★昆仑数智科技有限责任公司宋子平

★北京兴油工程项目管理有限公司葛亮

★昆仑数智科技有限责任公司高亮，韩宏志，陈冰

摘要：数字孪生技术作为推动油田生产效率提升、助力企业降本增效、安全管理以及实现能源可持续发展的重要手段之一，已成为油气行业产业数字化转型的重点研究方向。目前，国内外已在油气藏、钻井、管道、平台、资产监管等多场景进行了技术探索，但由于各业务模型独立搭建，仍存在数据孤岛问题，并且虚实双向联动尚未实现，因此未真正发挥数字孪生的价值。针对现有技术应用的不足，本研究推出了一体化数字孪生平台，它通过一个中心（展示协同中心）和三个中台（数据、技术、业务中台）的技术架构实现资源共享、信息互联、协同管理。该平台已完成共享办公场景和可视化设备管理场景的应用研究，能够有效提高生产决策效率和设备使用效能，具备良好的推广和应用价值。

关键词：数字孪生；油田一体化工作平台；共享办公；可视化设备管理

石油与天然气作为能源行业的重要组成部分，当前它们的生产效率仍有很大提升空间，因此利用先进的信息技术推动产业数字化转型已成为油气行业的重点研究方向^[1]。其中，数字孪生技术作为可视化管控、高效协同生产制造、全生命周期管理的重要手段，成为企业实现降本增效并确保长期可持续运营发展的关键^[2,3]。将数字孪生技术与油气行业发展进行有机结合，构建中国石油与数字孪生体融合交互的闭环系统，推进实体业务与数字化世界的双向连接运行，形成内外部连接、共享、协同机制，可实现降本增效、协同共享、持续创新、风险预控和智慧决策，可不断提高全员劳动生产率和资产创效能力^[4]。

1　数字孪生技术在油气行业的应用现状

数字孪生技术在油气行业的应用主要体现在资产监控维护、钻井、管道、平台、场站、油气藏等方面^[1,3]。例如挪威FutureOn公司开发了可以将海上油气田完全映射建立数字孪生体的软件FieldTwin，业主可通过数字孪生模型模拟油气开发，有效提高了方案设计效率并降低了探索成本^[5]。斯伦贝谢、SekalAS、哈里伯顿等公司实现了钻井场景的数字孪生，他们通过可视化的实时监测和自动化的控制，有效提高了作业效率和安全性，实现风险隐患的全范围排查和及时治理^[6-8]。随着国内研究的发展，2018年新疆油田开启了一项大型的数字工厂试点建设，其数字孪生范围覆盖处理站库设计、施工建造、生产运行及维护各阶段，实现全生命周期的监测与管理^[9]。

然而，目前数字孪生技术在油气行业的应用还存在较大局限性^[10]。首先，各业务场景模型独立搭建，不利于数据互通，暴露了信息化建设阶段信息孤岛的问题；其次，数字孪生技术未与现场实时数据连接，无法做到虚实结合联动，仅仅是冰冷的三维模型，体现不出孪生体的价值。故数字孪生技术在油气行业仅作为一项信息技术，不具备任何功能。它需要与物联网平台、SCADA系统、DCS系统等结合，实现底层数据的实时采集、存储以及结构化数据、非结构化数据的流转调用，并支撑平台服务应用，才能最终以孪生模型的形式展现。

针对现有不足，本研究将物联网云平台与大数据、人工智能、数字孪生等多种技术有机结合，建立了一体化协同交互平台，并将油田生产现场、管理决策等过程映射到数字孪生世界，通过场景画像与系统融合搭建了一体化数字孪生平台，虚拟人物与关联数据在孪生体中按需流动、协同工作，并通过数据融合与机理仿真打通了所有数据关联，生产业务以实时动态优化的场景呈现，生动且具有代入感，从而达到以数字化转型驱动油气产业高质量发展的目标。

