劉明晶 鄭興周 毛麗娟 楊勃

摘 ?要：隨著油田智能化需求的不斷提高，網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化已成為時代大潮，油田數(shù)字化、智能化將會改變我們的生產(chǎn)操作方式，油田生產(chǎn)設(shè)施的數(shù)字化和智能化是未來的發(fā)展趨勢。數(shù)字化工廠是實現(xiàn)油田生產(chǎn)設(shè)施數(shù)字化和智能化的重要途徑，數(shù)字化工廠在油田的深入應(yīng)用，能夠評估油氣生產(chǎn)工藝的合理性，統(tǒng)籌規(guī)劃建造資源和生產(chǎn)計劃，基于虛擬模型仿真和驗證物理生產(chǎn)系統(tǒng)中各組成部分的數(shù)據(jù)交互及運行情況，對生產(chǎn)過程進行精準(zhǔn)實時控制，從而優(yōu)化生產(chǎn)工藝過程，降低生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生 ?模型仿真 ?數(shù)字化 ?智能化

中圖分類號：F270.7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1674-098X（2021）04（b）-0094-04

Construction and Application Exploration of Digital Factory in Oil and Chemical Industry

LIU Mingjing1 ?ZHENG Xingzhou2 ?MAO Lijuan2 ?YANG Bo2

（1.Tianjin BIKE Petroleum Equipment&Engineering Co.， Ltd.， Tianjin， 300452 China; 2.Offshore Oil Engineering Co.， Ltd.， Tianjin， 300452 ?China）

Abstract： With the continuous increasing requirement of the oilfield intellectualized， networking， digitalization and intellectualization have become the trend of era development. The way we operated in production will be changed by digitalization and intellectualization of the oilfield. The digitalization and intellectualization for the production facilities of oilfield will be the main developing direction in the future. Digital factory is an important approach to achieve the digitalization and intellectualization for the production facilities of oilfield. The thorough application of digital factory in oilfield can evaluate the rationality of oil and gas production process， and make overall arrangements of the construction resources and production plan. It also can provide an accurate real-time control of the production process， on the basis of the simulation of the virtual model as well as the verification result of the data interaction and operation of each component in the production system， so as to optimize the production process and reduce production costs.

Key Words： Digital twin; Model simulation; Digitalization; Intellectualization

隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，數(shù)字化工廠作為智能制造的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。目前，世界知名石油化工企業(yè)已經(jīng)開始著手于數(shù)字化交付與三維應(yīng)用技術(shù)的建設(shè)，并取得了顯著的成效。?？松梨谕袀愃故校迳即墸捰蛷S，運用三維數(shù)字化技術(shù)，創(chuàng)建智能化三維實體模型，通過與工廠現(xiàn)有的可靠性管理系統(tǒng)、工藝和儀表流程系統(tǒng)、設(shè)備資產(chǎn)維護系統(tǒng)數(shù)據(jù)連接和集成，構(gòu)建了三維數(shù)字化智能模型，主要應(yīng)用在資產(chǎn)改造方面，改造流程得到了很大程度的改善和優(yōu)化，并節(jié)省了至少10%的固定資產(chǎn)投入，大幅度加速工程改造時間周期，避免了返工;BP公司W(wǎng)hiting煉油廠，運用三維數(shù)字化技術(shù)，將裝置的PDS模型轉(zhuǎn)化為智能模型，主要應(yīng)用在員工培訓(xùn)，設(shè)備檢、維修等方面，顯著提高了工作效率，縮短了企業(yè)從事故中恢復(fù)的時間，極大降低了成本，其19套裝置單元3年節(jié)省成本達(dá)1000萬美元;Shell加拿大 Alberta 煉油廠（15 萬桶/天的原油煉制能力），采用三維數(shù)字化技術(shù)，通過三維實體模型與用戶現(xiàn)有的檢測、腐蝕管理數(shù)據(jù)庫等相關(guān)系統(tǒng)進行集成， 創(chuàng)建了腐蝕和厚度檢測等業(yè)務(wù)管理功能，在檢、維修方面，優(yōu)化腐蝕檢測工作流程，平均每天可節(jié)約1～2h的工作時間，計劃外工作顯著減少，明顯提高了維護效率和精度。僅直接使用已有的數(shù)字化工廠3D模式，避免了起草圖紙的需求，僅此一項就節(jié)省成本超過100萬美元。Ameriven 煉油廠，通過三維數(shù)字化技術(shù)，實現(xiàn)資產(chǎn)實體的三維可視化并獲取資產(chǎn)的管理數(shù)據(jù)，將模型與檢測和腐蝕管理數(shù)據(jù)庫（Meridium 和Maximo 系統(tǒng)）進行集成，創(chuàng)建周期分析，檢測練習(xí)以及腐蝕點快速判斷定位功能，極大地改善了維護人員與檢測人員的溝通和協(xié)作能力。員工可在最短時間內(nèi)隔離問題區(qū)域，在某些情況下可將整個時間縮短80%，檢測人員工作效率提高25%～30%。

