數(shù)字孿生技術(shù)在工程數(shù)字化交付中的應(yīng)用研究

云 震 鐘 華

（1.中海石油（中國）有限公司海南分公司工程建設(shè)中心，海南 ?？?570100；2.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司南海工程分公司，廣東 湛江 524057）

0 引言

近年來，以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能為代表的新一輪信息技術(shù)浪潮撲面而來，深刻改變著人類生產(chǎn)生活方式，企業(yè)發(fā)展面臨全新的商業(yè)環(huán)境和競(jìng)爭(zhēng)挑戰(zhàn)。中國海油積極融入數(shù)字化創(chuàng)新大潮，大力推動(dòng)現(xiàn)代信息技術(shù)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)深度融合，積極通過數(shù)字化轉(zhuǎn)型促進(jìn)管理變革，實(shí)現(xiàn)降本增效，為公司高質(zhì)量發(fā)展提供重要支撐[1]。

1 背景情況

1.1 工程數(shù)字化建設(shè)現(xiàn)狀

自2009年在渤海的兩個(gè)油田實(shí)施了工程數(shù)字化技術(shù)試點(diǎn)項(xiàng)目以來，中國海油研究小組不僅從技術(shù)上驗(yàn)證了可行性，而且通過歸納和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，初步建立了信息規(guī)范和規(guī)律性認(rèn)識(shí)及工作模板，并以此為指導(dǎo)實(shí)施工程數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目（EDIS），取得了較好的成效[2]。

公司經(jīng)過多年的建設(shè)，雖然已經(jīng)建立起基礎(chǔ)生態(tài)環(huán)境，擁有良好的發(fā)展氛圍，從管理、技術(shù)、人力等多方面形成了完善的運(yùn)行機(jī)制，但由于仍沿用較老舊的常規(guī)數(shù)字化建設(shè)思路及技術(shù)路線，工程數(shù)字化的成果應(yīng)用范圍相對(duì)受限，應(yīng)用群體也較小，未能很好地發(fā)揮出原有的數(shù)據(jù)價(jià)值。

1.2 數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生作為賽博物理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，能夠?qū)ξ锢硎澜邕M(jìn)行數(shù)字化描述并有效管控產(chǎn)品全生命周期的數(shù)據(jù)，為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)中各種活動(dòng)的優(yōu)化決策提供了新的思路[3]。近年來，隨著油氣田業(yè)務(wù)數(shù)字化進(jìn)程的不斷推進(jìn)完善，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析、人工智能等高新技術(shù)應(yīng)用的不斷拓展，數(shù)字孿生技術(shù)在推動(dòng)油氣田業(yè)務(wù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的企業(yè)變革中顯得越來越重要[4]。

1.2.1 技術(shù)簡(jiǎn)介

數(shù)字孿生技術(shù)是正在高速發(fā)展的新技術(shù)，為復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的物理信息融合提供了解決思路，是智能制造與智能自動(dòng)化重要的解決方案之一[5]。數(shù)字孿生技術(shù)是指在真實(shí)世界與數(shù)字世界之間建立全面準(zhǔn)實(shí)時(shí)的聯(lián)系，以數(shù)字化的形式（數(shù)字孿生模型）對(duì)某一物理實(shí)體生命周期的行為或狀態(tài)進(jìn)行多維動(dòng)態(tài)的映射?；诖?，數(shù)字孿生技術(shù)除了有利于解決油氣田工程建設(shè)及生產(chǎn)運(yùn)維中的難題，也可以為智能油氣田建設(shè)提供精準(zhǔn)的數(shù)字孿生模型，通過數(shù)字孿生將物理實(shí)體的橫向延續(xù)，將其全生命周期相關(guān)產(chǎn)業(yè)的縱向串聯(lián)。借助數(shù)字孿生技術(shù)的突出特點(diǎn)，可以不斷促進(jìn)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)迭代升級(jí)，提升傳統(tǒng)業(yè)務(wù)競(jìng)爭(zhēng)力，助力企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

