智慧管网交流-数字孪生技术趋势及实践

一、

数字孪生与工业互联网二、

数字孪生技术实现的差异三、

数字孪生构建实践分析国内外近年来对工业互联网的研究和实践正在快速推进，作为国内外工业互联网联盟的两大领军组织的IIC(Industrial

Internet

Consortium)和AII(Alliance

of

IndustrialInternet)，分别提出了最新版的参考架构IIRA

1.9和《工业互联网体系架构2.0》52018年Gartner公司发布的新兴技术趋势报告中概括未来5-10年技术趋势，其中数字孪生、云计算、工业互联网、大数据、人工智能等新一代信息技术兴起和广泛应用，为传统产业转型升级和高质量发展提供了重要手段、注入了新的动能，2019年对相关技术保持持续跟踪和关注。1在工业互联网的数据功能实现中，数字孪生已经成为关键支撑，通过资产的数据采集、集成、分析和优化来满足业务需求，形成物理世界资产对象与数字空间业务应用的虚实映射，最终支撑各类业务应用的开发与实现。基于数字孪生所构建的虚实交互闭环优化系统实现对物理世界更加精准的预测分析和优化控制，最终驱动形成具备自学习、自决策、自使用能力的新型智能化生产方式。决策优化层：聚焦数据挖掘分析与价值转化，形成工业数字化应用核心功能，主要包括分析、描述、诊断、预测、指导及应用开发数字模型层：是数字孪生的定位层强化数据、知识、资产等的虚拟映射与管理组织，提供支撑工业数字化应用的基础资源与关键工具，包含数据集成与管理、数据模型和工业模型构建、信息交互三类功能感知控制层：工业数字化应用的底层“输入-输出”接口，包含感知、识别和控制、执行四类功能1数字孪生本质是融合性技术，驱动了工业互联网物理系统与数字空间全面互联与深度协同。融合性技术一方面构建出符合工业特点的数据采集、处理、分析体系，推动信息技术不断向工业核心环节渗透；另一方面重新定义工业知识积累、使用的方式，提升工业技术优化发展的效率和效能。工业数据处理分析技术信息交互在满足海量工业数据存储、管理、治理需求的同时，基于工业人工智能技术形成更深度的数据洞察，与工业知识整合共同构建数字孪生体系，支撑分析预测和决策反馈工业交互和应用技术数据集成与管理是通过不同资产之间数据的互联互通和模型的交互协同，构建出覆盖范围更广、智能化程度更高的“系统之系统”数据模型和工业模型构建基于VR/AR

改变制造系统交互使用方式，通过云端协同和低代码开发技术改变工业软件的开发和集成模式将原来分散、杂乱的海量多源异构数据整合成统一、有序的新数据源，为后续分析优化提供高质量数据资源，涉及到数据库、数据湖、数据清洗、元数据等技术产品应用是综合利用大数据人工智能等数据方法和物理、化学、材料等各类工业经验知识，对资产行为特征和因果关系进行抽工业软件技术基于流程优化、仿真验证等核心技术将工业知识进一步显性化，支撑工厂/产线虚拟建模与仿真、多品种变批量任务动态排产等先进应用1一、

数字孪生与工业互联网二、

数字孪生技术实现的差异三、

数字孪生构建实践分析离散制造业：数字孪生起源于离散制造业，以产品全生命周期管理的理念为核心，以提升产品质量可靠、提高易维护性、柔性生产过程为目标，通过机电设备从设计到交付的过程全面数字化，实现实物产品和数字孪生体的同步构建及交付，随着工业互联网发展延伸设备在线运行维保服务，逐步从装备制造企业扩展到资产运营企业。美国国防部提出信息镜像模型（Information

Mirroring

Model），在此基础上发展成为数字孪生的概念模型，用于航空航天飞行器的健康维护与保障。实现过程：在数字空间建立真实飞行器的模型，并通过传感器实现与飞行器真实状态完全同步，每次飞行后，根据结构现有情况和过往载荷，及时分析评估是否需要维修，能否承受下次任务载荷。西门子成都安贝格工厂，不仅产品3D数字化，而且生产线、工艺数字化模拟（工厂、设备布局）也是全部数字化，所以在真正的产品在生产线上流转生产前，在数字系统里已经完整地走完了整个过程，包括工装、夹具、物料流转等等。从产品级仿真，到装配序列的仿真，生产工位的仿真，到人机工程的仿真，经过这一系列的可制造性仿真和装配工艺流程优化，才完善了这个Digital

