数字孪生：行业未来发展的新引擎

来源：中国石化报 时间：2024-07-29 08:30  □本报记者 徐永国 于 佳

随着新东营原油库的投运，数字孪生这一前沿技术走进了大家的视野。

它如同一面魔镜，将现实世界中的实体、过程或系统转化为数字化的模型，正以前所未有的方式塑造着当今世界，为各行各业提供了更广阔的发展空间。

一面魔镜

“数字孪生技术就像照镜子一样，在虚拟世界里营造一个和实体一模一样的生命体。”胜利油田信息技术部门近年来一直关注着这项技术的发展。

在以传感器和大数据为主的现代信息技术蓬勃发展的背景下，出现了真实和数字虚拟两个世界，真实世界的实体均可生成与之相近的虚拟体，称为数字孪生体。

胜利油田生产信息化运维专家蔡权告诉记者，数字孪生这个名词源自生物学中的“孪生”概念，意味着一个与原型极为相似的复制品。

数字孪生是一种充分利用物联网、大数据、云计算、人工智能等先进技术，为现实世界的实体对象、系统或流程创建精确的虚拟模型的过程。这个虚拟模型就像实体的“孪生兄弟”，能实时反映其状态、行为和变化，甚至预测未来趋势。

数字孪生体与物理实体同生共长。数字孪生体基于基本模型及丰富的历史、实时数据，加之先进的算法模型，实现对实体物流系统对象的运行状态进行高度相似的数字化表征和预测，以实现正确的推理、精准的操作、优化的控制。

数字孪生体不仅仅是物理世界的镜像，还要接受物理世界实时信息，更要反过来实时驱动物理世界，而且可以进化为物理世界的“先知”“先觉”。

蔡权和同事们注意到，数字孪生体就像个生命体，拥有躯体、神经、左脑、右脑和五官，相比物理世界，更具有生命力，而且可以不停地升级进化，其建设也是逐步建立和完善的。

近年来，在全球能源变革、国际政治经济形势多变的格局下，随着物联网、大数据、人工智能等新一代技术的广泛开发应用，智能油田、未来油田等建设力度进一步加大，以期重塑未来发展优势，数字孪生技术得到发展和应用。例如，bp公司的数字孪生系统APEX，创建了该公司全球所有生产系统的虚拟副本；瑞士Akselos公司为壳牌浮式生产储卸油轮成功部署了结构化数字孪生技术。这项突破性模拟技术的部署还可以借助对实际剩余疲劳寿命的准确评估，以替代传统模拟软件所做的过分保守的估计，从而延长资产的安全生命。

他山之石

在持续关注的过程中，蔡权强烈地感受到我国对数字孪生技术研究与应用的高度重视。

2021年3月，国家“十四五”规划明确提出“利用数字孪生技术促进经济社会高质量发展”并做出了战略部署。“十四五”国家信息化规划提出，数字孪生技术是优势技术集成突破的代表，要进一步加强战略研究布局和技术融通创新。《“十四五”信息化和工业化深度融合发展规划》指出，构建“面向工业生产全生命周期的数字孪生系统”，探索形成数字孪生技术智能应用场景。

业内同行动作频频，让蔡权他们“眼热”。

中国海油积极开展数字孪生海洋平台建设，实现工艺流程动态仿真模拟，具备虚拟调试、初启动工况模拟与瓶颈分析、管线清管方案模拟、虚拟计量、虚拟仪表、偏流预测、自动调参等多项功能，助力海洋平台平稳、高效、安全生产。

2018年，以中俄东线天然气管道工程建设为标志，中国石油提出建设具备“全方位感知、综合性预判、一体化管控、自适应优化”能力的智慧管网，借助大数据、云计算、物联网、人工智能等新一代信息技术，中俄东线天然气管道工程重点开展构建管道（含站场）数字孪生体、提升面向本质安全的管道实时泛在感知能力、推进核心控制系统SCADA软硬件成套国产化、实现复杂天然气管网优化运行等方面的创新性工作。

新疆塔里木油田某厂以高精度数字孪生体为载体，实现生产运维可视化、人员位置与运动轨迹可视化、设备运行可视化、设备检维修可视化、安全环保可视化、应急智慧可视化等诸多功能。

为实现智慧管网全数字化移交、全智能化运营、全业务覆盖、全生命周期管理的目标，国家管网开展了一系列技术攻坚，旨在形成一套以数字孪生、智能建造、智能调控、监测感知为核心的全生命周期数字化智能管控技术。

关注了五六年数字孪生，蔡权和同事们一直在等待实战的机会。

小试牛刀

2021年，东营原油库搬迁工作启动。新原油库设计库容68万立方米，配套建设行政办公区、辅助生产区、生产工艺区、装车标定区、临时停车区等相关设施。

瞄准“建设一流站库目标”，应用数字孪生技术的机会来了。

东营原油库信息化设计设定了远程操作信息化、异常切换自动化、联控联调智能化、现场决策可视化的四大方向，确保操作更规范、运行更高效、管控更精准，以实现新原油库生产信息自控与生产工艺、人工操作与自控联锁、生产运行与数字孪生、风险识别与预警预测的四大融合。

新原油库通过搭建可视化环境，实现工厂对象与数字孪生体在虚拟空间的平行运行、实时交互与迭代优化，可满足工厂对象的可视化呈现、智能诊断、故障预测、运行优化，实现企业数据资产化和数据运营的目标。

