陳岳飛，肖珍芳 ，方 向

(1. 中國計量科學研究院戰(zhàn)略研究中心，北京 100029；2. 中國社會科學院財經(jīng)戰(zhàn)略研究院，北京 100028；3. 國家煤炭石油天然氣分析儀器產(chǎn)品質量監(jiān)督檢驗中心，湖南 長沙 410014）

近年來我國石油化工技術大幅提升、產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴大， 但目前國內市場仍有64.5%的石油依賴進口，其主要原因不僅中國是石油消費大國，同時石油化工技術也需進一步發(fā)展。 技術創(chuàng)新不夠是阻礙中國石油化工行業(yè)快速發(fā)展的主要原因，其直接導致石油化工產(chǎn)品生產(chǎn)時面臨資源浪費、環(huán)境污染大、產(chǎn)品質量差、生產(chǎn)效率低等問題。 與此同時，數(shù)字化成為了新經(jīng)濟條件下工業(yè)發(fā)展的新引擎，而數(shù)字孿生技術正好滿足了讓物理與信息世界相互融合、 實現(xiàn)數(shù)字化轉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)的廣泛關注。

數(shù)字孿生在石化行業(yè)的應用， 為產(chǎn)品質量差、生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品難以銷售等問題提供了一種切實可行的解決方案，越來越多的石油化工企業(yè)選擇用數(shù)字孿生構建生產(chǎn)模型以幫助自身發(fā)展。 然而，目前在石油化工領域，數(shù)字孿生技術的應用仍處于初級階段，大部分研究仍停留在理論階段，缺乏實際應用，因此要實現(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)進一步緊密合作，開展更深層次的研究。

1 數(shù)字孿生技術概述

1.1 數(shù)字孿生內涵

1969年，NASA在阿波羅項目中為了確?！霸谲壛愎收稀?，利用在軌裝配技術，構建能夠反映正在工作的航天器狀態(tài)的孿生體，以通過大量模擬測試降低成本，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)字等價物理產(chǎn)品”的概念，并給出了詳細定義，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[2]。 2003-2005年期間， 數(shù)字孿生技術被稱為 “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)字孿生這個名稱才正式確定，定義為“一種能夠將虛擬產(chǎn)品及其連接實體化的三維模型”， 其功能是將物理產(chǎn)品映射到虛擬信息空間，而且實時監(jiān)測產(chǎn)品的全生命周期，使產(chǎn)品維運過程得到優(yōu)化[2]。 隨著飛行器技術要求的提高，研究人員開始將數(shù)字孿生與飛行器設計相結合，設計過程中，數(shù)字孿生體被描述為一種仿真模型，其能夠通過物理模型和各種數(shù)據(jù)反映與之相對應物理實體的各種屬性[4]。 同時，美國空軍將數(shù)字孿生的功能定義為“能夠在虛擬信息空間反映物理實體的功能、實時狀態(tài)和演變趨勢”[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工業(yè)獲得了應用。 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)字化轉型階段，還為建造制造車間CPS提供了相關理論基礎。

1.2 數(shù)字孿生的關鍵技術

數(shù)字孿生的關鍵技術主要有：多領域多尺度融合建模、 數(shù)據(jù)采集和傳輸技術、VR呈現(xiàn)、 高性能計算、數(shù)據(jù)驅動與物理模型融合的狀態(tài)評估、全壽命周期數(shù)據(jù)管理等方面[5-8]。

1.2.1 多領域多尺度融合建模

多領域建模是指在特定領域建模的基礎上，通過融合集成數(shù)據(jù)將來自不同領域的模型組合成為一個包含不同屬性的綜合模型；多尺度模型是對單尺度模型的多維度擴展，調節(jié)物理參數(shù)來連接不同時間下的同一個模型并且分析不同時間模型的工作狀態(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)字孿生技術實現(xiàn)的基礎， 同時先進可靠的傳輸網(wǎng)絡使采集到的數(shù)據(jù)能夠快速、準確地傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，為數(shù)字孿生技術實時應用提供保障，以保證數(shù)字孿生系統(tǒng)的實時性。

1.2.3 VR呈現(xiàn)

VR技術不僅復現(xiàn)了目標系統(tǒng)的狀態(tài)，還能將采集到的數(shù)據(jù)信息通過虛擬映射到創(chuàng)造的數(shù)字孿生系統(tǒng)中，保證了人機互動的實時連續(xù)性。 VR技術通過數(shù)字孿生系統(tǒng)讓使用者快速地學習和了解目標系統(tǒng)的各種信息， 幫助使用者激發(fā)改進系統(tǒng)的靈感，有利于人們實時監(jiān)控、指導復雜裝備的制造、運行和維修。

