劉志鵬，趙毅

(1. 中國石化股份有限公司 齊魯分公司，山東 淄博 25543；2. 石化盈科信息技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 100007)

伴隨石油化工行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型進程不斷推進，智能工廠建設(shè)正在實踐“智能工廠2.0”，并啟動“智能工廠3.0”的探索。在智能工廠建設(shè)過程中，如何實現(xiàn)煉油化工裝置物理世界與信息世界的融合，是當(dāng)前國內(nèi)外參與智能工廠建設(shè)企業(yè)共同面對的技術(shù)難題。數(shù)字孿生概念的提出，為解決該技術(shù)難題提供了新的方法和思路。

數(shù)字孿生的概念最早由美國密歇根大學(xué)Grieves教授于2002年提出[1]，最初提出的是“產(chǎn)品生命周期的概念模型”，其中就包含了數(shù)字孿生概念的全部要素，即真實空間(real space)、虛擬空間VS(virtual space)、從真實空間到虛擬空間的數(shù)據(jù)流鏈接、以及從虛擬空間到真實空間和虛擬子空間(virtual sub-spaces)的信息鏈接。

數(shù)字孿生技術(shù)在各個工業(yè)領(lǐng)域的成功應(yīng)用，為該技術(shù)在石油化工企業(yè)智能工廠建設(shè)中的應(yīng)用提供了可借鑒的經(jīng)驗，本文將從石油化工行業(yè)應(yīng)用的角度，論述數(shù)字孿生的內(nèi)涵和關(guān)鍵技術(shù)，并分析數(shù)字孿生技術(shù)在石油化工領(lǐng)域裝置級的應(yīng)用前景。

1 數(shù)字孿生的內(nèi)涵和關(guān)鍵技術(shù)

1.1 數(shù)字孿生的內(nèi)涵

模型和數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生技術(shù)的核心，北京航空航天大學(xué)在核心的基礎(chǔ)上提出了數(shù)字孿生的五維結(jié)構(gòu)模型[6]，如式(1)所示：

MDT=(P，V，S，D，I)

(1)

式中：MDT——數(shù)字孿生五維結(jié)構(gòu)模型；P——物理車間；V——虛擬車間；S——服務(wù)系統(tǒng)；D——孿生數(shù)據(jù)；I——各組成部分間的相互作用，由式(1)得到數(shù)字孿生五維結(jié)構(gòu)模型[7]如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生五維結(jié)構(gòu)模型示意

根據(jù)數(shù)字孿生五維結(jié)構(gòu)模型，石油化工企業(yè)在裝置級應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)過程中，應(yīng)當(dāng)包括以下幾個重要因素：

1)物理實體。物理實體是數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，物理實體具有層級性，一般包括單元級、系統(tǒng)級和復(fù)雜系統(tǒng)級[8]。以乙烯裝置實體為例： 1臺裂解爐或1個分離塔可視為單元級；裂解爐、燃料氣設(shè)備、換熱設(shè)備和塔設(shè)備等組合在一起可視為系統(tǒng)級；原料系統(tǒng)、產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)、產(chǎn)品系統(tǒng)和公用工程系統(tǒng)組成的乙烯裝置可視為復(fù)雜系統(tǒng)級。物理實體包括物流、能流和信息流，通過各種功能子系統(tǒng)組合在一起，協(xié)作完成特定的生產(chǎn)任務(wù)。為了能夠使物理實體安全、高效和長周期的運行，需要在物理實體上設(shè)置溫度、壓力和流量等各種傳感器，以及檢測原料和產(chǎn)品組成的在線分析儀，實時監(jiān)測裝置的運行狀態(tài)，也可為后續(xù)數(shù)字孿生模型的開發(fā)和應(yīng)用提供大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

2)虛擬模型。虛擬模型是利用模型對物理實體的刻畫和描述，虛擬過程中會利用到幾何模型、物理模型、行為模型和規(guī)則模型。石油化工裝置的幾何模型可以利用三維數(shù)字化技術(shù)實現(xiàn)，對裝置的尺寸、大小和位置進行三維建模，可以為裝置運行、設(shè)備維護和操作培訓(xùn)提供可視化的環(huán)境。對于物理模型、行為模型和規(guī)則模型，可以利用機器學(xué)習(xí)模型和機理模型等建立裝置模型，實現(xiàn)對裝置設(shè)備健康情況的評估、裝置運行效益的測算、裝置運行的實時優(yōu)化和裝置產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)控等。

