海工平台的数字孪生应用
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海工平台是世界工业高技术应用的代表性产品之一，也是世界单体价值最高的产品之一。到目前为止，世界上能够开展海工平台设计和制造的国家并不多。海工平台的高价值决定了其运营维护的重要性，海工平台数字孪生解决方案是实现海工平台全寿命运维管理的重要途径。以下案例可以认为是数字孪生技术在海工平台上具体应用的雏形，也是数字孪生技术在装备运维期应用的典范。
一、什么是海工平台
海工平台是海洋工程平台的简称，主要是为在海上进行钻井、采油、集运、观测、导航、施工等活动提供生产和生活设施的构筑物。当前，海工平台主要用于进行海上钻探或采油，因此可以简单理解为海上（钻井）石油平台。目前，海工平台从结构形式上看，可以分为固定式、活动式和半固定式，如下图所示：
图 1 典型的海工平台
图 2 海工平台的分类示意图
固定式海工平台的下部由桩、扩大基脚或其他构造直接支承并固着于海底。由于采用桩基等方式与海底直接相联，平台整体稳定性好，刚度较大，受季节和气候的影响较小，抗风暴的能力强，但另一方面是不可能应用在很深的水域，工作水深一般在十余米到200米的范围内。
活动式海工平台可以简单理解为是船舶的另一种形式。按工作时状态，又可以分为：着底式和浮动式两类。着底式意味着不可能适用于大水深，浮动式在海浪作用下会摇动，工作时受天气的影响较大。
半固定式海工平台可以简单理解为上述两种方式的结合产物，它既像活动式可以产生浮力，工作平台主要靠浮力来支撑，另一方面，又通过张力索等方式进行固定。当平台受到扰动力时，平台只产生微量位移。因此，半固定式海工平台适用于大海深的作业情况。
目前，从海工平台研制发展趋势看，半固定式和半潜式海工平台是世界海工平台发展的前端。平台工作水深达到3000米左右。例如，前几年我国建造的全世界最大、钻井深度最深的海上钻井平台“蓝鲸1号”，实现最大作业水深3658米，最大钻井深度15240米，从船底到钻井架顶端有37层楼高，总重量达42000吨，总建造价格大约7亿美金。
图 3 “蓝鲸1号”海工平台
二、海工平台运维的关键问题
海工平台设计和运行的核心关注点可以归结为 “安全”两字。一般情况下，我们可以把海工平台理解为海上钻井平台和海上采油平台，无论是哪种平台，在平台下方都会存在一个长长的工作杆件（管件），如果平台在运行过程中，在洋流、海风、海浪作用下发生移动、倾覆，下方的杆件（管件）就有可能折断，从而发生事故。
另一方面，海工平台长年暴露在海洋环境中，平台的钢铁构件会受到腐蚀，结构强度逐渐减弱，到达一定程度就可能屈曲断裂。
海工平台运维的关键问题归结起来就是：
1）在海风、洋流、海浪的作用下，平台不能倾覆，不能发生大的位移；
2）在腐蚀作用、工作载荷和环境外力作用下，平台结构不能屈曲，不能断裂。
为保证海工平台的安全，在整个海工平台全生命周期中的主要相关方通力合作，海工平台整体安全保证流程如下图所示，主要相关方包括：
（1）设计单位，根据用户的需求完成海工平台的设计；
（2）检验机构，以船级社这类检验机构为主，为海工平台提供相关检验以保证其运行的安全性；
（3）建造单位，按照海工平台设计方案完成海工平台的建造；（4）用户，海工平台最终的使用和维护单位；
（5）测厚公司，定期对海工平台的构件进行测厚，提供检验机构，以保证海工平台的安全。
图 4 海工平台全生命周期相关机构与过程
从海工平台的用户来看，检验机构和测厚公司是安全保障服务角色，他们为用户提供海工平台安全保障认证服务。在海工平台的运维过程中，检验机构根据海工平台的实际状态，进行安全评估，但检验机构人员却不可能时时了解海工平台的实际状态，就需要有一个对应于海工平台的虚拟平台，通过虚拟化的模型用于表征和反映海工平台运行过程的实际状态，用于进行海工平台的运行安全评估和认证，也就是海工平台的数字孪生体。
