數(shù)字孿生技術(shù)助力石化智能工廠

索寒生，賈夢達，宋光，劉東慶

（1 石化盈科信息技術(shù)有限責任公司，北京 100007；2 東北大學工業(yè)智能與系統(tǒng)優(yōu)化國家級前沿科學中心，遼寧沈陽 110819；3 智能工業(yè)數(shù)據(jù)解析與優(yōu)化教育部重點實驗室（東北大學），遼寧 沈陽 110819）

近年來，隨著人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云邊端計算和虛擬現(xiàn)實等新興技術(shù)的不斷發(fā)展與突破，制造業(yè)實現(xiàn)高端化、智能化和綠色化發(fā)展的歷史機遇已經(jīng)到來。在“中國制造2025”的政策驅(qū)動下，我國工業(yè)和信息化部（以下簡稱工信部）等八部門于2021 年聯(lián)合印發(fā)《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》（以下簡稱《規(guī)劃》）[1]，強調(diào)智能制造是制造強國建設(shè)的主攻方向，其發(fā)展程度直接關(guān)乎我國制造業(yè)質(zhì)量水平?！兑?guī)劃》中重點指出，在智能制造示范工廠建設(shè)行動中，數(shù)字孿生、人工智能、5G、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實/混合現(xiàn)實等新技術(shù)在制造環(huán)節(jié)的深度應用將得到推廣，探索形成一批智能場景。其中，數(shù)字孿生技術(shù)被重點強調(diào)，反映出這項技術(shù)對于智能工業(yè)的發(fā)展建設(shè)將起到舉足輕重的推動作用。

數(shù)字孿生概念的產(chǎn)生歷史可以追溯到2003年，當時美國密歇根大學的Grieves 教授在產(chǎn)品全生命周期管理課程上提出了數(shù)字孿生的設(shè)想，稱之為產(chǎn)品生命周期管理的概念理想。雖然當時還沒有正式提出數(shù)字孿生的概念，但是其中的基本思想已經(jīng)體現(xiàn)出來，即在虛擬空間構(gòu)建數(shù)字模型與物理實體交互映射，忠實地描述物理實體全生命周期的運行軌跡[2]。由于當時技術(shù)和認知的局限，直到2010 年，美國國家航空航天局（NASA）在太空技術(shù)路線圖中首次引入數(shù)字孿生概念，并將其定義為“集成了多物理量、多尺度、多概率的系統(tǒng)或飛行器仿真過程”[3]。隨后，美國空軍研究實驗室（AFRL）于2011 年引入將數(shù)字孿生技術(shù)用于飛機結(jié)構(gòu)壽命預測的概念模型[4]；2012 年，NASA 和美國空軍聯(lián)合提出面向未來飛行器的數(shù)字孿生范例[5]。至此，數(shù)字孿生技術(shù)才真正開始進入學術(shù)界和制造業(yè)的視野，得到了越來越廣泛的傳播。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)的實施已逐漸成為可能。

數(shù)字孿生技術(shù)在過去幾年中得到了快速發(fā)展。2017 年，北京航空航天大學的陶飛團隊提出了數(shù)字孿生五維模型的概念，即物理實體（PE）、虛擬模型（VE）、服務系統(tǒng)（SS）、孿生數(shù)據(jù)（DD）和連接（CN），并在衛(wèi)星/空間通信網(wǎng)絡(luò)、船舶、車輛、發(fā)電廠、飛機、復雜機電裝備、立體倉庫、醫(yī)療、制造車間、智慧城市等領(lǐng)域進行了應用探索[6]。2020年，中國電子技術(shù)標準化研究院發(fā)布了《數(shù)字孿生應用白皮書2020》，指出數(shù)字孿生已經(jīng)被應用于電力、船舶、城市管理、農(nóng)業(yè)、建筑、制造、石油天然氣、健康醫(yī)療、環(huán)境保護等行業(yè)。特別是在智能制造領(lǐng)域，數(shù)字孿生被認為是實現(xiàn)制造信息世界與物理世界交互融合的有效手段。許多著名企業(yè)和組織對數(shù)字孿生給予了高度重視，并開始探索基于數(shù)字孿生的智能生產(chǎn)新模式[7]。同時，國際流程工業(yè)企業(yè)提出了基于數(shù)字孿生的智能工廠解決方案，以數(shù)據(jù)與模型的集成融合為核心，支撐狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、過程優(yōu)化、分析決策等應用。不同企業(yè)對數(shù)字孿生的定義與理解也有所不同，但都強調(diào)數(shù)字孿生的核心是將物理實體與數(shù)字模型進行精準映射，以實現(xiàn)全生命周期的監(jiān)測、優(yōu)化和決策支持。

