当前数字孪生驱动半潜式钻井平台的应用以及其智能技术分析

当前数字孪生驱动半潜式钻井平台的应用以及其智能技术分析

郭家 陈龙 张宝平

中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 天津市， 300450

摘要：半潜式钻井平台是我国海洋工程中的重要装备，其运行环境较为复杂，存在大量设备，增加了管理和维护难度。为保证海洋工程的顺利推进，提高半潜式钻井平台的安全性，应当利用当前先进的数字孪生技术，结合人工智能以及大数据构建完善的平台管理系统，实现对平台设备的有效监测，进而保证海洋工程项目平稳、安全运行。鉴于此，本文主要结合数字孪生技术，分析其在半潜式钻井平台中的应用，并提出具体智能技术运用要点，探究系统结构设计，最后展望数字孪生技术未来的发展趋势。旨在为相关系统建设和钻井平台管理提供借鉴和参考。

关键词：数字孪生；半潜式钻井平台；应用；智能技术

前言

半潜式钻井平台对监控系统的控制大多采用总线技术，将各个系统的传感器、仪表以及PLC等物理设备进行连接，集中显示监控设备和数据状态。不过该方式导致各个系统之间城乡相互独立的格局，导致信息孤岛的问题。而且受数据格式、类型、储存方式差异的影响，难以提高数据利用率和融合程度，出现数据挖掘深度不足等情况。因此在新时代下需要进一步加强数字化建设，运用数字孪生技术建立智慧型半潜式钻井平台监控系统。

1 数字孪生技术概述

1.1数字孪生技术概念及原理

数字孪生是现代科学技术创新发展的重要产物，其是指利用物理模型、传感器更新以及运行历史数据等进行仿真，这一过程具有集合多学科、多尺度、多物理量的特点。有利于在虚拟空间内完成映射，进而对实体装备的全生命周期进行全面反映^[1]。早期数字孪生被应用在航天制造领域，但随着其理论技术体系发展趋向普遍适应性，还可在产品设计制造、医学分析以及工程建设等方面得到良好应用。我国对于数字孪生技术的运用，大多是在智能制造和工程建设等领域。数字孪生的原理即是指在计算机通过借助大数据分析、人工智能等信息技术，在虚拟世界内构建仿真模型，基于最优结果驱动物理世界运行。本质上是在信息世界对物理世界的等价映射，为现实世界开展管理、建设活动提供分析预测服务。

1.2数字孪生在半潜式钻井平台中的应用意义

近年来，我国海洋工程不断发展，促使半潜式钻井平台建设管理水平得到提升。但其在实际运行过程中，受海面环境的影响，经常出现长时间的暴风、海浪等，对半潜式钻井平台的整体运行性能产生较大的干扰。而且对平台上的各种设备会造成巨大威胁，因此为保障平台安全性，应当加强监控系统建设^[2]。虽然目前我国在海洋钻井平台数字化建设中，已经实现三维可视化和信息化管理，为平台运行管理提供技术基础。但其数字化建设程度仍有待提高，缺乏长效可靠的信息机制。

而采用数字孪生技术，可深入融合信息物理系统，利用实时监测数据驱动信息空间构建设备状态演变、运行监测等模型，确保钻井平台关键设备发展变化得到准确模拟和预测，形成半潜式钻井平台现实与虚拟空间模型相互映射，指导运行和维护管理决策。同时有利于借助自动检测、分析、执行的数字孪生体，推动钻井平台运行、监控趋向智能化，进一步提高平台安全检测、预警、维护保养等工作水平。

2 数字孪生驱动半潜式钻井平台的具体应用

2.1 油气勘探数字化综合系统

在半潜式钻井平台中对数字孪生技术的应用，主要体现在建立油气勘探数字化综合系统方面。其是利用物联网技术、大数据技术、人工智能以及云计算技术等，深入挖掘当前油田勘探数据，为油气资源勘探开发提供良好支持。在应用过程中，将物理空间与虚拟数字空间相互映射，融合数字孪生系统，可改进传统油气勘探方法和技术，有效降低成本。比如在半潜式钻井平台中可建立智能化勘探系统，将虚拟现实进行融合，基于数字虚拟模型进行现场油气勘探开发、状态管理等，并有助于实现员工现场培训和可视化作业、专家在线指导等^[3]。

2.2 钻井平台装备全生命周期数字化

由于半潜式钻井平台搭载大量的系统设备，为保障其得到有效的维护管理，可在现有工程装备管理平台基础上，进行全生命周期数字化管控。因此利用数字孪生技术建立装备物联网，进一步加强设计、生产、操纵、经营、维护等生命周期数据之间的联系，有效把控产品质量，保证现场验证装备的数据具有准确性和真实性，有利于为提高装备性能和改进生产工艺奠定技术基础。同时利用数字孪生远程监控系统，可减少现场操作频率，降低人为失误事件。

