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★昆侖數智科技有限責任公司宋子平

★北京興油工程項目管理有限公司葛亮

★昆侖數智科技有限責任公司高亮，韓宏志，陳冰

摘要：數字孿生技術作為推動油田生產效率提升、助力企業降本增效、安全管理以及實現能源可持續發展的重要手段之一，已成為油氣行業產業數字化轉型的重點研究方向。目前，國內外已在油氣藏、鉆井、管道、平臺、資產監管等多場景進行了技術探索，但由于各業務模型獨立搭建，仍存在數據孤島問題，并且虛實雙向聯動尚未實現，因此未真正發揮數字孿生的價值。針對現有技術應用的不足，本研究推出了一體化數字孿生平臺，它通過一個中心（展示協同中心）和三個中臺（數據、技術、業務中臺）的技術架構實現資源共享、信息互聯、協同管理。該平臺已完成共享辦公場景和可視化設備管理場景的應用研究，能夠有效提高生產決策效率和設備使用效能，具備良好的推廣和應用價值。

關鍵詞：數字孿生；油田一體化工作平臺；共享辦公；可視化設備管理

石油與天然氣作為能源行業的重要組成部分，當前它們的生產效率仍有很大提升空間，因此利用先進的信息技術推動產業數字化轉型已成為油氣行業的重點研究方向^[1]。其中，數字孿生技術作為可視化管控、高效協同生產制造、全生命周期管理的重要手段，成為企業實現降本增效并確保長期可持續運營發展的關鍵^[2,3]。將數字孿生技術與油氣行業發展進行有機結合，構建中國石油與數字孿生體融合交互的閉環系統，推進實體業務與數字化世界的雙向連接運行，形成內外部連接、共享、協同機制，可實現降本增效、協同共享、持續創新、風險預控和智慧決策，可不斷提高全員勞動生產率和資產創效能力^[4]。

1　數字孿生技術在油氣行業的應用現狀

數字孿生技術在油氣行業的應用主要體現在資產監控維護、鉆井、管道、平臺、場站、油氣藏等方面^[1,3]。例如挪威FutureOn公司開發了可以將海上油氣田完全映射建立數字孿生體的軟件FieldTwin，業主可通過數字孿生模型模擬油氣開發，有效提高了方案設計效率并降低了探索成本^[5]。斯倫貝謝、SekalAS、哈里伯頓等公司實現了鉆井場景的數字孿生，他們通過可視化的實時監測和自動化的控制，有效提高了作業效率和安全性，實現風險隱患的全范圍排查和及時治理^[6-8]。隨著國內研究的發展，2018年新疆油田開啟了一項大型的數字工廠試點建設，其數字孿生范圍覆蓋處理站庫設計、施工建造、生產運行及維護各階段，實現全生命周期的監測與管理^[9]。

然而，目前數字孿生技術在油氣行業的應用還存在較大局限性^[10]。首先，各業務場景模型獨立搭建，不利于數據互通，暴露了信息化建設階段信息孤島的問題；其次，數字孿生技術未與現場實時數據連接，無法做到虛實結合聯動，僅僅是冰冷的三維模型，體現不出孿生體的價值。故數字孿生技術在油氣行業僅作為一項信息技術，不具備任何功能。它需要與物聯網平臺、SCADA系統、DCS系統等結合，實現底層數據的實時采集、存儲以及結構化數據、非結構化數據的流轉調用，并支撐平臺服務應用，才能最終以孿生模型的形式展現。

針對現有不足，本研究將物聯網云平臺與大數據、人工智能、數字孿生等多種技術有機結合，建立了一體化協同交互平臺，并將油田生產現場、管理決策等過程映射到數字孿生世界，通過場景畫像與系統融合搭建了一體化數字孿生平臺，虛擬人物與關聯數據在孿生體中按需流動、協同工作，并通過數據融合與機理仿真打通了所有數據關聯，生產業務以實時動態優化的場景呈現，生動且具有代入感，從而達到以數字化轉型驅動油氣產業高質量發展的目標。

