖南 長(zhǎng)沙 410014）

近年來(lái)我國(guó)石油化工技術(shù)大幅提升、產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大， 但目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)仍有64.5%的石油依賴進(jìn)口，其主要原因不僅中國(guó)是石油消費(fèi)大國(guó)，同時(shí)石油化工技術(shù)也需進(jìn)一步發(fā)展。 技術(shù)創(chuàng)新不夠是阻礙中國(guó)石油化工行業(yè)快速發(fā)展的主要原因，其直接導(dǎo)致石油化工產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)面臨資源浪費(fèi)、環(huán)境污染大、產(chǎn)品質(zhì)量差、生產(chǎn)效率低等問(wèn)題。 與此同時(shí)，數(shù)字化成為了新經(jīng)濟(jì)條件下工業(yè)發(fā)展的新引擎，而數(shù)字孿生技術(shù)正好滿足了讓物理與信息世界相互融合、 實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的智能制造與流程工業(yè)的要求，因而受到了石油化工行業(yè)的廣泛關(guān)注。

數(shù)字孿生在石化行業(yè)的應(yīng)用， 為產(chǎn)品質(zhì)量差、生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品難以銷售等問(wèn)題提供了一種切實(shí)可行的解決方案，越來(lái)越多的石油化工企業(yè)選擇用數(shù)字孿生構(gòu)建生產(chǎn)模型以幫助自身發(fā)展。 然而，目前在石油化工領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用仍處于初級(jí)階段，大部分研究仍停留在理論階段，缺乏實(shí)際應(yīng)用，因此要實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生在石油化工行業(yè)的真正落地， 還需要科研人員與企業(yè)進(jìn)一步緊密合作，開展更深層次的研究。

1 數(shù)字孿生技術(shù)概述

1.1 數(shù)字孿生內(nèi)涵

1969年，NASA在阿波羅項(xiàng)目中為了確?！霸谲壛愎收稀保迷谲壯b配技術(shù)，構(gòu)建能夠反映正在工作的航天器狀態(tài)的孿生體，以通過(guò)大量模擬測(cè)試降低成本，這是數(shù)字孿生發(fā)展的起源[1]。格里夫斯（Grieves）教授于2003年提出了“PLM（產(chǎn)品全生命周期）管理”和“用虛擬數(shù)字等價(jià)物理產(chǎn)品”的概念，并給出了詳細(xì)定義，這意味著數(shù)字孿生的正式出現(xiàn)。 格里夫斯教授由此獲得了“數(shù)字孿生之父”的稱號(hào)[2]。 2003-2005年期間， 數(shù)字孿生技術(shù)被稱為 “鏡像空間模型”，之后又被稱為“信息鏡像模型”[3]。 直到2011年，數(shù)字孿生這個(gè)名稱才正式確定，定義為“一種能夠?qū)⑻摂M產(chǎn)品及其連接實(shí)體化的三維模型”， 其功能是將物理產(chǎn)品映射到虛擬信息空間，而且實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的全生命周期，使產(chǎn)品維運(yùn)過(guò)程得到優(yōu)化[2]。 隨著飛行器技術(shù)要求的提高，研究人員開始將數(shù)字孿生與飛行器設(shè)計(jì)相結(jié)合，設(shè)計(jì)過(guò)程中，數(shù)字孿生體被描述為一種仿真模型，其能夠通過(guò)物理模型和各種數(shù)據(jù)反映與之相對(duì)應(yīng)物理實(shí)體的各種屬性[4]。 同時(shí)，美國(guó)空軍將數(shù)字孿生的功能定義為“能夠在虛擬信息空間反映物理實(shí)體的功能、實(shí)時(shí)狀態(tài)和演變趨勢(shì)”[5]。 面向通用民用產(chǎn)品的數(shù)字孿生體于2015年正式出現(xiàn)， 并由此開始在民用基礎(chǔ)工業(yè)獲得了應(yīng)用。 2017年，面向車間的數(shù)字孿生體（數(shù)字車間）的出現(xiàn)， 不僅使制造車間開始步入數(shù)字化轉(zhuǎn)型階段，還為建造制造車間CPS提供了相關(guān)理論基礎(chǔ)。