Twin的内涵。而且由于这个意义上的Digital

Twin，换生产线可在半天之内完成。数据该概念模型包括三部分：.真实世界的物理产品.虚拟世界的虚拟产品.连接虚拟和真实空间的数据和信息信息真实空间虚拟空间数据流动与信息镜像1建筑及基础设施运营业：建筑信息模型BIM（Building

Information

Model）将为城市提供基于图像扫描的城市数字模型，为各类民用建筑和城市基础设施运营建立数字模型，覆盖城市的所有地上地下建筑物、每条电力线和热力线、给供水系统、城市应急系统、交通控制系统等所有能通过网络连接的地方。城市数据大脑是以互联网为基础设施，利用云计算，大数据，人工智能，数字孪生体等技术来处理丰富的城市数据资源，实现对城市进行全局的即时分析1离散制造业与城市建筑及基础设施的相比，起步更早、更为成熟，但二者思路基本一致，都要经过设计、实施、交付、运营的过程，其对象主要是实物资产，核心内容在于对实物资产精确实时地数字化描述和反馈控制，这里要强调的是，数字化描述不仅是三维模型等外在形态的可视化，更重要是“看不见”的工业机理等知识要素的数字化描述，二者是“骨肉”和“基因”的关系，而工业知识数字化实际上是依托工业设计、仿真、检测、控制软件完成。虽然目前大数据、深度学习等技术提供了新的工具和思路，但在算法精度、模型可移植性、业务场景适配广度等方面尚不能达到工业软件的能力，这也是制约智慧管网从感知智能向认知智能跃迁的瓶颈。因此，围绕油气管网的“实物资产+流动介质”为对象，以管网全局可靠性动态平衡为应用目标，通过“管网全局可靠性算法+工业软件+大数据+物联网”技术组合驱动，是实现数字孪生在油气管道落地生根的必经之路，也是未来数字孪生研究和实践的方向。1一、

数字孪生与工业互联网二、

数字孪生技术实现的差异三、

数字孪生构建实践分析数字孪生体分为构建、应用两个阶段，与实体管道资产的设计、施工、运行维护、退役封存的全过程保持完全同步。在中油管道数据中心系统平台实现孪生体构建，通过物联网和控制系统采集各类运行参数实现数字孪生体的数据实时更新，支持分析、仿真、优化、预测等应用。1.设计

2.施工

3.运行维护

4.退役封存实物资产可视化生产运行展示场景设备管理展示场景孪生体管道管理展示场景业务场景图表可视化要素三维引擎三维可视化地图引擎地图可视化图表控件应用构建模型阶段数据关联映射实体

孪生体分析模拟优化控制监测监测要素模型

数据

关联映射机理模型大数据算法8数字孪生体的构建及应用模式在全数字化交付和全生命周期管理的基础上，通过在数字孪生体应用载体部署支持多物理场融合的仿真模拟软件，实现线路钢管、动静设备、调运工艺的相关物理化学机理模型的建立和维护。将管道物联网数据实时更新的数据模型作为仿真模拟软件机理模型输入变量，在虚拟管道中准确映射管网运行工况状态，仿真模拟结果支持生产运行在线优化及管理体系中各类管理工具的在线应用及优选。在累计大量生产经营数据基础上，充分利用智慧管网科技顶层设计方案部署研究课题的成果，在基于油气管网大数据应用人工智能技术，发掘各类数据之间潜在关系、洞察潜在规律并对机理模型参数进行校正。全业务数据资源池 多物理量机理模型及优化方案库线路、设备三维模型工程竣工资料仿变量输入多物理工艺-水力学机理模型工艺-热力学机理模型线路-弹性力学机理模型仿真高风险段管道本体应力分布设备振动频谱在以能耗最低为目标管网运行优化数据设备运行参数管模道型本体运行数据模型调度运行工艺参数模型管体材料及检测数据模型设备BOM及故障真模拟参数接口模型及属性参数自动生成边界条件设定量机理模型及仿真引擎线路-材料力学机理模型线路-电化学机理模型线路及设备-声学机理模型设备-动力学机理模型设备-热力学机理模型灾害体-水力学机理模型灾害体-岩土力学机理模型模拟结果数据发布及噪声分布管输运行工艺方案腐蚀缺陷及速率计算结果灾害体风险分布…….线优化方案发布以失效风险最低为目标的检测保养计划优化以可用性最高为目标的设备维修计划优化…….管网知识……失效模型……前处理仿真求解后处理诊断及优化8资源库（一）数字孪生体构建：管道全数字化移交和在役管道数据逆向恢复是数字孪生体构建的主要途径，通过对实体管道在可研、设计、采购、施工各阶段进行全面连续地数字化三维建模，实现数字孪生体的数据模型初始构建。项目前期与设计数据采集采办及施工数据采集工程竣工数据生成数据移交施工现场数据自动采集工程数字化移交技术路线施工数据线路工程三维初设文件2线路工程施工图三维设计文件47竣工测量工程预可行研、可研及其他前期文件1云设计平台610采办数据云设计平台工艺计算模型项目管理文件设备技术手册83站场工程三维初设文件5站场工程施工图三维设计文件12关键设备三维数字化解构13轻量化三维模型文件云设计平台11设计竣工资料数据

