數(shù)字孿生技術(shù)是一種將物理實(shí)體與數(shù)字虛擬體緊密結(jié)合的創(chuàng)新技術(shù)，通過對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的物體、系統(tǒng)或過程進(jìn)行精確的數(shù)字化建模，創(chuàng)建一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的虛擬副本。這個(gè)虛擬副本能夠?qū)崟r(shí)反映物理實(shí)體的狀態(tài)、行為和性能等各種特征。
在工業(yè)領(lǐng)域，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和預(yù)測(cè)性維護(hù)。通過對(duì)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和分析，在虛擬模型中模擬設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，提前發(fā)現(xiàn)潛在的故障隱患，提高生產(chǎn)效率。
數(shù)字孿生技術(shù)正以其獨(dú)特的虛實(shí)融合特性，逐漸成為推動(dòng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要力量。
近年來，新疆油田公司聚焦地面工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，推進(jìn)數(shù)據(jù)的深度整合與智能分析，創(chuàng)建了基于準(zhǔn)噶爾盆地的地面工程建設(shè)數(shù)字孿生體系。
“數(shù)字孿生技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)油氣產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)的核心技術(shù)手段，對(duì)保障國(guó)家能源安全具有重要戰(zhàn)略意義。我們這套體系，可以看作是數(shù)字孿生技術(shù)在油田企業(yè)創(chuàng)新應(yīng)用領(lǐng)域的里程碑?！毙陆吞飻?shù)智技術(shù)公司副經(jīng)理趙金玲說。
聚焦關(guān)鍵技術(shù)突破
構(gòu)建數(shù)字孿生系統(tǒng)根基
11月4日，在新疆油田公司采油二廠81聯(lián)合處理站地面工程工藝流程三維地理仿真關(guān)鍵技術(shù)研究項(xiàng)目建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)，工人們正在按照項(xiàng)目三維模型進(jìn)行施工。
采油二廠81聯(lián)合處理站地面工程使用數(shù)字孿生技術(shù)提高項(xiàng)目交付效率。新疆石油報(bào)通訊員 王濤 攝
“早在開工前，開發(fā)公司就交付了項(xiàng)目的數(shù)字化三維模型。三維模型極大地提高了工程的可視化程度，一旦發(fā)現(xiàn)有不合適的地方，我們會(huì)及時(shí)修改模型和施工方案，避免人力、財(cái)力、時(shí)間的浪費(fèi)。”采油二廠信息管理站軟件數(shù)據(jù)室工程師郭英說。
據(jù)郭英介紹，該廠通過工藝現(xiàn)狀評(píng)估、設(shè)備設(shè)施位號(hào)梳理、工藝流向梳理等一系列工作，結(jié)合數(shù)字化交付模型，將81聯(lián)合處理站原有的二維工藝流程映射到三維模型中，不僅提高了工藝流程的可視化水平，還可在三維環(huán)境下進(jìn)行高精度的仿真模擬，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和評(píng)估不同工藝參數(shù)對(duì)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的影響。三維模型的應(yīng)用為地面工程建設(shè)中的施工環(huán)節(jié)和建成后的工程維護(hù)維修提供了便利。
郭英所說的“數(shù)字化交付模型”，就是數(shù)智技術(shù)公司已經(jīng)攻克的地面工藝流程與邏輯路由的可視化技術(shù)成果。