1.2.2 國內(nèi)外設(shè)施情況

近年來，由于油價(jià)的不確定性和波動(dòng)性挑戰(zhàn)，企業(yè)越來越多地將數(shù)字化及三維可視化技術(shù)視為提高生產(chǎn)率、獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的手段，特別是數(shù)字孿生技術(shù)。殼牌公司全球解決方案國際公司近期與康士伯?dāng)?shù)據(jù)公司達(dá)成基于KognitwinEnergy數(shù)字化雙胞胎軟件的企業(yè)框架協(xié)議。該協(xié)議包括為英荷能源和石化公司上游、天然氣、下游和制造綜合業(yè)務(wù)生產(chǎn)線的全球資產(chǎn)組合和資本項(xiàng)目提供基于云技術(shù)的數(shù)字化雙胞胎服務(wù)。通過數(shù)字化雙胞胎，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作、自動(dòng)化和顯著增強(qiáng)協(xié)作，因而可大大提高作業(yè)效率。在船舶領(lǐng)域，新加坡船廠勝科海事通過與多家船級(jí)社及研究所展開合作，致力于數(shù)字孿生技術(shù)上的研發(fā)及應(yīng)用，以保持公司的全球競(jìng)爭(zhēng)力。

國內(nèi)石油行業(yè)中，中石化已經(jīng)利用數(shù)字孿生技術(shù)在智能工廠建設(shè)、運(yùn)維管理中取得成效。石化盈科協(xié)助中石化建立的智能工廠1.0，在九江石化成功運(yùn)用，提供基于數(shù)字孿生技術(shù)的智能化管理服務(wù)，實(shí)現(xiàn)檢維修管理、專業(yè)管理、設(shè)備運(yùn)行管理、運(yùn)維培訓(xùn)管理等專業(yè)化應(yīng)用。而中石油目前還未有成功的數(shù)字孿生技術(shù)研究應(yīng)用案例。

2 研究思路

對(duì)于數(shù)字孿生技術(shù)而言，生成數(shù)字模型是第一步，而加入更多的數(shù)據(jù)集才是關(guān)鍵[6]。鑒于此，本文通過研究國內(nèi)外數(shù)字孿生技術(shù)及應(yīng)用方向，掌握數(shù)字孿生模型建立、處理及數(shù)據(jù)應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)，形成適用于油氣田工程數(shù)字化交付的技術(shù)要求及研究成果，通過計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)來推動(dòng)數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用。其整體技術(shù)實(shí)施路線如圖1所示。

2.1 實(shí)施技術(shù)研究

2.1.1 數(shù)據(jù)采集實(shí)施

結(jié)合調(diào)研需求，開展數(shù)據(jù)規(guī)劃，定義數(shù)字孿生技術(shù)需要采集信息的范圍、深度以及格式，形成可執(zhí)行的技術(shù)實(shí)施指南。

2.1.2 數(shù)字孿生模型實(shí)施

依據(jù)三維仿真模擬、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)接收及VR展示的需求，研究數(shù)字孿生模型建模的制作、貼圖、LOD分級(jí)、UV拆分以及烘焙處理等技術(shù)，包括設(shè)備內(nèi)外部構(gòu)件的拆解程度、分層成組的基本規(guī)范。研究數(shù)字孿生模型法線烘焙的建模技術(shù)，在數(shù)字孿生三維模型占用資源最小的前提下實(shí)現(xiàn)效果達(dá)到最理想狀態(tài)，為系統(tǒng)的運(yùn)行及后續(xù)的跨平臺(tái)開發(fā)提供保證。

2.1.3 數(shù)據(jù)通用接口實(shí)施

研究靈活且高效的通用API數(shù)據(jù)接口，兼容主流的數(shù)據(jù)格式。在滿足當(dāng)前需求的情況下，使用主流的數(shù)據(jù)庫或明確使用主流的數(shù)據(jù)信息格式標(biāo)準(zhǔn)完成數(shù)據(jù)映射和數(shù)據(jù)配置，確保數(shù)據(jù)交互時(shí)的完整性及準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)與前臺(tái)客戶端以及其他不同信息系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)對(duì)接。

