文｜尹光榮 齊蕾

數(shù)字孿生這個(gè)名詞來源于英語Digital Twin，也稱為數(shù)字雙孿、數(shù)字映射和數(shù)字化雙胞胎等。數(shù)字孿生的概念最早提出是用來描述產(chǎn)品的生產(chǎn)制造和實(shí)時(shí)虛擬化呈現(xiàn)，但受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，該理念沒有獲得廣泛的應(yīng)用。以iTwin數(shù)字孿生平臺(tái)為例，它集成多種類型的原生數(shù)據(jù)格式，存儲(chǔ)在統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫中，這包括不同軟件廠商的三維模型、二維圖紙、實(shí)景模型、點(diǎn)云等，同時(shí)提供地理信息的數(shù)據(jù)接口，建立真實(shí)的“工程數(shù)字孿生”。它反映的是一種將虛擬的信息世界與現(xiàn)實(shí)的物理世界融合互生，從而超越傳統(tǒng)現(xiàn)實(shí)的概念。

數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)來源于物理實(shí)體，而數(shù)據(jù)模型是利用數(shù)據(jù)建立的物理實(shí)體的映射，現(xiàn)實(shí)與虛擬世界之間利用數(shù)據(jù)和信息通道進(jìn)行雙向動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交互，在這個(gè)過程中數(shù)據(jù)模型不斷自我學(xué)習(xí)完善，提高對(duì)物理實(shí)體描述的完整性和準(zhǔn)確性，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)運(yùn)行過程的實(shí)時(shí)模擬反饋。這種理念的提出為解決工業(yè)生產(chǎn)和制造中的問題，以及產(chǎn)品的全生命周期管理提供了新的方法。目前越來越多的學(xué)者關(guān)注和重視數(shù)字孿生技術(shù)，研究并將其用于解決實(shí)際的工程問題。Bentley iTwin服務(wù)使工程公司能夠創(chuàng)建、可視化和分析基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目和資產(chǎn)的數(shù)字孿生。

圖1 iTwin全生命周期全行業(yè)數(shù)據(jù)描述框架

在國(guó)家“十四五”規(guī)劃中，提出要大力推動(dòng)傳統(tǒng)業(yè)務(wù)和數(shù)字化技術(shù)融合創(chuàng)新，鼓勵(lì)傳統(tǒng)行業(yè)積極開展數(shù)字化轉(zhuǎn)型。海洋石油平臺(tái)作為一種定制化的大型工業(yè)產(chǎn)品，一方面屬于傳統(tǒng)制造業(yè)范疇，另一方面又與流水線制造的產(chǎn)品有所區(qū)別。數(shù)字孿生所衍生的智能制造在海洋石油平臺(tái)設(shè)計(jì)中有著自己的特點(diǎn)，貫穿于設(shè)計(jì)、建造、安裝與運(yùn)維等整個(gè)工程項(xiàng)目生命周期的全部過程，對(duì)于提高海洋石油平臺(tái)研發(fā)和設(shè)計(jì)水平、建造施工效率和質(zhì)量、海上安裝可操作性和精度、在役改造和運(yùn)維可預(yù)測(cè)性具有重要意義，同樣對(duì)于降低碳排放、實(shí)現(xiàn)綠色能源轉(zhuǎn)型具有現(xiàn)實(shí)意義。

設(shè)計(jì)與數(shù)字孿生

圖2 設(shè)計(jì)階段的數(shù)字孿生

圖3 某協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)整體架構(gòu)

圖4 建造階段的數(shù)字孿生

設(shè)計(jì)是整個(gè)工程建設(shè)項(xiàng)目實(shí)施階段的開始，通常采用計(jì)算機(jī)信息化手段模擬和仿真完成設(shè)計(jì)成果，其實(shí)質(zhì)就是利用專業(yè)知識(shí)創(chuàng)建和驗(yàn)證數(shù)據(jù)模型的過程，可以說設(shè)計(jì)與數(shù)字孿生有天生的聯(lián)系。在設(shè)計(jì)階段，利用數(shù)字孿生可以提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，并驗(yàn)證產(chǎn)品在真實(shí)環(huán)境中的性能。目前國(guó)內(nèi)海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)階段僅僅主要包括數(shù)字模型設(shè)計(jì)以及各專業(yè)的模擬和仿真，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到數(shù)字孿生的技術(shù)水平，主要欠缺以下兩個(gè)方面：

