聚焦数字孪生提升数字化水平

  数字化转型系列报道①
  [中国石油新闻中心2022-05-11]
  数字时代下，数字孪生（DigitalTwin）作为最重要的数字技术之一，在人类社会的数字化进程中具有不可替代的重要意义。随着工业4.0相关战略的不断出台，数字孪生技术得到各方的普遍关注。Gartner公司连续4年将数字孪生列为当年十大战略科技发展趋势之一。根据市场研究机构Markets&Markets的统计数据及预测，2020年全球数字孪生市场达到31亿美元，到2026年市场规模有望达到482亿美元，年复合增长率高达58%，未来亚太地区市场规模增速会超过北美、欧洲等地区，成为全球数字孪生新兴市场的高地。
  产业透视》》》
  数字孪生是多种技术融合发展的创新成果
  数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生通过建立物理世界和数字世界之间的精准映射、实时反馈机制，从而实现物理世界与数字世界互联、互通、互操作，构建起虚拟世界对物理世界描述、诊断、预测和决策的新体系，并优化物理世界资源配置效率。它是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。
  《2020数字中国产品发展报告》中写道：“未来，基于边缘智能的数字孪生平台，将会进一步深化物理世界和信息空间的集成，成为数字化转型和第四次工业革命的重要载体。”数字孪生的概念从2003年提出以来，经历了从航空航天行业向其他工业推广拓展的过程。通用电气、西门子等工业巨头纷纷打造数字孪生解决方案，赋能制造业数字化转型。数字孪生的蓬勃发展与物联网、大数据、人工智能等技术的兴起直接相关。数字孪生是多种数字化技术集成融合和创新应用共同作用的结果，涉及的关键技术有数据采集传输技术、多领域多尺度数字建模、物联网、仿真模拟、VR呈现、人工智能等，其中数字建模和仿真模拟是数字孪生的核心技术。
  数字孪生模型包括物理实体、虚拟实体、连接层、数据层和服务层等组件。其中，虚拟实体是最重要的组件，它代表物理实体的数字表示，其创建包括模型构建、模型融合、模型修正、模型验证等过程；连接层将数字孪生的不同元素连接在一起；数据层则融合了物理实体和虚拟实体的所有数据，然后通过数据分析和处理提供更准确和全面的信息；服务层将数字孪生应用过程中所需的各类数据、模型、算法、仿真、结果进行服务化封装并对外提供服务。
  数字孪生是能源行业降本增效的现实需求
  当今世界，新一轮科技革命和产业变革蓬勃兴起，数字技术快速发展。习近平主席强调：“我们要乘势而上，加快数字经济、数字社会、数字政府建设，推动各领域数字化优化升级”；“十四五”规划和2035年远景目标纲要也明确提出“加快数字社会建设步伐”，并作出具体部署。
  近年来，全球疫情反复严重影响能源需求，供应链中断导致部分项目延误，经济低迷加剧了改善整体油气资产可见度的需要。在此背景下，数字孪生是实现降本增效并确保长期可持续运营的关键。此前，数字孪生技术已在航空航天、智能制造、智慧城市、医疗健康等领域得到深入研究和应用，但在油气行业的探索和实践才刚刚起步，仅在数字孪生油气田、数字智能钻井、海上油田方案设计等方面进行了试点。
  石油石化行业作为国家重要的战略型行业，利用数字孪生技术与行业的具体需求相结合，通过开展数字孪生在油气行业生产过程建模与参数优化、工艺参数设计与仿真、系统健康监测与远程维护等方面的应用研究，一方面可以有效提高油气行业的数字化、智能化水平和层次，提升行业经济效益和社会效益；另一方面能够实现行业技术升级，实现油气行业的数字化转型。bp高级数字总裁艾哈迈德·哈希米（AhmedHashmi）对数字孪生做过评价：“一旦我们的石油工程师相信物理资产的数字孪生化效果，使用数字孪生体来计划和管理资产，以保证尽可能高效地运行，则一切都可以在办公室进行安全操作。这尤其重要，因为很多石油设备经常被雪覆盖。”数字孪生技术通过对物理实体或者流程的实时化镜像，实现对油气设备的运行、生产状态等进行实时监测，并提供最优的解决方案，帮助企业实现绩效提升。数字孪生与油气行业深度融合应用将为油气领域数字化转型、高质量发展以及企业战略目标的实现提供新契机。
  数字孪生是油气企业转型升级的重要载体
