海洋工程数字化技术发展现状及趋势
近年来，为顺应数字化发展大势，全球海洋工程领域不断加区块链、大数据、云计算、人工智能等数字技术的研发和应用方面的创新投入，赋能产业转型升级。从目前来看，海上数字油田、海工装备数字孪生、智能设计与制造以及数字仿真无一不是行业的热点，通过对国内外该领域的发展现状分析不难发现，海洋工程领域的数字生态圈正在逐渐形成。 近10年来，云计算、物联网、大数据、人工智能等新兴数字化技术应用日趋成熟，数字化技术正逐步成为油气公司转型增效的关注重点。 国外大型石油公司陆续向智能油田建设迈进，英国石油公司的未来油田、壳牌的智能油田等成为智能油田建设先行者。2018年10月，挪威国家石油与康士伯公司合作在北海投用了新建的无人平台OSEBERG-H，该平台采用全无人化设计，每年仅需1～2次维护，PDO成本预算下降20%，盈亏平衡价格从34美元/桶降至20美元/桶以下；钻井公司诺布尔与通用电气(GE)合作建立世界第一艘数字化钻井船，目标是要减少20%的钻井运营支出；西班牙雷普索尔(Repsol)公司利用人工智能技术，建立油藏类比模型，对油藏特征进行类比分析，提高油藏类比的可靠性与工作效率，通过北海油田试点，可采储量比迄今公布的最佳解决方案提高了9%。 我国油田数字化建设起步相对较晚，早在20世纪90年代就实施了数据数字化建设。2012年中国海洋石油集团有限公司首次提出了海上“智能油田”的建设目标。2014年联合埃森哲启动智能油田规划及架构工作，将勘探开发生产等业务与新兴数字化技术紧密结合，探索符合企业自身特点的海上智能油田建设之路。2018年中国海油在海上平台无人化、少人化的基础上加快推进智能油气田技术研究和海上智能油气田试点建设工作，并联合安永进行了智能油田滚动规划。目前，中国海油正在积极开展海上平台无人化、少人化建设，加快推进勘探开发数据资源中心和陆地生产操控中心建设，依托岸电通信网络和“一湖数据”，推进海上智能油气田建设。截止目前，已有20多座海上平台实现无人化，预计“十四五”末海上无人平台占比将达到15%。 技术的快速进步使得数字化油田建设成为可能。海上数字油田建设和发展将会呈现以下方向和趋势： (1)海上井口平台将实现无人化、海上中心平台将实现少人化、海上油气田台风模式将实现常态化、生产运营将实现一体化、勘探开发数据资源的使用将规范化和统一化。 (2)海上油气田将实现从勘探、开发、生产、管理到决策环节的全流程自动化、数字化和智能化；专业间的壁垒将会被打破，生产操作将在一体化生产运营中心完成，各专业将实现协同作业；大部分操作与维护准备工作将在陆地完成，海上油气田将变得更加绿色低碳。 (3)5G和工业物联网技术，边缘计算，移动应用、机器人和无人机技术，数字孪生、虚拟现实和增强现实技术，云计算技术，深度学习、机器学习等技术将会被应用与海上油田建设的各个环节。 (4)更多的油公司寻求与互联网公司加强合作，加快推进油公司数字化转型。网络化、数字化、智能化将改变现有的油气田开发、生产与运营模式。未来会需要更多既懂业务，也懂IT的复合型人才，需要更多数据专家、算法专家、系统架构师等。 数字孪生作为信息物理系统融合领域的新技术，可以为海工装备提供具有感知、分析、执行能力的数字孪生体，利用传感器、通信、物联网、互联网等技术手段，在设计、生产、管理、维护保养等方面实现智能运行或优化，以使海工装备更加安全、环保、经济和可靠。 自2015年起，世界多国已在海洋工程设施与装备的数字孪生技术研发上开始发力。2016年，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、马士基钻井公司Maersk Drilling、美国船级社ABS合作，进行数字钻井船和数字挛生体的试点合作；2018年，丹麦Ramboll公司借助数字孪生技术平台的研发，在海洋工程结构完整性数字化管理上推出了一系列应用产品；挪威Kongsberg公司在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，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，将进一步提高设计质量，增强跨学科协作，降低项目和运营风险；2019年，美国能源部资助漂浮式风机WindFloat设计者Principle Power and Principal Investigator(PPI)，将开发世界上第一套适用于漂浮式海上风电的数字孪生软件DIGIFLOAT。 近年来，我国在海上设施数字孪生研究中取得了许多成果。