三、海工平台数字孪
生的目的和主要组成
海工平台的数字孪生系统建设的根本目的就是要解决海工平台在运行过程中的用户关切。正如世界著名的发动机公司在发动机数字孪生报告中提到的一样，通过应用数字孪生技术应当能够不断提高其建模和跟踪平台状态的能力。数字孪生系统应当允许平台操作员优化平台的瞬时和瞬态控制，以提高效率或效率性能，依据平台性能和寿命做出最优的决策，随着时间的变化分配负载和阵容，以及在最佳时间段执行正确的维护任务。数字孪生系统的建立和应用应当面向用户的关切，如下图所示。海工平台数字孪生系统也一样，就是建立海工平台本身、使用环境、工作状态等各要素的模型，通过虚拟模型来刻画和表征海工平台的实际运维状态，为海工平台的安全评估和维护活动提供决策依据。
图 5 GE数字孪生理念
为保证船舶和海工平台工作安全，在世界范围内建立了以船级社为首的第三方船舶和海工平台质量安全检验机构，制订了严格的检验规范和检验要求，不但要对海工平台的设计建造过程进行检验，验证其设计的安全性和建造质量的合规性（称之为建造检验）。同时，在海工平台的运营过程中，定期对其状态进行检查、检验和评估，以保证海工平台工作的安全性（称之为运营检验）。
从数字孪生角度看，数字孪生系统主要由三部分组成：物理世界、映射物理世界的虚拟世界（数字孪生体）和二者之间的数据交互系统，如下图所示，海工平台的数字孪生系统也一样，不一样的是，海工平台数字孪生系统也架起海工平台设计、运维、检验、测厚等不同单位间统一的工作平台和决策沟通桥梁。
图 6 数字孪生体概念图
从海工平台数字孪生系统的应用角度看，海工平台数字孪生系统也要像GE数字孪生系统（Predix平台）那样（如下图），通过建立合适的数字孪生应用场景，解决海工平台全生命周期的运行维护安全和用户关切。
图 7 GE的Predix平台
海工平台本身及其工作环境和工作状态构成数字孪生系统的物理世界。
以海工平台的运维安全为基本出发点，数字孪生系统的主要数字孪生体包括：
1）海工平台结构数字孪生体
海工平台与船舶一样，海工平台的大部分材料仍然是钢板和钢构件，工字梁是海工平台建造过程中最常用的基本构件（如下图）。这些钢基材料在日常运行过程中，由于受到海洋环境的腐蚀作用，其厚度会变薄，其安全系数也不断降低，到一定程度就需要进行维护、维修和更换，这也正是检验机构工作最主要的原始动机，因此，海工平台结构模型是数字孪生系统的主要组成部分。
图 8 海工平台材料
2）海工平台工作环境数字孪生体
正如上面所讲，海工平台在运维过程中，海工平台在受到海浪、海风、洋流的影响时，不能发生倾覆事故，其位置变化不能超过限度。因此，海工平台的工作环境（洋流、海浪、海风）的数字孪生模型也是海工平台数字孪生系统核心组成部分。
3）海工平台安全评估模型
从力学角度看，平台除要负担本身重量和工作载荷外，还要在海浪、海风、洋流作用下，产生六自由度的运动（纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇、首摇），从安全角度看，海工平台在运动过程中不能出现大的位置偏移和倾覆，海工平台运动模型和安全评估模型是数字孪生系统重要的组成部分。
海工平台在运动过程中，外壳要受波动压力，以及由于运动引起的惯性力和加速度等，平台在这些力的作用下不能发生断裂和屈曲，如下图所示；海工平台本身长期在海洋环境中工作，会受到海水及潮湿环境所引起的电化学腐蚀，海工平台本身结构强度也在不断降低，超过其限度就可能因结构屈曲等原因引发事故，这就要求建立能够实时进行结构强度评估和可靠性评估、安全评估的模型。