國內(nèi)項目中，中石油蘭州石化數(shù)字化工程項目、中石油云南石化三維數(shù)字化工廠項目、中石化鎮(zhèn)海煉化數(shù)字化工廠項目等，都已經(jīng)投入正常運行。三維數(shù)字工廠實現(xiàn)了檢修計劃、方案編制、工單管理、檢修記錄、輔助計量、腐蝕管理、特種設(shè)備檢驗檢測、資產(chǎn)管理、動土管理以及設(shè)備運行管理、高清視頻集成、運維培訓(xùn)管理等功能。中海油南海樂東油氣田也已經(jīng)開始儀表設(shè)備數(shù)字化管理的嘗試。

1 ?數(shù)字化工廠的意義

1.1 市場與業(yè)主的需求

首先在現(xiàn)代科技的推動下，智能化制造、數(shù)字化工廠必然會替代傳統(tǒng)制造業(yè)應(yīng)運而生，這是社會自然發(fā)展的走向，人力不可改變[1]。其次，在經(jīng)濟全球化，產(chǎn)業(yè)國際化的大背景下，諸多生產(chǎn)建設(shè)項目中的參與者越來越多元化、異域化，而傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式和管理模式在此背景下必然會極大地增加項目運行成本，同時也降低項目管理效率。任何企業(yè)如果想增強自身競爭力，都將別無選擇地往數(shù)字化方向轉(zhuǎn)型，以求適應(yīng)市場潮流和滿足業(yè)主需求。

1.2 數(shù)字化工廠的優(yōu)勢

數(shù)字化工廠的優(yōu)勢就是將原始的生產(chǎn)資料參數(shù)（機械設(shè)備、物資材料等參數(shù)）轉(zhuǎn)化成模型，將原始的生產(chǎn)力（人工）轉(zhuǎn)化成計算機，通過特定的軟件、平臺和程序用計算機代替人工來處理數(shù)據(jù)。同時，其強大的查詢管理能力，設(shè)備運營監(jiān)測能力、預(yù)警反饋能力又遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人工處理水平。因此在降低成本的同時，又提高了工作效率，實現(xiàn)了智能化管理，減少了誤差，推動了企業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展[2]。

2 ?數(shù)字化工廠建設(shè)路線

數(shù)字化工廠是利用創(chuàng)新的虛擬現(xiàn)實的方法獲得代表工廠現(xiàn)狀的全熱點三維模型，以該模型為核心集成工廠全生命周期（如設(shè)計、安裝、生產(chǎn)、檢維修、腐蝕等）的動靜態(tài)數(shù)據(jù)，形成工廠資產(chǎn)、生產(chǎn)、安全管理的數(shù)據(jù)生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)對企業(yè)生產(chǎn)運營維護的各個領(lǐng)域提供數(shù)據(jù)、模型服務(wù)，以及對企業(yè)管理與維護過程提供仿真、評估和優(yōu)化的技術(shù)支持，是流程行業(yè)新型生產(chǎn)組織與管理方式。數(shù)字化工廠模型建設(shè)有兩條技術(shù)路線，如圖1所示分別為：逆向建模和數(shù)字化交付。其中逆向建模是利用激光掃描技術(shù)獲得精確代表工廠現(xiàn)狀的三維模型;數(shù)字化移交是把不可編輯的三維設(shè)計模型轉(zhuǎn)換為可編輯的三維數(shù)字工廠模型。

