數(shù)字孿生技術在工程數(shù)字化交付中的應用研究

引言

近年來,以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能為代表的新一輪信息技術浪潮撲面而來,深刻改變著人類生產(chǎn)生活方式,企業(yè)發(fā)展面臨全新的商業(yè)環(huán)境和競爭挑戰(zhàn)。中國海油積極融入數(shù)字化創(chuàng)新大潮,大力推動現(xiàn)代信息技術與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)深度融合,積極通過數(shù)字化轉(zhuǎn)型促進管理變革,實現(xiàn)降本增效,為公司高質(zhì)量發(fā)展提供重要支撐。

1背景情況

1.1工程數(shù)字化建設現(xiàn)狀

自2009年在渤海的兩個油田實施了工程數(shù)字化技術試點項目以來,中國海油研究小組不僅從技術上驗證了可行性,而且通過歸納和經(jīng)驗總結(jié),初步建立了信息規(guī)范和規(guī)律性認識及工作模板,并以此為指導實施工程數(shù)據(jù)中心項目(EDIs),取得了較好的成效[2]。

公司經(jīng)過多年的建設,雖然已經(jīng)建立起基礎生態(tài)環(huán)境,擁有良好的發(fā)展氛圍,從管理、技術、人力等多方面形成了完善的運行機制,但由于仍沿用較老舊的常規(guī)數(shù)字化建設思路及技術路線,工程數(shù)字化的成果應用范圍相對受限,應用群體也較小,未能很好地發(fā)揮出原有的數(shù)據(jù)價值。

1.2數(shù)字孿生技術

數(shù)字孿生作為賽博物理系統(tǒng)的關鍵技術,能夠?qū)ξ锢硎澜邕M行數(shù)字化描述并有效管控產(chǎn)品全生命周期的數(shù)據(jù),為實現(xiàn)產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)中各種活動的優(yōu)化決策提供了新的思路[3]。近年來,隨著油氣田業(yè)務數(shù)字化進程的不斷推進完善,物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)分析、人工智能等高新技術應用的不斷拓展,數(shù)字孿生技術在推動油氣田業(yè)務數(shù)字化轉(zhuǎn)型的企業(yè)變革中顯得越來越重要[4]。

1.2.1技術簡介

數(shù)字孿生技術是正在高速發(fā)展的新技術,為復雜動態(tài)系統(tǒng)的物理信息融合提供了解決思路,是智能制造與智能自動化重要的解決方案之一[5]。數(shù)字孿生技術是指在真實世界與數(shù)字世界之間建立全面準實時的聯(lián)系,以數(shù)字化的形式(數(shù)字孿生模型)對某一物理實體生命周期的行為或狀態(tài)進行多維動態(tài)的映射?；诖?數(shù)字孿生技術除了有利于解決油氣田工程建設及生產(chǎn)運維中的難題,也可以為智能油氣田建設提供精準的數(shù)字孿生模型,通過數(shù)字孿生將物理實體的橫向延續(xù),將其全生命周期相關產(chǎn)業(yè)的縱向串聯(lián)。借助數(shù)字孿生技術的突出特點,可以不斷促進產(chǎn)業(yè)和技術迭代升級,提升傳統(tǒng)業(yè)務競爭力,助力企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

1.2.2國內(nèi)外設施情況

近年來,由于油價的不確定性和波動性挑戰(zhàn),企業(yè)越來越多地將數(shù)字化及三維可視化技術視為提高生產(chǎn)率、獲得競爭優(yōu)勢的手段,特別是數(shù)字孿生技術。殼牌公司全球解決方案國際公司近期與康士伯數(shù)據(jù)公司達成基于KognitwinEnergy數(shù)字化雙胞胎軟件的企業(yè)框架協(xié)議。該協(xié)議包括為英荷能源和石化公司上游、天然氣、下游和制造綜合業(yè)務生產(chǎn)線的全球資產(chǎn)組合和資本項目提供基于云技術的數(shù)字化雙胞胎服務。通過數(shù)字化雙胞胎,可以實現(xiàn)遠程操作、自動化和顯著增強協(xié)作,因而可大大提高作業(yè)效率。在船舶領域,新加坡船廠勝科海事通過與多家船級社及研究所展開合作,致力于數(shù)字孿生技術上的研發(fā)及應用,以保持公司的全球競爭力。