3)服務(wù)系統(tǒng)。服務(wù)系統(tǒng)[6]是指對數(shù)字孿生應(yīng)用過程中所需各類模型、算法、數(shù)據(jù)等進行應(yīng)用化的封裝，以工具組件、模塊等形式，支撐數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)功能性服務(wù)，以桌面、移動應(yīng)用軟件等形式滿足不同領(lǐng)域、不同業(yè)務(wù)、不同用戶需求的服務(wù)。功能性服務(wù)包括： 石油化工裝置的建模仿真服務(wù)、裝置數(shù)據(jù)的管理服務(wù)和裝置數(shù)據(jù)采集的接口服務(wù)等。業(yè)務(wù)性服務(wù)包括： 面向管理決策人員的智能決策服務(wù)、面向?qū)I(yè)技術(shù)人員的能耗評估服務(wù)和面向現(xiàn)場操作人員的虛擬培訓(xùn)服務(wù)等。

④ 按照以上方法，7×0.5表示怎樣的含義？7×0.1，15×0.1呢？此環(huán)節(jié)設(shè)計的目的是讓學(xué)生學(xué)會用乘法分配律的性質(zhì)將小數(shù)運算變形，進而去理解小數(shù)乘法多方面的意義.同時習(xí)得此方法，將其運用到任意的小數(shù)乘法.

4)孿生數(shù)據(jù)。孿生數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生的核心驅(qū)動，主要包括： 物理實體數(shù)據(jù)(煉油化工裝置的溫度、壓力和流量等)，虛擬模型數(shù)據(jù)(組分的計算數(shù)據(jù)、產(chǎn)品質(zhì)量的預(yù)測數(shù)據(jù)和設(shè)備運行參數(shù)等)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)，知識數(shù)據(jù)和融合衍生數(shù)據(jù)(融合裝置實時運行數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、專家知識和模型預(yù)測數(shù)據(jù)等)。

5)各組成部分間的相互作用。五維結(jié)構(gòu)模型中各部分相互連接，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行裕瑢崿F(xiàn)各部分的實時交互，在不斷迭代優(yōu)化的條件下，保證各部分之間的一致性。

1.2 數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字孿生技術(shù)強調(diào)實時監(jiān)控物理實體的變化，利用虛擬模型精確模擬物理實體，從而優(yōu)化實際系統(tǒng)的操作。針對石油化工領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)數(shù)字孿生應(yīng)用需要融合的關(guān)鍵技術(shù)包括：

1)裝置模擬技術(shù)。建立裝置高精度的模型是數(shù)字孿生技術(shù)在石油化工領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵，通過模型可以模擬裝置中設(shè)備進出物料的溫度、壓力、流量和組分，表征出裝置實際運行的基本情況。裝置的過程模擬以工藝過程機理為基礎(chǔ)，采用數(shù)學(xué)模型和機理模型表示工藝過程，通過計算機輔助計算，對煉油和化工過程進行物料衡算、能量衡算、裝置經(jīng)濟性分析和設(shè)備設(shè)計等。

以乙烯裂解爐過程模擬模型為例，裂解爐輻射段模型(COIL)一般采用專用的反應(yīng)機理模型，例如，Technip的SPYRO模型，利用模擬軟件中的換熱模塊建立換熱器模型、轉(zhuǎn)化率反應(yīng)器建立燃料氣燃燒模型。模型中還建立了溫度、壓力、流量和在線分析儀表模塊，用于模型的數(shù)據(jù)整定。乙烯裝置部分塔設(shè)備和反應(yīng)器見表1所列，將根據(jù)現(xiàn)場需求分析，建立相對應(yīng)的模擬模型，滿足不同業(yè)務(wù)需求。

表1 乙烯裝置部分塔設(shè)備和反應(yīng)器模型一覽

2)傳感和監(jiān)測技術(shù)。數(shù)字孿生技術(shù)中虛擬模型鏡像物理實體運行過程的基礎(chǔ)： 虛擬模型能夠?qū)崟r感知物理實體系統(tǒng)的運行狀態(tài)。這需要利用傳感和監(jiān)測技術(shù)來實現(xiàn)，煉油化工裝置中安裝了各種類型的傳感器和監(jiān)測設(shè)備，為了能夠真實反映物理實體系統(tǒng)的運行狀態(tài)，在乙烯裝置虛擬模型中需要關(guān)聯(lián)的傳感器和監(jiān)測設(shè)備比例為壓力傳感器92臺，占比92%；在線分析儀表132臺，占比21%；流量傳感器166臺，占比27%；溫度傳感器231臺，占比37%。其中溫度傳感器應(yīng)用最多，壓力傳感器應(yīng)用最少。針對不同裝置不同工藝，傳感器和監(jiān)測設(shè)備應(yīng)用數(shù)量會不同。