2.1 逆向建模

在石油化工領(lǐng)域，針對于老舊設(shè)施數(shù)字化工廠建設(shè)，獲取老舊設(shè)施的數(shù)字模型是關(guān)鍵，但存在以下三種困難：因年代原因，設(shè)計手段停留在二維形態(tài)，一旦在三維空間內(nèi)建模會出現(xiàn)管線碰撞等錯誤;設(shè)施被改造多次，且沒有及時對資料進行升級更新，導(dǎo)致圖紙與實際工程設(shè)施不一致;因設(shè)計年代久遠(yuǎn)導(dǎo)致資料品相劣化，甚至殘缺丟失。逆向建模又稱三維掃描是指集光、機、電和計算機技術(shù)于一體的高新技術(shù)，主要利用三維掃描設(shè)備對物體空間外形和結(jié)構(gòu)及色彩進行掃描，以獲得物體表面的空間坐標(biāo)，可以擺脫對原設(shè)計圖紙的過度依賴。逆向建模技術(shù)是最近新興起的一種高精度立體掃描技術(shù)，主要用在高精度逆向工程的三維建模上面，及時通過三維的坐標(biāo)方式，把掃描所獲得的點精確的投影在計算機模型中，從而達(dá)到三維復(fù)制，逆向建模的效果，而現(xiàn)有的傳統(tǒng)測繪技術(shù)主要是進行單點精確測量，獲得坐標(biāo)多為二維坐標(biāo)，難以滿足精確建模對三維的需要，三維激光掃描技術(shù)成功地解決了這一難題。其使用獨特的測量手段，進行三維坐標(biāo)獲取，根據(jù)測量所得數(shù)據(jù)，通過三維幾何建模方法重構(gòu)實物模型。其原理是根據(jù)存在的產(chǎn)品實物模型，通過各種測量手段及三維幾何建模方法，將原有實物轉(zhuǎn)化為計算機可識別的三維數(shù)字化模型，反向推導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計模型的過程[3]。

三維掃描可以對復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境進行多方位的掃描取點，通過不同角度的掃描取點，將各種大型、復(fù)雜、不規(guī)則的實體的三維數(shù)據(jù)完整地采集到電腦中，通過點云處理軟件，去除干擾點，從而快速重構(gòu)實體三維模型，實現(xiàn)實體和三維模型對應(yīng)，極大地方便了各種后續(xù)工程的跟蹤進行。張德海等人[4]在逆向工程中，使用可以將三維物體幾何信息轉(zhuǎn)換為計算機能直接處理的二維數(shù)字信號的三維光學(xué)掃描技術(shù)，對三維逆向建模進行模擬，結(jié)果表明三維掃描設(shè)備掃描建模相似度達(dá)到原始數(shù)模的98%，基本滿足在逆向建模中的應(yīng)用。

三維掃描測量數(shù)據(jù)的獲取，受周圍環(huán)境影響較大，原始點云在三維掃描的獲取過程中，因為受環(huán)境因素的客觀條件限制，不可避免的存在噪聲點、飛點、重疊點云等現(xiàn)象，這就導(dǎo)致逆向建模過程中點云密度大、計算周期長、過程運算復(fù)雜等問題，所以在逆向建模過程中最大的挑戰(zhàn)就是如何保證點云的處理精度和處理時間問題，如何在最短的時間內(nèi)獲得盡量多的準(zhǔn)確的點云數(shù)據(jù)，是衡量和評價掃描數(shù)據(jù)是否成功的根本。

2.2 數(shù)字化交付

狹義的數(shù)字化交付是將業(yè)主所需的生產(chǎn)建設(shè)項目設(shè)計數(shù)據(jù)模型、采辦信息數(shù)據(jù)、設(shè)備單元可分解數(shù)據(jù)模型、項目改造數(shù)據(jù)、項目管理信息等各項工程數(shù)據(jù)加載到可兼容多元化數(shù)據(jù)的交付平臺，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化、有序化的數(shù)據(jù)移交。而廣義的數(shù)字化交付是幫助業(yè)主實現(xiàn)對項目建設(shè)過程中全部信息的采集、整合以及生產(chǎn)運營過程中對數(shù)據(jù)的輸入輸出、雙向檢驗、實時監(jiān)測、運維操控等功能的系統(tǒng)性交付[5]。