数字化项目前期数据竣工图自动生成管道资产结构化数据设备设施管理系统24补充数据采集建设期与运营期数据标准融合010管道周边基础地理信息类实体数据线路数据恢复技术路线623云设计平台中油管道数据中心2511管道设计数据三维数字管道管道完整性管理系统92012施工类数据7线路数据抽检及真实性校验13采办类数据非结构化数据文档恢复编码建设期数据收集（设计、竣工测制定恢复

量、施工、采计划并确

办）、整理数据对齐142数据校验分析815站场设计数据补充数据采集质量验收定恢复范围145云设计平台6三维数字站场322站场数据恢复技术路线16施工类数据激光点云测量站场倾斜摄影6-2设备铭牌采集运行期的相关数据收集、整理9216-117采办类数据地下管线探测结构化数据及非结构化数据文档恢复编码18设备三维模型数据校验分析站场数据抽检及真实性

7校验19数据收集数据校验及恢复实体及模型恢复数据移交8（二）基于数字孪生体应用：利用数字化交付资产静态数据、管道物联网及SCADA系统的动态数据等，综合应用多种工业机理模型和基于大数据的人工智能算法，精确预测多因素共同作用下的油气输送过程、管体及设备风险的变化趋势，快速诊断引发事故事件主要原因，为管网运行优化和可靠度动态平衡提供“数据+算法”基础。压缩机组故障在线智能诊断泵机组故障在线智能诊断流量计故障在线智能诊断焊口质量智能判断输出结果数据输出结果应力应变分布、腐蚀速率、缺陷趋势…压力温度分布，流线分布，扩散速度…缺陷部位的位移、应力、应变分布，剩余屈服强度…管道缺陷内检测数据智能识别在役管道失效行为智能评估温度、金属熔流速度、压力、位移、应力、应变、塑性变形区域…

数据流速、压力，应力、位移、形变…阀门及储罐智能诊断及可靠性评价仪器仪表寿命预测多种机理模型库管道本体弹塑性力学材料力学电化学设备动力学热力学……工艺水力学热力学高分卫星影像智能识别……灾害体水力学岩土力学훻⋅+퐹

=0工业大数据应用2휕푢푢⋅훻u=−훻푝+훻⋅(휇훻푢

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퐼)+F휕푡3휕平衡方程NS方程连续性方程遗传算法归……线性/非

聚类分析线性回曲线拟合휕푡+

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0传热方程 퐶휕T퐶퐮푝

∙훻T+훻∙−푘훻T=

Q푝

+…… 휕tBP神经网络支持向量机SVM……数据中心——全数据资源池静态资产数据动态运行数据生产经营管理数据仿真结果数据8（三）管道全面泛在感知根据线路及站场的风险管理需要，结合动态风险评价、线路完整性评价、设备可靠性评价方法对管道、设备状态监测的数据需求，在管道本体及附属设施、地质灾害、站场设备设施的风险地段及部位安装感知终端，采用公共网络与管道光纤结合的传输通道，并与未来5G技术发展相结合，实现泛在感知能力全面提升。动态运行数据 静态资产数据中油管道数据中心——全数据资源池OPC