天津大学研发出“海上在役平台实时安全健康监测与评估关键技术”，应用数字化监测系统监测平台实际状态，利用智能算法对大数据进行处理和平台预警，并在渤海导管架平台NB35-2B上实现应用示范；中海油对“深海一号”半潜式储油平台开发了具备完全自主知识产权的一体化数字监测系统；中海油服正在研发的“海洋石油982”半潜式钻井平台“智慧船体”项目，利用先进的智能算法对实时监测数据进行大数据分析，实现风险预警、智能决策和基于RBI的检验策略；正在研发的“海基一号”亚洲第一深水导管架平台的导管架健康管理系统，是基于数字孪生技术形成海上平台端综合监测子系统和陆地端数字孪生子系统，利用监测获取的数据作为数字仿真输入，通过大数据分析，实现对平台结构状态在线实时监测与安全预警。 
图1 GE提出的钻井平台数字挛生体(概念图) 
图2 浮式风电数字孪生体(概念图) 目前海工装备的数字孪生技术仍处于探索和研究阶段，世界各国技术水平相差不大，因此我国应加大该领域的技术研发和应用，争取能够在该技术方向上早日实现行业领跑。 (1)海洋工程领域的数字化技术标准体系构建。应建设统一标准的海洋工程数字孪生技术标准，建立数字化相关术语、数字格式、系统架构、适用准则标准，提出数字模型、数据连接与集成标准，统一数字化实施要求、工具和建设平台标准等。 (2)高保真度/逼真度的建模仿真及预测技术。高保真度/逼真度的建模仿真技术被国际公认为实现数字孪生的关键，是构建工程实体数字孪生的数据准备，既要满足模型精度要求，又要考虑数据传输、处理、分析等的复杂性和耗时性；同时，高置信度的仿真预测需要基于机器学习算法构建预测分析模型，开展对工程实体的故障诊断分析、健康安全性能的概率预测及智能化决策等。 (3)高实时性的数据处理和交互。研发数据驱动的深度学习方法，构建由海工装备的海量数据，挖掘深层信息规律的关键技术体系，实现从事后评价向事前预测的数字智能化转变；针对多区块、多设施/装备建设的数字孪生体，构建以区块链数字交换与共享技术为支撑的数字孪生网络，形成跨区域、跨场景的综合数字孪生共享体系。 (4)建立海洋工程装备全生命周期数字孪生系统。构建海工装备数字孪生数据协同发展工业物联网，实现设计、制造、运营、管理、维护等生命周期数据之间的相互关联，预见装备性能和质量，进行现场试验数据验证，优化生产工艺，实时远程监控装备的任务数据、环境数据、维修保障数据，实现海工装备全领域、全生命周期的实时管理和监控。 海工装备智能设计与制造是以海洋工程专业为基础，以数字化建模仿真与优化为特征，将信息技术全面应用于海工装备的开发全过程，实现装备设计全数字化、制造精益化和敏捷化、管理精细化、制造装备自动化和智能化，从而大幅度提高生产效率和降低成本。 欧美国家充分利用先进的信息技术手段改造传统的造船设计和生产方式。发达国家在设计技术方面普通采用了三维设计建模，在信息集成和共享方面采用了产品数据管理系统，初步实现了并行协同设计和生产；在制造方面，虚拟制造技术已应用于生产实践，实现了制造前的生产过程数字化模拟。美国的Intergraph公司的Intelliship系统将船舶与海工装备设计规则融合到CAD系统中，初步实现了设计的智能化；日本和韩国通过研发集成制造系统，解决数据流通问题，实现海工装备设计、生产一体化，同时将智能机器人引入生产装备制造车间，加快无人化工厂建设；韩国三星重工与Intergraph公司联合开发的Smart 3D融合了设计规则，可自动检查违反设计规则的设计并改正，推进智能设计发展，在强大的设计功能之外，该软件还能与切割、焊接等生产自动化系统实时共享设计信息，按照制定的日程自动执行作业。三星重工在2012年首次在一条钻井船的设计过程中采用该软件，设计效率提高50%以上，生产效率也得到了极大提高。 我国海洋工程装备制造业通过引进、消化吸收和自主创新，在数字化、信息化、智能化方面取得了一定进展。数字化技术在产品设计、建造和生产管理中得到一定应用，形成可用的设计二次开发软件及专用生产管理软件，在一定程度上提高了工作效率。如来福士船厂自主研发的ECMS及管路自动出图二次开发程序；振华重工牵头研制的海上钻井平台装备制造智能焊接车间通过预验收，应用数字化设计、机器人自动化焊接以及信息化车间管理等智能融合技术，极大提高了关键结构的生产效率；2022年，海油工程天津智能化制造基地正式投产，“智能工厂”打造了三大智能中心、七个辅助车间、八处总装工位，并依托全场信息管控系统实现一体化管理、可视化生产和数字化交付，自动切割率可达到90%以上，甲板片自动焊接率达到70%，运营管理等效率可提升20%以上。“智能工厂”的建成标志着我国海洋油气装备行业智能化转型实现重大突破。 