图 9 海工平台受力云图
海工平台本身长期在海洋环境中工作，会受到海水及潮湿环境所引起的电化学腐蚀，海工平台本身结构强度也在不断降低，这就要求相关检验评估过程和数据要与平台的实际状态相一致，这就是数据交互系统的根本要求。
在当前工作实践中，主要通过测厚公司的测厚活动为检验机构提供海工平台实时性的状态，测厚活动实际上扮演着用户手中的真实海工平台与检验机构虚拟平台间的数据交互角色。
海工平台建造检验和运营检验的主要过程可简单用如下图表示：
图 10 海工平台数字孪生系统主要工作流程
海工平台本身结构、工作状况和工作环境构成平台数字孪生系统的物理域；针对物理域和安全评估目的建立的相对应的虚拟模型，如工况模型、海浪模型、结构模型等虚拟模型，和安全分析评估模型，一起形成海工平台的数字孪生系统虚拟域；测厚过程构成两者间的数据交互，如下图所示。可以说，通过数字孪生概念与理论的应用，可以使已有的系统功能和模型从理论上得到支撑和完成清晰定位，并进行改进，从而使整个系统的功能得到实质性的提升。
图 11 海工平台数字孪生系统的基本功能架构
四、海工平台数字孪
生系统初步建设方案
从海工平台的数字孪生系统建设内容看，其主要存在以下几个方面的内容：
1.建立海工平台结构模型
海工平台结构模型是数字孪生系统建设的根本性基础，从海工平台检验和安全评估看，海工平台结构模型包括如下几个方面：
1）原始的海工平台模型
海工平台结构设计过程中生成的海工平台数字模型（CAD模型）是所有海工平台结构模型的基础。
2）测厚数据补充
在设计模型的基础上，应用测厚数据对海工平台结构模型进行修正，形成当时状态的海工平台结构模型；
3）海工平台力学模型
结合海工平台水动力运动性能分析、结构强度分析、疲劳寿命分析等分析模型需要，对海工平台结构设计模型进行简化，如半潜平台浮箱、立柱和撑杆部分建立湿表面模型，同时对细长结构建立莫里森杆件模型，建立海工平台结构力学分析模型，如下图所示：
图 12 海工平台结构力学模型
4）海工平台运动模型
海工平台运动模型主要是针对海工平台运动分析设计，可在结构模型的基础上简化为一个体模型。
2.建立海工平台工作环境模型
海工平台工作环境模型，主要是根据长期观测和统计数据，建立海工平台运行环境的洋流、海风、海浪模型，包括形成可靠性分析的谱系和统计意义上的极值。如海浪以规则波进行表征，波周期范围为4-30s，其中4~18s间隔为1s，18~30s间隔为2s。考虑到海台平台对称性，波浪方向角为0~180°，间隔为22.5°。波浪谱为JONSWAP谱，跨零周期范围为4~16s，间隔为0.5s，最大有义波高为16.5m；波谱的波谱因子γ值按下列通用关系式确定：
所考虑的海况为以下周期、波高和方向角的组合。
表 1 海浪波谱
图 13 波浪Jonswap谱和API风谱
3.建立海工平台水动力运动分析模型
海工平台水动力运动分析模型主要是解决海工平台在水动力作用下，发生倾覆和位移的可能性。最核心的是海工平台在水动力作用下所发生的振荡性运动和耦合分析方法，主要过程和内容包括：
1）波谱载荷
海工平台在受到波频力包括静止时流体经过平台时产生的绕射力和平台自身运动对周围流体产生的辐射力，如下图所示：
图 14 海工平台的波谱载荷
2）漂移力载荷
平台在波浪作用下会产生一定的慢漂移作用力，从而对系泊系统产生较大影响，平台的六自由度各方向上的平均漂移力如下图所示：
图 15 海工平台的漂移力载荷
3）传递函数
计算和建立不同浪向时船体重心处运动响应的传递函数，并由运动响应传递函数推算船体运动的固有周期模型，如下图所示：