蔡权介绍，他们应用数据模型三维可视化，通过静态孪生体的建设，实现建设期数据资产的管理，改变以往线下方式，提高效率；实现数字模型的二维、三维联动；通过三维模型漫游浏览、虚拟人物漫游浏览、测量等功能，为建设期施工现场提供可视化交底，辅助施工作业，高效保障建设期施工质量。

同时，技术人员利用数字孪生技术设计验证及推演施工过程，依托建设期数字孪生体，利用数字仿真、虚拟现实等技术对预制、施工、作业等建造过程进行动画模拟，提前进行设计验证和施工预演，现场设备一次安装成功率达到100%，提高了施工效率和质量，整体缩短了工期，告别了“纸上谈兵”。

基于站场三维模型，他们应用模拟展示技术，实现施工进度计划预演和建设进度展示，大幅提高施工进度计划制订、纠偏措施的科学合理性，实现施工管理和控制的信息化、集成化、可视化、智能化，建设工期缩短20%。

“利用数字孪生技术，助力安全管控智能化水平提升；利用工艺仿真，助力生产运行优化，节能降耗；通过生产数据三维可视、虚拟巡检功能助力生产管理；利用操作模拟，助力实现‘机制’代替‘人制’；通过数字档案，助力设备全生命周期管理……”对这些应用，蔡权如数家珍。

数字孪生体与实际物理工厂的数据集成实现了多项智能化应用，助力生产运行智能高效和工艺优化，提升安全管控水平，操作人员由原来的189人减少到20人，带来了劳动组织方式和生产运行模式的全面变革。

在原油库初试牛刀后，胜利油田趁热打铁，把数字孪生技术推广到济阳页岩油示范区、CCUS（二氧化碳捕集、利用与封存）等多个项目。

蔡权说：“随着数字孪生技术在油气地面站场及设备设施上有更多实践，我们对数字孪生体的构建方法、标准规模、技术架构、融合技术、数字孪生平台的功能应用，以及数字孪生融合生产运营全过程的技术路线有了一定的基础。”

我国关于数字孪生体标准研究仍在进行中，多项关键问题仍待澄清，各方对概念和架构的理解尚未达成统一意见，故数字孪生具体标准现在仍是空白。但部分组织发布了相关的白皮书，为后续标准编制提供了重要参考，例如安世亚太公司参考国际标准和实践总结的《数字孪生体技术白皮书》、中国电子技术标准化研究院发布的《数字孪生应用白皮书》等。

目前，胜利油田正着手编制数字孪生技术的企业标准。数字孪生技术在胜利油田还处于探索阶段，但可以确定的是，数字孪生作为连接虚拟与现实的桥梁，将成为引领行业未来发展的新引擎。

链接：什么是数字孪生？

数字孪生是一种充分利用物联网、大数据、云计算、人工智能等先进技术，为现实世界的实体对象、系统或流程创建精确的虚拟模型的过程。这个虚拟模型就像实体的孪生兄弟，能实时反映其状态、行为和变化，甚至预测未来趋势。数字孪生的核心原理是数据驱动，通过收集、整合并分析实体对象的各种数据，构建动态、多维、高保真的数字模型，实现虚实之间的双向反馈与联动。

数字孪生体通用的技术架构主要由物理层（感知层）、数据层、模型层、功能层组成，各行各业的应用层建立在数字孪生技术架构之上，油气田数字孪生体是其中一类，根据实际需求开发设计应用场景。

油气企业如何在生产中应用数字孪生技术？

近年来，在全球能源变革、国际政治经济形势多变的格局下，随着物联网、大数据、人工智能等新一代技术的广泛开发应用，智能油田、未来油田等建设力度进一步加大，以期重塑未来发展优势，数字孪生技术得到发展和应用。

数字孪生在油气田的深度应用，将在勘探开发一体化、地面地下一体化、设计-采购-施工-运维全生命周期一体化等方面，融入油田开发、生产、运营的全过程，从而提高油气田的经济效益、环保效益、安全效益。

bp公司的数字孪生系统APEX作为一种生产优化工具，创建了该公司全球所有生产系统的虚拟副本，仅2017年，应用该系统就提高油气日产量3万桶。APEX能够在可能影响生产之前发现现场问题，可用于测试“假设”场景；通过将模型与实际数据配对，可以快速检测异常情况，并模拟不同的程序，调整各种组件以确保最佳解决方案。

2020年，瑞士Akselos公司为壳牌的一个浮式生产储卸油轮部署了结构化数字孪生技术，实现优先检查、维护和修理的关键区域，减少了操作员工的数量，降低在难以到达的区域（例如货油舱）进行物理检查的必要性，并为针对极端天气和资产修改的场景规划提供支持。

国内油气企业积极利用大数据、物联网、AI等新技术开展数字化、智能化建设工作。中国海油在建立智能海洋平台的基础上，在工艺流程动态模拟仿真方面进行实践，并取得诸多成果；中国石油智能管道数字孪生建设效果突出，场站部分已建设应用场景并进行工程试点；国家管网侧重智慧管网建设，并依托科研项目开展技术攻关，打造智慧管网数字孪生体。

（徐永国 于 佳 提供）