1.2.4 高性能計算

由于需要實時映射，數(shù)字孿生系統(tǒng)應當具有強大的計算能力。 考慮到硬件技術發(fā)展水平，目前主要通過將基于分布式計算云平臺作為基礎，輔以融合高性能嵌入式計算系統(tǒng)和異構加速計算體系，并通過優(yōu)化數(shù)據(jù)分布層次、 檢索方法和存儲形式，以提髙運算性能。

1.2.5 全壽命周期數(shù)據(jù)管理

復雜系統(tǒng)的全壽命周期數(shù)據(jù)存儲和管理是數(shù)字孿生系統(tǒng)另一關鍵技術，其通過云服務器分布式管理、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)，對維持整個數(shù)字孿生系統(tǒng)的運行起著重要作用。

1.2.6 其他關鍵技術

人工智能的發(fā)展為數(shù)字孿生技術提供了前進動力，在不同的數(shù)字孿生應用場景中，利用量化分析、 無樣本或小樣本的增強學習能夠優(yōu)化數(shù)據(jù)生成、建模和數(shù)據(jù)分析。 此外，半物理仿真、驗證和評估法等方法在構建數(shù)字孿生平臺過程中也非常重要。這些技術與數(shù)字孿生的結合，能夠極大提高數(shù)字孿生系統(tǒng)的性能，推動數(shù)字孿生技術的進一步發(fā)展。

2 數(shù)字孿生技術在石油化工行業(yè)的應用

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

利用數(shù)字孿生技術設計出能夠虛擬映射實體工廠的數(shù)字模型，是實現(xiàn)石油化工領域數(shù)字化轉型與發(fā)展的關鍵路徑。 目前，國內外各類研究機構和大型企業(yè)積極布局，不斷突破數(shù)字孿生技術的關鍵技術。 陶飛等[9]提出了一種數(shù)字孿生車間概念及實現(xiàn)模式，包括車間孿生數(shù)據(jù)、物理車間、虛擬車間、車間服務等，將實時車間數(shù)據(jù)反饋到虛擬空間進行分析然后用算法進行優(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狀態(tài)的實時感知和自主決策智能建模方法，以解決工廠生產(chǎn)時遇到的資源配置與自適應協(xié)同控制的問題。 達索公司為滿足復雜產(chǎn)品用戶的交互需求，建設了3D交互平臺；設計者利用該平臺可以持續(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，并最終改進產(chǎn)品實物的性能[11]。

圖1 數(shù)字孿生車間模型[9]

對于石油化工行業(yè)，數(shù)字孿生技術研究及應用主要集中在生產(chǎn)全流程和產(chǎn)后維護上，即油氣勘探開發(fā)、鉆井過程、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)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術，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)進行融合。 利用這種方式將改進現(xiàn)有汽油勘探模式與技術，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，在數(shù)字虛擬模型上實現(xiàn)了油氣現(xiàn)場勘探開發(fā)與狀態(tài)管理、員工培訓與現(xiàn)場可視化作業(yè)、場外專家在線指導等功能。 目前，“石油大腦”被應用在西南油氣田、大慶、渤海等地的開采和鉆探過程中。

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的基礎上開展裝備全數(shù)字化技術研究，構建裝備工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，探索設計、生產(chǎn)、操縱、經(jīng)營、維護等生命周期數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，在數(shù)字孿生系統(tǒng)中把控產(chǎn)品質量，在裝備現(xiàn)場驗證數(shù)據(jù)正確性，提升裝備機能并改進其生產(chǎn)工藝，無需親臨現(xiàn)場，通過數(shù)字孿生系統(tǒng)遠程監(jiān)控各類數(shù)據(jù)，全方位數(shù)字化石油工程裝備，實現(xiàn)智能石油工程建設與智慧化發(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工程“全生命周期”數(shù)字化管理平臺基本建成，克拉瑪依氣田、瑪河氣田天然氣增壓及深冷提效兩項試點工程數(shù)字化交付整體進度分別達到80%、48%。隨著這種基于數(shù)字孿生技術的石油工程裝備管理平臺示范應用進一步擴大與成熟，全國其他油田也會逐步將其投入推廣使用，帶來數(shù)字孿生技術在石油工程裝備管理方面的更大進步。

2.1.3 鉆井過程數(shù)字孿生

在半潛式鉆井平臺的基礎上開展數(shù)字化研究，通過創(chuàng)建物理信息系統(tǒng)來監(jiān)測數(shù)據(jù)驅動信息空間中構建的設備運行狀態(tài)，實現(xiàn)鉆井平臺關鍵設備變化情況的模擬和預測，達到實現(xiàn)鉆井平臺與虛擬空間模型相互映射、相互指導的作用。 目前，美國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）、美國船級社（ABS）、馬士基鉆井公司（Maersk Drilling）合作，開始了數(shù)字鉆井船和數(shù)字孿生體的試點工作。 預計不久后，鉆井平臺的數(shù)字孿生模型就能正式建成。 未來，鉆井過程數(shù)字孿生技術有望發(fā)展到鉆井過程全生命周期中，基本過程大致概括為：結合各種工程技術對地面及井下數(shù)據(jù)進行檢測， 選擇出最優(yōu)施工方案，預測施工過程中可能出現(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