本文重點闡述數(shù)字孿生技術(shù)在石油石化行業(yè)的應用現(xiàn)狀，并探究其在智能工廠建設(shè)中的前景。同時，介紹石化智能工廠數(shù)字孿生應用框架，并規(guī)劃數(shù)字孿生應用場景。最后，分析數(shù)字孿生技術(shù)在石油石化行業(yè)的應用挑戰(zhàn)與措施，并提供指導建議，以促進數(shù)字孿生技術(shù)在智能工廠應用的發(fā)展。

1 數(shù)字孿生技術(shù)應用現(xiàn)狀

石油化工行業(yè)是典型的流程工業(yè)，具有生產(chǎn)連續(xù)、工藝流程復雜、安全環(huán)保挑戰(zhàn)大等特征。為了解決這些問題，數(shù)字孿生技術(shù)作為重要支撐手段和技術(shù)被引入到石油化工行業(yè)的智能工廠建設(shè)中。數(shù)字孿生技術(shù)將物理實體空間模型與虛擬空間多維模型相互映射，其中物理空間實體模型是將工廠設(shè)計、建設(shè)、運行以及維護中的三維模型、數(shù)據(jù)、文檔進行系統(tǒng)性地規(guī)范整理，并進行有機關(guān)聯(lián)的物理世界綜合體；虛擬空間多維模型是指工藝單元、裝置、系統(tǒng)的機理與數(shù)據(jù)解析模型，能夠真實再現(xiàn)工藝裝置的流程信息，包括對不同工況的研究、預測、異常工況的診斷等，實現(xiàn)企業(yè)的安全穩(wěn)定長周期滿負荷優(yōu)化運行和生產(chǎn)的最大經(jīng)濟效益。石化智能工廠關(guān)鍵設(shè)備數(shù)字孿生體的實現(xiàn)過程可以分為以下幾個步驟。

（1）設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)收集：通過傳感器、監(jiān)測系統(tǒng)或人工采集方式等手段，收集關(guān)鍵設(shè)備在運行過程中所產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)信息，包括材料、結(jié)構(gòu)、物理參數(shù)、裝置狀態(tài)等。數(shù)據(jù)包括靜態(tài)數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)等。

（2）數(shù)據(jù)預處理和建模：針對已經(jīng)收集到的原始數(shù)據(jù)進行預處理操作，將其轉(zhuǎn)換成適合于數(shù)學計算的格式并篩選整合。同時，利用基于機理建模的方法以及機器學習和深度學習技術(shù)等大數(shù)據(jù)手段，對所得數(shù)據(jù)進行深入分析，并建立承載機理與大數(shù)據(jù)融合模型的數(shù)字孿生體。

（3）精細化的模型優(yōu)化：在建立完成模型后，需要根據(jù)實驗模擬結(jié)果及客戶需求來進行進一步模型修正，以保證模型與真實設(shè)備具有更好的匹配度和精細化仿真效果。

（4）數(shù)字孿生平臺開發(fā)：搭建數(shù)字孿生平臺，將前述建立好的數(shù)字孿生模型應用于該平臺上，并建立可視化交互界面，使用戶能夠有效地瀏覽和操作數(shù)字孿生體，獲取所需信息并作出決策。

（5）數(shù)字孿生體應用：將數(shù)字孿生體運用在智能工廠的設(shè)計、建造、生產(chǎn)和維護整個生命周期，實現(xiàn)精準控制和智能化管理。

評價石化智能工廠關(guān)鍵設(shè)備數(shù)字孿生體主要有以下4個指標，即規(guī)模性、互操作性、可擴展性和保真性[8]。

（1）規(guī)模性：數(shù)字孿生體在規(guī)模性方面具有顯著特征，不僅能夠提供不同規(guī)模的洞察力，而且還能盡可能準確地映射物理孿生體的細微之處。在石化行業(yè)中，通常需要建立大量設(shè)備、工藝流程和原材料等的模型，以便準確表示和預測生產(chǎn)過程。為此，數(shù)字孿生體必須考慮應對各種規(guī)模的實體，從單個機器到多個工廠，都應該被納入計算范圍內(nèi)，以滿足行業(yè)的多元化需求。

（2）互操作性：數(shù)字孿生體的互操作性是其在石化行業(yè)中的一個顯著特征，它使不同數(shù)字模型之間能夠轉(zhuǎn)換、合并和建立等效的“表達”方式。在石化行業(yè)中，需要將來自各種不同源的數(shù)據(jù)進行整合和傳輸。例如，從現(xiàn)場傳感器獲得的數(shù)據(jù)可能與設(shè)計和制造系統(tǒng)（CAD/CAM）的數(shù)據(jù)不同。因此，在這些不同的數(shù)據(jù)來源之間建立等效的“表達”方式非常關(guān)鍵，以確保各種各樣的數(shù)據(jù)來源可以有效地整合在一起，并形成一個真正的數(shù)字孿生體。數(shù)字孿生體的互操作性提供了石化行業(yè)進行全面優(yōu)化和準確預測的可能性，從而實現(xiàn)生產(chǎn)效率的最大化和產(chǎn)品質(zhì)量的最優(yōu)化。