1.2 數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)主要有：多領(lǐng)域多尺度融合建模、 數(shù)據(jù)采集和傳輸技術(shù)、VR呈現(xiàn)、 高性能計(jì)算、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與物理模型融合的狀態(tài)評(píng)估、全壽命周期數(shù)據(jù)管理等方面[5-8]。

1.2.1 多領(lǐng)域多尺度融合建模

多領(lǐng)域建模是指在特定領(lǐng)域建模的基礎(chǔ)上，通過(guò)融合集成數(shù)據(jù)將來(lái)自不同領(lǐng)域的模型組合成為一個(gè)包含不同屬性的綜合模型；多尺度模型是對(duì)單尺度模型的多維度擴(kuò)展，調(diào)節(jié)物理參數(shù)來(lái)連接不同時(shí)間下的同一個(gè)模型并且分析不同時(shí)間模型的工作狀態(tài)，以獲得更高的模型精度。

1.2.2 數(shù)據(jù)采集和傳輸

數(shù)據(jù)高效采集和傳輸是數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)， 同時(shí)先進(jìn)可靠的傳輸網(wǎng)絡(luò)使采集到的數(shù)據(jù)能夠快速、準(zhǔn)確地傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，為數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)時(shí)應(yīng)用提供保障，以保證數(shù)字孿生系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

1.2.3 VR呈現(xiàn)

VR技術(shù)不僅復(fù)現(xiàn)了目標(biāo)系統(tǒng)的狀態(tài)，還能將采集到的數(shù)據(jù)信息通過(guò)虛擬映射到創(chuàng)造的數(shù)字孿生系統(tǒng)中，保證了人機(jī)互動(dòng)的實(shí)時(shí)連續(xù)性。 VR技術(shù)通過(guò)數(shù)字孿生系統(tǒng)讓使用者快速地學(xué)習(xí)和了解目標(biāo)系統(tǒng)的各種信息， 幫助使用者激發(fā)改進(jìn)系統(tǒng)的靈感，有利于人們實(shí)時(shí)監(jiān)控、指導(dǎo)復(fù)雜裝備的制造、運(yùn)行和維修。

1.2.4 高性能計(jì)算

由于需要實(shí)時(shí)映射，數(shù)字孿生系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有強(qiáng)大的計(jì)算能力。 考慮到硬件技術(shù)發(fā)展水平，目前主要通過(guò)將基于分布式計(jì)算云平臺(tái)作為基礎(chǔ)，輔以融合高性能嵌入式計(jì)算系統(tǒng)和異構(gòu)加速計(jì)算體系，并通過(guò)優(yōu)化數(shù)據(jù)分布層次、 檢索方法和存儲(chǔ)形式，以提髙運(yùn)算性能。

1.2.5 全壽命周期數(shù)據(jù)管理

復(fù)雜系統(tǒng)的全壽命周期數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理是數(shù)字孿生系統(tǒng)另一關(guān)鍵技術(shù)，其通過(guò)云服務(wù)器分布式管理、高速讀取并且備份冗余數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)解析算法的發(fā)展提供大量可靠的數(shù)據(jù)，對(duì)維持整個(gè)數(shù)字孿生系統(tǒng)的運(yùn)行起著重要作用。

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)提供了前進(jìn)動(dòng)力，在不同的數(shù)字孿生應(yīng)用場(chǎng)景中，利用量化分析、 無(wú)樣本或小樣本的增強(qiáng)學(xué)習(xí)能夠優(yōu)化數(shù)據(jù)生成、建模和數(shù)據(jù)分析。 此外，半物理仿真、驗(yàn)證和評(píng)估法等方法在構(gòu)建數(shù)字孿生平臺(tái)過(guò)程中也非常重要。這些技術(shù)與數(shù)字孿生的結(jié)合，能夠極大提高數(shù)字孿生系統(tǒng)的性能，推動(dòng)數(shù)字孿生技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

