索寒生，賈夢(mèng)達(dá)，宋光，劉東慶

（1 石化盈科信息技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 100007；2 東北大學(xué)工業(yè)智能與系統(tǒng)優(yōu)化國(guó)家級(jí)前沿科學(xué)中心，遼寧沈陽(yáng) 110819；3 智能工業(yè)數(shù)據(jù)解析與優(yōu)化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（東北大學(xué)），遼寧 沈陽(yáng) 110819）

近年來(lái)，隨著人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云邊端計(jì)算和虛擬現(xiàn)實(shí)等新興技術(shù)的不斷發(fā)展與突破，制造業(yè)實(shí)現(xiàn)高端化、智能化和綠色化發(fā)展的歷史機(jī)遇已經(jīng)到來(lái)。在“中國(guó)制造2025”的政策驅(qū)動(dòng)下，我國(guó)工業(yè)和信息化部（以下簡(jiǎn)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(jiǎn)稱《規(guī)劃》）[1]，強(qiáng)調(diào)智能制造是制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)的主攻方向，其發(fā)展程度直接關(guān)乎我國(guó)制造業(yè)質(zhì)量水平。《規(guī)劃》中重點(diǎn)指出，在智能制造示范工廠建設(shè)行動(dòng)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(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/混合現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)在制造環(huán)節(jié)的深度應(yīng)用將得到推廣，探索形成一批智能場(chǎng)景。其中，數(shù)字孿生技術(shù)被重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)，反映出這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于智能工業(yè)的發(fā)展建設(shè)將起到舉足輕重的推動(dòng)作用。

數(shù)字孿生概念的產(chǎn)生歷史可以追溯到2003年，當(dāng)時(shí)美國(guó)密歇根大學(xué)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(dāng)時(shí)還沒(méi)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(lái)，即在虛擬空間構(gòu)建數(shù)字模型與物理實(shí)體交互映射，忠實(shí)地描述物理實(shí)體全生命周期的運(yùn)行軌跡[2]。由于當(dāng)時(shí)技術(shù)和認(rèn)知的局限，直到2010 年，美國(guó)國(guó)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(guò)程”[3]。隨后，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）于2011 年引入將數(shù)字孿生技術(shù)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)的概念模型[4]；2012 年，NASA 和美國(guó)空軍聯(lián)合提出面向未來(lái)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(kāi)始進(jìn)入學(xué)術(shù)界和制造業(yè)的視野，得到了越來(lái)越廣泛的傳播。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)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(shí)施已逐漸成為可能。

數(shù)字孿生技術(shù)在過(guò)去幾年中得到了快速發(fā)展。2017 年，北京航空航天大學(xué)的陶飛團(tuán)隊(duì)提出了數(shù)字孿生五維模型的概念，即物理實(shí)體（PE）、虛擬模型（VE）、服務(wù)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(jī)、復(fù)雜機(jī)電裝備、立體倉(cāng)庫(kù)、醫(yī)療、制造車間、智慧城市等領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用探索[6]。2020年，中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院發(fā)布了《數(shù)字孿生應(yīng)用白皮書2020》，指出數(shù)字孿生已經(jīng)被應(yīng)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(hù)等行業(yè)。特別是在智能制造領(lǐng)域，數(shù)字孿生被認(rèn)為是實(shí)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(duì)數(shù)字孿生給予了高度重視，并開(kāi)始探索基于數(shù)字孿生的智能生產(chǎn)新模式[7]。同時(shí)，國(guó)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(cè)、故障診斷、過(guò)程優(yōu)化、分析決策等應(yīng)用。不同企業(yè)對(duì)數(shù)字孿生的定義與理解也有所不同，但都強(qiáng)調(diào)數(shù)字孿生的核心是將物理實(shí)體與數(shù)字模型進(jìn)行精準(zhǔn)映射，以實(shí)現(xiàn)全生命周期的監(jiān)測(cè)、優(yōu)化和決策支持。