（3）可擴展性：數(shù)字孿生體的可擴展性是在石化行業(yè)中極為重要的特征之一。隨著新技術(shù)、設(shè)備和流程的不斷出現(xiàn)，數(shù)字孿生體需要具備權(quán)衡集成、添加或替換局部數(shù)字模型的能力，以滿足不斷變化的需求?？蓴U展性是數(shù)字孿生體能夠適應這些變化而不失去精度和準確性的關(guān)鍵因素。對于石化行業(yè)內(nèi)的關(guān)鍵設(shè)備來說，數(shù)字孿生體必須以可維護性高、可重用性強且靈活可塑的方式來實現(xiàn)，以確保其在未來能夠滿足不斷變化的需求。數(shù)字孿生體的可擴展性能夠幫助石化企業(yè)有效地獲取并利用關(guān)鍵數(shù)據(jù)，從而優(yōu)化和改進生產(chǎn)過程，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

（4）保真性：在數(shù)字孿生體的實現(xiàn)中，盡可能接近物理實體非常重要，以提供更準確的洞察力和增強的預測功能。為了創(chuàng)建一個盡可能精確的數(shù)字模型，需要整合和校對來自各種數(shù)據(jù)源的傳感器數(shù)據(jù)以及其他相關(guān)數(shù)據(jù)。這個數(shù)字模型必須能夠代表石化工廠、裝置、管道、儲罐等設(shè)備的行為，包括機械運動、化學過程、溫度、壓力變化等。因此，數(shù)字孿生體保真性是石化行業(yè)中至關(guān)重要的特征之一，這可以幫助制造商更快速和有效地進行產(chǎn)品設(shè)計、驗證和優(yōu)化，提高周轉(zhuǎn)周期和器材效率。一個保真度高的數(shù)字孿生體將會使得實際的操作更加準確和效率，從而降低生產(chǎn)成本并提高生產(chǎn)效益。

總之，石化關(guān)鍵設(shè)備數(shù)字孿生體的實現(xiàn)過程主要包括收集數(shù)據(jù)、建立模型、優(yōu)化模型、搭建平臺、應用數(shù)字孿生體等多個步驟，保證數(shù)字孿生體滿足規(guī)模性、互操作性、可擴展性和保真性的評價指標。這項技術(shù)在提高設(shè)備效率、降低維護成本以及改善用戶體驗和生產(chǎn)效率等方面，有著非常重要的應用價值和作用。下面將從智能工廠的設(shè)計、建造、生產(chǎn)和維護介紹數(shù)字孿生技術(shù)在石油化工行業(yè)的應用現(xiàn)狀。

1.1 設(shè)計階段

石化智能工廠建設(shè)的起始階段是設(shè)計階段，該階段利用信息化手段構(gòu)建工藝設(shè)備的三維模型，并通過建立和驗證過程的機理和數(shù)據(jù)模型，對生產(chǎn)設(shè)備與工藝進行模擬仿真。因此，設(shè)計過程與數(shù)字孿生有著緊密的聯(lián)系。使用數(shù)字孿生技術(shù)，可以實現(xiàn)數(shù)字化交付成果的三維展示，從而對生產(chǎn)情況進行全面、準確的監(jiān)控和報警。具體而言，石化工廠包含了眾多管道、儲油庫和裝置設(shè)備等構(gòu)件。利用數(shù)字孿生技術(shù)，這些構(gòu)件可以在三維平臺上得到復現(xiàn)，從而實現(xiàn)由點到線再到面再到三維立體的抽象展示。這一過程，能夠極大地提升數(shù)字化交付成果的可視化效果，進而加強對生產(chǎn)情況的監(jiān)測、管理和預警[9]。李柏松等[10]介紹了數(shù)字孿生技術(shù)在油氣管道設(shè)計中的應用。他們基于數(shù)字孿生技術(shù)的高保真動態(tài)三維模型，關(guān)聯(lián)了材料屬性、感知系統(tǒng)、有限元模型等相關(guān)屬性模型的數(shù)字孿生體，在設(shè)計階段即可識別設(shè)計缺陷，在施工建造之前，進行設(shè)計層面的設(shè)計和優(yōu)化，提升管道的本質(zhì)安全性。此外，數(shù)字孿生體還可以持續(xù)累積管道設(shè)計和建設(shè)的相關(guān)知識，幫助設(shè)計人員不斷實現(xiàn)重用和改進，實現(xiàn)知識復用。趙國深等[11]從管道線路、站場和建筑三個方面分析了利用數(shù)字孿生技術(shù)進行油氣管道的協(xié)同設(shè)計方法。他們在交叉專業(yè)設(shè)計數(shù)據(jù)完成后，對包括工藝、控制、環(huán)境、影響施工等方面在內(nèi)的設(shè)計結(jié)果進行集成驗證，通過迭代優(yōu)化實現(xiàn)管道設(shè)計。因此，數(shù)字孿生技術(shù)在石化智能工廠建設(shè)的設(shè)計階段具有重要的應用價值。