2 數(shù)字孿生技術(shù)在石油化工行業(yè)的應(yīng)用

2.1 數(shù)字孿生技術(shù)在石油化工行業(yè)的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

利用數(shù)字孿生技術(shù)設(shè)計(jì)出能夠虛擬映射實(shí)體工廠的數(shù)字模型，是實(shí)現(xiàn)石油化工領(lǐng)域數(shù)字化轉(zhuǎn)型與發(fā)展的關(guān)鍵路徑。 目前，國(guó)內(nèi)外各類研究機(jī)構(gòu)和大型企業(yè)積極布局，不斷突破數(shù)字孿生技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)。 陶飛等[9]提出了一種數(shù)字孿生車間概念及實(shí)現(xiàn)模式，包括車間孿生數(shù)據(jù)、物理車間、虛擬車間、車間服務(wù)等，將實(shí)時(shí)車間數(shù)據(jù)反饋到虛擬空間進(jìn)行分析然后用算法進(jìn)行優(yōu)化，從而有效地解決了車間里管理制度差和決策效率低等問(wèn)題， 圖1為數(shù)字孿生車間模型示意圖。 Zhang等[10]利用CPS，提出了一種資源加工服務(wù)狀態(tài)的實(shí)時(shí)感知和自主決策智能建模方法，以解決工廠生產(chǎn)時(shí)遇到的資源配置與自適應(yīng)協(xié)同控制的問(wèn)題。 達(dá)索公司為滿足復(fù)雜產(chǎn)品用戶的交互需求，建設(shè)了3D交互平臺(tái)；設(shè)計(jì)者利用該平臺(tái)可以持續(xù)收集用戶的反饋信息，然后利用這些信息優(yōu)化產(chǎn)品的虛擬模型，并最終改進(jìn)產(chǎn)品實(shí)物的性能[11]。

圖1 數(shù)字孿生車間模型[9]

對(duì)于石油化工行業(yè)，數(shù)字孿生技術(shù)研究及應(yīng)用主要集中在生產(chǎn)全流程和產(chǎn)后維護(hù)上，即油氣勘探開發(fā)、鉆井過(guò)程、石油工程裝備全生命周期等[12-16]。

2.1.1 油氣勘探開發(fā)綜合系統(tǒng)數(shù)字化

利用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，深入挖掘現(xiàn)有的油田勘探數(shù)據(jù)資源，尋找油氣勘探開發(fā)數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)方法，將油氣勘探開發(fā)的物理空間映射到虛擬數(shù)字空間，并與數(shù)字孿生系統(tǒng)進(jìn)行融合。 利用這種方式將改進(jìn)現(xiàn)有汽油勘探模式與技術(shù)，降低石油勘探開發(fā)成本。 基于這種理論，中油瑞飛打造了一種所謂“石油大腦”，該系統(tǒng)融合虛擬現(xiàn)實(shí)，在數(shù)字虛擬模型上實(shí)現(xiàn)了油氣現(xiàn)場(chǎng)勘探開發(fā)與狀態(tài)管理、員工培訓(xùn)與現(xiàn)場(chǎng)可視化作業(yè)、場(chǎng)外專家在線指導(dǎo)等功能。 目前，“石油大腦”被應(yīng)用在西南油氣田、大慶、渤海等地的開采和鉆探過(guò)程中。