图 16 海工平台的传递函数
4）附加质量
在各种操作工况下，海工平台六自由度不同方向的运动附加质量随周期变化的函数如下图所示，质量单位为千克，长度单位为米，周期单位为秒。
图 17 海工平台的附加质量
5）势流阻尼
海工平台六自由度不同方向的运动势流阻尼随周期变化的函数如下图所示，质量单位为千克，长度单位为米，周期单位为秒。
图 18 海工平台的势流阻尼
通过上述水动力简化和海工平台振荡运动系数，可以应用耦合分析方法等讲得出海工平台地六个自由度方向上的运动特征，如下图所示：
图 19 首摇低频响应和波频响应示意图
并最终得出海工平台的运动特征值，如下表（示意）：
图 20 海工平台振荡运动特征值（示意）
4.建立极限强度分析模型
海工平台极限强度分析主要是解决在极限状态条件下，海工平台不发生结构断裂，保证安全的问题，极限强度分析模型采用设计波分析方法。首先是根据波浪理论，计算得到平台在各方向单位波幅下的波频载荷，应用统计方法得到设计极限海况下的结构响应载荷，通过规则波响应等效原理得到设计波波幅，最后进行极限结构强度分析。
1）设计波载荷计算
应用水动力设计模型的波谱分析结果，在考虑以下工况的设计波幅和对应载荷，如下所示：
表 2 海工平台的计算工况表
工况编号 | 控制参数 | 载荷类型 |
LC1 | 纵向剪力 | 动载 |
LC2 | 浮箱分离力 | 动载 |
LC3 | 中纵剖面剪切力 | 动载 |
LC4 | 中纵剖面弯矩 | 动载 |
LC5 | 中纵剖面扭矩 | 动载 |
LC6 | 中横剖面弯矩 | 动载 |
LC7 | 甲板中心纵向加速度 | 动载 |
LC8 | 甲板中心横向加速度 | 动载 |
LC9 | 甲板中心垂向加速度 | 动载 |
LC10 | 自重及浮力 | 静载 |
工况编号 | 控制参数 | 载荷类型 |
LC1 | 纵向剪力 | 动载 |
LC2 | 浮箱分离力 | 动载 |
LC3 | 中纵剖面剪切力 | 动载 |
LC4 | 中纵剖面弯矩 | 动载 |
LC5 | 中纵剖面扭矩 | 动载 |
LC6 | 中横剖面弯矩 | 动载 |
LC7 | 甲板中心纵向加速度 | 动载 |
LC8 | 甲板中心横向加速度 | 动载 |
LC9 | 甲板中心垂向加速度 | 动载 |
LC10 | 自重及浮力 | 静载 |
表 3 海工平台的极限载荷
2）形成水动力载荷映射
将上述10个工况下的载荷，与海工平台结构模型相融合，映射，形成不同工况下的平台水动力载荷映射云图，如下图所示：
图 21 海工平台的水动力载荷映射
5.建立局部屈曲强度分析模型
从上面载荷云图可以看出，海工平台的某些区域受力更大，如吹吊机底座及支撑结构、防喷器底座、钻台支撑及井架底座、主机底座支撑结构等，对于钢结构体来讲，在外力作用下，结构件可能发生屈曲。局部屈曲的发生可能导致海工平台整体的失衡，如上述振荡运动特性值的变化，从而引发安全风险。
对于局部屈曲强度分析模型与上面极限强度分析采用同样的有限元分析方法进行局部屈曲结构强度分析方法。
6.建立疲劳分析模型
海工平台的疲劳分析模型主要包括：首先，根据波浪理论，计算得到平台在各方向单位波幅下的应力响应。结合应力响应和作业海域的波浪联合分布，通过统计学方法得到节点的应力响应谱。假定应力变化幅值符合瑞利分布函数，从而得到某一海况下应力变化幅值与概率密度之间的关系，并计算节点疲劳损伤。最后运用Miner线性累计公式，得到各方向环境力作用的疲劳累计损伤。
五、海工平台数字孪生的价值
通过应用数字孪生概念和技术建立海工平台数字孪生系统，与原来的信息管理系统相比，可以说是发生了一个革命性的变化，其价值包括：
1.用户价值