一是設(shè)計(jì)內(nèi)部各專業(yè)之間，以及與各廠家資料之間的數(shù)據(jù)協(xié)同，保障數(shù)據(jù)交換的流暢性和準(zhǔn)確性。二是設(shè)計(jì)內(nèi)部各專業(yè)通過建造、安裝以及運(yùn)維與現(xiàn)實(shí)中的海洋平臺(tái)建立雙向數(shù)據(jù)交換通道。

第一點(diǎn)是近年來國(guó)內(nèi)外各大能源工程企業(yè)的數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型主要方向之一，在這兩年的新冠疫情影響下，國(guó)內(nèi)企業(yè)數(shù)字化進(jìn)程大大加快。以國(guó)內(nèi)某海洋石油工程公司為例，面對(duì)疫情來襲，積極推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型頂層設(shè)計(jì)，搭建協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，統(tǒng)一數(shù)據(jù)編碼，有效推進(jìn)生產(chǎn)的過程管理、專業(yè)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)工具、上下游等四個(gè)維度協(xié)同，實(shí)現(xiàn)全鏈條一體化貫通，大幅提升生產(chǎn)效率。

設(shè)計(jì)一般直接面對(duì)的是虛擬世界作業(yè)，通過建造、安裝和運(yùn)維等其他階段影響物理實(shí)體，因此第二點(diǎn)的重點(diǎn)是不同業(yè)務(wù)階段或者不同板塊之間的數(shù)據(jù)協(xié)同，這是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生最主要的困難，也是未來的重點(diǎn)發(fā)展方向。在數(shù)字孿生的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)海洋石油平臺(tái)設(shè)計(jì)、建造、安裝與運(yùn)維全過程在虛實(shí)空間迭代優(yōu)化的一種產(chǎn)業(yè)新模式。這種基于數(shù)字孿生的新模式為實(shí)現(xiàn)海洋石油工程全產(chǎn)業(yè)鏈的信息物理系統(tǒng)提供了新思路，同時(shí)也為智能海洋石油平臺(tái)跨域協(xié)同仿真、測(cè)試、驗(yàn)證、評(píng)估及檢驗(yàn)?zāi)芰ㄔO(shè)提供了新的理念和工具。

建造與數(shù)字孿生

目前世界各國(guó)分別提出了國(guó)家層面的制造業(yè)轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略。這些戰(zhàn)略核心目標(biāo)之一就是構(gòu)建物理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物理工廠與信息化的虛擬工廠的交互和融合，從而實(shí)現(xiàn)智能制造，數(shù)字孿生是實(shí)現(xiàn)物理工廠與虛擬工廠交互融合的最佳途徑。信息技術(shù)的不斷發(fā)展推動(dòng)了人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，從而使數(shù)字孿生成為了實(shí)踐工業(yè)化智能制造理念的使能技術(shù)與手段，有效解決了智能制造的信息物理融合難題，數(shù)字孿生技術(shù)在智能制造領(lǐng)域展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景。

傳統(tǒng)的海洋平臺(tái)建造過程是一種勞動(dòng)密集型活動(dòng)，需要大量的鋼結(jié)構(gòu)件卷制、切割、焊接、組對(duì)和吊裝等工序，人員、機(jī)器設(shè)備和材料投入量大，在整個(gè)項(xiàng)目的費(fèi)用和進(jìn)度影響占比非常大，并且建造與上游設(shè)計(jì)、下游安裝和運(yùn)維的數(shù)據(jù)交互少、數(shù)據(jù)通用性和實(shí)時(shí)性差。因此海洋平臺(tái)建造對(duì)基于數(shù)字孿生技術(shù)的智能制造有迫切的需求，也是實(shí)現(xiàn)智能制造的理想場(chǎng)所。