3)機器學(xué)習(xí)技術(shù)。對于大型復(fù)雜系統(tǒng)，例如煉油的常減壓裝置和連續(xù)重整裝置、化工的乙烯裝置等，每時每刻都在產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括： 原料化驗分析數(shù)據(jù)、裝置運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、產(chǎn)品質(zhì)量在線分析數(shù)據(jù)和環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)等。數(shù)字孿生技術(shù)中需要利用機器學(xué)習(xí)技術(shù)，挖掘這些煉油化工裝置的數(shù)據(jù)，獲得新的知識，用于實現(xiàn)對物理實體運行狀態(tài)的診斷、特定性質(zhì)的預(yù)測，并用于指導(dǎo)裝置的生產(chǎn)運行。以石腦油裂解爐為例，利用石腦油餾程、PINA和密度等物性數(shù)據(jù)和石腦油總進料量、稀釋蒸汽流量、總平均裂解爐出口溫度COT、裂解爐出口壓力COP等運行參數(shù)，預(yù)測石腦油裂解爐裂解深度，建模方法包括： 決策樹回歸(DTR)，K-最近鄰回歸(KNR)，循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RNN)，支持向量回歸(SVR)和多層感知器(MLP)。

4)實時優(yōu)化技術(shù)。物理實體和虛擬模型進行實時交互，并根據(jù)虛擬模型優(yōu)化計算的結(jié)果指導(dǎo)裝置的動態(tài)控制，使生產(chǎn)裝置產(chǎn)生更大的經(jīng)濟效益，是數(shù)字孿生技術(shù)重要的應(yīng)用方向，實時優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用可以實現(xiàn)該功能。該技術(shù)利用數(shù)學(xué)和機理模型，結(jié)合原料、產(chǎn)品和公用工程的市場價格，依據(jù)煉油、化工裝置當(dāng)前的運行狀態(tài)和裝置約束，實時模擬和優(yōu)化裝置操作參數(shù)，并將優(yōu)化結(jié)果傳送到先進控制系統(tǒng)APC(advanced process control)，達到裝置效益提升或節(jié)能的目的。工藝技術(shù)人員輸入實時優(yōu)化計算所需的操作約束數(shù)據(jù)、原料分析數(shù)據(jù)和價格體系數(shù)據(jù)，實時優(yōu)化系統(tǒng)RTO(real time optimization)會依據(jù)這些數(shù)據(jù)，并結(jié)合現(xiàn)場裝置的實時運行數(shù)據(jù)進行優(yōu)化計算，最終將優(yōu)化計算結(jié)果傳輸給APC系統(tǒng)，將裝置的運行控制到最優(yōu)的操作點上，真正實現(xiàn)了煉油化工裝置物理實體和虛擬模型的交互。

5)數(shù)字孿生軟件平臺技術(shù)。數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用建立在軟件平臺基礎(chǔ)之上的，可以充分利用云平臺技術(shù)，集成應(yīng)用管理、數(shù)據(jù)管理和模型管理等多個功能模塊，同時借助可視化手段，例如： 虛擬現(xiàn)實技術(shù)VR(virtual reality)和現(xiàn)實增強技術(shù)AR(augmented reality)，使應(yīng)用者快速了解系統(tǒng)的運行狀態(tài)，做出準(zhǔn)確的決策。基于云計算的裝置優(yōu)化與控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，云平臺系統(tǒng)架構(gòu)由邊緣層，IaaS，SaaS和PaaS四部分組成。在石油化工裝置中邊緣層主要包括工業(yè)控制網(wǎng)中的設(shè)備、分析儀表、DCS，以及APC和RTO等，為上層云計算提供裝置運行的相關(guān)數(shù)據(jù)和狀態(tài)，并接收上層信息用于裝置的優(yōu)化和控制。IaaS層包含計算與存儲和網(wǎng)絡(luò)與安全設(shè)備，計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡(luò)資源和安全設(shè)備相互協(xié)作，為云計算平臺提供有效資源支撐。SaaS層包含模型庫、大數(shù)據(jù)和云服務(wù)，被部署到物理計算節(jié)點或虛擬計算節(jié)點上，為裝置優(yōu)化和控制的計算提供相關(guān)服務(wù)。PaaS層建立各種生產(chǎn)保障APP和智能決策APP，為用戶提供交互操作環(huán)境，通過各種對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的分析和展示，實現(xiàn)裝置的數(shù)字孿生應(yīng)用。

