“数字孪生”在油田地面油气站场中的应用和探索

张德发 姚卫涛 董智超 石成 李舰

大庆油田设计院有限公司

随着社会信息化、数字化程度的提高，越来越多的企业意识到数据资产与物理资产同等重要。对于油田的生产和运营而言，没有工程设计和建造阶段的数据资产积累和继承，业主运营方的日常生产将受到很大的影响和制约。因此工厂在工程竣工或验收时，是否能够同步得到工程建设过程中产生的、与工厂运行管理密切相关的数字化成果，显得尤为重要[1]。

为培养工程数据自动化移交能力，支持和保障在役领域的业务拓展，助推工厂数字化、智慧化运营管理，大庆油田公司根据集团总体部署要求，结合自身业务特点和数据基础，需制定一套完整、科学、合理的数字化移交标准和流程，并开发数字化移交平台。该平台以工程对象位号作为管理核心，将工程设计和建造阶段产生的和业主运维所需要的文件、数据、图纸、模型等，高效有序集成并管控起来，交付给业主方使用，使其在获得实体工厂的同时，获得一个数字化工厂[2-3]。

1 建设目标

为打破传统基建期信息平台孤立的局面，实现地面建设各参与方数据的共享，形成一套完整、切合油田地面建设工程实际业务的技术规范，建设一个服务于油田地面建设工程全生命周期的管理平台，通过关联设计、采购、施工、运维各阶段信息，构建地面建设工程“数字孪生体”，形成全新的地面建设工程全生命周期信息化管理模式，助力精益生产。

2 建设思路

设计阶段依托公司三维全专业协同设计平台，直观展现设计意图，产生项目建设所需的设计文件和数据，有效减少各专业设计的错漏碰缺，保证设计质量，为项目数字化交付提供先决条件。

采购、施工阶段依托油田基本建设运行管理平台和智慧工地系统，对采购、施工的过程管理记录文件和数据进行采集，主要建设内容包括物资管理、施工管理、质量管理和HSE 管理等；数字化移交阶段以工程对象为核心，对工程项目建设期产生的静态数据进行数字化创建至移交，涵盖信息交付策划、交付规定、交付方案、信息整合与校验、信息交付和信息验收，实现项目一键交付。

运维阶段在数字化交付所形成的数字化站场基础上，利用物联网技术、监控技术、信息技术等，对整个生产过程进行仿真、评估、模拟和优化，将静态数据和现场的动态数据进行有机的融合，提高生产过程可控性、减少生产人员干预，合理安排生产维修计划，实现持续的人机协调交互，使项目能够不断优化、修正运行数据，促进“数字孪生体”的持续成长。油田地面工程全生命周期信息化管理模式基本框架如图1 所示。

图1 油田地面工程全生命周期信息化管理模式基本框架Fig.1 Basic framework of the whole life cycle information management mode of oilfield surface engineering

3 数字化协同设计

设计是工程信息的源头，数字化协同设计阶段产生的模型与信息是数字化交付的基础。因此，2018 年至2020 年从协同设计导航项目到实际工程验证，公司共编制完成数字化协同设计技术规定100 余项，完成工艺、设备、仪表、电力、通信、结构等专业配套数据库开发9 446 种，设计模板定制594 项，完成物资编码库录入10 000 余条，已经具备工艺系统、管道布置、土建、电力、仪表、通信等专业二三维一体化协同设计能力，建立了以数据中心为核心，材料管理、系统设计、布置设计3个部分组成的协同设计基本框架（图2）。

图2 协同设计技术路线Fig.2 Collaborative design technical route

根据油田建设特点，将数字化交付建设方式分为新建设施和已建设施两种。针对新建设施，最大限度地采用全专业三维协同设计，从工艺模拟计算开始进行数据集成；其次，工艺系统设计以数据集成平台为核心，实现工艺、自控、电气专业系统设计集成，以三维工厂布置平台实现管道、建筑、结构、设备、电气、仪表、通信、总图道路布置协同，以材料管理平台实现对项目材料的控制。针对已建设施，采用激光扫描技术获取点云，应用三维建模软件完成模型建立，收集历史数据，完成数据与工程对象关联；同时结合地理信息系统展现站场设施的空间位置数据，实现数字化工厂的基本静态数据[4]管理，为数字化工厂建立打下坚实数据基础[5-8]。

