流程工业智能制造技术理论及应用 课件 第六章-流程工业数字孪生

流程工业智能制造技术理论及应用2026年1月27日流程工业数字孪生概述1流程工业数字孪生应用案例3数字孪生五维模型与关键技术2第六章流程工业数字孪生1、流程工业数字孪生概述生产制造是人类赖以生存和发展的基础3数字孪生技术，是指在数字空间中以物理实体为基础构建一个虚拟对象虚拟对象在外观、行为上与物理实体完全一致，是物理实体的全生命周期在数字空间中的一种实时映射数字孪生技术简介随着生产规模的扩大与生产要求的提高，生产过程高复杂性、强不确定性和强非线性等特点愈发明显采用传统控制方法对系统进行全面深入的研究变得十分困难。仿真推演技术为解决该问题提供了一种有效途径1、流程工业数字孪生概述数字孪生技术的发展阶段4从数字孪生概念的起源来看，可以将数字孪生技术的发展分为三个阶段：

概念萌芽期、航空航天应用期以及多行业拓展期流程工业数字孪生概述1流程工业数字孪生应用案例3数字孪生五维模型与关键技术2第六章流程工业数字孪生2、数字孪生五维模型与关键技术数字孪生五维模型5由物理实体、虚拟实体、服务、孪生数据以及各组成部分间的连接共同组成2、数字孪生五维模型与关键技术数字孪生五维模型——物理实体（PE）6

生产线上各设备：单元级PE生产线：系统级PE复杂工业流程：复杂系统级PE2、数字孪生五维模型与关键技术数字孪生五维模型——虚拟实体（VE）7

2、数字孪生五维模型与关键技术数字孪生五维模型——服务（Ss）8服务是指对数字孪生应用过程中所需各类数据、模型、算法、仿真、结果进行服务化封装功能性服务为业务性服务的实现和运行提供支撑向VE提供的模型管理服务面向DD提供的数据管理与处理服务面向CN提供的综合连接服务功能性服务面向终端现场操作人员的操作指导服务面向专业技术人员的专业化技术服务面向管理决策人员的智能决策服务面向终端用户的产品服务业务性服务2、数字孪生五维模型与关键技术数字孪生五维模型——孪生数据（DD）9

2、数字孪生五维模型与关键技术数字孪生五维模型——连接（CN）10

2、数字孪生五维模型与关键技术数字孪生关键技术——虚拟实体（PE）构建关键技术11几何物理模型（Gv，Pv）构建三维建模软件（如SolidWorks、3DMAX、ProE、AutoCAD等）仪器设备（如三维扫描仪）从宏观及微观尺度进行动态的数学近似模拟与刻画（如ANSYS，ABAQUS，Hypermesh 等），如结构、流体、电场、磁场建模仿真分析等行为规则模型（Bv，Rv）构建当工业过程系统能够用简单的数学关系如代数式、计算式、概率理论等表示时，通常可

以得到系统满足目标的解析解但实际生产中的系统往往是十分复杂的，难以找到对应的关系，这就需要采用仿真技术

进行研究2、数字孪生五维模型与关键技术虚拟实体（PE）构建关键技术——稳态仿真技术12稳态仿真技术主要应用于离散生产制造过程机理方法主要用于分析建模对象的内在特性，如化学反应特性、电磁特性等，以此建立对象的稳态模型数据驱动方法主要基于制造对象的大量数据，利用机器学习等方法模拟参数间的关系，建立对象的稳态模型机理与数据驱动相结合的方法则是针对较为复杂的对象，首先利用机理知识确定模型的结构，然后用大量数据来辨识模型的参数，以此建立稳态模型解决的问题过程系统的模拟分析过程系统的设计过程系统的参数优化稳态模型主要是通过机理、数据驱动或两种方法相结合的方式建立2、数字孪生五维模型与关键技术虚拟实体（PE）构建关键技术——稳态仿真技术13

2、数字孪生五维模型与关键技术虚拟实体（PE）构建关键技术——动态仿真技术14对机理较明确的过程：根据某一对象或过程的机理建立数学描述方程，由模型的输入输出选择相应的求解方法，得到模型输入输出之间的数学关系，进而建立动态仿真模型对“黑箱”或“灰箱”过程：使用数据驱动的方法（或数据驱动与机理相结合的方法）建立动态仿真模型机理较明确“黑箱”“灰箱”物理机理、化学机理…数学描述方程模型输入、输出间的数学关系求解部分机理模型结构模型参数机器学习方法大量过程数据2、数字孪生五维模型与关键技术虚拟实体（PE）构建关键技术——动态仿真技术15