2.3 數(shù)字化交付標(biāo)準(zhǔn)的制定

由于項目參與者（設(shè)計方、施工方、供貨商、工藝分包商等）的多樣性，技術(shù)（結(jié)構(gòu)專業(yè)、工藝配管專業(yè)、電氣專業(yè)、暖通專業(yè)、舾裝防腐專業(yè)）的多專業(yè)性，過程（EPCI或者EPC等）的多階段性，導(dǎo)致各方的交付數(shù)據(jù)存在差異性，所以制定統(tǒng)一的交付標(biāo)準(zhǔn)對于打通數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性和提高數(shù)據(jù)兼容性至關(guān)重要。目前國標(biāo)有《GB/T 51296-2018石油化工工程數(shù)字化交付標(biāo)準(zhǔn)》[6]，但為了增強市場競爭力，打造個性化服務(wù)，我們應(yīng)該根據(jù)我們的服務(wù)理念和技術(shù)水平制定自己的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 搭建數(shù)字化交付平臺

數(shù)字化交付平臺是從源頭上實現(xiàn)對生產(chǎn)建設(shè)項目的數(shù)據(jù)資產(chǎn)進行全生命周期的精準(zhǔn)管控。不能只停留在整合竣工數(shù)據(jù)的層面上，必須保證后期運維改造的數(shù)據(jù)能及時準(zhǔn)確地反饋到平臺上。所以必須要求其平臺上每一個孤島數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性、與現(xiàn)場一致性以及操作的可靠性、合規(guī)性。數(shù)字化交付平臺需要供開放的數(shù)據(jù)接口，接收工程后期運行、維護、改造等工廠全生命周期的信息數(shù)據(jù)[7]。目前國際主流的數(shù)字化交付平臺有海克斯康SPF（Smart Plant Foundation）平臺、AVEVA平臺、西門子數(shù)字化平臺COMOS等，國內(nèi)也有北京綏通的SeaLINx平臺等，這些平臺均支持多種主流文件格式，可將不同的數(shù)字模型組合在一起。

2.5 建立統(tǒng)一的通訊協(xié)議接口

數(shù)字化工廠需要獲取物理工廠的靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)，靜態(tài)數(shù)據(jù)主要通過逆向建?；蛘邤?shù)字化交付獲得，動態(tài)數(shù)據(jù)主要通過與物理工廠中的PCS、ESD、F&G、PLC等系統(tǒng)的通訊聯(lián)系，但現(xiàn)役物理工廠的中控、EMS（能量管理系統(tǒng)）、防腐監(jiān)測、結(jié)構(gòu)震動監(jiān)測等，各系統(tǒng)之間互不聯(lián)系或聯(lián)系較少。品牌不同，使用的接口協(xié)議不同，無法實現(xiàn)相互通信。因此需要建立一套統(tǒng)一的接口協(xié)議，為各系統(tǒng)與本平臺的監(jiān)控從站之間通信提供統(tǒng)一的軟硬件基礎(chǔ)。

3 ?數(shù)字化工廠的總體架構(gòu)

如圖2，數(shù)字化工廠技術(shù)應(yīng)該包含數(shù)據(jù)保障層、建模計算層、數(shù)字孿生功能層和沉浸式體驗層[8]。數(shù)據(jù)保障層是整個數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)，主要包含數(shù)字化交付、逆向建模、傳感器數(shù)據(jù)采集、工廠數(shù)據(jù)維護等為數(shù)字工廠提供靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和及時性直接影響到數(shù)字化工廠的應(yīng)用深度和準(zhǔn)度。建模計算層是數(shù)字工廠的核心，在企業(yè)全生命周期內(nèi)由數(shù)據(jù)保障層輸入的數(shù)據(jù)格式是多樣性的，需要數(shù)字工廠平臺需要支持多種數(shù)據(jù)源的導(dǎo)入，需要考慮多尺度三維數(shù)據(jù)集成與融合，數(shù)字孿生內(nèi)涵特征、運行機制與模型的融合技術(shù)。數(shù)字孿生功能層與沉浸式體驗層屬于數(shù)字化工廠的應(yīng)用，數(shù)字化工廠可為企業(yè)提供高效的數(shù)據(jù)管理、遠(yuǎn)程診斷、腐蝕管理、虛擬培訓(xùn)等智能管理。