2　构建一体化数字孪生平台

一体化数字孪生平台内置数字孪生技术引擎，向下通过接口实现集成业务系统的能力，向上以超现实的视觉呈现方式展现业务场景与操作流程，并且可以实现业务场景中所涉及到的视觉模型的快速建设和场景定义。系统整体架构由一个中心（展示协同中心）、三个中台（数据、技术、业务中台）组成，如图1所示。

图1 一体化数字孪生平台技术架构

（1）数据中台：将工程建设数据、生产运行数据、经营管理数据、油藏地质数据、安全环保数据、音频视频监控等数据接入，并进行数据治理、建模分析、口径统一等处理，再以API方式为前台业务部门提供所需数据。中台的数据集中与共享能力有助于解决“数据孤岛”问题，并支撑业务部门的服务应用落地，提升了决策效率和运营精细化。

（2）技术中台：融合数字孪生、智能物联、人工智能等先进成熟技术，基于主流DockerKubernetesPaaS基础架构构建，为业务中台和应用提供底层技术资源和能力支持。

（3）业务中台：依托业务需求和业务场景，在数据中台的基础之上，将油田业务应用核心功能进行抽象和重新设计，以此沉淀为可复用的业务中台能力。整个系统的架构，围绕数字孪生、智能物联、勘探开发一体化、生产运行一体化、生产经营一体化、综合管理等典型应用场景，重新组合设计形成数字化交付、三维可视化、井筒服务、财务共享、人力资源服务、数据监控等业务中台能力，以此支撑上层业务应用场景便捷、高效的开发模式。通过业务中台服务的建设，共享可复用的核心业务能力，能够大幅度提升业务系统交付质量、延长业务系统生命周期。

（4）展示协同中心：提供跨设备、多环境的应用展示和协同环境，支持2D、3D等多种展示形式，是应用展示与工作协同的入口，可适配每个工作人员的角色和场景，实现“千人千面”。

一体化数字孪生平台基于上述架构可快速构建数字孪生应用，平台底层提供数字孪生及可视化组件，用户可通过组件化方式进行扩展，形成新的数字孪生相关应用。并且，平台能够通过MQTT、HTTP等协议接入物联网数据，依托平台层的AI算法库，可对物联网数据进行数据分析挖掘，支撑油气田生产运行、生产保障、技术分析、管理决策、安全环保等多个生产领域的应用需求，实现生产云管理。此外，还可实现数字孪生与生产运营的无缝衔接。平台依托数字孪生云渲染技术，以数字化交付数据为基础，融合生产经营的数据，并通过数字孪生模型为生产经营提供更为直观、全面、多样的数据展示形式。

3　一体化数字孪生平台在油气田的应用探索

3.1  共享办公场景建设

共享办公场景建设以现实办公环境为孪生体，建立高度逼真的虚拟办公场景，将现实工作中的办公流程实体化地、直观地展示，用户可在系统内直接操作、协同工作，实现沉浸式虚拟办公，如图2所示。

图2 虚拟办公室示例图

在已有会议系统功能基础上，如图3所示，结合数字孪生技术，实现跨地域的连接与互动、生产场景全息共享、现场问题及时有效呈现以及人与人、人与生产业务互联互动，从而达到高效共享，避免误判，提高了决策效率，如图4所示。

图3 协同会议室效果图

图4 共享决策效果图

目前，该场景已在中石油某海外油田部署应用。用户可在虚拟办公室中远程工作，有效解决了油气田员工办公场所分散、沟通难的问题。此外，员工可以直接在虚拟会议室共享数据、共享3D模型、共享生产场景及生产业务等，将现场问题直观呈现，便于多方协同、共同决策。并且，将文字、语音、视频信息采用加密、差异传输等技术在虚拟多功能报告厅中进行准确的综合展示和使用，解决了低带宽链路下系统平稳运行问题和信道安全问题，使会议系统更高效、生动。