2.2 數(shù)字孿生應(yīng)用平臺(tái)研究

2.2.1 數(shù)字孿生基礎(chǔ)應(yīng)用平臺(tái)

開發(fā)基于Windows系統(tǒng)的易用的數(shù)字孿生應(yīng)用平臺(tái)，該平臺(tái)用于加載并操作依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)制作的數(shù)字孿生模型，建立第一人稱視角、自動(dòng)加載環(huán)境效果，實(shí)現(xiàn)各類基礎(chǔ)屬性信息的關(guān)聯(lián)展示。平臺(tái)在快速平穩(wěn)運(yùn)行的同時(shí)，兼具較高的安全性。另外，還應(yīng)具備多客戶異地并發(fā)訪問的能力?；谲浖到y(tǒng)及功能需求，匹配相關(guān)硬件，采用技術(shù)整合、功能整合、模式整合等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)軟硬件的協(xié)同開發(fā)及無縫集成。數(shù)字孿生模型應(yīng)用流程如圖2所示。

2.2.2 數(shù)字孿生基礎(chǔ)功能

2.2.2.1 設(shè)備立體裝配功能

數(shù)字孿生技術(shù)可以將產(chǎn)品數(shù)字模型與物理模型建立起關(guān)聯(lián)，并逐漸向包括制造過程的整個(gè)產(chǎn)品生命周期覆蓋，為面向裝配過程的裝配工藝設(shè)計(jì)提供了一種解決途徑[7]。結(jié)合其虛擬仿真的數(shù)字孿生模型，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備各關(guān)鍵（重要）組成構(gòu)件的拆解及展示，達(dá)到設(shè)備的拆分“爆炸”效果，如圖3所示，成功解決復(fù)雜產(chǎn)品裝配過程中質(zhì)量管控時(shí)效性差、缺乏預(yù)測(cè)性等問題[8]。

2.2.2.2 設(shè)備設(shè)施剖切功能

通過控制基準(zhǔn)橫切面位置的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)單體數(shù)字孿生模型的平面剖切功能，展示設(shè)備設(shè)施的內(nèi)部構(gòu)造，其中橫切面可以實(shí)現(xiàn)任意角度的設(shè)置，以達(dá)到不同的視覺效果，如圖4所示。剖切功能采用shader原理處理，保證資源占用少，無破面壞面的產(chǎn)生，保證運(yùn)行效率。

2.2.3 數(shù)字孿生深化功能

2.2.3.1 工藝流程模擬功能

在數(shù)字孿生模型的模擬工藝流程上（不涉及設(shè)備內(nèi)部的工藝流程），以動(dòng)態(tài)的形式展現(xiàn)物流在整個(gè)工藝系統(tǒng)中的流向信息，用不同的顏色區(qū)分物流介質(zhì)，可方便地進(jìn)行相關(guān)模擬流程的制定和調(diào)整，如圖5所示。

2.2.3.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示功能

開發(fā)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收功能，實(shí)時(shí)響應(yīng)傳輸端的數(shù)據(jù)請(qǐng)求并調(diào)用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)識(shí)別及觸發(fā)展示請(qǐng)求。在數(shù)字孿生模型的重點(diǎn)設(shè)備（或部件）預(yù)設(shè)“熱點(diǎn)”位置信息，通過與數(shù)據(jù)接收功能的數(shù)據(jù)映射，實(shí)現(xiàn)當(dāng)“熱點(diǎn)”被選中或觸發(fā)時(shí)，能及時(shí)展示出該處實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息的功能。

2.2.3.3 姿態(tài)模擬功能

基于建立的數(shù)字孿生模型，通過簡(jiǎn)化的姿態(tài)展示形式，實(shí)現(xiàn)對(duì)浮體（船體）整體狀態(tài)及姿態(tài)的模擬展示；通過預(yù)留與相關(guān)設(shè)施的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，今后可實(shí)現(xiàn)根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行準(zhǔn)確的姿態(tài)模擬和可視化展示。