這項(xiàng)技術(shù)基于高精度三維模型，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工藝流程運(yùn)行情況和邏輯路由的直觀查詢與展示。技術(shù)人員可以清晰地看到工程建設(shè)中的每個(gè)環(huán)節(jié)及之間的邏輯關(guān)系，從而更加精準(zhǔn)地把握生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，為統(tǒng)籌地面工程建設(shè)、優(yōu)化生產(chǎn)提供有力支撐。
據(jù)數(shù)智技術(shù)公司軟件研發(fā)中心黨支部書記、副主任黃健介紹，數(shù)字孿生系統(tǒng)是物理實(shí)體的虛擬數(shù)字化映射，涉及到復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理、建模、仿真等多項(xiàng)技術(shù)。為加快建設(shè)和完善數(shù)字孿生體系，數(shù)智技術(shù)公司不斷加強(qiáng)研發(fā)，陸續(xù)突破了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，包括高精度三維可視化技術(shù)、三維模型與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接入與融合技術(shù)等。
高精度三維可視化技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)站區(qū)場(chǎng)景的數(shù)字化還原，無論是復(fù)雜的設(shè)備管道網(wǎng)絡(luò)、錯(cuò)落分布的地面建筑，還是周邊環(huán)境、地形地貌，都能在虛擬環(huán)境中完整、準(zhǔn)確地呈現(xiàn)出來，為管理者提供直觀、清晰的視覺感知，更為后續(xù)更為深入的數(shù)據(jù)分析和科學(xué)決策提供物理模型基礎(chǔ)。
三維模型與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接入與融合技術(shù)則成功將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（如儀表、開關(guān)、閥門等）的動(dòng)態(tài)信息集成到顯示系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新與可視化展示。技術(shù)人員可實(shí)時(shí)查看各類設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)信息及相關(guān)靜態(tài)數(shù)據(jù)，提高了監(jiān)控效率和應(yīng)急響應(yīng)速度，確保了地面工程運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。
“一系列關(guān)鍵技術(shù)的突破，有效解決了此前空間數(shù)據(jù)（三維模型）應(yīng)用不足、分析模型亟需擴(kuò)展、協(xié)同研究能力有待提升等核心難題，為數(shù)字孿生體系建設(shè)掃清了‘?dāng)r路虎’?！秉S健說。
新疆油田公司數(shù)字孿生體系涵蓋了企業(yè)級(jí)、采油廠級(jí)、場(chǎng)站級(jí)、部件級(jí)4個(gè)等級(jí)。這一分級(jí)不僅反映出從公司整體到具體生產(chǎn)單元、再到單個(gè)設(shè)備或部件的逐步細(xì)化過程，也體現(xiàn)了數(shù)字孿生在精度和仿真程度上的不斷提升。
具體來說，企業(yè)級(jí)數(shù)字孿生主要關(guān)注公司層面的戰(zhàn)略規(guī)劃、資源配置和整體運(yùn)營(yíng)情況，為管理層提供決策支持；采油廠級(jí)是深入到各個(gè)采油廠的生產(chǎn)流程和管理細(xì)節(jié)，通過數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的可視化和優(yōu)化；場(chǎng)站級(jí)是進(jìn)一步細(xì)化到具體的生產(chǎn)場(chǎng)站，對(duì)設(shè)備、流程和環(huán)境進(jìn)行精細(xì)的數(shù)字化建模和仿真，以提高生產(chǎn)效率和安全性；部件級(jí)則達(dá)到了對(duì)單個(gè)設(shè)備或部件的精確仿真，有助于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的預(yù)防性維護(hù)和故障預(yù)測(cè)。