2.3 数字孪生技术驱动钻井过程

数字孪生技术在半潜式钻井平台中的具体应用，还表现在创建物理信息系统，有效监测数据对信息空间中构建的设备运行状态，保证钻井平台关键设备变化情况得到有效预测和模拟，形成虚拟空间模型与钻井平台形成相互映射和指导的良性互动。比如建立数字孪生模型，对钻井过程进行模拟，以指导具体操作方案的制定和完善。通常情况下是先结合各种工程技术，对地面以及井下数据开展全面检测，再根据数据建模选择最优开展方案，并及时预测施工过程中可能出现的异常，为采取针对性处理方案提供科学依据和指导

^[4]。

2.4 构建数字工厂应用平台

对于半潜式钻井平台的信息系统，大多是利用传统业务驱动下的企业资源计划系统、制造执行系统、维修管理系统、安全环保系统等。而在新时代下，随着传统业务的不断更新、技术的创新引进，在原有系统基础上，增加了大数据分析、深入挖掘、先进控制以及云平台等。从而建立数字工厂应用平台，将数字工程与生产过程监控进行集成，促使数字工程与设备管理系统相结合，为全平台信息交流以及指令操作等提供技术支持，保证信息共享和传递速率加快，提高整体运行性能。

3 数字孪生驱动半潜式钻井平台智能技术

3.1建模及数据采集、传输技术

数字孪生驱动半潜式钻井平台所运用的智能化技术，主要是为达成虚拟空间与现实世界的相互映射，因此采用建模、数据采集、传输智能技术。首先在建模方面，为适应半潜式钻井平台的复杂环境，可采用多领域多尺度融合建模。即是在平台工程领域建模基础上，融合不同领域的模型组合，通过集成数据建立具有不同属性的综合模型。在实际运用中，则是对单尺度模型进行多维度的扩展，有效调节物理参数，进而连接不同时段下的相同模型，并对其工作状态进行精准分析，保证模型精度得到提升。其次，对数据采集和传输技术的应用，即是利用数字孪生技术、先进可靠的传输网络，保证数据采集更具有快速性和准确性，保证数字孪生技术在半潜式钻井平台的实时应用^[5]。

3.2 VR呈现技术

VR技术是半潜式钻井平台应用数字孪生技术的重要基础，其能够对目标系统的状态实施复现，同时可将采集到的各项数据信息利用虚拟空间，映射到数字孪生系统中，在很大程度上确保人机互动具有实时性和连续性。因此借助VR技术能够促使使用者在数字孪生系统中，快速学习和掌握目标系统的各种信息，辅助系统改进工作，指导钻井平台中复杂装备的设计制造、运行监控和维修管理等。

3.3 高性能计算及全寿命周期数据管理技术

综合考虑到物理信息系统的实时映射需求，应当保障数字孪生系统具备相对高效和强大的计算能力。但基于目前应用于半潜式钻井平台的硬件技术条件，可利用分布式计算云平台，配合高性能嵌入式计算机系统、异构加速计算体系等，实现对数据分布层次的优化，调整检索方法和存储形式，便于进一步提高运算性能。

另外一方面，数字孪生智能技术还包含全寿命周期数据管理技术，针对复杂系统采用云服务器分布式管理方式，能够加快数据读取速度，并备份冗余数据，保证数据解析算法发展过程中所需的大量数据具有可靠性，维持整个数字孪生系统的运行。

4 数字孪生驱动半潜式钻井平台系统结构设计

4.1 建立半潜式钻井平台五维系统

半潜式钻井平台的系统结构十分复杂，并且需要在有效的空间内堆放大量设备，为应对恶劣工作环境，应当在数字孪生技术驱动下，建立半潜式钻井平台五维系统，包括物理实体、虚拟模型、信息传输、孪生数据以及应用服务五个部分。从优化控制的角度出发，该系统包含功能层、技术层和数据层，具体结构如图1所示。即是将钻井平台现实本体、虚拟钻井平台、数字孪生数据、运维服务等子系统进行对接，从而形成完整的物理信息系统模型。通过虚拟模型1:1映射现实平台，促使二者的结构、规模一致，有助于还原现实中难以开展操作、危险系数大的场景^[6]。同时利用图形、表格、三维动画等进行展示，可促使各种信息具有直观化的特点。相关工作人员可按照信息空间内的虚拟半潜式钻井平台状态进行实时模拟，有效监测实体运行状况。

利用数字孪生技术建立半潜式钻井平台的虚拟模型时，应当准确收集本体实际工作环境、状况等数据，借助先进通讯技术将钻井平台数据高效传输到陆地端管理系统中，从而合理分析和预测平台的运行状态，提高控制智能化。比如工作人员可针对系统收集的多个数据开展全面的科学分析，与现场实际开展详细化比较，完成对物理实体的温度、压力、振动情况等的决策设计，完善现有分析机制，保证健康指标具有科学性。另外应对半潜式钻井平台明确相应的诊断规则，以便于规避可能出现的操作风险，提高处理技术成效，保证系统运行质量满足工程建设要求。因此在数字孪生驱动半潜式钻井平台系统结构设计过程中，应当深入探索五维系统建设路径，为平台设备管理和运行提供可视化服务，实现平台与陆地的实时远程化通讯，提高钻井平台整体的安全性、稳定性。