2.1.2 石油工程裝備全生命周期數(shù)字化

在石油工程裝備管理平臺(tái)的基礎(chǔ)上開展裝備全數(shù)字化技術(shù)研究，構(gòu)建裝備工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，探索設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、操縱、經(jīng)營(yíng)、維護(hù)等生命周期數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，在數(shù)字孿生系統(tǒng)中把控產(chǎn)品質(zhì)量，在裝備現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證數(shù)據(jù)正確性，提升裝備機(jī)能并改進(jìn)其生產(chǎn)工藝，無(wú)需親臨現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)數(shù)字孿生系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控各類數(shù)據(jù)，全方位數(shù)字化石油工程裝備，實(shí)現(xiàn)智能石油工程建設(shè)與智慧化發(fā)展的景愿。 2017年，新疆油田就已經(jīng)開始了石油工程裝備全生命周期數(shù)字化的研究；2019年7月， 新疆油田公司地面建設(shè)工程“全生命周期”數(shù)字化管理平臺(tái)基本建成，克拉瑪依氣田、瑪河氣田天然氣增壓及深冷提效兩項(xiàng)試點(diǎn)工程數(shù)字化交付整體進(jìn)度分別達(dá)到80%、48%。隨著這種基于數(shù)字孿生技術(shù)的石油工程裝備管理平臺(tái)示范應(yīng)用進(jìn)一步擴(kuò)大與成熟，全國(guó)其他油田也會(huì)逐步將其投入推廣使用，帶來(lái)數(shù)字孿生技術(shù)在石油工程裝備管理方面的更大進(jìn)步。

2.1.3 鉆井過(guò)程數(shù)字孿生

在半潛式鉆井平臺(tái)的基礎(chǔ)上開展數(shù)字化研究，通過(guò)創(chuàng)建物理信息系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)信息空間中構(gòu)建的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)鉆井平臺(tái)關(guān)鍵設(shè)備變化情況的模擬和預(yù)測(cè)，達(dá)到實(shí)現(xiàn)鉆井平臺(tái)與虛擬空間模型相互映射、相互指導(dǎo)的作用。 目前，美國(guó)通用電氣公司依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，與知名鉆井承包商諾貝爾公司（Nobel Corporation）、美國(guó)船級(jí)社（ABS）、馬士基鉆井公司（Maersk Drilling）合作，開始了數(shù)字鉆井船和數(shù)字孿生體的試點(diǎn)工作。 預(yù)計(jì)不久后，鉆井平臺(tái)的數(shù)字孿生模型就能正式建成。 未來(lái)，鉆井過(guò)程數(shù)字孿生技術(shù)有望發(fā)展到鉆井過(guò)程全生命周期中，基本過(guò)程大致概括為：結(jié)合各種工程技術(shù)對(duì)地面及井下數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)， 選擇出最優(yōu)施工方案，預(yù)測(cè)施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的異常并給出處理方案等。

2.1.4 石油管道數(shù)字孿生建設(shè)

石油管道運(yùn)營(yíng)商可以通過(guò)在線監(jiān)測(cè)，獲得大量管道運(yùn)行數(shù)據(jù)，但如何利用這些數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化一直是石油管理領(lǐng)域的難點(diǎn)。 數(shù)字孿生利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，獲得3D石油管道數(shù)據(jù)圖像。 用戶通過(guò)對(duì)石油管道虛擬圖像進(jìn)行處理， 利用全息透視眼鏡，便可清晰觀測(cè)管道內(nèi)情況。 同時(shí)，將管道附近反映地質(zhì)變化狀況的重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行熱圖成像，用戶利用該圖像便能更好地發(fā)現(xiàn)小凹痕、裂縫、腐蝕區(qū)域等地質(zhì)變化狀態(tài)以及管道應(yīng)變等潛在危險(xiǎn)。 該技術(shù)被評(píng)為2018年國(guó)際石油十大科技進(jìn)展之一[17]，目前在加拿大Enbridge 公司得到了成功應(yīng)用。實(shí)踐表明采用該技術(shù)節(jié)省了管道數(shù)據(jù)分析和處理時(shí)間，提高了管道完整性評(píng)估的快速準(zhǔn)確性，從而證實(shí)了管道監(jiān)控的有效性。

2.1.5 石化行業(yè)數(shù)字工廠應(yīng)用平臺(tái)