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

1 數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)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(fù)雜、安全環(huán)保挑戰(zhàn)大等特征。為了解決這些問(wèn)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(shí)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(shí)體模型是將工廠設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行以及維護(hù)中的三維模型、數(shù)據(jù)、文檔進(jìn)行系統(tǒng)性地規(guī)范整理，并進(jìn)行有機(jī)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(jī)理與數(shù)據(jù)解析模型，能夠真實(shí)再現(xiàn)工藝裝置的流程信息，包括對(duì)不同工況的研究、預(yù)測(cè)、異常工況的診斷等，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的安全穩(wěn)定長(zhǎng)周期滿負(fù)荷優(yōu)化運(yùn)行和生產(chǎn)的最大經(jīng)濟(jì)效益。石化智能工廠關(guān)鍵設(shè)備數(shù)字孿生體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程可以分為以下幾個(gè)步驟。

（1）設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)收集：通過(guò)傳感器、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或人工采集方式等手段，收集關(guān)鍵設(shè)備在運(yùn)行過(guò)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(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)等。

（2）數(shù)據(jù)預(yù)處理和建模：針對(duì)已經(jīng)收集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理操作，將其轉(zhuǎn)換成適合于數(shù)學(xué)計(jì)算的格式并篩選整合。同時(shí)，利用基于機(jī)理建模的方法以及機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)等大數(shù)據(jù)手段，對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，并建立承載機(jī)理與大數(shù)據(jù)融合模型的數(shù)字孿生體。

（3）精細(xì)化的模型優(yōu)化：在建立完成模型后，需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果及客戶需求來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步模型修正，以保證模型與真實(shí)設(shè)備具有更好的匹配度和精細(xì)化仿真效果。

（4）數(shù)字孿生平臺(tái)開(kāi)發(fā)：搭建數(shù)字孿生平臺(tái)，將前述建立好的數(shù)字孿生模型應(yīng)用于該平臺(tái)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(yīng)用：將數(shù)字孿生體運(yùn)用在智能工廠的設(shè)計(jì)、建造、生產(chǎn)和維護(hù)整個(gè)生命周期，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制和智能化管理。

評(píng)價(jià)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(gè)指標(biāo)，即規(guī)模性、互操作性、可擴(kuò)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(zhǔn)確地映射物理孿生體的細(xì)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(zhǔn)確表示和預(yù)測(cè)生產(chǎn)過(guò)程。為此，數(shù)字孿生體必須考慮應(yīng)對(duì)各種規(guī)模的實(shí)體，從單個(gè)機(jī)器到多個(gè)工廠，都應(yīng)該被納入計(jì)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(gè)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(dá)”方式。在石化行業(yè)中，需要將來(lái)自各種不同源的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和傳輸。例如，從現(xiàn)場(chǎng)傳感器獲得的數(shù)據(jù)可能與設(shè)計(jì)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(lái)源之間建立等效的“表達(dá)”方式非常關(guān)鍵，以確保各種各樣的數(shù)據(jù)來(lái)源可以有效地整合在一起，并形成一個(gè)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(jìn)行全面優(yōu)化和準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的可能性，從而實(shí)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(kuò)展性：數(shù)字孿生體的可擴(kuò)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。可擴(kuò)展性是數(shù)字孿生體能夠適應(yīng)這些變化而不失去精度和準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素。對(duì)于石化行業(yè)內(nèi)的關(guān)鍵設(shè)備來(lái)說(shuō)，數(shù)字孿生體必須以可維護(hù)性高、可重用性強(qiáng)且靈活可塑的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，以確保其在未來(lái)能夠滿足不斷變化的需求。數(shù)字孿生體的可擴(kuò)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(jìn)生產(chǎn)過(guò)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(shí)現(xiàn)中，盡可能接近物理實(shí)體非常重要，以提供更準(zhǔn)確的洞察力和增強(qiáng)的預(yù)測(cè)功能。為了創(chuàng)建一個(gè)盡可能精確的數(shù)字模型，需要整合和校對(duì)來(lái)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(gè)數(shù)字模型必須能夠代表石化工廠、裝置、管道、儲(chǔ)罐等設(shè)備的行為，包括機(jī)械運(yùn)動(dòng)、化學(xué)過(guò)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(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和優(yōu)化，提高周轉(zhuǎn)周期和器材效率。一個(gè)保真度高的數(shù)字孿生體將會(huì)使得實(shí)際的操作更加準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)過(guò)程主要包括收集數(shù)據(jù)、建立模型、優(yōu)化模型、搭建平臺(tái)、應(yīng)用數(shù)字孿生體等多個(gè)步驟，保證數(shù)字孿生體滿足規(guī)模性、互操作性、可擴(kuò)展性和保真性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。這項(xiàng)技術(shù)在提高設(shè)備效率、降低維護(hù)成本以及改善用戶體驗(yàn)和生產(chǎn)效率等方面，有著非常重要的應(yīng)用價(jià)值和作用。下面將從智能工廠的設(shè)計(jì)、建造、生產(chǎn)和維護(hù)介紹數(shù)字孿生技術(shù)在石油化工行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀。