4 ?數(shù)字化工廠的應(yīng)用探索

4.1 資產(chǎn)實物管理

數(shù)字化工廠是物理工廠的數(shù)字投影，在虛擬的數(shù)字世界里，可以瀏覽、查詢每一個設(shè)備的資產(chǎn)屬性、設(shè)備信息以及設(shè)備部件的基本信息，可以動態(tài)的維護設(shè)備部件的基本信息，查看所有部件的歷史維護記錄等。數(shù)字化工廠以“資產(chǎn)”為核心，集成了工程設(shè)計資料、供應(yīng)商文件、建筑施工文件、安裝調(diào)試資料、運行維護數(shù)據(jù)等，可以實現(xiàn)基于資產(chǎn)的一站式數(shù)據(jù)查詢。

4.2 腐蝕風(fēng)險管理

基于三維數(shù)字化工廠可以極大的簡化RBI分析，并可以三維展示RBI分析結(jié)果。在三維腐蝕回路知識視圖上，根據(jù)風(fēng)險等級、檢測點數(shù)量規(guī)劃等，規(guī)劃設(shè)計檢測點的位置;檢測后，數(shù)字化工廠保存腐蝕檢測數(shù)據(jù)，可以根據(jù)歷史壁厚、腐蝕速率、剩余壽命等數(shù)據(jù)，對資產(chǎn)的腐蝕情況進行分析研究。

4.3 VR場景應(yīng)用

利用VR技術(shù)在三維數(shù)字化工廠中，依據(jù)用戶應(yīng)急預(yù)案制作應(yīng)急演練計劃，可通過多角色場景同步協(xié)同演練，聯(lián)機演練過程中，不同用戶扮演不同角色，系統(tǒng)分配不同任務(wù)，通過演練可以讓用戶熟悉應(yīng)急操作流程，演練互相配合流程。另外利用三維數(shù)字化工廠模型以及VR技術(shù)可以對動設(shè)備拆裝進行仿真培訓(xùn)。

4.4 工程仿真

基于與現(xiàn)場完全一致的三維模型，可在辦公室內(nèi)實現(xiàn)設(shè)備拆裝工程、腳手架搭設(shè)工程、設(shè)備吊裝等方案的仿真，評估方案的可行性，優(yōu)化方案，記錄并分發(fā)解決方案。

參考文獻

[1] 孫發(fā)亮.數(shù)字化交付在智能制造中的位置及發(fā)展趨勢[J].中國儀器儀表，2019（5）：32-36.

[2] 安啟玲.三維數(shù)字化技術(shù)用于數(shù)字化工廠建設(shè)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2020（20）：161-163.

[3] 鄭臣.葉尖間隙光學(xué)影像檢測系統(tǒng)的圖像信息處理技術(shù)研究[D].綿陽：西南科技大學(xué)，2015.

[4] 張德海，李艷芹，謝貴重，等.三維光學(xué)掃描技術(shù)逆向工程應(yīng)用研究[J].應(yīng)用光學(xué)，2015，36（4）：519-525.

[5] 楊娜，賀宏偉，王立凱.數(shù)字化交付在智能制造中的位置及發(fā)展趨勢[J].時代農(nóng)機，2019，46（9）：13-14.

[6] GB/T51296-2018，石油化工工程數(shù)字化交付標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國計劃出版社，2018.

[7] 肖龍.淺談油氣地面建設(shè)工程數(shù)字化交付[J].化工管理，2018（36）：218-219.

[8] 劉大同，郭凱，王本寬，等.數(shù)字孿生技術(shù)綜述與展望[J].儀器儀表學(xué)報，2018，39（11）：1-10.