正如在GE数字孪生系统报告所讲的一样。海工平台数字孪生系统的建设首先是服务于用户，为其带来价值。包括：
1）保证安全评估和检验更有效、更快捷、更准确
海工平台数字孪生系统首先服务于检验机构，通过海工平台结构、环境和分析模型的建立、数据有效传递路径和方式建立，可以使相关检验过程更准确、更快捷，安全评估更准确、更可信，从而保障海工平台的运行安全，从而为检验机构和最终用户节省相关的检验费用。
2）为海工平台的维护提供决策依据
通过海工平台的数字孪生系统，可以预测海工平台的变化，从而有利于平台用户更合理安排海工平台的维护、构件的更换工作，为用户节省平台维护成本，提高平台的运行效率。
2.技术价值
从数字孪生系统相关技术看，其价值主要包括：
1）建立了平台检验过程中的统一业务链，为不同企业的业务建立了统一的业务平台。尤其是建立了测厚与信息管理、分析平台的信息传递与回馈关系。
图 22 海工平台数据流转图
2）形成了检验、测厚和用户三方统一的数据传递与交互的模型和平台。
图 23 海工平台数字孪生系统模型间数据传递关系
3）形成了相对开放式的模型开发和平台组建模式，通过上述统一数据传递与流程的建设，建立起一套通用的海工平台数据孪生元数据模型，并以此形成模型开发和平台建设的基本范式。例如：
图 24 海工平台数字孪生系统组件化模型示意
4）借助开放的架构可以接入不同检验机构的标准和规范，增加海工平台安全性评估的有效性和安全性。
3.产业价值
海工平台的设计、建造、检验和运营是一个关乎国家行业健康发展和安全的产业。基于数字孪生概念与理论建设统一的海工平台数字孪生系统，可以有效保障海工平台的安全，提高我国海工平台的国际影响力，从而不断推动我国海工平台设计技术和建造技术的进步，增强我国相关行业企业的国际竞争力。
从检验角度讲，通过该平台的应用，直接提升我国相关检验机构的技术能力和实力，有助于我国检验机构在国际竞争中扩大市场份额。
通过平台的应用，可以有效保障海工平台的安全，减少相关事故发生的风险，从而提升我国石化行业、尤其是海洋钻探和开采行业和企业的国际竞争力。
六、海工平台数字孪生系统的未来
从本应用案例看，基于数字孪生的海工平台后期可能进一步拓展和发展的方向包括：
1）分析模型的多样化
目前，该平台可以说是针对平台的检验建设了一套完整的分析技术方法和平台。但计算分析方法多种多样，而且各有所长，在实际应用中，通过应用不同的方法可以起到相互补充，查缺补漏的作用，因此，分析模型的多样化是平台未来发展的重要方向。
2）平台用户的拓展
从当前平台的应用看，该平台仅应用于测厚公司和检验机构，在海工平台整个寿命周期中的设计、建造和运营单位没有纳入，只有将他们纳入进来，增加不同单位的不同关注点，才能逐步建立起一个海工平台的数字孪生系统。
3）海工平台的设计优化
海工平台的技术进步可以说主要是来自于用户的需求和设计过程的优化，通过本平台的不断迭代分析，完全可以构建起一个完整的海工平台设计优化环境，从一个海工平台为开始，不断根据用户使用情况和反馈，在成本、性能指标、安全性等进行优化，如下图的雷达图所示，最终形成新一代的海工平台。
图 25 海工平台总体评价雷达图
4）预测模型开发
对于像海工平台这样的复杂装备，其寿命分析以及延寿是十分有价值的事情。这个平台目前尚没有相关平台寿命预测模型的开发，以及与平台应用寿命密切相关的钢结构腐蚀和剩余厚度的预测模型，用于指导海工平台设计和测厚工作。
5）决策支持模型开发
任何一个信息化平台的建设，最终基本都归结为能够为相关工作决策提供更准确的数据支撑依据。辅助决策功能模型的开发与建立，是海工平台数据孪生系统建设不可缺少的一个组成部分，尤其是在建立和强化海工平台预测性维护体系过程中