1.2 建造階段

石化智能工廠的建造階段是將設(shè)計結(jié)果付諸實踐的過程，數(shù)字孿生技術(shù)在其中起到了重要的作用。通過模擬仿真，數(shù)字孿生技術(shù)可以及時反饋建造過程潛在問題，為安全和高效地完成設(shè)備和廠區(qū)的建設(shè)奠定了重要基礎(chǔ)。在智慧管網(wǎng)的管道建設(shè)施工階段，數(shù)字孿生技術(shù)繼承了設(shè)計階段的數(shù)字化成果，并通過數(shù)據(jù)更新不斷完善施工過程的虛擬管理，指導施工過程。管道施工完成后，數(shù)字孿生技術(shù)還可以優(yōu)化虛擬管道模型，為后續(xù)管道的運行維護提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[12]。在中俄東線管道的工程建設(shè)過程中，數(shù)字孿生技術(shù)同步構(gòu)建了管道的數(shù)字孿生體，通過數(shù)字化設(shè)計云平臺、智能工地、PCM 系統(tǒng)、數(shù)據(jù)回流等完成管道數(shù)字孿生體的構(gòu)建[13]。這些研究成果為智能工廠和智慧管網(wǎng)的建設(shè)提供了重要的技術(shù)支持。

1.3 生產(chǎn)階段

數(shù)字孿生技術(shù)在石化智能工廠生產(chǎn)階段中發(fā)揮著重要作用，可以提升生產(chǎn)過程監(jiān)測、優(yōu)化生產(chǎn)過程參數(shù)、減少碳排放與提升企業(yè)效益。中緬油氣管道是中國首條經(jīng)過數(shù)字化恢復構(gòu)建數(shù)字孿生體的在役山地管道，數(shù)字孿生體可以實現(xiàn)管道可視化運行、設(shè)備拆解培訓、指導維檢修作業(yè)及應急搶險作業(yè)等，為實現(xiàn)管網(wǎng)智慧化運營奠定了基礎(chǔ)[14]。美國Texaco公司建成了世界上第一個油氣工業(yè)專用的虛擬現(xiàn)實（VR）中心，利用VR系統(tǒng)創(chuàng)建實時的“海底作業(yè)環(huán)境”，通過可遙控遠程作業(yè)車實現(xiàn)了遠程作業(yè)[15]。王子宗等[16]針對170 萬噸/年甲醇制丙烯（MTP）實際裝置進行的研究工作，通過對全流程模擬計算數(shù)據(jù)的對比分析，對MTP中的分離流程進行了詳細的研究和優(yōu)化，采用所優(yōu)化的分離流程后，產(chǎn)品氣壓縮機和丙烯壓縮機的雙機功率為19.8MW，相較于之前的方案顯著減少了能源消耗和生產(chǎn)成本。葉磊等[17]構(gòu)造了前紡絲車間的數(shù)字孿生四層架構(gòu)，實現(xiàn)了前紡絲車間的智能排產(chǎn)、絲餅質(zhì)量的分析管理、化纖車間的能耗優(yōu)化以及員工的集中培訓等功能。陳曉紅等[18]提出了基于數(shù)字孿生技術(shù)的碳中和主要路徑。該方法首先以石化工廠二維或三維的可視化碳地圖模型為基礎(chǔ)，構(gòu)建排放驅(qū)動因素追蹤、減排動態(tài)模擬推演、能耗告警檢測分析等功能。通過建立這些功能，可以實現(xiàn)清晰的碳排放監(jiān)測、管控、規(guī)劃和策略實施路徑。數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)企業(yè)的碳排放精準監(jiān)測和計量，為碳減排與碳中和精準規(guī)劃實施提供重要支撐。這些研究成果為智能工廠生產(chǎn)階段的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了重要的技術(shù)支持。