2　構建一體化數字孿生平臺

一體化數字孿生平臺內置數字孿生技術引擎，向下通過接口實現集成業務系統的能力，向上以超現實的視覺呈現方式展現業務場景與操作流程，并且可以實現業務場景中所涉及到的視覺模型的快速建設和場景定義。系統整體架構由一個中心（展示協同中心）、三個中臺（數據、技術、業務中臺）組成，如圖1所示。

圖1 一體化數字孿生平臺技術架構

（1）數據中臺：將工程建設數據、生產運行數據、經營管理數據、油藏地質數據、安全環保數據、音頻視頻監控等數據接入，并進行數據治理、建模分析、口徑統一等處理，再以API方式為前臺業務部門提供所需數據。中臺的數據集中與共享能力有助于解決“數據孤島”問題，并支撐業務部門的服務應用落地，提升了決策效率和運營精細化。

（2）技術中臺：融合數字孿生、智能物聯、人工智能等先進成熟技術，基于主流DockerKubernetesPaaS基礎架構構建，為業務中臺和應用提供底層技術資源和能力支持。

（3）業務中臺：依托業務需求和業務場景，在數據中臺的基礎之上，將油田業務應用核心功能進行抽象和重新設計，以此沉淀為可復用的業務中臺能力。整個系統的架構，圍繞數字孿生、智能物聯、勘探開發一體化、生產運行一體化、生產經營一體化、綜合管理等典型應用場景，重新組合設計形成數字化交付、三維可視化、井筒服務、財務共享、人力資源服務、數據監控等業務中臺能力，以此支撐上層業務應用場景便捷、高效的開發模式。通過業務中臺服務的建設，共享可復用的核心業務能力，能夠大幅度提升業務系統交付質量、延長業務系統生命周期。

（4）展示協同中心：提供跨設備、多環境的應用展示和協同環境，支持2D、3D等多種展示形式，是應用展示與工作協同的入口，可適配每個工作人員的角色和場景，實現“千人千面”。

一體化數字孿生平臺基于上述架構可快速構建數字孿生應用，平臺底層提供數字孿生及可視化組件，用戶可通過組件化方式進行擴展，形成新的數字孿生相關應用。并且，平臺能夠通過MQTT、HTTP等協議接入物聯網數據，依托平臺層的AI算法庫，可對物聯網數據進行數據分析挖掘，支撐油氣田生產運行、生產保障、技術分析、管理決策、安全環保等多個生產領域的應用需求，實現生產云管理。此外，還可實現數字孿生與生產運營的無縫銜接。平臺依托數字孿生云渲染技術，以數字化交付數據為基礎，融合生產經營的數據，并通過數字孿生模型為生產經營提供更為直觀、全面、多樣的數據展示形式。

3　一體化數字孿生平臺在油氣田的應用探索

3.1  共享辦公場景建設

共享辦公場景建設以現實辦公環境為孿生體，建立高度逼真的虛擬辦公場景，將現實工作中的辦公流程實體化地、直觀地展示，用戶可在系統內直接操作、協同工作，實現沉浸式虛擬辦公，如圖2所示。

圖2 虛擬辦公室示例圖

在已有會議系統功能基礎上，如圖3所示，結合數字孿生技術，實現跨地域的連接與互動、生產場景全息共享、現場問題及時有效呈現以及人與人、人與生產業務互聯互動，從而達到高效共享，避免誤判，提高了決策效率，如圖4所示。