2、数字孪生五维模型与关键技术虚拟实体（PE）构建关键技术——动态仿真技术16

2、数字孪生五维模型与关键技术数字孪生关键技术——服务（Ss）构建关键技术17物理产品或系统全生命周期中依托各类软件和程序代码、插件等实现的各种功能和服务2、数字孪生五维模型与关键技术数字孪生关键技术——孪生数据（DD）构建关键技术18为了建立功能完备的数字孪生体，需要大量准确的相关数据，数据的感知决定了数字孪生体最终的效果流程工业现场数据可通过分布式控制（DistributedControlSystem，DCS）系统、可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC）系统、智能检测仪表等进行采集数字孪生系统建设过程中，获取的数据形式多样，既包括图像、声音等非结构化数据，也包括温度、压力、流量、成分等结构化数据。另外，还有大量由产品生命周期管理系统（ProductLifecycleManagement，PLM）、应用程序生命周期管理系统（ApplicationLifecycleManagement，ALM）、服务生命周期管理系统（ServiceLifecycleManagement，SLM）等系统产生的半结构化数据而流程工业的数据，在此基础上存在着更为复杂的特点，主要体现在数据的多采样率特性2、数字孪生五维模型与关键技术数字孪生关键技术——连接（CN）构建关键技术19连接与交互是数字孪生由滞至通、由静至动、由孤至融的核心关键，通过实现数字孪生内外要素间的紧密相连，使数字孪生既成为数据互通、资源共享、信息融合的整体，又能与环境积极主动交流流程工业数字孪生概述1流程工业数字孪生应用案例3数字孪生五维模型与关键技术2第六章流程工业数字孪生3、数字孪生应用案例——复杂地质钻进过程智能控制数字孪生复杂地质钻进过程智能控制问题和需求20复杂地质钻进过程是穿越多套高地应力、高地温和高陡构造地层抵达目标区域，对资源能源进行勘探开发的过程该过程包含的系统主要有三个，分别是绞车转盘系统、泥浆循环系统和轨迹控制系统转盘旋转系统带动钻柱、底部钻具组合、钻头整体旋转泥浆循环系统被称为“钻进的血液”，保证钻进过程安全轨迹控制系统通过调整工具面向角实现方位角和井斜角的改变，进而控制实际钻进轨迹有效跟踪设计钻进轨迹钻进过程中钻柱、底部钻具组合、钻头、泥浆和井壁之间存在强烈热-流-固反应，机理复杂非线性强各钻进参数之间耦合严重3、数字孪生应用案例——复杂地质钻进过程智能控制数字孪生复杂地质钻进过程智能控制数字孪生概述21国内处于初步阶段，主要集中在理论研究和小规模实验验证中石油和中石化等大型企业的研究院，尝试构建钻井过程的虚拟模型，通过仿真和数据分析来优化钻井参数和策略成都理工大学的重点实验室通过对基于数字孪生的智能钻探服务平台架构、运行模式与平台实现进行研究，利用钻进过程不同时段获取的时序监测数据驱动在虚拟空间中构建钻进过程数字孪生模型，实现信息空间中钻进全过程模拟国外处于领先地位，目前已开发了全面的数字孪生平台欧美国家的大型石油公司和科研机构，如Schlumberger、Halliburton、BakerHughes等，已经在实际钻井作业中广泛应用数字孪生技术，取得了显著效果挪威的Equinor公司在其北海油田的钻井作业中，成功应用了数字孪生技术，实现了全程的智能化控制和管理3、数字孪生应用案例——复杂地质钻进过程智能控制数字孪生复杂地质钻进过程智能控制数字孪生系统架构223、数字孪生应用案例——复杂地质钻进过程智能控制数字孪生钻进过程的现场概况及电气结构实验23该过程包含的系统主要有三个，分别是泥浆循环系统、转盘旋转系统和绞车提升系统泥浆循环系统被称为“钻进的血液”，保证钻进过程安全转盘旋转系统带动钻柱、底部钻具组合、钻头整体旋转绞车提升系统是控制钻头-岩石接触压力大小的关键该孪生系统以某款交流变频电传动钻机为基础进行研究，所用设备包括：井架、司钻房、绞车、转盘、电控房、振动筛、泥浆泵、泥浆罐、沉淀池、除砂器、加料器等通过虚拟仿真建模展现了钻进现场绞车提升、转盘回转和泥浆循环三大系统及其电气结构3、数字孪生应用案例——复杂地质钻进过程智能控制数字孪生24钻进过程安全预警