1.4 維護階段

數(shù)字孿生技術(shù)在石化設(shè)備的停工、檢修和事故應急等過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。該技術(shù)可以優(yōu)化停工周期、提升檢修質(zhì)量和模擬事故應急，從而有效提升企業(yè)效益、保障生產(chǎn)安全。中海油集團構(gòu)建了基于數(shù)字孿生技術(shù)的半潛式石油鉆井平臺系統(tǒng)，實現(xiàn)了鉆井平臺安全智能診斷、關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)智能預測預警以及平臺安全可視化預控等智能服務，為平臺安全有效運行提供保障[19]。王文明等[20]提出了一種基于海洋連續(xù)油管修井的數(shù)字孿生框架，通過構(gòu)建多模型融合虛擬實體，實現(xiàn)對修井過程的虛實交互，從而提高海洋油氣修井的安全管理和智能決策水平。王金江等[21]基于陜京管線某壓氣站場，研發(fā)了壓氣站場設(shè)備設(shè)施的數(shù)字孿生可視化風險智能決策系統(tǒng)，整合多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，提高壓氣站場的安全管理和信息化水平，有助于推動壓氣站場的智慧化建設(shè)。美國哈里伯頓公司利用“數(shù)字孿生體”技術(shù)改進BHA 鉆具，通過模擬選擇現(xiàn)場使用的各種鉆具組件，并進行BHA 關(guān)鍵組件的使用壽命與損壞程度預測與評估，最終保障井底鉆井BHA 組件的使用效率和壽命，減少或降低因井下鉆具損壞而造成的鉆井“非生產(chǎn)時間”，降低鉆井成本[22]。黃珊等[23]針對管道腐蝕速率模型，闡述了基于腐蝕大數(shù)據(jù)的管道數(shù)字孿生技術(shù)的適用性，從影響因素、機理模型、分析模型入手，為數(shù)字孿生技術(shù)在管道腐蝕管理中的應用提供了理論支持。婁海川等[24]研發(fā)的智能安全保障實時優(yōu)化方法及系統(tǒng)，利用數(shù)字孿生和大數(shù)據(jù)分析方法創(chuàng)新融合應用到石化裝置生產(chǎn)異常工況預警預測的工業(yè)場景中。該系統(tǒng)的特點在于其雙重異常智能預警預測模塊，將工藝機理建模與大數(shù)據(jù)分析相結(jié)合，對生產(chǎn)過程中的異常情況進行監(jiān)測和預測，并通過數(shù)字孿生技術(shù)為操作人員提供可解釋性和有效性的報警提示。

綜上所述，數(shù)字孿生技術(shù)在石化智能工廠建設(shè)的不同階段中得到了廣泛的應用。在設(shè)計階段，數(shù)字孿生技術(shù)可以通過構(gòu)建高保真動態(tài)三維模型，識別設(shè)計缺陷并進行設(shè)計優(yōu)化，提升管道的本質(zhì)安全性。在建造階段，數(shù)字孿生技術(shù)可以通過模擬仿真及時反饋建造過程潛在問題，指導施工過程，并為后續(xù)管道的運行維護提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在生產(chǎn)階段，數(shù)字孿生技術(shù)可以提升生產(chǎn)過程監(jiān)測、優(yōu)化生產(chǎn)過程參數(shù)、減少碳排放與提升企業(yè)效益。在維護階段，數(shù)字孿生技術(shù)可以優(yōu)化停工周期、提升檢修質(zhì)量和模擬事故應急，從而有效提升企業(yè)效益、保障生產(chǎn)安全。這些研究成果為智能工廠和智慧管網(wǎng)的建設(shè)提供了重要的技術(shù)支持，同時也為數(shù)字孿生技術(shù)在石化領(lǐng)域的應用提供了理論支持。

2 智能工廠全生命周期數(shù)字孿生服務平臺

中國石油化工集團公司（簡稱中國石化）在智能工廠建設(shè)中提出了智能工廠演進五階段，其中3.0 的 目 標 是 實 現(xiàn) 互 聯(lián) 智 能 （connected intelligence），涵蓋四方面的內(nèi)容：基于物聯(lián)感知，實現(xiàn)人機料法環(huán)全要素感知和全價值鏈連接；基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，形成虛實融合、數(shù)據(jù)驅(qū)動的工廠級數(shù)字孿生系統(tǒng)；機器學習+機理模型、機器人等在關(guān)鍵裝置得到深化應用；實現(xiàn)全業(yè)務環(huán)節(jié)的上下集成和全局優(yōu)化[25-26]。

基于數(shù)字孿生技術(shù)在石化行業(yè)的應用現(xiàn)狀，并深度解析中國石化智能工廠3.0 的目標與內(nèi)涵，秉承“成套技術(shù)成果軟件化、工程建設(shè)交付數(shù)字化、石化工廠運營智能化”融合創(chuàng)新的數(shù)字孿生智能工廠的構(gòu)建思路[27-28]，本文設(shè)計了“石化智能工廠全生命周期數(shù)字孿生服務平臺”，圖1 給出了平臺的架構(gòu)圖。該平臺以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺為支撐，以石化企業(yè)復雜的工藝與裝置為核心，可以提供石化智能工廠的數(shù)字化交付、智能建設(shè)服務、運行仿真以及智能維護等服務，涵蓋了石化智能工廠的全生命周期，形成了虛實映射的“數(shù)據(jù)＋平臺+應用”的新型智能制造模式。