國內(nèi)石油行業(yè)中,中石化已經(jīng)利用數(shù)字孿生技術在智能工廠建設、運維管理中取得成效。石化盈科協(xié)助中石化建立的智能工廠1.0,在九江石化成功運用,提供基于數(shù)字孿生技術的智能化管理服務,實現(xiàn)檢維修管理、專業(yè)管理、設備運行管理、運維培訓管理等專業(yè)化應用。而中石油目前還未有成功的數(shù)字孿生技術研究應用案例。

2研究思路

對于數(shù)字孿生技術而言,生成數(shù)字模型是第一步,而加入更多的數(shù)據(jù)集才是關鍵[6]。鑒于此,本文通過研究國內(nèi)外數(shù)字孿生技術及應用方向,掌握數(shù)字孿生模型建立、處理及數(shù)據(jù)應用等關鍵技術,形成適用于油氣田工程數(shù)字化交付的技術要求及研究成果,通過計算機應用系統(tǒng)功能的實現(xiàn)來推動數(shù)字孿生技術的應用。其整體技術實施路線如圖1所示。

2.1實施技術研究

2.1.1數(shù)據(jù)采集實施

結(jié)合調(diào)研需求,開展數(shù)據(jù)規(guī)劃,定義數(shù)字孿生技術需要采集信息的范圍、深度以及格式,形成可執(zhí)行的技術實施指南。

2.1.2數(shù)字孿生模型實施

依據(jù)三維仿真模擬、動態(tài)數(shù)據(jù)接收及VV展示的需求,研究數(shù)字孿生模型建模的制作、貼圖、RLo分級、DV拆分以及烘焙處理等技術,包括設備內(nèi)外部構(gòu)件的拆解程度、分層成組的基本規(guī)范。研究數(shù)字孿生模型法線烘焙的建模技術,在數(shù)字孿生三維模型占用資源最小的前提下實現(xiàn)效果達到最理想狀態(tài),為系統(tǒng)的運行及后續(xù)的跨平臺開發(fā)提供保證。

2.1.3數(shù)據(jù)通用接口實施

研究靈活且高效的通用API數(shù)據(jù)接口,兼容主流的數(shù)據(jù)格式。在滿足當前需求的情況下,使用主流的數(shù)據(jù)庫或明確使用主流的數(shù)據(jù)信息格式標準完成數(shù)據(jù)映射和數(shù)據(jù)配置,確保數(shù)據(jù)交互時的完整性及準確性,實現(xiàn)與前臺客戶端以及其他不同信息系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)對接。

2.2數(shù)字孿生應用平臺研究

2.2.1數(shù)字孿生基礎應用平臺

開發(fā)基于windows系統(tǒng)的易用的數(shù)字孿生應用平臺,該平臺用于加載并操作依據(jù)標準制作的數(shù)字孿生模型,建立第一人稱視角、自動加載環(huán)境效果,實現(xiàn)各類基礎屬性信息的關聯(lián)展示。平臺在快速平穩(wěn)運行的同時,兼具較高的安全性。另外,還應具備多客戶異地并發(fā)訪問的能力。基于軟件系統(tǒng)及功能需求,匹配相關硬件,采用技術整合、功能整合、模式整合等技術手段,實現(xiàn)軟硬件的協(xié)同開發(fā)及無縫集成。數(shù)字孿生模型應用流程如圖2所示。

2.2.2數(shù)字孿生基礎功能

2.2.2.1設備立體裝配功能

數(shù)字孿生技術可以將產(chǎn)品數(shù)字模型與物理模型建立起關聯(lián),并逐漸向包括制造過程的整個產(chǎn)品生命周期覆蓋,為面向裝配過程的裝配工藝設計提供了一種解決途徑[7]。結(jié)合其虛擬仿真的數(shù)字孿生模型,可以實現(xiàn)設備各關鍵(重要)組成構(gòu)件的拆解及展示,達到設備的拆分"爆炸"效果,如圖U所示,成功解決復雜產(chǎn)品裝配過程中質(zhì)量管控時效性差、缺乏預測性等問題[8]。

圖3設備立體裝配圖

2.2.2.2設備設施剖切功能

通過控制基準橫切面位置的移動和旋轉(zhuǎn),實現(xiàn)對單體數(shù)字孿生模型的平面剖切功能,展示設備設施的內(nèi)部構(gòu)造,其中橫切面可以實現(xiàn)任意角度的設置,以達到不同的視覺效果,如圖4所示。剖切功能采用shader原理處理,保證資源占用少,無破面壞面的產(chǎn)生,保證運行效率。