圖3 協同會議室效果圖

圖4 共享決策效果圖

目前，該場景已在中石油某海外油田部署應用。用戶可在虛擬辦公室中遠程工作，有效解決了油氣田員工辦公場所分散、溝通難的問題。此外，員工可以直接在虛擬會議室共享數據、共享3D模型、共享生產場景及生產業務等，將現場問題直觀呈現，便于多方協同、共同決策。并且，將文字、語音、視頻信息采用加密、差異傳輸等技術在虛擬多功能報告廳中進行準確的綜合展示和使用，解決了低帶寬鏈路下系統平穩運行問題和信道安全問題，使會議系統更高效、生動。

3.2  可視化設備管理場景建設

可視化設備管理場景建設如圖5所示，以全廠設備健康狀態實時可視化展示、自動分析為核心，將設備的靜態信息、實時運行參數和檢修信息等接入一體化孿生平臺數據中臺，并借助數字孿生、視頻識別、智能物聯、大數據等技術手段，實現設備仿真、定期工作、故障預警、狀態評價等，協助完成設備保養維護、風險分析、檢修決策等工作，最終達到設備運行安全可靠、檢修成本合理的閉環管理目標。

圖5 工藝流程可視化效果圖

圖6 設備巡檢效果圖

如圖6所示，可視化設備管理場景建設有助于實現生產區域無人巡檢，一線員工可在集控室、辦公室等區域通過電腦在數字孿生世界高效、快捷、準確地掌握現場設備和環境的真實情況，并可查看來自多個系統采集的數據和隱患風險預警。此外，通過數字孿生技術，模擬設備在不同工作條件下的性能和行為，并進行數據分析，可以優化設備的維護計劃和保養周期，提高維護效率和設備壽命。對于設備實際運行狀態的監測，還可實現對設備故障的預測，有效避免意外停機情況的發生，節省維修成本，提高設備使用效能。同時，一體化數字孿生平臺將多個系統重新整合，實現了資源共享和信息互通互聯，充分發揮了一體化管控的技術優勢，可進行標準化、流程化的管理，可構建多系統的協同化，實現了多系統的智能聯動。

4　結論

數字孿生技術作為具有極大發展潛力的科技手段，已成為各行業的重點研究對象之一，但目前其在油氣行業仍處于初步探索階段，并存在場景應用獨立、系統建設分散、生產網與辦公網分割、數據不互通等問題。針對現有不足，本文提出的一體化數字孿生平臺通過接口可將多個獨立系統集成，并采用數字孿生技術以超現實的可視化方式呈現業務場景，為油氣行業的勘探、開發、生產、煉化等賦能。目前，該平臺已實現在共享辦公場景和可視化設備管理場景的應用探索，助力了協同辦公、無人巡檢以及設備維檢修效率的提升。未來，我們還將積極探索該平臺在油氣藏、可視化生產等場景的研究，更加全面地管理和優化油氣田的生產過程，提高油氣開采效率，降低生產成本，進一步推動油氣行業的可持續發展。

作者簡介：

宋子平（1998-），女，河北平泉人，工程師，碩士，現就職于昆侖數智科技有限責任公司，主要從事油氣物聯網咨詢顧問工作。

參考文獻：

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[2] 中國電子技術標準化研究院, 樹根互聯技術有限公司. 數字孿生應用白皮書[M], 2020版, 2020, 11.

[3] 金鐳, 秦雪倫, 江如意, 等. 油氣行業數字孿生研究述評與展望[J]. 世界石油工業, 2022, 29 (5) : 9.

[4] 戴厚良. 以數字化轉型驅動油氣產業高質量發展[J]. 國企, 2021 (1) : 1.

[5] Group O. FutureOn Introduces FieldTwin Digital Twin Platform[J]. Oil Review Middle East, 2019 (4) : 22.

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[9] 曾穎, 石峰, 劉英. 數字孿生技術在油氣田業務中的應用現狀及未來需求[J]. 信息系統工程, 2021.

[10] 陳岳飛, 肖珍芳, 方向. 數字孿生技術及其在石油化工行業的應用[J]. 天然氣化工: C1化學與化工, 2021, 46 (2) : 6.

摘自《自動化博覽》2023年4月刊