傳統(tǒng)的石化工廠信息系統(tǒng)一般是基于傳統(tǒng)業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)型的，包括EPR系統(tǒng)（即企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)）、MES系統(tǒng)（即制造執(zhí)行系統(tǒng)）、維修管理系統(tǒng)、安全環(huán)保系統(tǒng)等。 新型的石化工廠在傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)型信息系統(tǒng)基礎(chǔ)上，還包括大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘、先進(jìn)控制、在線實(shí)時(shí)優(yōu)化、工業(yè)云平臺(tái)等，其主要通過(guò)數(shù)字工廠與管理系統(tǒng)的集成、數(shù)字工廠與生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控的集成、 數(shù)字工廠與設(shè)備管理系統(tǒng)的集成、集成數(shù)字工廠的工藝培訓(xùn)管理集成等體現(xiàn)[1]。

雖然石油化工行業(yè)數(shù)字孿生研究已經(jīng)取得了一些成果，但是就目前的實(shí)際應(yīng)用情況而言，其應(yīng)用還處在剛剛起步階段。 國(guó)內(nèi)數(shù)字孿生技術(shù)主要在一些大型企業(yè)如中石油、中石化點(diǎn)應(yīng)用[18]，中小企業(yè)因缺乏技術(shù)指導(dǎo)和相關(guān)設(shè)備，很少有應(yīng)用案例。 同時(shí)，國(guó)家還沒有制定相關(guān)的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)，管理上也存在一些漏洞。 因此，數(shù)字孿生技術(shù)在石油化工的大范圍推廣應(yīng)用還需進(jìn)一步深入研究。

2.2 數(shù)字孿生技術(shù)在石油化工行業(yè)的開發(fā)應(yīng)用

目前，數(shù)字孿生在石油化工領(lǐng)域還處于初步階段，離大規(guī)模應(yīng)用還有很大的差距，但是研究重點(diǎn)已經(jīng)基本確定，主要集中在如下四個(gè)方面[19]：建設(shè)目標(biāo)、系統(tǒng)總體架構(gòu)、系統(tǒng)主要功能、應(yīng)用場(chǎng)景探索。

2.2.1 建設(shè)目標(biāo)

若要完成石油化工領(lǐng)域全面智能化流程行業(yè)的任務(wù)，就必須研制出與之相對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生系統(tǒng)框架。 通過(guò)改進(jìn)信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)的融合方法，優(yōu)化多時(shí)空、多尺度模型的參數(shù)求解性能，并提升石油化工關(guān)鍵工藝指標(biāo)的預(yù)測(cè)能力。 同時(shí)，進(jìn)一步完善關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景中的石油化工系統(tǒng)故障診斷、工藝參數(shù)優(yōu)化等的數(shù)字孿生解決方案， 使其更加有效、實(shí)用。

2.2.2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

首先，在數(shù)字孿生的基礎(chǔ)上構(gòu)建一個(gè)模擬的石油化工物理實(shí)體狀態(tài)的虛擬模型，再利用各種傳感器等基礎(chǔ)設(shè)施，采集石油化工領(lǐng)域生產(chǎn)流程可能涉及到的所有數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息和物理的融合，最終將石油化工的物理實(shí)體完全映射到虛擬實(shí)體上，同時(shí)利用各種優(yōu)化算法改進(jìn)與優(yōu)化模型參數(shù)。

2.2.3 系統(tǒng)主要功能

（1）在石油化工行業(yè)中引入數(shù)字孿生技術(shù)的主要目的是模擬、分析、優(yōu)化、監(jiān)控與預(yù)測(cè)設(shè)備和系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程等。 通過(guò)模擬設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程，得到各種性能參數(shù)， 然后將這些參數(shù)加入模型進(jìn)行分析，以預(yù)測(cè)關(guān)鍵生產(chǎn)裝置質(zhì)量和和關(guān)鍵控制指標(biāo)，最后對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