4 数字化交付技术的应用

数字化交付区别于传统工程以“卷册”为核心的交付体系，其以“工厂对象”为核心，将工程设计、采购、施工、制造、安装等阶段产生的数据，进行结构化处理，建立以“工厂对象”为核心的网状关系数据库，存储于工程数据中心，并基于统一的数据接口完成数据交付，为业主提供可靠的工程基础数据，形成构建数字化工厂的企业静态数据资产[9-10]。数字化交付的实现途径如图3 所示。

图3 数字化交付原理Fig.3 Digital delivery principle

4.1 建立标准

数字化移交标准是移交平台开发的前提和保障。油田公司进行了国内外数字化移交标准研究，参照了ISO15926 系列国际标准、资本设施信息移交规范（CFIHOS）和GB/T51296—2018《石油化工工程数字化交付标准》，制定了12 项数字化交付标准，包括：①《数字化交付策略》；②《数字化交付分解结构及类库定义》；③《设计文件编码规定》；④《工程对象命名规定》；⑤《设计数字化交付内容规定》；⑥《采购数字化交付内容规定》；⑦《施工数字化交付内容规定》；⑧《承包商、供应商项目采购数字化交付内容规定》；⑨《数字化交付管理程序》；⑩《数字化交付实施方案》；⑪《数字化交付质量管理方案》；⑫《数字化交付验收方案》。在移交标准中，确定移交范围和内容，制定移交编码规则和体系，定义移交数据类型、格式和规范，明确移交责任和时间，形成数据移交质量管理体系等。

4.2 移交内容

4.2.1 设计阶段

按照交付标准和清单进行设计阶段的全过程数据采集、录入。

在进入数字化交付平台前，对COMOS P&ID进行设计绘制的流程和产生的数据，经过数据清洗工具处理后，将图形和数据导入数字化交付平台[11]。

通过使用PDMS、Revit 等设计软件采集三维模型，并输出相应文件及图纸，在移交平台中导入精准的工程模型[12]。

按项目编码规定和数字化移交规定将工程电子文档进行移交，接收设计阶段各专业的所有文档，并对接收的文档按项目数据和信息移交规定进行合规性及完整性检查。

通过位号处理，提交完整、准确的对象属性数据，在平台实现智能P&ID、三维模型、工程对象与文档图纸数据关联。

平台通过数据校验机制对属性数据进行完整性、合规性、一致性校验核对，形成最终的属性数据成果，作为后期运维的数据基础。

设计交付清单见表1。

表1 工程数字化设计交付清单Tab.1 Project digital design delivery list

4.2.2 采购阶段

按照交付标准和清单进行采购阶段的全过程数据采集、录入，实现资源配置的精细化、数字化管理。以此实现项目全生命周期中采购工作的全过程可视化操作，以及对采购工作进度、项目到场物料管理、项目交付后业主运行维护过程中保养及耗材采购等工作实时动态管理，并提供数据资料支持。

采购交付清单见表2。

表2 工程数字化采购交付清单Tab.2 Project digital procurement delivery list

4.2.3 施工阶段

施工阶段主要通过各专业施工数据采集，并由专业技术人员对所采集的数据进行复核验证，经监理实体验收合格后，交付数字化工程师收集、录入，通过平台对施工进度、质量、安全、变更、合同、机具设备、人力资源及监理监督等全过程进行数字化管理。