截至目前，通過對(duì)關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)的突破，新疆油田公司已成功將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于場(chǎng)站級(jí)——初步建成了11家生產(chǎn)單位、39個(gè)站庫(kù)，數(shù)據(jù)總量達(dá)3TB，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字孿生體系在地面工程管理中的有效應(yīng)用。
建設(shè)數(shù)字露頭系統(tǒng)
助推勘探開發(fā)技術(shù)升級(jí)
11月4日下午，新疆油田公司勘探開發(fā)研究院企業(yè)高級(jí)專家鄭孟林在辦公室打開了數(shù)字露頭系統(tǒng)。第二天，他要帶領(lǐng)隊(duì)員沿呼圖壁河進(jìn)行地質(zhì)勘探考察。為了節(jié)省在現(xiàn)場(chǎng)找點(diǎn)位的時(shí)間，他要提前在精度最高可達(dá)厘米級(jí)的三維地圖中尋找要觀測(cè)的勘探點(diǎn)。
“這個(gè)系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)第一個(gè)面向生產(chǎn)應(yīng)用的數(shù)字露頭系統(tǒng)，對(duì)于山地復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造地震采集、數(shù)據(jù)處理、地震解釋、地表井位布設(shè)、地表管線布設(shè)等工作都有很大幫助。”鄭孟林說，這一系統(tǒng)的成功應(yīng)用，對(duì)油田勘探工作和勘探人員來說，可謂推動(dòng)了工作模式的重大變革和研究質(zhì)效的重大提升。
觀察地質(zhì)露頭信息是調(diào)查或研究沿途地質(zhì)概貌的最佳辦法，對(duì)于包括油氣在內(nèi)的各類礦產(chǎn)的勘探工作都極為重要。野外露頭的觀察受氣候、季節(jié)變化的限制，數(shù)字露頭技術(shù)的出現(xiàn)使野外露頭信息隨時(shí)可以觀察。
勘探開發(fā)地質(zhì)人員利用數(shù)字露頭系統(tǒng)開展地質(zhì)研究。新疆石油報(bào)通訊員 孔令華 攝
吳海生是勘探開發(fā)研究院勘探研究所盆地與北疆石炭系研究中心盆地項(xiàng)目組技術(shù)負(fù)責(zé)人。在該院從事油氣勘探工作35年的他記得，剛參加工作時(shí)，為了找到目標(biāo)中的地質(zhì)露頭區(qū)，他們經(jīng)常要徒步進(jìn)深山、踏荒漠，看露頭、測(cè)剖面，取巖樣、做分析，一兩周回不來是常有的事。而這期間，還要時(shí)刻警惕地質(zhì)災(zāi)害、天氣災(zāi)害、野獸襲擊等危險(xiǎn)發(fā)生。即便尋找過程順利，一次收集到的資料也很難保證完整和準(zhǔn)確。
受制于客觀環(huán)境、人的行動(dòng)能力和認(rèn)識(shí)等限制，在勘探的不同階段、不同時(shí)期，科研人員還要再次去到那些重要的露頭區(qū)反復(fù)觀察，找到更多的新的有用信息。為此，如何有效解決野外踏勘困難、認(rèn)識(shí)不準(zhǔn)確、資料不完整等一系列問題，是長(zhǎng)期以來困擾著科研人員的一大難題。
數(shù)字化技術(shù)的有效應(yīng)用，為破解這道難題帶來了前所未有的轉(zhuǎn)機(jī)。近兩年，新疆油田結(jié)合自身實(shí)際開展了南緣地質(zhì)露頭研究工作，首次在行業(yè)內(nèi)大范圍采用數(shù)字地球技術(shù)，集成厘米級(jí)地質(zhì)露頭模型、地質(zhì)解譯、地層剖面和地質(zhì)圖等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，精細(xì)刻畫全廊域的構(gòu)造、沉積、地化等地質(zhì)信息，建成了數(shù)字露頭信息系統(tǒng)，相當(dāng)于把實(shí)際的地質(zhì)露頭信息復(fù)刻進(jìn)計(jì)算機(jī)里，實(shí)現(xiàn)“數(shù)字孿生”。
“該系統(tǒng)較好地解決了地層分界線段人工繪制，工作量大、精度不足等問題，提高了露頭地質(zhì)信息解譯的效率和精度，有力推動(dòng)了地質(zhì)露頭研究成果數(shù)字化、工作平臺(tái)信息化、研究模式智能化，方便科研人員能夠從宏觀到微觀全面開展地質(zhì)研究工作，使地質(zhì)勘探數(shù)字化工作模式初步形成?！毙陆吞飻?shù)智技術(shù)公司準(zhǔn)噶爾盆地?cái)?shù)字露頭信息系統(tǒng)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人梁梓君說。