图1 数据孪生驱动下的优化控制结构图

4.2 构建半潜式钻井平台监控系统

数字孪生驱动半潜式钻井平台主要是构建智能化的监控系统。相关工作人员需要针对不同设备的真实运行状态进行了解和把握，比如做好加速度数值监测、油液分析仪监测等，并对冲击脉冲信息开展准确收集活动，有效掌握传感器的感知能力。在借助采集卡收集实时数据。这一过程中，还需融合嵌入式控制器，以此确保数据收集的准确性。另外，工作人员可运用光纤交换器，保证数据共享和传输效率得到提升，当服务器接收相应信息后实现集成储存，保证平台可在先进技术以及设备的支持下，顺利开展实时性监控工作。通常情况下，智能平台下的硬接线读取系统可在很大程度上与实际的电流、温度以及电压等工况进行结合，从而保证数据具有多源异构性，从而保证数据分析具有科学性和实用性。

除此之外，为保证半潜式钻井平台在数字孪生技术驱动下，具有较强的智能化特征，体现数据支持的精准性。工作人员还可利用倒谱分析、波形频谱分析等提取设备运行环节产生的数据，再借助深度学习算法以及机器学习算法等，更加深入的挖掘和整理数据，建立钻井平台故障标准库、特征征兆故障库等。有助于针对钻井平台设备的运行状态开展智能化监测、诊断等。同时在设备的全生命周期管理中还可建立运行状态预警模型，通过数字孪生映射加强对设备的交互管理，比如人机交互环节增加留言、报警等功能模块、在平台管理中增加信息交流模块等，满足钻井平台设备实际操作需求。

5 数字孪生驱动半潜式钻井平台发展趋势

5.1 融合5G技术加快数据采集和传输

数字孪生技术驱动半潜式钻井平台的重要基础则是高效的数据采集和传输。因此在未来发展进程中，将会更注重针对平台复杂、采集信息节点多、自动化程度高等特点，加快数据采集、传输效率。因此可利用当前5G技术，构建产业互联网，将信息流、指令流和操作流进行一体化建设，对各个环节开展在线实时远程控制，保证钻井平台系统与设备的数字孪生。同时在5G技术的融入，可构建完善化的数字孪生网络安全保障体系，避免海量数据采集和传输过程中出现安全问题。促使半潜式钻井平台的生产行为习惯以及方式得到优化，并实现高速迭代，提高综合平台运行综合效益。

5.2 建立标准的数字孪生技术体系

就目前而言，我国针对半潜式钻井平台的数字孪生标准体系尚未完全建立，因此在一定程度上阻碍了该技术的发展推广和驱动应用。因此在今后发展时期内，应当加快数字孪生技术标准体系的构建。比如完善半潜式钻井平台数字孪生相关模型、数据以及服务的标准化参考，提高系统集成化和兼容性。同时建立数字孪生术语、系统架构等标准化内容，保证各部门、各岗位和各人员达成有效协作。另外在实施数字孪生技术时，要制定明确的适用准则、实施要求等，尽量降低成本，完善组织协同合作规范，形成标准技术体系架构。

5.3 优化数字孪生智能处理方法

结合半潜式钻井平台系统的实际情况，其数据源较多，具有时变性。针对复杂的系统模型难以实现顺利耦合，无法保证系统计算精确性和模型求解可靠性。因此在未来发展进程中，应当关注对传统信息处理方法的改进。比如利用数字孪生技术优化智能处理，引进大数据技术、区块链技术、人工智能技术、云储存和云计算技术等，为系统建模提供高效指导。所以针对半潜式钻井平台对智能处理技术的运用，仍需进一步加强探索，保证各项先进技术能够实现良好融合、对接，自动化开展信息处理，并智能发布指令，提高平台运行整体效率和质量。

结束语

综上所述，数字孪生是目前我国工程建设领域中的重要技术，在实际应用过程中，有助于推动海洋钻井平台的智能化建设进程。因此相关人员需要准确把握数字孪生技术的具体应用，科学实施智能技术，保证虚拟模型与实体相一致，并运用数据仿真技术模拟各种设备的运行状态，通过提前分析、预测，指导现实问题的预防以及处置解决，充分保障海洋钻井平台运行的安全性和平稳性。

参考文献

[1]蒋爱国,王金江,谷明,等.数字孪生驱动半潜式钻井平台智能技术应用[J].船海工程,2019,48(5):49-52,55.

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[3]肖元,徐郎君,陈奎英,李鹏,张坤.深水半潜式钻井平台配电系统设计与保护分析[J].工程技术研究,2020,5(18):219-220.

[4]白旭,汤荣铿,罗小芳,孙丽萍.基于故障树分析和贝叶斯网络方法的半潜式钻井平台系统多状态可靠性分析[J].中国造船,2020,61(02):220-228.

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