智能设计与制造是海洋工程装备发展的必然趋势，基于数字技术的信息化、智能化、网络化以及绿色化设计与制造技术是未来需要重点突破的方向。 (1)研发海工装备全生命周期过程的数字化管理体系。打通数据“信息孤岛”现象，实现数据共享、文件控制，确保海洋工程装备产品并行协同设计和协同制造模式的建立。 (2)利用最新技术进一步提升海工装备的智能化制造水平。在系统科学的指导下将企业全部生产经营数据采用软硬件综合成一个由智能计算机、自动化设备和智能机器人组成的集成系统，切割机器人、装配焊接机器人等逐步应用，进行智能加工、装配和制造，生产成本显著降低，生产效率明显提升。 (3)建立基于数字化技术的物联网海工装备制造体系。采用大数据、互联网、云计算等技术，建立灵活有效、互惠互利的动态企业联盟，有效地对研究、设计、生产和销售各种资源进行重组，利用计算机网络，集成和流通科研、设计、生产及其过程控制信息和经营、管理、服务等信息，提高制造企业竞争力。 (4)虚拟现实技术在智能设计与制造上的推广应用。开展数字孪生技术在海工装备设计与制造中的应用，重点突破装备设计与虚拟评估一体化集成技术、建造虚拟装配技术应用研究、建造生产物流虚拟仿真技术开发与应用等，形成海洋工程行业设计与制造虚拟仿真应用平台。
将数字仿真技术应用于海洋工程的方案论证、设计分析、生产制造、试验维护、人员训练等领域，可以极大地降低海上施工作业风险，提高海上作业效率，具有广阔应用场景。 1963年，第一个商业仿真软件公司MSC诞生于美国NASA，经过大约60年的蓬勃发展，各软件公司不断收购，最终形成巨头垄断局面，目前仿真分析行业基本被Ansys，Dassult Systems，Altair，MSC，西门子工业软件等公司所垄断。应用于海洋工程设计领域的工程软件，如MOSES、SACS、Hydrostar、Sesam、Orcaflex等国外软件也被行业广泛应用。 近几年国内有些单位也开始致力于海洋工程仿真软件的开发实践工作，处于起步阶段，需要行业的大力支持和不断使用反馈，仍需国家统一部署和规划。2018年，海洋石油工程股份有限公司牵头完成海洋工程数字化技术中心的建设，建立了海洋环境水力动力学模型和海洋工程装备运动模型，自主研发出分布式实时仿真、虚拟现实仿真、实时解算等关键技术，为海上吊装、海上浮托、水下生产设施安装等国内外海洋工程作业提供仿真方案预演与关键岗位人员模拟培训，还能够对设计建造、水下作业及应急维修等海洋工程作业的全过程完成仿真预演，构建起海洋工程全寿命周期的虚拟环境。 数字仿真作为高效、逼真、安全的技术手段，可应用于海洋工程领域的多个方面： (1)设计阶段数字仿真。从设计阶段开始搭建海工装备全生命周期的数字仿真模型和仿真环境，应用数字孪生技术，通过收集物理世界的数据、打通各数字模型之间的数据孤岛，支持知识库/数据库的建立，为后期装备建造和营运做好数字模型储备；同时，利用高保真的仿真环境、可计算性、易重复性等优势可提高设计验证能力。 (2)建造过程数字仿真。借助于制造工艺仿真与优化技术对海工装备制造过程的关键问题和关键节点进行仿真，对建造过程、工艺规划、制造精度、吊装安全等进行虚拟仿真与验证，改善管理和生产流程，减少可能出现的各种设计和生产管理问题。 (3)海上安装、作业过程数字仿真。针对海上各类高风险施工作业，如海上吊装、钻井作业、水下安装、海底探测等，提前建立数字仿真模拟环境，进行方案设计和作业预演，可有效完成作业可行性分析、风险识别控制、人员安全操作培训等。 (4)试验数字仿真。采用数字仿真技术模拟水池试验，仿真海洋装备在恶劣海洋环境中的性能表现，开展船舶与海洋结构物流体动力响应过程的虚拟试验，解决物理水池试验成本高、周期长的问题以及试验尺度效应的固有困难；通过数字仿真平台开展船舶与海上设施海上功能及性能仿真试验测试；开展新材料耐火试验仿真试验；进行海上人员疏散和逃生仿真分析以及油气平台火灾、爆炸等模拟仿真分析等。 综上所述，数字化技术包括种类众多，在海洋工程领域应用场景也很多，而且会不断地进行延伸和拓展。从全球行业发展来看，数字化技术在海工装备上的应用尚处于研究探索和应用示范阶段，目前我国与国外发达国家相比水平差距不大，只要我们加强关键技术攻关，努力开展全行业协同研究，积极进行示范应用引领，实现弯道超车肯定会指日可待。 
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首次发布时间：2022-11-18
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