  数字孪生技术在石油行业备受关注，特别是在油价低迷时期，石油公司希望能够利用数字孪生技术实现降本增效。例如，壳牌近期启动了一项为期两年的数字孪生计划，以帮助石油及天然气运营商更加高效地管理海上资产，加强工人安全保障，探索可预见的维护时机；挪威国油（Equinor）为其JohanSverdrup海上油田构建了数字孪生油田，bp的ClairRidge数字孪生油田已经成为数字孪生油气田构建的基准；挪威FutureOn公司的数字孪生油田软件平台（FieldTwin）可构建海上油气田的数字副本，将海上油气田开发方案设计的时间和费用降低67%，并对海上油气田的运营状态进行综合管理和监控；斯伦贝谢、哈里伯顿、SekalAS等公司利用数字孪生技术对钻井作业进行数字建模，实现钻井过程控制的自动化，避免各类钻井问题并提升钻井效率和安全性；通用电气公司也依托工业互联网，与钻井承包商诺贝尔公司（NobelCorporation）、马士基钻井公司（MaerskDrilling）合作，开始了数字钻井船和数字孪生体的试点。
  中国石油、中国石化、中国海油与国内外相关企业也进行了一系列数字孪生的合作与尝试探索。其中，中国石油在多个领域开展了数字孪生技术的应用探索。以储气库建设为例，中国石油基于已有数据基础、软件技术平台和物联网设施，开始为地下储气库构建能够精细描述储气库特征和实时生产运行动态的综合数字孪生体，集成整合各类多源异构的动静态数据，将地质气藏、井筒和地面管网、场站等物理对象映射到数字实体，通过连接层实现物理实体和数字实体的双向数据流动，开展“储气空间—井筒限流—地面能力数字孪生耦合模型”的构建，计划应用AR、VR等技术对储气库进行动态仿真、监测、分析和控制，为储气库一体化研究、智能注采、辅助决策等场景应用提供支撑。
  中国石化融合了多年石化行业的经验与认知，将数字孪生技术沉淀于工业互联网平台，通过构建以炼化相关的资产模型、工厂模型、机理模型为核心的数字孪生体，支撑典型的智能应用，为石化行业的数字化转型发展提供新动能。中国海油开发的基于数字孪生技术的半潜式钻井平台系统，实现了多源信息融合，能够对钻井平台的物理实体进行精准描述、对钻井平台进行安全智能诊断、对关键设备状态进行智能预警及安全可视化控制。
  油气行业数字孪生才刚刚起步，产业界和学术界对数字孪生的研究和应用尚处于初级阶段，需要经过长期探索和反复实践才能构建成熟的数字孪生应用。综合国内外油气行业在数字孪生领域的最新研究和最佳实践，未来数字孪生在油气行业应用落地可通过场景可行性分析、确定关键过程、开展实验项目、规模化实施和推广、孪生过程监测、反馈和优化等路径来落地实施，并不断迭代完善，从面向建造和运行的动态孪生上升到具有自适应能力的自主孪生，打造油气行业成熟的数字孪生技术平台和标杆应用。（周相广吴文旷中国石油勘探开发研究院）
  技术前瞻》》》
  AI：油气行业转型发展新引擎
  全球科技正朝着数字化、信息化、智能化方向迅速发展，油气勘探开发作为传统能源行业的核心领域，在新时期面临新挑战。就国内来说，老油田普遍进入特高含水后期，石油资源面临品位劣质化挑战。为了维护国家经济稳定和能源安全，国内石油勘探开发的力度仍需进一步加大，油气勘探开发智能化已成为行业前沿热点和发展趋势，有望大幅提高油气勘探开发作业效率和质量，降低成本和风险，提升复杂油气藏的勘探开发水平。
  近年来，AI（人工智能）技术的快速发展已成为推动油气行业转型发展的新引擎。自2017年以来，国际石油巨头纷纷与IT业界巨头进行跨界合作，将AI成功应用到地震勘探与地震数据解释处理、测井解释、油气层识别、钻完井及采油作业等业务领域，并取得了显著应用效果。
  在国内，中国石油、中国石化、中国海油均大力开展了AI技术应用，在数字化转型的道路上进行积极探索。2020年，中国石油发布了勘探开发梦想云平台2.0，成为中国油气行业第一个智能云平台。中国石油与华为联合打造的中国石油认知计算平台，作为梦想云的智能引擎，也同时发布。截至2019年底，中国石油累计建成各类数字化井14.4万口、场站9804余座，约占中国石油井、站总数的52%和43%。其中，长庆、塔里木、西南、大港、青海、吐哈、冀东等10个油气田实现了初步数字化、可视化、自动化，并取得了显著经济和社会效益。
  2019年开始，中国石化的油田智云在胜利油田全面推广，已管理统一账号10.2733万个，运行215个流程、年业务办理量47万个，完成280套业务系统的统一认证集成，发布了油气勘探、油气开发、生产运行等六大业务领域共计531个工业APP，完成22套新建系统的云上平台。
  中国海油高度重视AI技术的发展和应用，积极推动AI技术与其核心业务的深度融合。截至2020年底，中国海油已在多个业务领域开展试点应用，完成11座无人平台的改造，20座无人平台正在建设，全力打造IT治理和网络安全技术两大体系，构建管理、生产和销售3朵“云”，以期实现公司降本增效和高质量发展。
  总体来说，中国石油、中国石化和中国海油在薄片鉴定、数字岩芯技术、地震数据处理与解释、智能钻完井、生产措施优选等诸多人工智能技术应用方面均取得了显著进步。（李欣窦宏恩）