為了提升整體工作效能，新疆油田數(shù)智技術(shù)公司還探索形成了基于“數(shù)據(jù)+平臺(tái)+知識(shí)+價(jià)值（智慧）”的工作新模式，通過開源地圖框架構(gòu)建了移動(dòng)端及Web客戶端的露頭三維可視化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了圖層管理疊加三維模型、地質(zhì)圖、地質(zhì)解譯信息、分析化驗(yàn)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)的集成與展示，增加了數(shù)據(jù)在縱向和橫向上的關(guān)聯(lián)。
準(zhǔn)噶爾盆地地質(zhì)數(shù)字露頭信息系統(tǒng)聚焦油田未來重點(diǎn)勘探場(chǎng)景，用戶群涉及油田業(yè)務(wù)專家、勘探事業(yè)部、勘探開發(fā)研究院、實(shí)驗(yàn)檢測(cè)研究院等多家單位，為地質(zhì)研究人員提供了“隨心選、隨心看、隨心用”的工作條件。目前，該系統(tǒng)已“威力”初顯，有力推動(dòng)了吐谷魯背斜地表構(gòu)造解析和樂探1井三維區(qū)地震的精細(xì)解釋。
“這對(duì)于勘探人員完整認(rèn)識(shí)南緣地區(qū)演化過程和進(jìn)行盆地級(jí)基礎(chǔ)研究起到了關(guān)鍵作用。我們相信，它將在新疆油田規(guī)模增儲(chǔ)上產(chǎn)與戰(zhàn)略接替、天然氣規(guī)模突破與高效建產(chǎn)中作出獨(dú)特貢獻(xiàn)?！壁w金玲說。
推進(jìn)地上地下一體化
賦能油田數(shù)字化轉(zhuǎn)型
目前，新疆油田數(shù)字孿生體系在地上部分的建設(shè)工作已經(jīng)基本完成。
“油田勘探開發(fā)不僅包含地上，在地下也需要作很多工作。這些工作同樣重要，而且難度更大?！睌?shù)智技術(shù)公司軟件研發(fā)中心副主任程建鵬說，目前，他們正在加緊攻克地下數(shù)字化模型的建設(shè)。
數(shù)智技術(shù)公司利用高精度三維可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)站區(qū)場(chǎng)景的數(shù)字化還原。新疆石油報(bào)記者 蔣劍 攝
按照新疆油田公司數(shù)字化轉(zhuǎn)型與智能化發(fā)展的要求，數(shù)智技術(shù)公司正聚焦地表模型與地下結(jié)構(gòu)的高精度融合，力爭(zhēng)構(gòu)建一套集油田基礎(chǔ)地理、地面設(shè)施與地下三維結(jié)構(gòu)于一體的綜合空間數(shù)據(jù)可視化體系，以全面賦能油氣勘探、開發(fā)、綜合研究、評(píng)價(jià)及生產(chǎn)管理等各項(xiàng)工作。
“在對(duì)推動(dòng)油氣田空間數(shù)據(jù)地上地下一體化建設(shè)的規(guī)劃中，地上地下一體化建設(shè)不僅要構(gòu)建全空間數(shù)據(jù)可視化體系和GIS空間決策分析能力，還要加強(qiáng)地下空間數(shù)據(jù)的可視化能力。”程建鵬說。
要做到這一點(diǎn)，目標(biāo)主要有三個(gè)——
一是通過引入全空間數(shù)據(jù)體系，持續(xù)提升基礎(chǔ)地理、地面工程、地質(zhì)模型的融合集成與共享能力，實(shí)現(xiàn)技術(shù)體系由“能用”到“好用”。
二是通過整合地上、地表和地下各類空間數(shù)據(jù)，提供分析工具及可視化決策支持能力，促進(jìn)數(shù)據(jù)共享與協(xié)作，構(gòu)建全空間、全過程的GIS數(shù)據(jù)分析和決策能力，實(shí)現(xiàn)空間決策分析由“弱”到“強(qiáng)”。
三是通過構(gòu)建地上地下一體化展示環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)油田地下結(jié)構(gòu)、管網(wǎng)、井筒曲線等信息的立體展示，為“油氣藏-井筒-管網(wǎng)-地面”一體化數(shù)字孿生體的構(gòu)建提供技術(shù)支持，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)可視化由“單一”到“全面”。
“數(shù)字孿生技術(shù)具有實(shí)時(shí)映射、迭代優(yōu)化、深度分析、高效決策等特點(diǎn)，構(gòu)建油氣田數(shù)字孿生體系，將更好推動(dòng)新疆油田數(shù)字化轉(zhuǎn)型邁上更高臺(tái)階。”黃健說。