2.3 數(shù)字孿生水準(zhǔn)的VR技術(shù)應(yīng)用研究

2.3.1 數(shù)字孿生模型轉(zhuǎn)化與處理

基于對(duì)UV拆分、貼圖處理、法線烘焙等基礎(chǔ)模型美化技術(shù)的研究，掌握LOD層級(jí)模型的轉(zhuǎn)化輸出技術(shù)，以輸出滿足數(shù)字孿生水準(zhǔn)的高保真數(shù)字孿生模型。

2.3.2 VR場(chǎng)景制定和模擬

在VR模式下設(shè)置自由及定制兩種瀏覽方式。

2.3.2.1 自由瀏覽模擬

用戶可以用VR設(shè)備自由規(guī)劃行走路線，并可在瀏覽途中隨時(shí)調(diào)用、查看設(shè)備當(dāng)中的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)信息。

2.3.2.2 定制瀏覽模擬

根據(jù)需求，預(yù)制瀏覽線路，應(yīng)用于不同的場(chǎng)景方面的流程模擬，為后續(xù)的學(xué)習(xí)、培訓(xùn)或交流過程提供直觀的方式。

2.3.2.3 水下運(yùn)行狀態(tài)模擬

利用VR技術(shù)對(duì)水下的生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模擬研究，對(duì)介質(zhì)流向、井口及閥門狀態(tài)、周圍環(huán)境等進(jìn)行預(yù)設(shè)，給使用者提供沉浸式的瀏覽體驗(yàn)，可為水下作業(yè)生產(chǎn)的培訓(xùn)及應(yīng)急處理提供逼真的數(shù)字化模擬情景。

2.4 試點(diǎn)應(yīng)用

在試點(diǎn)項(xiàng)目中通過對(duì)項(xiàng)目實(shí)際情況進(jìn)行驗(yàn)證及分析研究，實(shí)現(xiàn)方案的進(jìn)一步完善，并結(jié)合項(xiàng)目進(jìn)行應(yīng)用實(shí)踐，為后續(xù)的方案推廣應(yīng)用提供實(shí)例數(shù)據(jù)及參考。

3 結(jié)語

目前，中國海油的工程數(shù)字化交付深度和廣度較低，在運(yùn)營階段及完整性管理中的應(yīng)用有限，通過對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)的研究，結(jié)合裝備技術(shù)公司對(duì)工程數(shù)據(jù)的專業(yè)分析及應(yīng)用能力，為中國海油上游建立起基于數(shù)字孿生模型的三維可視化平臺(tái)以及更加深入完善的深度數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)體系，可以進(jìn)一步提升中國海油在數(shù)字化領(lǐng)域的權(quán)威性并形成技術(shù)優(yōu)勢(shì)乃至技術(shù)壁壘。

通過數(shù)字孿生應(yīng)用平臺(tái)軟件系統(tǒng)的開發(fā)，把數(shù)字孿生模型、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、環(huán)境條件等數(shù)據(jù)進(jìn)行三維集成展示及應(yīng)用，能協(xié)助作業(yè)方快速制定維修策略，有利于縮短運(yùn)維改造工期，也能盡量減少各類現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)研活動(dòng)，從而降低成本，并不斷提升管理及運(yùn)營水平；通過今后對(duì)數(shù)據(jù)的深度開發(fā)應(yīng)用及與其他系統(tǒng)對(duì)接，可以更好地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得準(zhǔn)確的分析結(jié)果，進(jìn)而轉(zhuǎn)變作業(yè)方式以創(chuàng)造更多價(jià)值，增強(qiáng)在不斷變化的環(huán)境中應(yīng)對(duì)各種挑戰(zhàn)的韌性；還可實(shí)現(xiàn)在線評(píng)估及決策，為智能油田提供豐富的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，有利于油田實(shí)現(xiàn)少人化、無人化甚至智能化運(yùn)行。