數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系在石油化工行業(yè)的構(gòu)建

張霞

摘 要 本文探討了數(shù)字孿生技術(shù)的內(nèi)涵及關(guān)鍵技術(shù)，闡述了近年來(lái)數(shù)字孿生技術(shù)在石化石油化工行業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)展，指明了數(shù)字孿生技術(shù)在石化工業(yè)行業(yè)中面臨的機(jī)遇，探討了數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。數(shù)字化孿生技術(shù)在石油化工行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程建模與參數(shù)優(yōu)化、過(guò)程參數(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，大大地提高了石油行業(yè)領(lǐng)域的數(shù)字化和智能化水平。今后，在標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)、數(shù)據(jù)采集與傳輸和5G技術(shù)、智能信息處理算法等方面有待進(jìn)一步研究。

關(guān)鍵詞 數(shù)字孿生 石油化工行業(yè) 關(guān)鍵技術(shù) 應(yīng)用前景

中圖分類號(hào)：TN01;TE65 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2021）04-0034-02

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(wèn)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(jí)階段，大多數(shù)研究還處于理論階段，缺乏實(shí)際實(shí)踐。因此，為了實(shí)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(jìn)一步密切合作，進(jìn)行更深地開(kāi)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(guó)宇航局的阿波羅計(jì)劃，為了確保“軌道上零故障”，利用在軌裝配技術(shù)，建造了一對(duì)雙胞胎，通過(guò)大量的模擬測(cè)試，來(lái)反映運(yùn)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(shí)物產(chǎn)品的虛擬數(shù)字等價(jià)物”的概念，并給出了詳細(xì)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(lái)又被稱為“信息鏡像模型”。直到2011年，“數(shù)字雙胞胎”這個(gè)名稱才被正式采用，定義為“一個(gè)實(shí)現(xiàn)虛擬產(chǎn)品及其關(guān)聯(lián)的三維模型”，具有將實(shí)物產(chǎn)品映射到虛擬信息空間的功能，以及對(duì)產(chǎn)品生命周期的實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而優(yōu)化了產(chǎn)品維護(hù)過(guò)程。隨著飛機(jī)技術(shù)要求的提高，研究人員開(kāi)始將數(shù)字孿生與飛機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，將數(shù)字孿生描述為仿真模型，通過(guò)物理模型和各種數(shù)據(jù)反映相應(yīng)物理實(shí)體的性質(zhì)。同時(shí)，美國(guó)空軍將數(shù)字孿生的功能定義為“反映物理實(shí)體在虛擬信息空間中的功能、實(shí)時(shí)狀態(tài)和演化趨勢(shì)”。2015年，民用通用產(chǎn)品數(shù)字孿生問(wèn)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(jìn)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(shí)技術(shù)、高性能計(jì)算、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與物理模型融合狀態(tài)評(píng)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(gè)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(jìn)行數(shù)據(jù)集成，是對(duì)單尺度模型的多維擴(kuò)展，通過(guò)調(diào)整物理參數(shù)來(lái)連接同一模型在不同時(shí)間內(nèi)的變化，通過(guò)分析不同時(shí)間模型的工作狀態(tài)來(lái)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(gè)理論為指導(dǎo)建立起來(lái)的一套較為完整而科學(xué)的綜合方案。它可以將一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題分解成若干個(gè)小部分，通過(guò)對(duì)各個(gè)具體對(duì)象進(jìn)行分析比較得出規(guī)律性強(qiáng)，且具有普遍適用價(jià)值并能被實(shí)際應(yīng)用所利用，從而達(dá)到解決各種現(xiàn)實(shí)或經(jīng)濟(jì)社會(huì)領(lǐng)域面臨重大課題難題時(shí)，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(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，保證了數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)時(shí)應(yīng)用，保證了數(shù)字孿生系統(tǒng)的及時(shí)性能[2]。

1.2.3VR呈現(xiàn)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅可以再現(xiàn)目標(biāo)系統(tǒng)的狀態(tài)，還可以通過(guò)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(jī)交互的實(shí)時(shí)連續(xù)性。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使用戶能夠通過(guò)數(shù)字雙機(jī)系統(tǒng)快速學(xué)習(xí)和理解目標(biāo)系統(tǒng)的各種信息，幫助用戶激發(fā)系統(tǒng)的改進(jìn)，有助于人們監(jiān)測(cè)和指導(dǎo)復(fù)雜設(shè)備的制造、操作和維護(hù)。

