数字孪生技术在海上采油平台的应用

滕宇

（中海油工业自控（天津）有限公司，天津 300452）

0 引言

2021年是实施“十四五”规划的开局之年，工业数据利用受到越来越多的重视。海上采油平台作为相对固定的工业石油开采及原油处理系统，设施的独立性及相对分散性，导致其在数据整体开发利用方面有所欠缺，适于运用数字孪生技术逐步实现智能化生产。

1 数字孪生技术概述

美国密歇根大学的教授Dr. Michael Grieves在2002年提出数字孪生（Digital Twin）的概念。数字孪生技术可以分为物理实体、虚拟实体、数据通道三个部分。物理实体是数据的来源，虚拟模型是利用数据建立的物理实体的映射，物理与虚拟之间建立数据通道，进行双向动态数据交互，在这个过程中虚拟实体不断自我学习完善，提高对物理实体描述的完整性和准确性，最终实现设备整个运行过程的实时模拟反馈。这种理念的提出为解决工业生产问题和设备监控问题提供了新的方法[1]。

数字孪生提出之后逐渐应用到生产生活的许多领域，近年来，工业基础设施不断丰富建设，大数据开发、人工智能技术、5G通讯技术等迅速发展，进一步推动了数字孪生技术在前期设计、工业生产、设备管理等方面的实际应用，覆盖设备设施的全生命周期。

数字孪生的应用并不能独立实现，还需要依赖多种相关的技术及设备，例如：超级计算机、工业数据中心技术、数据建模、智能分析、结合VR技术展示等。构造数字孪生虚拟实体的目的在于对物理实体的各种状态进行全面精细的复现，同时可以完成深层次、多角度的状态分析以及未来状况预测。

2 海上采油平台数据应用现状

海上采油平台是海洋石油开采的设施，可分为固定式和可移动式两种结构类型，其中绝大多数为固定式。海上采油平台分布在各个海域，地理位置分散，各平台之间相对独立。一般按照所处地域划分管辖区域，同一管辖区域内的海上采油平台有一定的相互联系，包括采用卫星通信、微波通信和海底光缆通信等。海上采油平台这种固有的分散和相互独立的特点，造成了数据应用不充分的状况[2]。

首先，海上采油平台底层数据采集设备部署不足。目前海上采油平台现场数据收集主要依靠各类传送器和变送器设备，按照设计要求可以满足现场生产的检测需要，但是从智能化和数据建模角度考虑，现场数据不全面的弱点就显现出来。多数设备只有对生产流程各类参数的监控仪表，而缺少对自身健康状态的监控措施。同时，各类设备本身的信息大多是由纸质文件存储，并未形成统一的电子数据库归档。有些设备配件虽然有统一的电子平台归档，但这些信息平台与现场数据库不能相互连通转换，这就给利用数据建立虚拟化模型带来了很大的困难。

其次，海上采油平台数据存储分散。分为两个层面：第一个层面是从单个海上采油平台来看，现场的各类数据分别存储在不同设备的现场控制设备中，虽然设置有中央控制系统，但现场很多独立设备只有少数关键数据传输进来，并未全面收集存储现场数据；第二个层面是从不同的海上采油平台来看，各海上采油平台之间工业生产和设备信息数据的传输主要依赖工控网，考虑到数据安全的问题，绝大部分数据由各平台分别存储管理，不做传输和统一存储。

最后，海上采油平台数字虚拟化开发不足。海上采油平台目前具备某些小型设备或模块的虚拟化系统开发建立的条件，但是目前以传统的流程控制方式居多，很少有完全开发为虚拟化实体的案例，这也是现场的使用维护需求决定的。

3 数字孪生在海上采油平台的应用

3.1 海上采油平台数据系统升级

针对上述几个方面的问题，需要对现场进行数据系统的整体提升，以保证现场数据的全面性、集中性以及虚拟化开发的可实施性。升级的内容包括现场传感仪器的丰富，新型智能仪表的应用，传统数据与现代数据的整合，各海上采油平台数据中心建立以及统一陆地数据中心的建立。与此同时，还需要考虑相配套的数据传输系统和网络安全系统的建立。

3.2 数字孪生针对海上采油平台开发方式

针对海上采油平台的数字孪生技术开发可以分为4个步骤。

（1）数据采集。采用各类接口，从现场仪表或相应的控制系统数据库进行数据的获取，建立与实际情况相符的数据库。

（2）模型训练。利用历史数据库进行模型的训练，将数据分为训练集和验证集，使用数据挖掘算法得出对应的虚拟化孪生模型。

（3）模型优化。利用实时数据进行模型的优化。海上采油平台的运行安全性是第一要素，在模型投入使用前必须保证其健康性、可靠性，这些都需要在模型优化这一步引入实时运行数据完成检验。除此之外，还需要在正式运行之前组织专家及用户进行全面评估，进一步优化。

（4）虚拟孪生模型应用。模型优化后上线应用，作用于服务终端，为现场提供支持服务。这种服务可以为间接的控制建议，也可以为直接的设备控制指令。

海上采油平台数字孪生系统建立及运行过程如下图所示：

图1 数字孪生系统建立及运行过程

3.3 数字孪生在海上采油平台应用前景

数字化智能化对于海上采油平台是发展的必然趋势，底层传感器及探测仪表的升级改造工作困难较多，成本较高，但基于现有感知系统的数据采集和集中工作已经开展并取得了一定的成效，为数字孪生模型的建立奠定了基础。

海上采油平台设施设备的数字孪生技术应用需要从典型的成套设备入手，选取数据充分、结构简单、控制量少的现场设备，运用成熟的方法完成虚拟数字孪生模型的建立。模型建立后，一方面在此基础上进行技术深耕，不断扩展其内容和功能；另一方面对模型的建立和应用方式进行推广，应用到其他的相关设备上，逐步形成数字孪生技术体系，覆盖各个海上采油平台以及由其组成的作业区域[3-5]。

在数字孪生技术应用的过程中，还需要不断结合其他工业现代化技术，例如虚拟现实技术、人工智能技术等。各类技术的整合应用，将会更加全面地展现现场生产维护的实际状况，形成从数据监测到生产决策再到设备评估的全过程智能化[6-9]。

4 结论

本文介绍了数字孪生技术的概念及其发生发展过程，列举了其应用的不同领域。结合海上采油平台数据应用的现状，阐述了数字孪生技术应用的关键方面及应用前景。目前而言，海上采油平台设施设备对于数字孪生技术的应用还处于基础建设的起步阶段，需要长时间的研发和实测才能完成建立。但数据孪生技术在海上采油平台应用，可以为操作及维护人员提供详细的数据分析、直观的状态展示和可靠的决策支持，有利于提高生产和维护效率，大幅度降低生产过程中的风险。