1.1 設(shè)計(jì)階段

石化智能工廠建設(shè)的起始階段是設(shè)計(jì)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(guò)建立和驗(yàn)證過(guò)程的機(jī)理和數(shù)據(jù)模型，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備與工藝進(jìn)行模擬仿真。因此，設(shè)計(jì)過(guò)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(shí)現(xiàn)數(shù)字化交付成果的三維展示，從而對(duì)生產(chǎn)情況進(jìn)行全面、準(zhǔn)確的監(jiān)控和報(bào)警。具體而言，石化工廠包含了眾多管道、儲(chǔ)油庫(kù)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(tái)上得到復(fù)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)由點(diǎn)到線再到面再到三維立體的抽象展示。這一過(guò)程，能夠極大地提升數(shù)字化交付成果的可視化效果，進(jìn)而加強(qiáng)對(duì)生產(chǎn)情況的監(jiān)測(cè)、管理和預(yù)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(jì)中的應(yīng)用。他們基于數(shù)字孿生技術(shù)的高保真動(dòng)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(jì)階段即可識(shí)別設(shè)計(jì)缺陷，在施工建造之前，進(jìn)行設(shè)計(jì)層面的設(shè)計(jì)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(jì)和建設(shè)的相關(guān)知識(shí)，幫助設(shè)計(jì)人員不斷實(shí)現(xiàn)重用和改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)復(fù)用。趙國(guó)深等[11]從管道線路、站場(chǎng)和建筑三個(gè)方面分析了利用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行油氣管道的協(xié)同設(shè)計(jì)方法。他們?cè)诮徊鎸I(yè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)完成后，對(duì)包括工藝、控制、環(huán)境、影響施工等方面在內(nèi)的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行集成驗(yàn)證，通過(guò)迭代優(yōu)化實(shí)現(xiàn)管道設(shè)計(jì)。因此，數(shù)字孿生技術(shù)在石化智能工廠建設(shè)的設(shè)計(jì)階段具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

