数字孪生驱动半潜式钻井平台智能技术应用

第48卷第5期2019年10月

船海0程

SHIP&OCEAN ENGINEERING

Vol.48No.5

Oct.2019

DOI：10.3963/j.issn.1671-7953.2019.05.012

数字＜生驱动半潜式钻井平台智能技术应用

蒋爱国S王金江2,谷明S于昊天2,常开顺2

（1.中海油田服务股份有限公司，河北三河065201；2.中国石油大学（北京）安全与海洋工程学院，北京102249）摘要:通过运用数字李生技术，将物理实体映射到数字李生模型中，运用大数据挖掘技术并集成人0智能技术，实现多源信息数据的融合，构建海上钻井平台五维数字李生系统,开发数字李生驱动的半潜式钻井平台智能监测系统。

关键词:半潜式钻井平台;数字李生;智慧化建设

中图分类号:U674.38文献标志码：A 半潜式钻井平台运行环境恶劣「"，目前钻井平台监控系统多采用总线技术将各个系统的物理设备（传感器、仪表、PLC等）连接起来，将监控的设备和数据集中显示，但在信息层面，各系统处于相互独立的状态，形成一个个的信息孤岛,数据格式、数据类型、数据存储方式不同引发的数据利用率低、数据融合难、数据挖掘不彻底等一系列问题给平台的集成控制、统筹管理和维护决策带来不便。

信息物理系统CPS作为一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，其可靠、安全、高效、实时协同等优点引起了各行业的广泛关注。数字挛生作为信息物理系统融合领域的新技术，凭借物联网获取的与日俱增的海量信息和长期积累的各类历史数据将物理实体在信息空间进行全要素重建「2"1，形成具有感知、分析、执行能力的数字挛生体，为海洋钻井平台数字化和智慧化研究提供了新思路。

本文从信息物理系统融合角度，探讨基于数字挛生的半潜式钻井平台关键设备状态监测技术，利用大量实时监测数据驱动信息空间中构建的设备状态演变、运行监测等各类模型，实现在信息空间中模拟和预测海洋钻井平台的关键设备发展变化情况。考虑一方面利用模拟预测结果对实体平台的运行和决策进行指导;另一方面利用实体平台监测产生的大量数据促进信息空间模型的

收稿日期：2019-07-31

修回日期：2019-08-21

第一作者:蒋爱国（1971—），男，学士，高级0稈师

研究方向：海洋石油钻井装备技术研究管理

文章编号：1671-7953（2019）05_0049_05

学习，提升模型的准确程度和预测能力，从而形成实体海洋钻井平台与虚拟信息空间模型相互指导、相互映射的良性互动关系。

1国内外研究现状

近年来，我国在海洋钻井平台数字化研究中取得了许多成果，比如，将三维激光扫描技术与三维地理信息系统应用到海洋钻井平台模型的搭建，利用细节层次模型技术和动态调度技术将建好的三维模型加载到钻井平台管理系统,实现了海上钻井平台的三维可视化和信息化管理⑷；运用虚拟现实技术开发了海上石油钻井平消防演示仿真系统，有利于学员从根本上克服现场培训所带来的各种负面影响囚；运用应用物联网技术设计旋转导向系统的监控系统，及时发现结构异常或损伤⑷；运用光纤光栅传感技术优选平台的有效部位，采用高效的数据采集和处理系统，设计测点布置网络，分析监测应力场的变化，以此来评价其安全性并进行预警「"；对海洋导管架平台结构建立有限元模型，对部分导管架损伤类型进行有限元模拟，分析应力状态并建立检测数据库，确保能够及时开展维修维护，以有效延长平台的使用寿命⑷o

在数字化钻井平台建设方面，美国通用电气公司GE依托工业物联网Predix平台，与知名钻井承包商Nobel Corporation A美国船级社ABS、马士基钻井公司Maersk Drilling合作，进行数字钻井船和数字挛生体的试点0作。数字钻机连接到所有目标控制系统,通过集中在钻井船上的传感器和控制系统收集数据并实时发送到GE的0业性能和可靠性中心，以此建立实际资产数字副本

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的数据模型，并采用先进的分析算法，进行预测分 析;在智能船舶研究中，英国Rolls-Royce 公司和 芬兰VTT 技术研究中心结合远程操控、虚拟现实

和实时监测等技术推出了无人驾驶船舶的概念, 并期望在2020年左右使其成为现实;挪威船级社 DNV GL 和英国Rolls-Royce 公司、挪威科技大学

(NTNU )、挪威科技0业研究院海洋研究机构

(SINTEF Ocean 正在合作创建一个用于开发新

船的开放资源数字平台，该平台旨在建立关于数

字化模型及系统仿真的海事行业标准的联合0业 项目，从而将允许行业各方可以重复使用模型并

更安全、更经济高效地建立现有及未来资产的数 字挛生模型，以在其建造之前和贯穿其使用期来

评估船舶及其系统的安全性和绩效。在与挪威石

油公司成功进行可行性研究后，Kongsberg Digital

在ONS 2018上推出了新的“数字双胞胎”，作为 一个油气无人生产设施的虚拟模型，可以提供对

操作、行为、维护、成本、性能等的深入了解，将进

一步提高设计质量和流程，增强跨学科协作，降低 项目和运营风险；同时还将为石油和天然气生产

设施提供自主、无人和远程运营的优势条件。

从国内外的发展趋势来看，数字化海洋平台 凸现出综合化、智能化、虚拟化的趋势，以数字化

建模为基础，构建海洋平台的数字挛生模型，结合

物联网等现代通信技术实现平台的数据集成和全 方位监测，从而提高海洋钻井平台的安全管理和

智能决策水平，降低全生命周期成本以获取最大

的经济效益和社会效益。

2 系统设计

2.1系统架构

针对海上钻井平台结构复杂、设备布置密集、

0作环境恶劣等特点，构建海上钻井平台的五维

数字挛生系统「9〕，见图1。系统包括实际物理钻

井平台、信息空间的虚拟平台、挛生数据、海洋平 台运维服务和各子系统之间的连接。

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图1数字(生钻井平台系统架构

2・2技术路线

应用服务五部分内容。

基于数字李生五维模型开发的钻井平台系统

物理实体是所分析对象在当前空间和时间下

包含物理实体、虚拟模型、信息传输、李生数据和 的客观存在,虚拟模型作为物理实体在信息空间

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