断钻具：由于钻具刺漏或操作不当引起的钻杆断裂、脱落由于钻杆的断裂，一部分钻杆直接落入井底反映到钻进参数变化：立管压力突然下降、钻压突然下降，判断可能出现断钻具异常事故处理：当发生断钻具事故后，司钻应及时停止钻进，提起钻杆，重新下打捞工具井涌：由于地层压力变化，井壁发生破裂，地层流体进入井筒由于地层压力大于钻井液压力，在钻井液由井底返回至地面的途中，一部分钻井液渗入地层；当井漏严重时，钻井液甚至无法返回至地面反映到钻进参数变化：总池体积上升、立管压力下降，判断可能出现井涌异常事故处理：当观察到钻进过程数据变化情况符合井漏异常时，调整司钻房中的泵量，通过调整加料器，加入堵漏材料，提高钻井液粘度。及时关闭位于井口的防喷阀，防止更为严重的井喷事故发生3、数字孪生应用案例——复杂地质钻进过程智能控制数字孪生25钻进过程安全预警钻具刺漏：由于钻具老化或损坏，钻杆或接头处出现裂痕由于钻杆或接头处存在裂痕，在钻井液泵入井底的过程中，一部分钻井液渗入直接通过缝隙返回至井上反映到钻进参数变化：立管压力一直缓慢下降，判断可能出现钻具刺漏异常事故处理：当发生钻具刺漏后，司钻应及时停止钻进，提钻更换新钻杆，否则可能导致更严重的事故井漏：由于地层压力变化，井壁发生破裂，钻井液漏失由于地层压力小于钻井液压力，在钻井液由井底返回至地面的途中，一部分钻井液渗入地层；当井漏严重时，钻井液甚至无法返回至地面反映到钻进参数变化：总池体积下降、立管压力下降，判断可能出现井漏异常事故处理：当观察到钻进过程数据变化情况符合井漏异常时，调整司钻房中的泵量，通过调整加料器，加入堵漏材料，提高钻井液粘度3、数字孪生应用案例——隧道超前地质预报数字孪生26隧道超前地质预报问题和需求在工业转型过程中，信息技术的理论和方法逐渐改造传统隧道建造模式，隧道超前地质预报的需求呈现出数字化、智能化发展的趋势在隧道超前地质预报中，盾构机（TunnelBoringMachine，TBM）应用广泛但盾构机施工方法的灵活性和地质适应性较低，遇到不良地质时极易引发工程失败和人员伤亡等严重问题需要利用地质感知方法和模型，结合岩-机相互作用理论，在盾构机掘进过程中及时感知和决策前方地质情况目前对于盾构机的参数控制和调整仍然广泛依赖于人工操作，这使得隧道掘进时难以根据实际情况实现实时的智能控制，并可能导致决策失误，存在较大的安全隐患3、数字孪生应用案例——隧道超前地质预报数字孪生27隧道超前地质预报数字孪生概述在隧道建设阶段，智能化技术的应用旨在整合地质感知和灾害预报预警等功能在隧道运营阶段，智能化技术的应用主要集中在全方位监测系统和检测装备上，以实现隧道缺陷检测和运行管控等功能在隧道超前地质预报中，数字孪生技术通过建立精细的虚拟模型，融合计算机建模、数值计算和辅助设计技术，预报结果更加精准将数字孪生技术和智能算法引入盾构掘进施工中，通过建立盾构机的虚拟模型和分析模型，并实现盾构机实体与虚拟模型、分析模型的相互融合和数据交互，不仅能准确地对掘进参数进行预测和预警，还能及时进行掘进参数的控制调整，实现盾构施工的智能化管控3、数字孪生应用案例——隧道超前地质预报数字孪生28隧道超前地质预报数字孪生系统架构3、数字孪生应用案例——隧道超前地质预报数字孪生29隧道超前地质预报数字孪生系统应用及服务隧道超前地质预报数字孪生系统贯穿于整个隧道施工过程中，为地层感知、风险评价、辅助决策提供解决方案3、数字孪生应用案例——地下管网健康管理数字孪生30地下管网PHM技术和需求分析技术发展方面随着智能传感器、新兴通信技术等新设备、新技术的使用，极大地提升了管网运行数据获取的自动化、实时化和远程化管网运营过程中数据种类呈指数型增长，导致各种数据孤岛的存在需求发展方面随着地下管网敷设范围和使用年限的不断增加，需要在管网的在全流程、全业务、全生命周期构建智能生命线工程，以此建立安全、多元化的城市地下管网系统而如何充分融合物理世界和与信息世界，在降低运营成本的同时优化用户体验，以提高管网运营效率，是智慧管网研究的重中之重3、数字孪生应用案例——地下管网健康管理数字孪生31数字孪生驱动的地下管网PHM概述国外诸多管道企业在管道的设备状态监测、完整性管理以及运行调控等方面，开发了基于管道数字孪