1.2 建造階段

石化智能工廠的建造階段是將設(shè)計(jì)結(jié)果付諸實(shí)踐的過(guò)程，數(shù)字孿生技術(shù)在其中起到了重要的作用。通過(guò)模擬仿真，數(shù)字孿生技術(shù)可以及時(shí)反饋建造過(guò)程潛在問(wèn)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(jì)階段的數(shù)字化成果，并通過(guò)數(shù)據(jù)更新不斷完善施工過(guò)程的虛擬管理，指導(dǎo)施工過(guò)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(yùn)行維護(hù)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[12]。在中俄東線管道的工程建設(shè)過(guò)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(guò)數(shù)字化設(shè)計(jì)云平臺(tái)、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(guò)程監(jiān)測(cè)、優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)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(guó)首條經(jīng)過(guò)數(shù)字化恢復(fù)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(shí)現(xiàn)管道可視化運(yùn)行、設(shè)備拆解培訓(xùn)、指導(dǎo)維檢修作業(yè)及應(yīng)急搶險(xiǎn)作業(yè)等，為實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)智慧化運(yùn)營(yíng)奠定了基礎(chǔ)[14]。美國(guó)Texaco公司建成了世界上第一個(gè)油氣工業(yè)專用的虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）中心，利用VR系統(tǒng)創(chuàng)建實(shí)時(shí)的“海底作業(yè)環(huán)境”，通過(guò)可遙控遠(yuǎn)程作業(yè)車實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程作業(yè)[15]。王子宗等[16]針對(duì)170 萬(wàn)噸/年甲醇制丙烯（MTP）實(shí)際裝置進(jìn)行的研究工作，通過(guò)對(duì)全流程模擬計(jì)算數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，對(duì)MTP中的分離流程進(jìn)行了詳細(xì)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(jī)和丙烯壓縮機(jī)的雙機(jī)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(shí)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(xùn)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(dòng)因素追蹤、減排動(dòng)態(tài)模擬推演、能耗告警檢測(cè)分析等功能。通過(guò)建立這些功能，可以實(shí)現(xiàn)清晰的碳排放監(jiān)測(cè)、管控、規(guī)劃和策略實(shí)施路徑。數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)企業(yè)的碳排放精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和計(jì)量，為碳減排與碳中和精準(zhǔn)規(guī)劃實(shí)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(hù)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(yīng)急等過(guò)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(yīng)急，從而有效提升企業(yè)效益、保障生產(chǎn)安全。中海油集團(tuán)構(gòu)建了基于數(shù)字孿生技術(shù)的半潛式石油鉆井平臺(tái)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了鉆井平臺(tái)安全智能診斷、關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)智能預(yù)測(cè)預(yù)警以及平臺(tái)安全可視化預(yù)控等智能服務(wù)，為平臺(tái)安全有效運(yùn)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(guò)構(gòu)建多模型融合虛擬實(shí)體，實(shí)現(xiàn)對(duì)修井過(guò)程的虛實(shí)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(chǎng)，研發(fā)了壓氣站場(chǎng)設(shè)備設(shè)施的數(shù)字孿生可視化風(fēng)險(xiǎn)智能決策系統(tǒng)，整合多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，提高壓氣站場(chǎng)的安全管理和信息化水平，有助于推動(dòng)壓氣站場(chǎng)的智慧化建設(shè)。美國(guó)哈里伯頓公司利用“數(shù)字孿生體”技術(shù)改進(jìn)BHA 鉆具，通過(guò)模擬選擇現(xiàn)場(chǎng)使用的各種鉆具組件，并進(jìn)行BHA 關(guān)鍵組件的使用壽命與損壞程度預(yù)測(cè)與評(píng)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(shí)間”，降低鉆井成本[22]。黃珊等[23]針對(duì)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(jī)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(yīng)用提供了理論支持。婁海川等[24]研發(fā)的智能安全保障實(shí)時(shí)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(yīng)用到石化裝置生產(chǎn)異常工況預(yù)警預(yù)測(cè)的工業(yè)場(chǎng)景中。該系統(tǒng)的特點(diǎn)在于其雙重異常智能預(yù)警預(yù)測(cè)模塊，將工藝機(jī)理建模與大數(shù)據(jù)分析相結(jié)合，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的異常情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)，并通過(guò)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(bào)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(yīng)用。在設(shè)計(jì)階段，數(shù)字孿生技術(shù)可以通過(guò)構(gòu)建高保真動(dòng)態(tài)三維模型，識(shí)別設(shè)計(jì)缺陷并進(jìn)行設(shè)計(jì)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(guò)模擬仿真及時(shí)反饋建造過(guò)程潛在問(wèn)題，指導(dǎo)施工過(guò)程，并為后續(xù)管道的運(yùn)行維護(hù)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(guò)程監(jiān)測(cè)、優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)、減少碳排放與提升企業(yè)效益。在維護(hù)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(yīng)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(shí)也為數(shù)字孿生技術(shù)在石化領(lǐng)域的應(yīng)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(wù)平臺(tái)