圖2 基于云計算的裝置優(yōu)化與控制系統(tǒng)架構(gòu)示意

2 石油化工行業(yè)數(shù)字孿生應(yīng)用

2.1 基于數(shù)字孿生的裝置級優(yōu)化和控制

數(shù)字孿生驅(qū)動的生產(chǎn)裝置優(yōu)化和控制，通過建立物理實體裝置高精度的虛擬模型，并建立兩者之間的數(shù)據(jù)交互，虛實映射、交互融合，真正實現(xiàn)持續(xù)面向市場價格變化的裝置級優(yōu)化和控制，形成虛實共存的協(xié)同迭代優(yōu)化模式，由過去被動響應(yīng)市場價格變化的生產(chǎn)方式向主動應(yīng)對轉(zhuǎn)變，最終達到優(yōu)化和控制的自主決策。

例如，基于數(shù)字孿生的乙烯裂解爐優(yōu)化和控制中，裂解爐虛擬模型的計算過程中，數(shù)據(jù)采集、工況調(diào)整、參數(shù)估計或數(shù)據(jù)整定、優(yōu)化計算、結(jié)果輸出和生成優(yōu)化報告等過程自動執(zhí)行，模型根據(jù)工況實際條件，自動執(zhí)行每一步的操作，并對不同執(zhí)行結(jié)果做相應(yīng)輸出，模型根據(jù)設(shè)定時間間隔，反復(fù)循環(huán)執(zhí)行，優(yōu)化計算結(jié)果自動傳遞給物理實體中的APC系統(tǒng)，達到優(yōu)化控制過程自主執(zhí)行的目的。

利用數(shù)字孿生驅(qū)動的實時優(yōu)化技術(shù)，在RTO和APC系統(tǒng)共同操作模式下，乙烯裂解裝置在總投料負荷不變的情況下，效益約增加了3 000～4 000萬元/年。數(shù)字孿生驅(qū)動的實時優(yōu)化技術(shù)在不同煉油和化工裝置中應(yīng)用，都會為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益，見表2所列。

表2 數(shù)字孿生驅(qū)動的實時優(yōu)化技術(shù)在不同類型裝置應(yīng)用的平均效益 元/噸

2.2 基于數(shù)字孿生的儀表故障監(jiān)測

煉油和化工裝置儀表設(shè)備數(shù)量巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、種類繁多。儀表是否能夠正常運行直接影響到裝置運行的安全性、可靠性和經(jīng)濟性。基于數(shù)字孿生的儀表故障監(jiān)測，結(jié)合虛擬模型和裝置物理實體儀表的運行數(shù)據(jù)，評估儀表的健康狀態(tài)，給出相應(yīng)的報警或提示，從而保證物理實體儀表安全高效的運行。

以乙烯裂解氣在線分析儀為例，不同原料裂解氣組成分布情況如圖3所示，根據(jù)裂解氣在線分析儀歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，可以得到C2，LPG，石腦油(NAP)和加裂尾油(SSOT)不同原料裂解氣組成分布的箱線圖，裂解氣在線分析數(shù)據(jù)包括H2，CH4，C2H4，C2H6，C3H6和C3H8的摩爾分數(shù)。當(dāng)裂解氣在線分析儀出現(xiàn)故障時分析數(shù)據(jù)會脫離正常范圍，從而造成虛擬模型計算產(chǎn)生偏差，甚至影響APC系統(tǒng)的控制效果?？梢岳脭?shù)字孿生系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)問題，確保生產(chǎn)安全穩(wěn)定的運行。

圖3 不同原料裂解氣組成分布情況示意

利用數(shù)字孿生的虛擬模型對煉油化工裝置實體進行模擬計算，會根據(jù)儀表的標(biāo)準(zhǔn)偏差、測量值、模擬值以及絕對誤差(模擬值-測量值)，計算每一塊儀表的誤差目標(biāo)貢獻值OBJ，如式(2)所示：