圖1 石化智能工廠全生命周期數(shù)字孿生服務平臺架構(gòu)圖

基于石化智能工廠全生命周期數(shù)字孿生服務平臺架構(gòu)，規(guī)劃了基于數(shù)字孿生的智能工廠生產(chǎn)調(diào)度可視仿真、基于增強現(xiàn)實的智能工廠設(shè)備智能巡檢和基于虛擬現(xiàn)實的智能工廠沉浸式培訓與安全演習三個應用場景。下面對這三個場景的技術(shù)方案進行具體介紹。

2.1 基于數(shù)字孿生的智能工廠生產(chǎn)調(diào)度可視仿真

基于數(shù)字孿生技術(shù)，智能工廠生產(chǎn)調(diào)度可視仿真的技術(shù)路線包括三個步驟。首先，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺為基礎(chǔ)，構(gòu)建智能工廠數(shù)字孿生數(shù)據(jù)平臺。其次，以智能工廠流程復雜的工藝與裝置為核心，對建設(shè)期與生產(chǎn)運行期的數(shù)據(jù)進行恢復，對工藝與裝備進行三維建模，構(gòu)建智能工廠流程的數(shù)字孿生模型。最后，基于數(shù)字孿生模型，集成先進的生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化技術(shù)與算法，實現(xiàn)智能工廠的生產(chǎn)調(diào)度可視仿真，為實現(xiàn)工廠智慧化運營奠定了基礎(chǔ)。數(shù)字孿生技術(shù)的應用，將為智能工廠帶來更高效、更安全、更經(jīng)濟的運營模式。

2.2 基于增強現(xiàn)實的智能工廠設(shè)備智能巡檢

增強現(xiàn)實技術(shù)（AR）是一種將虛擬信息與真實世界融合的技術(shù)，廣泛運用了多媒體、三維建模、實時跟蹤及注冊、智能交互、傳感等多種技術(shù)手段。通過將計算機生成的文字、圖像、三維模型、音樂、視頻等虛擬信息模擬仿真后，應用到真實世界中，實現(xiàn)對真實世界的“增強”。增強現(xiàn)實具有真實與虛擬的結(jié)合、實時交互等特性?；谠鰪姮F(xiàn)實的智能工廠生產(chǎn)設(shè)備智能巡檢的架構(gòu)與功能包括兩個方面。首先，實時監(jiān)控智能工廠整個生產(chǎn)流程，集成人工智能與數(shù)據(jù)解析技術(shù)，自動分析生產(chǎn)過程的安全與質(zhì)量參數(shù)，及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的安全隱患與操作失誤，減少生產(chǎn)過程中檢錯和返工消耗的時間，保障生產(chǎn)質(zhì)量。其次，通過生成可視化維修指令來指導現(xiàn)場作業(yè)，根據(jù)工藝流程規(guī)范規(guī)劃的設(shè)備單元、維修順序、維修方法和維修指令，按步驟引導整個維修過程，實現(xiàn)精準化的設(shè)備維修維護，降低維修難度，提升維修維護操作效率。這些功能可以幫助企業(yè)實現(xiàn)智能化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，同時減少人為失誤和維修時間，提高生產(chǎn)安全性。增強現(xiàn)實技術(shù)的應用，將為智能工廠生產(chǎn)設(shè)備的巡檢和維修維護帶來更高效、更安全、更經(jīng)濟的解決方案。

2.3 基于虛擬現(xiàn)實的智能工廠沉浸式培訓與安全演習

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）是利用計算機科學和行為界面，在虛擬世界中模擬3D 實體之間實時交互的行為。這種技術(shù)具有沉浸性、交互性和想象性的特點，可以讓用戶以一種偽自然的方式沉浸于虛擬世界中。近年來，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展和虛擬現(xiàn)實頭戴式設(shè)備（HMD）成本的降低，VR技術(shù)為智能工廠的生產(chǎn)培訓和安全演習提供了一條新的途徑?；谔摂M現(xiàn)實的智能工廠培訓系統(tǒng)的開發(fā)路線包括以下步驟：首先，根據(jù)UI 設(shè)計標準與技術(shù)，設(shè)計開發(fā)系統(tǒng)界面，包括三個主要模塊和輔助功能；其次，利用三維建模軟件建立工藝設(shè)備的三維模型，構(gòu)建“虛擬工廠”，并基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，利用三維開發(fā)引擎，開發(fā)各生產(chǎn)車間培訓流程中的交互場景，仿真真實的生產(chǎn)培訓流程；接著，設(shè)計與開發(fā)智能工廠的安全培訓流程以及生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的各類安全事故，并設(shè)定相應的演習方案；最后，搭載虛擬現(xiàn)實頭戴式設(shè)備，發(fā)布系統(tǒng)，并進行測試與優(yōu)化。這種技術(shù)打破了原有培訓的安全和資源限制，同時也保留了現(xiàn)場培訓的沉浸感。基于虛擬現(xiàn)實的智能工廠培訓系統(tǒng)的開發(fā)路線清晰明了，可以為智能工廠的生產(chǎn)培訓和安全演習提供一種新的途徑。