中國(guó)石油化工集團(tuán)公司（簡(jiǎn)稱中國(guó)石化）在智能工廠建設(shè)中提出了智能工廠演進(jìn)五階段，其中3.0 的 目 標(biāo) 是 實(shí) 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(shí)現(xiàn)人機(jī)料法環(huán)全要素感知和全價(jià)值鏈連接；基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，形成虛實(shí)融合、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工廠級(jí)數(shù)字孿生系統(tǒng)；機(jī)器學(xué)習(xí)+機(jī)理模型、機(jī)器人等在關(guān)鍵裝置得到深化應(yīng)用；實(shí)現(xiàn)全業(yè)務(wù)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(yīng)用現(xiàn)狀，并深度解析中國(guó)石化智能工廠3.0 的目標(biāo)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(yùn)營(yíng)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(jì)了“石化智能工廠全生命周期數(shù)字孿生服務(wù)平臺(tái)”，圖1 給出了平臺(tái)的架構(gòu)圖。該平臺(tái)以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為支撐，以石化企業(yè)復(fù)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(wù)、運(yùn)行仿真以及智能維護(hù)等服務(wù)，涵蓋了石化智能工廠的全生命周期，形成了虛實(shí)映射的“數(shù)據(jù)＋平臺(tái)+應(yīng)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(wù)平臺(tái)架構(gòu)圖

基于石化智能工廠全生命周期數(shù)字孿生服務(wù)平臺(tái)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(qiáng)現(xiàn)實(shí)的智能工廠設(shè)備智能巡檢和基于虛擬現(xiàn)實(shí)的智能工廠沉浸式培訓(xùn)與安全演習(xí)三個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景。下面對(duì)這三個(gè)場(chǎng)景的技術(shù)方案進(jìn)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(gè)步驟。首先，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為基礎(chǔ)，構(gòu)建智能工廠數(shù)字孿生數(shù)據(jù)平臺(tái)。其次，以智能工廠流程復(fù)雜的工藝與裝置為核心，對(duì)建設(shè)期與生產(chǎn)運(yùn)行期的數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)，對(duì)工藝與裝備進(jìn)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(jìn)的生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化技術(shù)與算法，實(shí)現(xiàn)智能工廠的生產(chǎn)調(diào)度可視仿真，為實(shí)現(xiàn)工廠智慧化運(yùn)營(yíng)奠定了基礎(chǔ)。數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，將為智能工廠帶來(lái)更高效、更安全、更經(jīng)濟(jì)的運(yùn)營(yíng)模式。

2.2 基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的智能工廠設(shè)備智能巡檢

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）是一種將虛擬信息與真實(shí)世界融合的技術(shù)，廣泛運(yùn)用了多媒體、三維建模、實(shí)時(shí)跟蹤及注冊(cè)、智能交互、傳感等多種技術(shù)手段。通過(guò)將計(jì)算機(jī)生成的文字、圖像、三維模型、音樂(lè)、視頻等虛擬信息模擬仿真后，應(yīng)用到真實(shí)世界中，實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)世界的“增強(qiáng)”。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)具有真實(shí)與虛擬的結(jié)合、實(shí)時(shí)交互等特性?；谠鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)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(gè)方面。首先，實(shí)時(shí)監(jiān)控智能工廠整個(gè)生產(chǎn)流程，集成人工智能與數(shù)據(jù)解析技術(shù)，自動(dòng)分析生產(chǎn)過(guò)程的安全與質(zhì)量參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的安全隱患與操作失誤，減少生產(chǎn)過(guò)程中檢錯(cuò)和返工消耗的時(shí)間，保障生產(chǎn)質(zhì)量。其次，通過(guò)生成可視化維修指令來(lái)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)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(dǎo)整個(gè)維修過(guò)程，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化的設(shè)備維修維護(hù)，降低維修難度，提升維修維護(hù)操作效率。這些功能可以幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，同時(shí)減少人為失誤和維修時(shí)間，提高生產(chǎn)安全性。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，將為智能工廠生產(chǎn)設(shè)備的巡檢和維修維護(hù)帶來(lái)更高效、更安全、更經(jīng)濟(jì)的解決方案。