3.2  可视化设备管理场景建设

可视化设备管理场景建设如图5所示，以全厂设备健康状态实时可视化展示、自动分析为核心，将设备的静态信息、实时运行参数和检修信息等接入一体化孪生平台数据中台，并借助数字孪生、视频识别、智能物联、大数据等技术手段，实现设备仿真、定期工作、故障预警、状态评价等，协助完成设备保养维护、风险分析、检修决策等工作，最终达到设备运行安全可靠、检修成本合理的闭环管理目标。

图5 工艺流程可视化效果图

图6 设备巡检效果图

如图6所示，可视化设备管理场景建设有助于实现生产区域无人巡检，一线员工可在集控室、办公室等区域通过电脑在数字孪生世界高效、快捷、准确地掌握现场设备和环境的真实情况，并可查看来自多个系统采集的数据和隐患风险预警。此外，通过数字孪生技术，模拟设备在不同工作条件下的性能和行为，并进行数据分析，可以优化设备的维护计划和保养周期，提高维护效率和设备寿命。对于设备实际运行状态的监测，还可实现对设备故障的预测，有效避免意外停机情况的发生，节省维修成本，提高设备使用效能。同时，一体化数字孪生平台将多个系统重新整合，实现了资源共享和信息互通互联，充分发挥了一体化管控的技术优势，可进行标准化、流程化的管理，可构建多系统的协同化，实现了多系统的智能联动。

4　结论

数字孪生技术作为具有极大发展潜力的科技手段，已成为各行业的重点研究对象之一，但目前其在油气行业仍处于初步探索阶段，并存在场景应用独立、系统建设分散、生产网与办公网分割、数据不互通等问题。针对现有不足，本文提出的一体化数字孪生平台通过接口可将多个独立系统集成，并采用数字孪生技术以超现实的可视化方式呈现业务场景，为油气行业的勘探、开发、生产、炼化等赋能。目前，该平台已实现在共享办公场景和可视化设备管理场景的应用探索，助力了协同办公、无人巡检以及设备维检修效率的提升。未来，我们还将积极探索该平台在油气藏、可视化生产等场景的研究，更加全面地管理和优化油气田的生产过程，提高油气开采效率，降低生产成本，进一步推动油气行业的可持续发展。

作者简介：

宋子平（1998-），女，河北平泉人，工程师，硕士，现就职于昆仑数智科技有限责任公司，主要从事油气物联网咨询顾问工作。

参考文献：

[1] 余斌, 朱伟佳. 石化行业数字孪生技术的应用探索[J]. 化工进展, 2019, 38 (S01) : 5.

[2] 中国电子技术标准化研究院, 树根互联技术有限公司. 数字孪生应用白皮书[M], 2020版, 2020, 11.

[3] 金镭, 秦雪伦, 江如意, 等. 油气行业数字孪生研究述评与展望[J]. 世界石油工业, 2022, 29 (5) : 9.

[4] 戴厚良. 以数字化转型驱动油气产业高质量发展[J]. 国企, 2021 (1) : 1.

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

[6] 刘文岭, 韩大匡. 数字孪生油气藏: 智慧油气田建设的新方向[J]. 石油学报, 2022, 43 (10) : 1450 - 1461.

[7] 唐宇编译, 王小宁审校. 斯伦贝谢公司GAIA数字勘探平台[J]. 测井技术, 2020, 44 (3) : 1.

[8] 刘芳编译. 哈里伯顿公司推出iStar智能钻井和测井平台[J]. 世界石油工业, 2021, 28 (5) : 37.

[9] 曾颖, 石峰, 刘英. 数字孪生技术在油气田业务中的应用现状及未来需求[J]. 信息系统工程, 2021.

[10] 陈岳飞, 肖珍芳, 方向. 数字孪生技术及其在石油化工行业的应用[J]. 天然气化工: C1化学与化工, 2021, 46 (2) : 6.

摘自《自动化博览》2023年4月刊