UA/IEC

104/自定义协议传输层管道光纤SDH/OTN公共网络北斗短报文+ZigbeeNB-IoT+GPRS3G/4G5GRS232/485工业以太网Wifi漏磁内检测轴向环向螺旋弱磁内检测磁记忆内检测涡流内检测泄漏内检测几何内检测惯性测绘内检测管道定位及位移监测：管线探测仪、RFID、北斗高精度差分定位光纤状态在线监测：OTDR+光源隧道主体活动断层应力应变及位移监测：振弦式传感器、位移传感器、光纤光栅、分布式光纤、可燃气体探测器第三方破坏监测：视频监测压缩机组远程诊断：温度在线监测、振动在线监测输油主泵远程诊断：温度在线监测、振动在线监测超声内检测超声测厚超声裂纹超声相控阵电磁超声声发射检测周边环境：卫星遥感、无人机流量计远程诊断：超声流量计：各声道流速/平均流速、声速/平均声速质量流量计：传感器故障，反向流量，空管电气系统故障预测诊断：变压器在线监测、

GIS在线监测、110kV户外避雷器在线监测油气管道泄漏监测：音波（次声波）法、光纤内检测磁标器：永磁铁及坐标感知层大型悬索和斜拉索跨越两岸设置健康监测：利用已有桥梁健康监测系统阴保防腐监测：远传智能测试桩河流穿越段监测：视频监测、覆土厚度监测站场泄漏监测：超声波监测、声发射监测、激光对射阀门远程诊断：阀门线9数字孪生体的构建及应用模式建设期和运营期数据标准融合：根据最新版CDP文件内容，调整相关信息系统内置标准的相关内容和数据库结构。★数字化移交参照新版CDP文件标准执行，原有设计、采办、施工阶段数据标准正按照新版数字化移交标准升级数字化移交标准油气管道设备设施分类代码油气管道设备设施运行数据规定（站场）油气管道设备设施运行数据规定（线路）编码规定设计数据标准采办数据标准施工数据标准编码规定（4）设计数据标准（4）物资采办（3）CDP-G-OGP-OP-019-2014-1

油气管道工程项目工作分解结构编码规则CDP-G-OGP-OP-030-2014-1

油气管道工程施工图设计数据规定CDP-G-OGP-OP-038-2014-1油气管道工程采办数据规定CDP-G-OGP-OP-057-2015-1油气管道工程项目文件编码规则CDP-G-OGP-OP-061-2014-1油气管道工程施工图文件清单CDP-G-OGP-OP-059-2014-1油气管道工程采办文件清单CDP-G-OGP-OP-020-2014-1

油气管道工程勘察数据规定CDP-G-OGP-OP-060-2014-1油气管道工程供应商文件清单CDP-G-OGP-OP-079-2015-1油气管道工程资源分解结构（RBS）编码规定CDP-G-OGP-OP-045-2015-1油气管道工程组织分解结构（OBS）编码规定CDP-G-OGP-OP-021-2014-1

油气管道工程测量数据规定EPC总承包商（1）CDP-G-OGP-OP-039-2015-1油气管道工程总承包商项目管理文件清单外协（1）CDP-G-OGP-OP-067-2015-1油气管道工程外协手续及协议文件清单施工（3）CDP-G-OGP-OP-037-2014-1油气管道工程施工数据规定CDP-G-OGP-OP-031-2015-1油气管道工程施工文件清单、CDP-G-OGP-OP-069-2015-1油气管道工程竣工验收文件清单监理（1）CDP-G-OGP-OP-080-2015-1油气管道工程监理文件清单8数字孪生体的构建及应用模式在标准统一和管道数字化的基础上，构建数字化云设计平台，通过“端+云”的体系架构，满足不同设计单位、业主（PMC）单位的异地协同设计、审查及设计管理需求，大幅提高项目设计质量、效率，便于业主高效的进行设计管控。加快数字化设计的全面推广应用，完善数字化成果的管理和移交，依托数字化设计云平台推广CDP标准化、模块化的成果应用。数字化设计能力数字化移交能力8数字孪生体的构建及应用模式数字孪生体的构建过程与管道工程建