石油管道運營商可以通過在線監(jiān)測，獲得大量管道運行數(shù)據(jù)，但如何利用這些數(shù)據(jù)、實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化一直是石油管理領域的難點。 數(shù)字孿生利用虛擬現(xiàn)實技術，獲得3D石油管道數(shù)據(jù)圖像。 用戶通過對石油管道虛擬圖像進行處理， 利用全息透視眼鏡，便可清晰觀測管道內情況。 同時，將管道附近反映地質變化狀況的重點區(qū)域進行熱圖成像，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)域等地質變化狀態(tài)以及管道應變等潛在危險。 該技術被評為2018年國際石油十大科技進展之一[17]，目前在加拿大Enbridge 公司得到了成功應用。實踐表明采用該技術節(jié)省了管道數(shù)據(jù)分析和處理時間，提高了管道完整性評估的快速準確性，從而證實了管道監(jiān)控的有效性。

2.1.5 石化行業(yè)數(shù)字工廠應用平臺

傳統(tǒng)的石化工廠信息系統(tǒng)一般是基于傳統(tǒng)業(yè)務驅動型的，包括EPR系統(tǒng)（即企業(yè)資源計劃系統(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)務驅動型信息系統(tǒng)基礎上，還包括大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘、先進控制、在線實時優(yōu)化、工業(yè)云平臺等，其主要通過數(shù)字工廠與管理系統(tǒng)的集成、數(shù)字工廠與生產(chǎn)過程監(jiān)控的集成、 數(shù)字工廠與設備管理系統(tǒng)的集成、集成數(shù)字工廠的工藝培訓管理集成等體現(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，但是就目前的實際應用情況而言，其應用還處在剛剛起步階段。 國內數(shù)字孿生技術主要在一些大型企業(yè)如中石油、中石化點應用[18]，中小企業(yè)因缺乏技術指導和相關設備，很少有應用案例。 同時，國家還沒有制定相關的數(shù)字化標準，管理上也存在一些漏洞。 因此，數(shù)字孿生技術在石油化工的大范圍推廣應用還需進一步深入研究。

2.2 數(shù)字孿生技術在石油化工行業(yè)的開發(fā)應用

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

2.2.1 建設目標

若要完成石油化工領域全面智能化流程行業(yè)的任務，就必須研制出與之相對應的數(shù)字孿生系統(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)化多時空、多尺度模型的參數(shù)求解性能，并提升石油化工關鍵工藝指標的預測能力。 同時，進一步完善關鍵應用場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、實用。

2.2.2 系統(tǒng)整體結構

首先，在數(shù)字孿生的基礎上構建一個模擬的石油化工物理實體狀態(tài)的虛擬模型，再利用各種傳感器等基礎設施，采集石油化工領域生產(chǎn)流程可能涉及到的所有數(shù)據(jù)，實現(xiàn)信息和物理的融合，最終將石油化工的物理實體完全映射到虛擬實體上，同時利用各種優(yōu)化算法改進與優(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)字孿生技術的主要目的是模擬、分析、優(yōu)化、監(jiān)控與預測設備和系統(tǒng)運行過程等。 通過模擬設備的運轉過程，得到各種性能參數(shù)， 然后將這些參數(shù)加入模型進行分析，以預測關鍵生產(chǎn)裝置質量和和關鍵控制指標，最后對設備和系統(tǒng)過程進行優(yōu)化調整。

（2）融合全生命周期數(shù)據(jù)，即通過數(shù)字孿生技術，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)、運行情況、關鍵工藝參數(shù)與系統(tǒng)運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)調整所有生產(chǎn)過程，促進石油化工信息共享，實現(xiàn)全流程協(xié)同工作。

2.2.4 應用場景探索

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

（2）工藝參數(shù)設計與仿真。 采用流程模擬軟件構建機理模型，并利用各種優(yōu)化算法對導入的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行處理以校正模型，以達到提升系統(tǒng)全流程模型準確性的目的。

（3）過程建模與參數(shù)優(yōu)化。 構造目標函數(shù)、開發(fā)出合適的優(yōu)化器，然后根據(jù)目標函數(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，以達到能夠在最優(yōu)操作條件下實時指導生產(chǎn)過程并且優(yōu)化控制目標的目的。