2.3 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的智能工廠沉浸式培訓(xùn)與安全演習(xí)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）是利用計(jì)算機(jī)科學(xué)和行為界面，在虛擬世界中模擬3D 實(shí)體之間實(shí)時(shí)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(diǎn)，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(lái)，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展和虛擬現(xiàn)實(shí)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(xùn)和安全演習(xí)提供了一條新的途徑?；谔摂M現(xiàn)實(shí)的智能工廠培訓(xùn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)路線包括以下步驟：首先，根據(jù)UI 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)界面，包括三個(gè)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(shí)技術(shù)，利用三維開(kāi)發(fā)引擎，開(kāi)發(fā)各生產(chǎn)車間培訓(xùn)流程中的交互場(chǎng)景，仿真真實(shí)的生產(chǎn)培訓(xùn)流程；接著，設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)智能工廠的安全培訓(xùn)流程以及生產(chǎn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的各類安全事故，并設(shè)定相應(yīng)的演習(xí)方案；最后，搭載虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式設(shè)備，發(fā)布系統(tǒng)，并進(jìn)行測(cè)試與優(yōu)化。這種技術(shù)打破了原有培訓(xùn)的安全和資源限制，同時(shí)也保留了現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)的沉浸感?；谔摂M現(xiàn)實(shí)的智能工廠培訓(xùn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)路線清晰明了，可以為智能工廠的生產(chǎn)培訓(xùn)和安全演習(xí)提供一種新的途徑。

這些應(yīng)用場(chǎng)景的技術(shù)方案都有其獨(dú)特的創(chuàng)新點(diǎn)，如數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和生成可視化維修指令、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸式培訓(xùn)和安全演習(xí)等。因此，數(shù)字孿生及其相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用將為智能工廠的生產(chǎn)培訓(xùn)和安全演習(xí)提供一種新的途徑，同時(shí)也為智能工廠的生產(chǎn)調(diào)度和設(shè)備維護(hù)提供了更高效、更安全、更經(jīng)濟(jì)的解決方案。

3 數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)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(yīng)用仍處于初級(jí)階段，主要應(yīng)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(guò)對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并提供可視化展示，可以實(shí)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(shí)時(shí)性、預(yù)測(cè)性和反饋性，并與實(shí)際設(shè)備相嵌合互動(dòng)，從而帶來(lái)更加精準(zhǔn)和全面的洞察力及預(yù)測(cè)能力。如要實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)在石化企業(yè)的廣泛應(yīng)用，需要持續(xù)強(qiáng)化數(shù)字孿生技術(shù)與物理實(shí)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(fù)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(yù)測(cè)、診斷和故障排除服務(wù)。盡管數(shù)字孿生技術(shù)在石化企業(yè)中的應(yīng)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(diǎn)。因此，推動(dòng)數(shù)字孿生技術(shù)在石油石化行業(yè)的廣泛應(yīng)用非常有意義，可以通過(guò)采取措施來(lái)解決數(shù)字孿生技術(shù)在智能工廠應(yīng)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(yīng)用的一些措施，可以促進(jìn)數(shù)字孿生技術(shù)在石油石化行業(yè)的廣泛應(yīng)用[29]。

