李柏松

數(shù)字孿生體（Digital Twin）是近年來工業(yè)4.0浪潮催生的新概念，為真實(shí)物理實(shí)體與虛擬空間信息的交互與融合提供了新的技術(shù)手段，正在逐漸成為歐美主要國家數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要抓手。

2011年，美國Michael Grieves教授正式提出數(shù)字孿生體概念。美國NASA（美國國家航空航天局）在其技術(shù)發(fā)展路線圖（NASA Technology Roadmap）第十一個(gè)技術(shù)領(lǐng)域：模型、仿真、信息技術(shù)與處理中也提出數(shù)字孿生體概念。至此，數(shù)字孿生體概念誕生。2012年， NASA正式給出數(shù)字孿生體的明確定義：數(shù)字孿生體是指充分利用物理模型、傳感器、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬信息空間中對物理實(shí)體進(jìn)行鏡像映射，反映物理實(shí)體行為、狀態(tài)或活動(dòng)的全生命周期過程。 2015年，開始由復(fù)雜的飛行器領(lǐng)域向一般工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行拓展應(yīng)用及推廣。

數(shù)字孿生體具有一致性、動(dòng)態(tài)性、預(yù)測性等顯著特點(diǎn)。一致性是指數(shù)字孿生體與物理實(shí)體的一致性，在虛擬信息空間中對物理實(shí)體進(jìn)行精確鏡像映射，是物理實(shí)體的數(shù)字化復(fù)制品。動(dòng)態(tài)性是指數(shù)字孿生體是動(dòng)態(tài)變化的，與物理實(shí)體同生共長，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新物理實(shí)體行為、數(shù)據(jù)、狀態(tài)等信息。預(yù)測性是指數(shù)字孿生體能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)物理實(shí)體的監(jiān)測、診斷和預(yù)測控制。下圖為輸油泵數(shù)字孿生體示例。

在調(diào)度優(yōu)化、設(shè)備維護(hù)、全生命周期管理等方面，數(shù)字孿生體具有良好的應(yīng)用前景。

基于數(shù)字孿生體的調(diào)度優(yōu)化，通過物理實(shí)體管道系統(tǒng)對管道數(shù)字孿生體數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)反饋、交互融合及相互映射，使管道數(shù)字孿生體通過高度集成虛擬模型進(jìn)行管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)仿真分析和智能調(diào)度決策，形成虛擬模型和實(shí)體模型的協(xié)同工作機(jī)制，達(dá)到二者的優(yōu)化匹配和高效運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)動(dòng)態(tài)迭代和持續(xù)優(yōu)化。基于數(shù)字孿生體的設(shè)備維護(hù)，即承接和繼承設(shè)計(jì)、采購、安裝調(diào)試階段的設(shè)備虛擬模型。根據(jù)實(shí)體設(shè)備的SCADA系統(tǒng)、設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，對數(shù)字孿生體進(jìn)行更新，集成多學(xué)科、多物理量的仿真模擬分析，實(shí)現(xiàn)基于RCM、 RBI、 SIL的可靠性安全評(píng)估及基于故障案例庫的診斷，對設(shè)備的健康狀況進(jìn)行評(píng)估，預(yù)測設(shè)備故障及剩余壽命，給出設(shè)備維修維護(hù)策略。

基于數(shù)字孿生體的全生命周期管理，利用數(shù)字孿生體管理從規(guī)劃設(shè)計(jì)直至報(bào)廢處置的各個(gè)階段的全部對象、模型及數(shù)據(jù)，是管道系統(tǒng)在全生命周期的數(shù)字化檔案，反映其在全生命周期各階段的特征、行為、過程及狀態(tài)等，可實(shí)現(xiàn)管道從“出生”到“報(bào)廢”全生命周期的全業(yè)務(wù)、全過程信息化、可視化統(tǒng)一管理，可實(shí)現(xiàn)各個(gè)不同階段業(yè)務(wù)模型和數(shù)據(jù)的傳遞、交換及共享，能夠調(diào)用當(dāng)前所處階段和共享以前階段的對象、模型及數(shù)據(jù)，為全過程質(zhì)量追溯和持續(xù)完善提高管道系統(tǒng)提供依據(jù)和保障。

作者簡介：李柏松，男，1979 年生，高級(jí)工程師，2009 年博士畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)，現(xiàn)主要從事管道設(shè)備、智慧管道相關(guān)研究工作。聯(lián)系方式： 0316-2170403，libaisong@petrochina.com.cn。