（2）融合全生命周期數(shù)據(jù)，即通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)，以建立的虛擬模型作為載體，收集分析石油化工系統(tǒng)全生命周期的數(shù)據(jù)，將系統(tǒng)屬性狀態(tài)、運(yùn)行情況、關(guān)鍵工藝參數(shù)與系統(tǒng)運(yùn)行情況等映射到虛擬模型中，最后虛擬模型根據(jù)分析處理后的數(shù)據(jù)調(diào)整所有生產(chǎn)過(guò)程，促進(jìn)石油化工信息共享，實(shí)現(xiàn)全流程協(xié)同工作。

2.2.4 應(yīng)用場(chǎng)景探索

（1）優(yōu)化組成原料。 石油生產(chǎn)時(shí)，生產(chǎn)條件可能不是固定的，其涉及各種模型且產(chǎn)生過(guò)程中操作成本均不一樣，因此需要對(duì)生產(chǎn)原料等進(jìn)行優(yōu)化。

（2）工藝參數(shù)設(shè)計(jì)與仿真。 采用流程模擬軟件構(gòu)建機(jī)理模型，并利用各種優(yōu)化算法對(duì)導(dǎo)入的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以校正模型，以達(dá)到提升系統(tǒng)全流程模型準(zhǔn)確性的目的。

（3）過(guò)程建模與參數(shù)優(yōu)化。 構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)、開發(fā)出合適的優(yōu)化器，然后根據(jù)目標(biāo)函數(shù)和約束條件求解模型最優(yōu)值，并給出所需要的操作條件，以達(dá)到能夠在最優(yōu)操作條件下實(shí)時(shí)指導(dǎo)生產(chǎn)過(guò)程并且優(yōu)化控制目標(biāo)的目的。

（4）設(shè)備故障診斷與遠(yuǎn)程運(yùn)維。 為保證設(shè)備能夠安全可靠地運(yùn)行， 必須利用各種算法和模型，例如設(shè)備故障診斷模型、維修策略模型以及參數(shù)預(yù)測(cè)算法等，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀況和生產(chǎn)過(guò)程實(shí)施在線監(jiān)控與健康評(píng)估，并自動(dòng)給出診斷報(bào)告、提供解決方案。

2.3 數(shù)字孿生技術(shù)在石油化工行業(yè)的前景分析

為了在擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模的同時(shí)保證產(chǎn)品質(zhì)量并且提供個(gè)性化服務(wù)，越來(lái)越多的石油化工企業(yè)通過(guò)構(gòu)建石油化工產(chǎn)品的數(shù)字孿生體， 提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本。 目前，數(shù)字孿生技術(shù)在石油化工行業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)取得初步成效，其發(fā)展趨勢(shì)包括以下三個(gè)方面。

2.3.1 融合5G技術(shù)的數(shù)據(jù)采集與傳輸

數(shù)據(jù)高效采集和傳輸是數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。 石油化工工廠復(fù)雜、需要采集的信息節(jié)點(diǎn)多、自動(dòng)化程度要求高，這就要求在實(shí)施數(shù)字孿生技術(shù)時(shí)，必須保證高效、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集與傳輸。 “5G +產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”可以將石油化工工廠的信息流、指令流、操作流等一體化，完成各環(huán)節(jié)的在線遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)石油化工系統(tǒng)與設(shè)備的數(shù)字孿生[20]。 更進(jìn)一步發(fā)展，“5G +產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”能夠采集和獲取全社會(huì)生產(chǎn)資源、生產(chǎn)過(guò)程、生產(chǎn)能力信息，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模海量協(xié)同的長(zhǎng)尾效應(yīng)，促進(jìn)石油化工工廠生產(chǎn)行為習(xí)慣和方式的逐級(jí)優(yōu)化、高速迭代，獲得最大效益。