這些應用場景的技術(shù)方案都有其獨特的創(chuàng)新點，如數(shù)字孿生技術(shù)的應用、增強現(xiàn)實技術(shù)的實時監(jiān)控和生成可視化維修指令、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的沉浸式培訓和安全演習等。因此，數(shù)字孿生及其相關(guān)技術(shù)的應用將為智能工廠的生產(chǎn)培訓和安全演習提供一種新的途徑，同時也為智能工廠的生產(chǎn)調(diào)度和設(shè)備維護提供了更高效、更安全、更經(jīng)濟的解決方案。

3 數(shù)字孿生技術(shù)應用挑戰(zhàn)與措施

數(shù)字孿生技術(shù)在石油石化領(lǐng)域已經(jīng)取得卓有成效的成果，但其應用仍處于初級階段，主要應用于石化智能工廠的數(shù)字化、信息化和模型化。雖然數(shù)字化和模型化技術(shù)通過對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行處理并提供可視化展示，可以實現(xiàn)企業(yè)優(yōu)化和管理，但數(shù)字孿生技術(shù)更加注重實時性、預測性和反饋性，并與實際設(shè)備相嵌合互動，從而帶來更加精準和全面的洞察力及預測能力。如要實現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)在石化企業(yè)的廣泛應用，需要持續(xù)強化數(shù)字孿生技術(shù)與物理實體的連接能力、增加數(shù)據(jù)完善數(shù)字模型的精度和可靠性，以及提高復雜工序和設(shè)備的仿真和模擬能力，從而提供更高質(zhì)量的預測、診斷和故障排除服務。盡管數(shù)字孿生技術(shù)在石化企業(yè)中的應用仍處于早期階段，但隨著各種數(shù)字技術(shù)的不斷成熟，數(shù)字孿生技術(shù)將極有可能成為石化行業(yè)顛覆性創(chuàng)新的突破點。因此，推動數(shù)字孿生技術(shù)在石油石化行業(yè)的廣泛應用非常有意義，可以通過采取措施來解決數(shù)字孿生技術(shù)在智能工廠應用中的挑戰(zhàn)。以下是推廣數(shù)字孿生技術(shù)在智能工廠應用的一些措施，可以促進數(shù)字孿生技術(shù)在石油石化行業(yè)的廣泛應用[29]。

3.1 石化智能工廠數(shù)字孿生標準體系的構(gòu)建

數(shù)字孿生技術(shù)在石油石化領(lǐng)域的標準體系尚不完善，各大企業(yè)都處在摸索與應用并行的階段，相關(guān)的行業(yè)標準體還未建立，這阻礙了數(shù)字孿生技術(shù)的應用推廣。為了解決這一問題，中國石化作為石油石化行業(yè)重要的特大型企業(yè)集團，可以在如下方面開展石化智能工廠數(shù)字孿生標準體系的構(gòu)建工作：①數(shù)字孿生系統(tǒng)標準化架構(gòu)，包含感知層、數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、模型層等；②規(guī)范化石油石化行業(yè)數(shù)字孿生標準術(shù)語，便于不同企業(yè)與用戶之間的相互交流與協(xié)作；③標準化石油石化行業(yè)數(shù)字孿生數(shù)據(jù)和模型，解決了企業(yè)間數(shù)據(jù)和模型推廣困難的問題。這些措施將有助于推動數(shù)字孿生技術(shù)在石油石化行業(yè)的應用推廣。

3.2 石油石化背景的數(shù)字孿生人才隊伍建設(shè)

數(shù)字孿生技術(shù)和石油石化行業(yè)的人才之間存在教育背景上的差異。雖然數(shù)字孿生領(lǐng)域的技術(shù)人才掌握了相關(guān)技能，但通常缺乏石化行業(yè)的背景知識，這導致了技術(shù)推廣應用的障礙。因此，為了奠定數(shù)字孿生技術(shù)應用的重要基礎(chǔ)，需要對具有石油石化知識背景的人才進行數(shù)字孿生相關(guān)技術(shù)培訓，以加強人才儲備，實現(xiàn)行業(yè)背景與相關(guān)技術(shù)的深度融合。

3.3 多源融合數(shù)據(jù)的采集、通信與處理技術(shù)