海洋平臺(tái)建造階段的數(shù)字孿生主要體現(xiàn)在智能車間和智能生產(chǎn)兩個(gè)方面。智能車間包括自動(dòng)化的加工設(shè)計(jì)、預(yù)制、焊接和組對(duì)等工序作業(yè)，是影響實(shí)體產(chǎn)品的過程；智能生產(chǎn)包括生產(chǎn)仿真和執(zhí)行、物料和生產(chǎn)管理、計(jì)劃與調(diào)度管理、設(shè)備與物流管理，以及監(jiān)控評(píng)價(jià)和反饋機(jī)制等，是影響虛擬產(chǎn)品的過程。建造最終將平臺(tái)的實(shí)體產(chǎn)品和虛擬產(chǎn)品提供給業(yè)主和下游階段。數(shù)字孿生技術(shù)能夠?qū)⑽锢硎澜缰械膶?shí)體設(shè)備與信息世界中的虛擬設(shè)備連接在一起，虛擬設(shè)備可以實(shí)時(shí)反映實(shí)體設(shè)備的生產(chǎn)情況并對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，從而增加生產(chǎn)系統(tǒng)的靈活性，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低能耗和物耗。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)智能制造、智慧工廠研究和投入較多，在海洋工程裝備領(lǐng)域應(yīng)用也比較成熟。以最近投產(chǎn)的國(guó)內(nèi)海洋油氣裝備制造行業(yè)首個(gè)智能工廠——“天津海洋工程裝備智能制造基地”為例，該基地是集海洋工程建造、油氣田運(yùn)維保障以及海洋工程創(chuàng)新研發(fā)等功能為一體的綜合性高端智能制造基地，重點(diǎn)發(fā)展油氣生產(chǎn)平臺(tái)上部模塊、FPSO模塊、LNG模塊等產(chǎn)品的智能制造。板材型材自動(dòng)切割、甲板片機(jī)器人焊接、H型鋼智能打磨及組對(duì)、工藝管件自動(dòng)打磨焊接、智能化倉儲(chǔ)等一系列智能制造技術(shù)，將應(yīng)用在項(xiàng)目各生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，從而大幅提升生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目的高效率生產(chǎn)和高質(zhì)量交付。

安裝與數(shù)字孿生

海洋平臺(tái)安裝階段主要包括平臺(tái)的裝船、拖航、吊裝、下水、座底、打樁等作業(yè)，海上施工風(fēng)險(xiǎn)大、工期短、精度要求高，為了降低海上施工風(fēng)險(xiǎn)，每次重大作業(yè)前都要進(jìn)行施工方案分析、評(píng)估和預(yù)演，作業(yè)時(shí)需要持續(xù)實(shí)時(shí)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)并調(diào)整?？傊?，海上作業(yè)對(duì)方案可行性和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)反饋時(shí)效性提出很高的要求。

海上施工方案一般由設(shè)計(jì)和施工方根據(jù)圖紙和三維模型，并結(jié)合以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)來確定，相關(guān)人員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)水平?jīng)Q定了方案的可行性。海上監(jiān)測(cè)一般是在平臺(tái)或者作業(yè)船上布置傳感器，記錄下施工過程中的各種數(shù)據(jù)，然后下載到本地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)的獲得和處理非常不及時(shí)，無法對(duì)施工進(jìn)行預(yù)測(cè)和指導(dǎo)。

圖5 安裝階段的數(shù)字孿生

數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)包括傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸、搜集和應(yīng)用集成，以及結(jié)合物理傳感器輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速、實(shí)時(shí)的仿真與預(yù)測(cè)。海洋平臺(tái)安裝階段的數(shù)字孿生主要體現(xiàn)在海上施工智能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和海上施工作業(yè)數(shù)字化仿真系統(tǒng)。

