引言
目前，数字孪生技术在石油化工行业的应用主要集中在过程建模、仿真监测、离线优化等方面，虽然已经初见成效，但是距离数字孪生技术的真正落地使用及大范围推广应用还有很大的差距和挑战。未来，随着国内外石油公司在数字化方面的突破，数字孪生技术将会逐步应用于石油化工行业的上中下游全产业链的数字化转型。
1解析数字孪生
数字孪生也可称为数字映射、数字镜像，其雏形最早可追溯到2003年产品生命周期管理中提及的“信息镜像模型”。美国高德纳咨询公司连续三年把“数字孪生”列入年度十大战略性技术，通用电气、西门子、SAP等巨头公司纷纷布局推进数字孪生的商业化应用。随着以数字孪生应用场景不断涌现，数字孪生逐渐成为城市提升竞争力、实现可持续发展的关键技术。
目前学术界和产业界对数字孪生的认识各有侧重，尚未形成统一的概念。但一般认为，数字孪生充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率仿真过程，完成虚拟空间映射，反映对应实体的全生命周期过程。数字双核是物理空间与虚拟空间之间的虚拟与真实融合和智能控制的映射关系。通过在物理世界和数字虚拟空间中记录、模拟和预测对象在整个生命周期中的运行轨迹，可以实现系统中信息资源和物质资源的优化配置。
2数字孪生关键技术
2.1融合建模
三维模型是数字孪生体实现可视化的基础，机理模型、人工智能算法是实现仿真预测的重要手段。除此之外，如需实现基于数字孪生体的设备管理等系统，还需要与数字孪生体集成各项应用系统，同时，数据来源于多种尺度的物理量，而这些物理量又是链接不同领域模型的关键。因此，建立一个基于实际场景的，可实现仿真、监测、分析、优化的数字孪生体需要融合多种模型，多维数据，各个模型之间协调联动，才能完整准确地模拟出物理实体的运行状态。
2.2数据的采集与传输
数字孪生体构建的基础是数据模型能及时且准确地获取到物理实体的运行数据。一方面，高质量的数据对于模型的精准度是至关重要的，这需要数据传感器在炼厂复杂环境中的平稳传输；另一方面为了实现孪生体实时跟踪物理实体的系统状态，及时传输反馈信息，及时执行孪生体的执行，需要数据的高速传输。因此，只有快速、准确的数据传输才能获得高质量、实时性的数字孪生体。
2.3沉浸式交互的应用
数字孪生技术区别于传统管理系统之一在于可视化的展示方式，带来沉浸式的交互，能让管理者更加直观、准确地把握设备的运行状态，从而及时做出决策。例如使用虚拟现实（VR）、增强现实（AR）等技术，实时地将物理实体的状态、报警信息、运行趋势、健康度等信息以三维模型的形式提供给管理者，实现沉浸式交互反馈。
2.4高性能计算
由于在数字孪生体的运行过程中需要保持实时性，因此，对于收集到的数据需要进行高速的运算和处理。同时，数据量的增大也会使数据的处理变得更加困难。另外，图形的渲染也需要耗费大量的计算资源。这就要求硬件具有较高的技术水平，但是目前硬件的发展水平缓慢，可以通过分布式云计算的方式结合边缘计算等技术实现数字孪生体的高性能计算。同时要优化数据的检索方法和存储形式，去除冗余数据，以达到较高的计算性能。
3数字孪生在石油化工行业的应用
3.1油气勘探开发
融合物联网、人工智能、大数据等数字化技术，实现油气勘探开发过程的实时映射，集成管理系统，构建可视化管理数字孪生体，深入挖掘油气勘探开发数据资源，提高操作效率，优化管理方式，降低开发成本。目前在油气藏建模、虚拟油气生产井（站）场建设中实现了规模化应用。中石油基于这一理念，开发了“石油大脑”，实现作业现场的虚实融合，利用虚拟现实技术，实现智能巡检、虚拟培训、可视化作业、专家远程指导等智能操作辅助。工人或专家不用深入作业现场即可实现对现场的操作、指导等。目前这项技术已经应用于西南油气田、渤海、重庆、大庆等地的勘探开发现场。
3.2石油工程装备
石油工程装备是生产石油的基础，因此，对于装备的全生命周期管理至关重要，从装备的设计、生产、操作、运维等全生命周期过程实现数字孪生建设，以数字化技术助力装备的管理。在装备数字孪生体中实现设计过程的模拟验证，生产过程的品质把控，作业过程的数据验证及监控，运维过程的远程指导等，以数字化提升整体效率。通过数字孪生体升级协同设计平台，促进工程项目管理数字化平台建设；推动工艺流程优化，实现建造过程的智能决策和示范应用，创新传统设计与制造模式，实现生产一线数据真实、实时的采集、反馈及建造业务车间执行环节的信息化协同管理。
在海洋石油工程建设过程中。在三维立体效果环境中，展示平台总体模型、功能特点、三维设计、数值仿真优化分析、平台建造装配、在海浪中实时运动响应过程。实现海洋工程数字仿真测试与认证。创建精确比例的油气生产设备原型，并对其进行测试和改善，减少海上石油和天然气生产设备设施的设计和安装作业风险。
3.3钻井过程
目前对于钻井过程的监测不够直观，通过构建钻井平台数字孪生模型，基于钻井平台数据，实时分析设备运行状态，监测关键设备，并实现在三维模型的可视化映射，可以非常直观地对钻井平台提供作业指导及监测。哈里伯顿公司（Halliburton）在2020年利用数字孪生技术，对钻井所用钻具进行设计的钻井下部钻具组合（BHA）设计方法，该方法基于钻井工序数据构建了钻井模拟数字孪生体，可以通过设置不同的钻进参数，离线模拟并分析钻井方案的优劣，同时还可以对BHA关键组件进行预测评估，避免组件在井下损坏，大大提高钻井作业的效率，降低钻井成本。
3.4油气管道
数字管道建模技术是把管道产品通过设计、管理等将其信息附着于产品的三维模型中，提升油气管道全寿命周期的数字化表达。通过管道数字孪生体模型的建立，以虚拟管道将油气管道相关数据展示出来，通过数据采集、数据整合、分析、虚实融合，提高油气管道的安全系数，将数字孪生技术应用于管道设计、施工和运营的相关数据管理，确保油气管道安全运行，成为了管道行业的发展趋势。
结束语
近年来，随着人工智能、大数据、物联网、虚拟现实等技术的兴起，各行各业积极进行数字化转型，数字孪生这种“实践先行概念后成”的技术也随之蓬勃发展。数字孪生是一种借助高速数据传输，将物理实体在现实场景中的各项真实数据传输给数字孪生体，孪生体在虚拟数字世界中模拟映射出物理实体行为，同时能够实现对物理实体的监控、仿真、预测和优化的技术，物理实体与孪生体达到虚实交互，双向孪生的状态，能够对物理实体的运行提供参考和指导。
参考文献
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