施工交付清单见表3。

表3 工程数字化施工交付清单Tab.3 Project digital construction delivery list

4.3 实施效果

2020 年大庆油田公司实现了一个天然气深冷装置设计阶段的数字化交付，正在组织实施天然气净化厂和储气库的全过程数字化交付，通过各阶段的平台实施，取得了较好的实施效果。

（1）实现三维模型多方审查。主要通过三维的方式查看对象及其关联的属性信息，实现项目相关方（建设方、设计方、施工方等）信息共享，提高审查效率、实现问题可追溯、减少施工返工等。

（2）打通交付平台与文档管理系统的接口。实现交付平台与文档管理系统的对接，可以实时或按照频率同步文档管理系统的文档，实现设计文档的一键交付。

（3）实现二三维联动。通过三维模型的引入，在三维模型中选择具体某一个对象后，实现与二维图纸的联动，并准确定位到图纸的具体位置；同样，在二维图纸中，选择一个对象后，能快速定位到三维模型。通过二三维联动能快速地实现二三维之间的切换，更加方便地查找项目所需的相关信息。

（4）采购数据跟踪和追溯。以二维码作为载体，将物资部分的设计专业数据、采购过程数据、供应商生产数据、物资出入库和安装数据进行集成和展示。物资管理各环节数据相互衔接，通过业务流程关联数据，将物资全流程的数据以列表和数据关联图的方式进行展示，并可以对数据进行向下挖掘，实现物资状态的跟踪和全过程追溯。

（5）实现智慧化工地管理。智慧工地系统接入视频信息、人员信息、车辆信息、环境信息、安全信息等现场监控数据，对数据统一利用，提升施工期主要施工区域管理效率。

（6）实现施工进度可视化。通过进度信息可视化适配，实现在线对进度计划进行4D 模拟播放，支持进度计划和实际计划的对比，并可以对截至当天各任务的状态进行不同颜色的显示，方便各参与方进行形象进度管控。

5 运维期数字站场的探索

业主方在获得“数字化工厂”后，结合工厂生产和运维管理需要，对运行相关数据进行录入/导入（或与生产运维业务系统做接口），并与设备对象、模型等关联，实现工厂的数字化、智能化管理，形成“数字孪生体”。

5.1 资产管理

（1）设备管理台账。交付平台可利用数字化移交成果建立设备全周期台账，包括基本参数、关联资料、运行记录、保养记录、维修记录、异动记录、改造记录、关键配件等。设备管理主要关键点包括：设备备用、运转、停用、闲置及报废等设备状态管理，设备关键信息变更，以及厂区间调拨管理。

（2）设备保养管理。交付平台具备的设备保养管理主要内容包括：根据设备类型设定保养规则及保养内容，通过数据采集获取设备关键信息，自动触发保养规则并下发保养任务；执行保养作业，保养记录自动归入设备台账和平台知识库。

（3）设备巡检管理。交付平台建立厂区标准巡检点库，并根据设备巡检需要关联具体的巡检点和采集点；根据管理需要制定巡检计划，系统自动下发巡检计划；执行巡检作业，巡检记录自动归入设备运行记录和平台知识库。

（4）设备故障维修。设备故障维修模块通过不同方式上报或自动获取设备故障信息，主要包括：对设备故障信息进行确认并派发维修工单；维修人员领取维修工单并执行，按实际进度提交完成情况、备件试用情况及维修验收情况；对维修情况进行确认并归入平台知识库，自动为类似问题的处理推送解决方案。

（5）设备运行数据采集。交付平台与实时数据中心进行对接，接入设备的运行数据并能够根据运行数据驱动相关的业务操作。根据采集数据触发相关的动作，包括故障报警、保养任务下发等。

5.2 智能运维

（1）指导设备安装。设备安装调试过程中，通过摄像头、麦克风能够及时获得专家的支持，并生成安装和调试记录，以支持设备的维修和技改。

（2）现场可视化。利用AI 设备内置的摄像头和音频设备，让位于不同地理位置的专家能够看到工作现场的实施画面，并可以进行语音交流；专家在传回的界面上进行批注和圈阅，现场工作人员能够及时看到批注和圈阅；专家可以发送操作指令，推送相关的资料文档；可以抓取关键视频画面的图像内容，放大以查看更准确的信息。