(2)

式中：Model——模型計算值；Scan——儀表測量值；STD——儀表標(biāo)準(zhǔn)偏差。

乙烯裝置裂解氣在線分析誤差統(tǒng)計見表3所列，誤差目標(biāo)貢獻值顯示了對應(yīng)儀表在虛擬模型中的偏差大小，誤差目標(biāo)貢獻值越大，儀表偏差越大。表3中儀表AI05060B目標(biāo)貢獻值為131.34，為表格中偏差最大的儀表，在相信模型計算結(jié)果的前提下，需要檢查乙烯裝置裂解氣在線分析儀物理實體的該分析項(甲烷摩爾分數(shù))，及時消除儀表故障。

表3 乙烯裝置裂解氣在線分析儀誤差統(tǒng)計

2.3 基于數(shù)字孿生的數(shù)字化交付

數(shù)字化交付以工廠對象為核心，在工程項目建設(shè)全周期過程中，按照業(yè)主的應(yīng)用和管理要求，將數(shù)據(jù)、文檔、三維模型等信息進行收集、關(guān)聯(lián)、整合。通過數(shù)字化交付平臺，將數(shù)據(jù)、文檔、模型等以正向建模的方式搭建與物理工廠一致的工廠靜態(tài)模型，并在項目結(jié)束后與物理工廠一并移交至業(yè)主?；跀?shù)字化交付形成的工廠靜態(tài)模型，加載工廠運營管理中物料、能源、操作等生產(chǎn)業(yè)務(wù)產(chǎn)生的實時數(shù)據(jù)后，就形成工廠的 “數(shù)字孿生”。利用數(shù)字化交付形成的工廠靜態(tài)模型，可在工廠投產(chǎn)前形成資產(chǎn)和工藝的信息標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)運營各業(yè)務(wù)可從中抽離出不同粒度、范圍的數(shù)字模型，在實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一的前提下滿足不同的應(yīng)用要求，為企業(yè)智能化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供數(shù)據(jù)支持。目前數(shù)字化交付已在中國石化集團公司各大工程建設(shè)項目開展。

數(shù)字化交付側(cè)重基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)化靜態(tài)數(shù)據(jù)積累。而數(shù)字孿生依托工廠信息化建設(shè)，通過智能工廠統(tǒng)一的工廠模型對組織結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)經(jīng)營的物料、設(shè)備、安全、環(huán)保、管線、儀表等標(biāo)準(zhǔn)化，形成物理和虛擬工廠的數(shù)據(jù)一一對應(yīng)關(guān)系，通過石化智云前端邊緣云平臺，為模型和應(yīng)用提供支撐，智能工廠數(shù)字孿生與數(shù)字化交付交互關(guān)系如圖4所示。圖4中，工程設(shè)計階段和工程施工階段數(shù)字化交付內(nèi)容包括： 工程項目管理數(shù)據(jù)，4D管道焊接數(shù)據(jù)，合同數(shù)據(jù)和電子招投標(biāo)采購數(shù)據(jù)，三維模型標(biāo)準(zhǔn)要求，管道和設(shè)備數(shù)據(jù)采集要求。在數(shù)據(jù)層面，數(shù)字孿生與數(shù)字化交付在三維型模型、設(shè)備主數(shù)據(jù)和管線數(shù)據(jù)，設(shè)備和儀表編號上遵循統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 智能工廠數(shù)字孿生與數(shù)字化交付交互關(guān)系示意

3 結(jié)束語

數(shù)字孿生技術(shù)在各個工業(yè)領(lǐng)域的成功應(yīng)用，為該技術(shù)在石油化工企業(yè)智能工廠建設(shè)中的應(yīng)用提供了可借鑒的經(jīng)驗。針對石油化工領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)數(shù)字孿生應(yīng)用需要融合裝置模擬技術(shù)、傳感和監(jiān)測技術(shù)、機器學(xué)習(xí)技術(shù)、實時優(yōu)化技術(shù)和數(shù)字孿生軟件平臺等技術(shù)。目前數(shù)字孿生相關(guān)技術(shù)已應(yīng)用在智能工廠建設(shè)中，并取得了一定的應(yīng)用效果，未來還需將各種技術(shù)深度融合，為中國石化煉油化工企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供先進的技術(shù)基礎(chǔ)。