1.2.4高性能計(jì)算

由于需要實(shí)時(shí)繪圖，數(shù)字雙系統(tǒng)應(yīng)該具有很強(qiáng)的計(jì)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(jì)算平臺(tái)，輔之以高性能嵌入式計(jì)算系統(tǒng)和異構(gòu)加速計(jì)算系統(tǒng)的融合，并通過(guò)優(yōu)化數(shù)據(jù)分發(fā)級(jí)別、檢索方法和存儲(chǔ)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(chǔ)和管理是數(shù)字雙系統(tǒng)的另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，即通過(guò)云服務(wù)器進(jìn)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(kāi)發(fā)提供了大量可靠的數(shù)據(jù)，對(duì)維護(hù)整個(gè)數(shù)字雙系統(tǒng)的正常運(yùn)行起到關(guān)鍵作用。采用全壽命周期數(shù)據(jù)管理，能對(duì)一個(gè)完整的工程項(xiàng)目進(jìn)行全過(guò)程、全方位和多角度地動(dòng)態(tài)規(guī)劃與控制，使項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)成本最小化，即從設(shè)計(jì)階段到運(yùn)行維護(hù)階段都能在極小程度上降低風(fēng)險(xiǎn)。

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(dòng)力。在不同的數(shù)字孿生應(yīng)用場(chǎng)景中，數(shù)據(jù)生成、建模和數(shù)據(jù)分析可以通過(guò)定量分析進(jìn)行優(yōu)化，不需要或只需要小樣本強(qiáng)化學(xué)習(xí)。此外，半實(shí)物仿真、驗(yàn)證和評(píng)估方法在數(shù)字雙平臺(tái)建設(shè)過(guò)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(jìn)數(shù)字孿生技術(shù)的不斷進(jìn)步。

2 數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系在石油化工行業(yè)的構(gòu)建

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

2.1 建設(shè)目標(biāo)

要完成石化工業(yè)的任務(wù)，就必須開(kāi)發(fā)相應(yīng)的數(shù)字雙系統(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)化了多時(shí)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(guò)程指標(biāo)的預(yù)測(cè)能力。同時(shí)，進(jìn)一步改進(jìn)了石化工業(yè)系統(tǒng)故障診斷和關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景中工藝參數(shù)優(yōu)化的數(shù)字雙解決設(shè)計(jì)，使其更大、更實(shí)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(shí)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(guò)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(shí)體映射到虛擬實(shí)體，并利用各種優(yōu)化算法對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)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(jī)技術(shù)的主要目的是對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行模擬、分析、優(yōu)化、監(jiān)控和預(yù)測(cè)。通過(guò)對(duì)設(shè)備運(yùn)行過(guò)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(jìn)行分析，以預(yù)測(cè)關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備的質(zhì)量和關(guān)鍵控制指標(biāo)，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(kuò)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(gè)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(chǎng)地復(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)字雙機(jī)技術(shù)時(shí)，必須保證高效、準(zhǔn)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(chǎng)地的信息流、指令流和操作流，完成各個(gè)環(huán)節(jié)的在線遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)石油工業(yè)系統(tǒng)和設(shè)備的數(shù)字化雙機(jī)。進(jìn)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(huì)生產(chǎn)資源、生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)能力的信息，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模協(xié)同的長(zhǎng)尾效應(yīng)，促進(jìn)石油化工行業(yè)生產(chǎn)習(xí)慣和實(shí)踐的逐步優(yōu)化、高速迭代，實(shí)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(wèn)題顯得尤為重要。由于引進(jìn)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(lái)的封閉系統(tǒng)向開(kāi)放系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。為了保持高效率，實(shí)現(xiàn)資源控制，應(yīng)盡可能簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)連接過(guò)程，使其高效、順暢，但系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)將被完全暴露出來(lái)。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(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)源多、時(shí)變性強(qiáng)的特點(diǎn)。系統(tǒng)模型多種多樣，難以匹配。系統(tǒng)計(jì)算復(fù)雜，模型求解困難。傳統(tǒng)的信息處理方法越來(lái)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(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。云計(jì)算和云存儲(chǔ)、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(yǔ)

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(kuò)大。石油化工行業(yè)作為國(guó)家的重要戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，可以利用數(shù)字化技術(shù)對(duì)其進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，大大提高其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。目前，通過(guò)對(duì)數(shù)字孿生在生產(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，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(cuò)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(biāo)準(zhǔn)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。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周達(dá)堅(jiān)，屈挺，張凱，等.數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的工業(yè)園區(qū)“產(chǎn)-運(yùn)-存”聯(lián)動(dòng)決策架構(gòu)、模型與方法[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2019，25（06）：1576-1590.

[2] 陶飛，劉蔚然，劉檢華，等.數(shù)字孿生及其應(yīng)用探索[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2018，24（01）：1-18.