以海上打樁施工為例，一方面打樁控制站可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樁錘和打樁狀態(tài)數(shù)據(jù)；另一方面現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)測(cè)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)打樁過程中的速度加速度和應(yīng)力應(yīng)變等數(shù)據(jù)，據(jù)此可推算出土壤阻力、承載力等結(jié)果。兩部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相互獨(dú)立，不能及時(shí)預(yù)測(cè)打樁風(fēng)險(xiǎn)和指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。圖6所示的海上打樁智能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以很好的解決此問題。

圖6 某海上打樁智能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體架構(gòu)

數(shù)字孿生與運(yùn)維

海洋平臺(tái)運(yùn)維周期遠(yuǎn)大于平臺(tái)設(shè)計(jì)建造周期，而大量的數(shù)據(jù)響應(yīng)和基礎(chǔ)迭代也是來自于運(yùn)維階段，所以運(yùn)維向的交互，將更能體現(xiàn)數(shù)字孿生本身在物理對(duì)象和數(shù)字空間的雙向映射、動(dòng)態(tài)交互和實(shí)時(shí)連接的價(jià)值。近年來，國(guó)內(nèi)外海洋油氣行業(yè)的數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型帶動(dòng)了基于數(shù)字孿生技術(shù)的海洋石油平臺(tái)數(shù)字化和油田運(yùn)維智能化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)包括生產(chǎn)和設(shè)備控制、平臺(tái)維修和改造、平臺(tái)預(yù)測(cè)預(yù)警等無人化和科學(xué)化管理。

圖7展示了某智能油田運(yùn)維系統(tǒng)整體架構(gòu)圖，該系統(tǒng)應(yīng)用層包括了安全管理、油藏管理、生產(chǎn)管理、現(xiàn)場(chǎng)巡檢、設(shè)備運(yùn)維、環(huán)境能耗管理和遠(yuǎn)程決策等業(yè)務(wù)。通過信息化、智能化手段，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警、遠(yuǎn)程操作控制、海陸協(xié)同作業(yè)，轉(zhuǎn)變生產(chǎn)方式和管理模式，最終達(dá)到減員降本、提質(zhì)增效、安全管控的目的。

圖7 運(yùn)維階段的數(shù)字孿生

圖8 某智能油田運(yùn)維系統(tǒng)整體架構(gòu)

圖9 海洋石油平臺(tái)數(shù)字孿生系統(tǒng)整體架構(gòu)

在數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的過程中，還需要不斷結(jié)合其他工業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)，例如虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、人工智能技術(shù)等。各類技術(shù)的整合應(yīng)用，將會(huì)更加全面地展現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)維護(hù)的實(shí)際狀況，形成從數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)到生產(chǎn)決策再到設(shè)備評(píng)估的全過程智能化。

目前而言，海洋石油平臺(tái)全生命周期內(nèi)對(duì)于數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用還處于基礎(chǔ)建設(shè)的起步階段，需要長(zhǎng)時(shí)間的研發(fā)和應(yīng)用才能完全建立。但是數(shù)字孿生技術(shù)可以打通海上油氣開發(fā)上下游的信息孤島限制，讓數(shù)據(jù)能順暢流通，可以為各階段人員提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析、直觀的狀態(tài)展示和可靠的決策支持，有利于提高整個(gè)工程項(xiàng)目建設(shè)、生產(chǎn)和維護(hù)效率，大幅度降低各過程中的風(fēng)險(xiǎn)。在更實(shí)際的未來世界中，還可以利用數(shù)字孿生技術(shù)，將海洋石油平臺(tái)物理實(shí)體內(nèi)包含的全部信息進(jìn)行數(shù)字化、關(guān)聯(lián)化，從設(shè)計(jì)方案、建造過程、安裝和運(yùn)維階段等全壽命周期的信息內(nèi)，發(fā)掘和應(yīng)用藏在背后的數(shù)據(jù)價(jià)值。