圖4設備設施剖切圖

2.2.3數(shù)字孿生深化功能

2.2.3.1工藝流程模擬功能

在數(shù)字孿生模型的模擬工藝流程上(不涉及設備內(nèi)部的工藝流程),以動態(tài)的形式展現(xiàn)物流在整個工藝系統(tǒng)中的流向信息,用不同的顏色區(qū)分物流介質(zhì),可方便地進行相關模擬流程的制定和調(diào)整,如圖5所示。

圖5工藝流程模擬圖

2.2.3.2實時數(shù)據(jù)展示功能

開發(fā)實時數(shù)據(jù)接收功能,實時響應傳輸端的數(shù)據(jù)請求并調(diào)用數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)識別及觸發(fā)展示請求。在數(shù)字孿生模型的重點設備(或部件)預設"熱點"位置信息,通過與數(shù)據(jù)接收功能的數(shù)據(jù)映射,實現(xiàn)當"熱點"被選中或觸發(fā)時,能及時展示出該處實時數(shù)據(jù)信息的功能。

2.2.3.3姿態(tài)模擬功能

基于建立的數(shù)字孿生模型,通過簡化的姿態(tài)展示形式,實現(xiàn)對浮體(船體)整體狀態(tài)及姿態(tài)的模擬展示:通過預留與相關設施的狀態(tài)監(jiān)測、檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口,今后可實現(xiàn)根據(jù)實時監(jiān)測信息進行準確的姿態(tài)模擬和可視化展示。

2.3數(shù)字孿生水準的VR技術應用研究

2.3.1數(shù)字孿生模型轉(zhuǎn)化與處理

基于對UV拆分、貼圖處理、法線烘焙等基礎模型美化技術的研究,掌握L0D層級模型的轉(zhuǎn)化輸出技術,以輸出滿足數(shù)字孿生水準的高保真數(shù)字孿生模型。

2.3.2VR場景制定和模擬

在VR模式下設置自由及定制兩種瀏覽方式。

2.3.2.1自由瀏覽模擬

用戶可以用VR設備自由規(guī)劃行走路線,并可在瀏覽途中隨時調(diào)用、查看設備當中的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)信息。

2.3.2.2定制瀏覽模擬

根據(jù)需求,預制瀏覽線路,應用于不同的場景方面的流程模擬,為后續(xù)的學習、培訓或交流過程提供直觀的方式。

2.3.2.3水下運行狀態(tài)模擬

利用VR技術對水下的生產(chǎn)運行狀態(tài)進行模擬研究,對介質(zhì)流向、井口及閥門狀態(tài)、周圍環(huán)境等進行預設,給使用者提供沉浸式的瀏覽體驗,可為水下作業(yè)生產(chǎn)的培訓及應急處理提供逼真的數(shù)字化模擬情景。2.4試點應用

在試點項目中通過對項目實際情況進行驗證及分析研究,實現(xiàn)方案的進一步完善,并結(jié)合項目進行應用實踐,為后續(xù)的方案推廣應用提供實例數(shù)據(jù)及參考。

3結(jié)語

目前,中國海油的工程數(shù)字化交付深度和廣度較低,在運營階段及完整性管理中的應用有限,通過對數(shù)字孿生技術的研究,結(jié)合裝備技術公司對工程數(shù)據(jù)的專業(yè)分析及應用能力,為中國海油上游建立起基于數(shù)字孿生模型的三維可視化平臺以及更加深入完善的深度數(shù)字化標準體系,可以進一步提升中國海油在數(shù)字化領域的權威性并形成技術優(yōu)勢乃至技術壁壘。

通過數(shù)字孿生應用平臺軟件系統(tǒng)的開發(fā),把數(shù)字孿生模型、實時數(shù)據(jù)、環(huán)境條件等數(shù)據(jù)進行三維集成展示及應用,能協(xié)助作業(yè)方快速制定維修策略,有利于縮短運維改造工期,也能盡量減少各類現(xiàn)場的調(diào)研活動,從而降低成本,并不斷提升管理及運營水平:通過今后對數(shù)據(jù)的深度開發(fā)應用及與其他系統(tǒng)對接,可以更好地對數(shù)據(jù)進行分析,獲得準確的分析結(jié)果,進而轉(zhuǎn)變作業(yè)方式以創(chuàng)造更多價值,增強在不斷變化的環(huán)境中應對各種挑戰(zhàn)的韌性:還可實現(xiàn)在線評估及決策,為智能油田提供豐富的基礎數(shù)據(jù),有利于油田實現(xiàn)少人化、無人化甚至智能化運行。