3.1 石化智能工廠數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系的構(gòu)建

數(shù)字孿生技術(shù)在石油石化領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)體系尚不完善，各大企業(yè)都處在摸索與應(yīng)用并行的階段，相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體還未建立，這阻礙了數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用推廣。為了解決這一問(wèn)題，中國(guó)石化作為石油石化行業(yè)重要的特大型企業(yè)集團(tuán)，可以在如下方面開(kāi)展石化智能工廠數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系的構(gòu)建工作：①數(shù)字孿生系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)術(shù)語(yǔ)，便于不同企業(yè)與用戶之間的相互交流與協(xié)作；③標(biāo)準(zhǔn)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(wèn)題。這些措施將有助于推動(dòng)數(shù)字孿生技術(shù)在石油石化行業(yè)的應(yīng)用推廣。

3.2 石油石化背景的數(shù)字孿生人才隊(duì)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(shí)，這導(dǎo)致了技術(shù)推廣應(yīng)用的障礙。因此，為了奠定數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的重要基礎(chǔ)，需要對(duì)具有石油石化知識(shí)背景的人才進(jìn)行數(shù)字孿生相關(guān)技術(shù)培訓(xùn)，以加強(qiáng)人才儲(chǔ)備，實(shí)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(fù)雜，生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)多變，導(dǎo)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(yīng)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(qiáng)數(shù)據(jù)采集的頂層設(shè)計(jì)，統(tǒng)一數(shù)據(jù)編碼，推進(jìn)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?zhǔn)確性，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?jì)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(yīng)用效率。

3.4 多物理場(chǎng)仿真技術(shù)

多物理場(chǎng)仿真在石化關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和維護(hù)等環(huán)節(jié)都發(fā)揮著重要的作用。在設(shè)計(jì)中，通過(guò)建立三維模型并耦合多種物理場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，多物理場(chǎng)仿真可以定量分析不同工藝參數(shù)和輸入變量對(duì)設(shè)備的影響規(guī)律，為設(shè)備提供最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，多物理場(chǎng)仿真可以監(jiān)測(cè)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(yù)防性地預(yù)測(cè)設(shè)備存在的問(wèn)題并采取措施。在設(shè)備維護(hù)方面，多物理場(chǎng)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(hù)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(guò)多物理場(chǎng)仿真的應(yīng)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(yùn)行，同時(shí)降低生產(chǎn)成本、消除潛在問(wèn)題，這將有助于提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和持續(xù)發(fā)展。

3.5 基于虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)虛實(shí)交互、虛實(shí)協(xié)同和人機(jī)共融的目標(biāo)。

綜上所述，為了推廣數(shù)字孿生技術(shù)在智能工廠的應(yīng)用，需要構(gòu)建石化智能工廠數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系、加強(qiáng)數(shù)字孿生人才隊(duì)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(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(yīng)用中的挑戰(zhàn)，推動(dòng)數(shù)字孿生技術(shù)在石油石化行業(yè)的廣泛應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

本文總結(jié)了數(shù)字孿生技術(shù)在智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用前景，特別是在石化行業(yè)中的應(yīng)用，并介紹了石化智能工廠全生命周期數(shù)字孿生服務(wù)平臺(tái)。該平臺(tái)以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為支撐，以石化復(fù)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(wù)、運(yùn)行仿真以及智能維護(hù)等服務(wù)，形成了虛實(shí)映射的新型智能制造模式。同時(shí)，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(qiáng)現(xiàn)實(shí)的智能工廠設(shè)備智能巡檢和基于虛擬現(xiàn)實(shí)的智能工廠沉浸式培訓(xùn)與安全演習(xí)三個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景。數(shù)字孿生及其相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用將為智能工廠的生產(chǎn)培訓(xùn)和安全演習(xí)提供一種新的途徑，同時(shí)也為智能工廠的生產(chǎn)調(diào)度和設(shè)備維護(hù)提供了更高效、更安全、更經(jīng)濟(jì)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)體系、加強(qiáng)數(shù)字孿生人才隊(duì)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(chǎng)仿真技術(shù)以及基于虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的智能工廠“元宇宙”等措施，以推動(dòng)數(shù)字孿生技術(shù)在石油石化行業(yè)的廣泛應(yīng)用。