另一方面，隨著數(shù)字孿生發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題顯得尤為重要。 由于數(shù)字孿生技術(shù)的引入與加速融合，石油化工系統(tǒng)由原來(lái)的封閉系統(tǒng)向開放系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。 為了保持高效率和實(shí)現(xiàn)資源控制，要求網(wǎng)絡(luò)連接流程盡可能簡(jiǎn)化，以便高效順暢，但系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)將完全暴露。 若“5G +石油化工互聯(lián)網(wǎng)”受到攻擊，嚴(yán)重時(shí)將有可能直接摧毀石油化工企業(yè)的生產(chǎn)能力，造成巨大損失。

因此，融合5G通信技術(shù)，并構(gòu)建數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)安全保障體系，解決數(shù)字孿生海量數(shù)據(jù)的采集與傳輸問(wèn)題，將是石油化工領(lǐng)域數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展方向之一。

2.3.2 數(shù)字孿生智能信息處理方法

石油化工系統(tǒng)復(fù)雜，數(shù)據(jù)源多、具有時(shí)變性，系統(tǒng)模型多樣、耦合困難，系統(tǒng)計(jì)算復(fù)雜、模型求解難度大，傳統(tǒng)的信息處理方法越來(lái)越力不從心，給數(shù)字孿生在石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)。 云計(jì)算與云存儲(chǔ)、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、人工智能等為數(shù)字孿生的處理、系統(tǒng)建模提供了有效手段。 如何利用這些智能方法，更好、更有效地完成數(shù)字孿生信息處理，是數(shù)字孿生在石油化工領(lǐng)域的發(fā)展方向之一。

2.3.3 數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建

目前，國(guó)內(nèi)石油化工行業(yè)的數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系尚未構(gòu)建，嚴(yán)重阻礙了其進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用推廣[21]。主要體現(xiàn)在：（1）缺乏石油化工行業(yè)數(shù)字孿生相關(guān)術(shù)語(yǔ)、系統(tǒng)架構(gòu)等標(biāo)準(zhǔn)化參考，不同企業(yè)和用戶對(duì)數(shù)字孿生的理解與認(rèn)識(shí)存在差異，在人員交流、技術(shù)集成、工程協(xié)作過(guò)程中存在困難；（2）缺乏石油化工數(shù)字孿生相關(guān)模型、數(shù)據(jù)、服務(wù)等標(biāo)準(zhǔn)化參考，導(dǎo)致模型間、數(shù)據(jù)間、系統(tǒng)間難以集成，兼容性差；（3）數(shù)字孿生在石油化工行業(yè)中實(shí)施時(shí)，由于缺乏適用準(zhǔn)則、實(shí)施要求等標(biāo)準(zhǔn)的參考，給用戶和企業(yè)帶來(lái)了極大困惑，增加了實(shí)施成本。 因此數(shù)字孿生的研究人員需要在開展理論研究的同時(shí)，加強(qiáng)與應(yīng)用企業(yè)和石油化工領(lǐng)域相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化組織的協(xié)同合作，共同構(gòu)建一套石油化工行業(yè)的數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)。

3 結(jié)語(yǔ)

作為目前數(shù)字化領(lǐng)域中最有應(yīng)用前景的技術(shù)之一，數(shù)字孿生發(fā)展迅速，在多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用方興未艾。 石油化工作為國(guó)家重要的戰(zhàn)略型行業(yè)，利用數(shù)字孿生技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)行業(yè)技術(shù)升級(jí)，極大提高行業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 目前，通過(guò)開展數(shù)字孿生在石油化工生產(chǎn)過(guò)程建模與參數(shù)優(yōu)化、工藝參數(shù)設(shè)計(jì)與仿真、系統(tǒng)健康監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程維護(hù)等方面的應(yīng)用研究，有效提高了石油化工領(lǐng)域的數(shù)字化、智能化程度，取得了初步成效。 然而，數(shù)字孿生技術(shù)在石油化工行業(yè)的真正落地和大范圍推廣應(yīng)用存在一些挑戰(zhàn)。 未來(lái)幾年，石油化工領(lǐng)域的數(shù)字孿生將在標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建、融合5G技術(shù)的數(shù)據(jù)采集與傳輸、智能信息處理算法方面等開展進(jìn)一步的研究工作。