（3）查询设备信息。通过直接扫描设备的二维码，提取设备的基本静态信息、实时动态信息、关联的文档资料、设备的备品备件。

（4）智能检索。智能检索功能可以使作业现场的人员能够随时随地查看数字化平台中所有的技术资料，包括设备的安装说明、接线图、施工图、操作手册。

（5）故障设备引导。在运维系统监控设备运行状态时，当发生设备异常报警后，向现场作业人员推送报警消息，并引导定位。根据设备异常信息，从人、机、料、法、环的维度提供处理异常所需的数据支持。

（6）巡检巡查。运维系统能够显示巡检巡查任务列表；为巡检巡查人员提供下一个巡查点的引导；为巡检人员提供具体设备的巡检点和需要提交的巡检信息，自动生成巡检记录。

（7）人员实时定位及历史轨迹可视化。可结合无线定位设备对厂区内工作人员进行实时定位，可实现30 cm 内的定位精度，显示人员姓名、工号、部门等相关信息；在三维场景中实现人员历史轨迹查询与回放。

（8）电子围栏可视化。满足现场危险区域可视化，在三维空间中实现电子围栏以及报警联动展示应用。

（9）实时监控可视化。实现现场实时监控并在三维场景中关联联动，支持视频监控随时调取。

（10）报警可视化。通过对设备状态进行实时监测，当设备状态发生异常时，可实现报警与三维模型联动定位与展示。

5.3 虚拟仿真

针对油田站场实际，依托数字化交付成果，只有实现项目全生命周期的三维可视化乃至沉浸式虚拟体验，设计和施工的数据模型完全统一，并在站场运维中可以充分利用前期数据模型才是真正意义上的“数字孪生体”。

以“数字孪生体”三维模型为背景，以油田站场实际运行工况为依据，可以开发虚拟仿真培训平台，通过沉浸式VR 仿真培训及事故演练完成以下内容：①标准化操作培训；②典型故障处置；③典型危险作业仿真模拟培训课程。

虚拟仿真培训可以提高人员对事故应急能力的反应敏捷度、行动能力、联动能力；降低人员对近距离感知恐惧、焦虑、无助甚至绝望等产生的心理影响。培训人员对典型事故（如泄漏、着火、爆炸等）进行流程切断、关键危险作业环节的处置操作，提高各级人员应对突发事件的能力，最终达到检验预案、锻炼队伍、完善准备的演练培训目的。

6 认识

（1）业主运营部门需要在项目初期，整体规划工厂信息化，做信息化顶层设计。需结合工厂将要建设的信息化系统全面考虑数字化移交内容。在工程项目开始前考虑并实施数字化交付，可以大幅度降低数字化（智能）工厂建设成本和实施难度。

（2）建设期数字化交付的工作重点是如何实现可视化站场多参与方数据协同，加快信息的传递效率，提升数据的互用性，确保数据的质量。运维期重点是站场资产的高效运维，可通过搭建工厂设备资产全生命周期可视化管理系统实现。

（3）数字化交付平台建设的难点是与已建各类信息系统的数据集成。油田工程设计公司可以协助业主运营部门，把移交的数字化工厂虚拟模型、属性数据与和日常运维中产生的动态数据融合在一起。

7 结束语

国内数字化工厂建设起步较晚，各油田已经开始规划数字化油田的蓝图，数字化交付项目已经启动，作为国内一流的油田工程设计公司，应该承担起推广作用。在工程项目中要逐步使用数字化设计，借鉴数字化工厂在行业成功的经验，探索适用的数字化方法，利用三维虚拟工厂实现对工厂实时的立体式监控和协同管理，建成符合实际的油田地面“数字孪生体”，最终实现将真正智能关联的虚拟数字化工厂移交给业主。