石化企業(yè)的工藝流程復雜，生產(chǎn)過程參數(shù)多變，導致采集的數(shù)據(jù)存在多源、異構(gòu)、交換困難等特性。為了保障數(shù)字孿生應用的數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)交換的流暢性，需要采取以下措施：首先，加強數(shù)據(jù)采集的頂層設(shè)計，統(tǒng)一數(shù)據(jù)編碼，推進全生命周期的數(shù)據(jù)協(xié)同；其次，建設(shè)融合5G 技術(shù)的數(shù)據(jù)采集與傳輸工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鲿承院蜏蚀_性，并構(gòu)建數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)安全保障體系，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕蛔詈?，基于云邊端計算和區(qū)塊鏈等相關(guān)技術(shù)，加速數(shù)字孿生系統(tǒng)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的處理，提升系統(tǒng)的應用效率。

3.4 多物理場仿真技術(shù)

多物理場仿真在石化關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計、運行和維護等環(huán)節(jié)都發(fā)揮著重要的作用。在設(shè)計中，通過建立三維模型并耦合多種物理場進行計算，多物理場仿真可以定量分析不同工藝參數(shù)和輸入變量對設(shè)備的影響規(guī)律，為設(shè)備提供最優(yōu)化的設(shè)計方案。在設(shè)備運行過程中，多物理場仿真可以監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)及可能發(fā)生的故障，并演示出不同維修措施的結(jié)果。尤其是與數(shù)字孿生體技術(shù)相結(jié)合，操作人員能夠快速檢視歷史數(shù)據(jù)預防性地預測設(shè)備存在的問題并采取措施。在設(shè)備維護方面，多物理場仿真可以模擬設(shè)備可能的故障情況，確定需維修或更換的部分，并幫助制定可行的維護方案，降低生產(chǎn)成本并最大限度地提高設(shè)備的使用壽命。通過多物理場仿真的應用，石化企業(yè)可以優(yōu)化生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)量、模擬出設(shè)備運行，同時降低生產(chǎn)成本、消除潛在問題，這將有助于提高企業(yè)競爭力和持續(xù)發(fā)展。

3.5 基于虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實技術(shù)的智能工廠“元宇宙”

智能工廠的數(shù)字孿生體是工業(yè)系統(tǒng)的數(shù)字化鏡像。通過虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實技術(shù)，可以在數(shù)字孿生體的基礎(chǔ)上創(chuàng)建智能工廠的“元宇宙”，實現(xiàn)數(shù)字孿生體向沉浸式、交互式和智能化方向的拓展。這樣，智能工廠的數(shù)字孿生體可以實現(xiàn)虛實交互、虛實協(xié)同和人機共融的目標。

綜上所述，為了推廣數(shù)字孿生技術(shù)在智能工廠的應用，需要構(gòu)建石化智能工廠數(shù)字孿生標準體系、加強數(shù)字孿生人才隊伍建設(shè)、采用多源融合數(shù)據(jù)的采集、通信與處理技術(shù)以及基于虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實技術(shù)的智能工廠“元宇宙”。這些措施將有助于解決數(shù)字孿生技術(shù)在智能工廠應用中的挑戰(zhàn)，推動數(shù)字孿生技術(shù)在石油石化行業(yè)的廣泛應用。

4 結(jié)語

本文總結(jié)了數(shù)字孿生技術(shù)在智能制造領(lǐng)域的應用前景，特別是在石化行業(yè)中的應用，并介紹了石化智能工廠全生命周期數(shù)字孿生服務平臺。該平臺以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺為支撐，以石化復雜的工藝與裝置為核心，提供數(shù)字化交付、智能建設(shè)服務、運行仿真以及智能維護等服務，形成了虛實映射的新型智能制造模式。同時，本文規(guī)劃了基于數(shù)字孿生的智能工廠生產(chǎn)調(diào)度可視仿真、基于增強現(xiàn)實的智能工廠設(shè)備智能巡檢和基于虛擬現(xiàn)實的智能工廠沉浸式培訓與安全演習三個應用場景。數(shù)字孿生及其相關(guān)技術(shù)的應用將為智能工廠的生產(chǎn)培訓和安全演習提供一種新的途徑，同時也為智能工廠的生產(chǎn)調(diào)度和設(shè)備維護提供了更高效、更安全、更經(jīng)濟的解決方案。最后，本文分析了數(shù)字孿生技術(shù)在石油石化行業(yè)的應用挑戰(zhàn)與措施，提出了構(gòu)建石化智能工廠數(shù)字孿生標準體系、加強數(shù)字孿生人才隊伍建設(shè)、采用多源融合數(shù)據(jù)的采集、通信與處理技術(shù)、多物理場仿真技術(shù)以及基于虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實技術(shù)的智能工廠“元宇宙”等措施，以推動數(shù)字孿生技術(shù)在石油石化行業(yè)的廣泛應用。