（4）設備故障診斷與遠程運維。 為保證設備能夠安全可靠地運行， 必須利用各種算法和模型，例如設備故障診斷模型、維修策略模型以及參數(shù)預測算法等，對設備運行狀況和生產(chǎn)過程實施在線監(jiān)控與健康評估，并自動給出診斷報告、提供解決方案。

2.3 數(shù)字孿生技術在石油化工行業(yè)的前景分析

為了在擴大生產(chǎn)規(guī)模的同時保證產(chǎn)品質量并且提供個性化服務，越來越多的石油化工企業(yè)通過構建石油化工產(chǎn)品的數(shù)字孿生體， 提高產(chǎn)品質量、降低生產(chǎn)成本。 目前，數(shù)字孿生技術在石油化工行業(yè)的應用已經(jīng)取得初步成效，其發(fā)展趨勢包括以下三個方面。

2.3.1 融合5G技術的數(shù)據(jù)采集與傳輸

數(shù)據(jù)高效采集和傳輸是數(shù)字孿生技術實現(xiàn)的基礎。 石油化工工廠復雜、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)字孿生技術時，必須保證高效、準確的數(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)的在線遠程控制，實現(xiàn)石油化工系統(tǒng)與設備的數(shù)字孿生[20]。 更進一步發(fā)展，“5G +產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”能夠采集和獲取全社會生產(chǎn)資源、生產(chǎn)過程、生產(chǎn)能力信息，實現(xiàn)大規(guī)模海量協(xié)同的長尾效應，促進石油化工工廠生產(chǎn)行為習慣和方式的逐級優(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)絡安全問題顯得尤為重要。 由于數(shù)字孿生技術的引入與加速融合，石油化工系統(tǒng)由原來的封閉系統(tǒng)向開放系統(tǒng)轉變。 為了保持高效率和實現(xiàn)資源控制，要求網(wǎng)絡連接流程盡可能簡化，以便高效順暢，但系統(tǒng)的網(wǎng)絡安全風險將完全暴露。 若“5G +石油化工互聯(lián)網(wǎng)”受到攻擊，嚴重時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，并構建數(shù)字孿生網(wǎng)絡安全保障體系，解決數(shù)字孿生海量數(shù)據(jù)的采集與傳輸問題，將是石油化工領域數(shù)字孿生技術的發(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)復雜，數(shù)據(jù)源多、具有時變性，系統(tǒng)模型多樣、耦合困難，系統(tǒng)計算復雜、模型求解難度大，傳統(tǒng)的信息處理方法越來越力不從心，給數(shù)字孿生在石油化工領域的應用帶來了極大挑戰(zhàn)。 云計算與云存儲、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域的發(fā)展方向之一。

2.3.3 數(shù)字孿生標準體系構建

目前，國內石油化工行業(yè)的數(shù)字孿生標準體系尚未構建，嚴重阻礙了其進一步發(fā)展和應用推廣[21]。主要體現(xiàn)在：（1）缺乏石油化工行業(yè)數(shù)字孿生相關術語、系統(tǒng)架構等標準化參考，不同企業(yè)和用戶對數(shù)字孿生的理解與認識存在差異，在人員交流、技術集成、工程協(xié)作過程中存在困難；（2）缺乏石油化工數(shù)字孿生相關模型、數(shù)據(jù)、服務等標準化參考，導致模型間、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)中實施時，由于缺乏適用準則、實施要求等標準的參考，給用戶和企業(yè)帶來了極大困惑，增加了實施成本。 因此數(shù)字孿生的研究人員需要在開展理論研究的同時，加強與應用企業(yè)和石油化工領域相關標準化組織的協(xié)同合作，共同構建一套石油化工行業(yè)的數(shù)字孿生標準體系架構。

3 結語

作為目前數(shù)字化領域中最有應用前景的技術之一，數(shù)字孿生發(fā)展迅速，在多個領域應用方興未艾。 石油化工作為國家重要的戰(zhàn)略型行業(yè)，利用數(shù)字孿生技術能夠實現(xiàn)行業(yè)技術升級，極大提高行業(yè)經(jīng)濟效益和社會效益。 目前，通過開展數(shù)字孿生在石油化工生產(chǎn)過程建模與參數(shù)優(yōu)化、工藝參數(shù)設計與仿真、系統(tǒng)健康監(jiān)測與遠程維護等方面的應用研究，有效提高了石油化工領域的數(shù)字化、智能化程度，取得了初步成效。 然而，數(shù)字孿生技術在石油化工行業(yè)的真正落地和大范圍推廣應用存在一些挑戰(zhàn)。 未來幾年，石油化工領域的數(shù)字孿生將在標準體系構建、融合5G技術的數(shù)據(jù)采集與傳輸、智能信息處理算法方面等開展進一步的研究工作。