流程工業(yè)智能制造技術理論及應用2026年1月27日流程工業(yè)數(shù)字孿生概述1流程工業(yè)數(shù)字孿生應用案例3數(shù)字孿生五維模型與關鍵技術2第六章流程工業(yè)數(shù)字孿生1、流程工業(yè)數(shù)字孿生概述生產(chǎn)制造是人類賴以生存和發(fā)展的基礎3數(shù)字孿生技術，是指在數(shù)字空間中以物理實體為基礎構建一個虛擬對象虛擬對象在外觀、行為上與物理實體完全一致，是物理實體的全生命周期在數(shù)字空間中的一種實時映射數(shù)字孿生技術簡介隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大與生產(chǎn)要求的提高，生產(chǎn)過程高復雜性、強不確定性和強非線性等特點愈發(fā)明顯采用傳統(tǒng)控制方法對系統(tǒng)進行全面深入的研究變得十分困難。仿真推演技術為解決該問題提供了一種有效途徑1、流程工業(yè)數(shù)字孿生概述數(shù)字孿生技術的發(fā)展階段4從數(shù)字孿生概念的起源來看，可以將數(shù)字孿生技術的發(fā)展分為三個階段：

概念萌芽期、航空航天應用期以及多行業(yè)拓展期流程工業(yè)數(shù)字孿生概述1流程工業(yè)數(shù)字孿生應用案例3數(shù)字孿生五維模型與關鍵技術2第六章流程工業(yè)數(shù)字孿生2、數(shù)字孿生五維模型與關鍵技術數(shù)字孿生五維模型5由物理實體、虛擬實體、服務、孿生數(shù)據(jù)以及各組成部分間的連接共同組成2、數(shù)字孿生五維模型與關鍵技術數(shù)字孿生五維模型——物理實體（PE）6

生產(chǎn)線上各設備：單元級PE生產(chǎn)線：系統(tǒng)級PE復雜工業(yè)流程：復雜系統(tǒng)級PE2、數(shù)字孿生五維模型與關鍵技術數(shù)字孿生五維模型——虛擬實體（VE）7

2、數(shù)字孿生五維模型與關鍵技術數(shù)字孿生五維模型——服務（Ss）8服務是指對數(shù)字孿生應用過程中所需各類數(shù)據(jù)、模型、算法、仿真、結果進行服務化封裝功能性服務為業(yè)務性服務的實現(xiàn)和運行提供支撐向VE提供的模型管理服務面向DD提供的數(shù)據(jù)管理與處理服務面向CN提供的綜合連接服務功能性服務面向終端現(xiàn)場操作人員的操作指導服務面向專業(yè)技術人員的專業(yè)化技術服務面向管理決策人員的智能決策服務面向終端用戶的產(chǎn)品服務業(yè)務性服務2、數(shù)字孿生五維模型與關鍵技術數(shù)字孿生五維模型——孿生數(shù)據(jù)（DD）9

2、數(shù)字孿生五維模型與關鍵技術數(shù)字孿生五維模型——連接（CN）10

2、數(shù)字孿生五維模型與關鍵技術數(shù)字孿生關鍵技術——虛擬實體（PE）構建關鍵技術11幾何物理模型（Gv，Pv）構建三維建模軟件（如SolidWorks、3DMAX、ProE、AutoCAD等）儀器設備（如三維掃描儀）從宏觀及微觀尺度進行動態(tài)的數(shù)學近似模擬與刻畫（如ANSYS，ABAQUS，Hypermesh 等），如結構、流體、電場、磁場建模仿真分析等行為規(guī)則模型（Bv，Rv）構建當工業(yè)過程系統(tǒng)能夠用簡單的數(shù)學關系如代數(shù)式、計算式、概率理論等表示時，通常可

以得到系統(tǒng)滿足目標的解析解但實際生產(chǎn)中的系統(tǒng)往往是十分復雜的，難以找到對應的關系，這就需要采用仿真技術

進行研究2、數(shù)字孿生五維模型與關鍵技術虛擬實體（PE）構建關鍵技術——穩(wěn)態(tài)仿真技術12穩(wěn)態(tài)仿真技術主要應用于離散生產(chǎn)制造過程機理方法主要用于分析建模對象的內在特性，如化學反應特性、電磁特性等，以此建立對象的穩(wěn)態(tài)模型數(shù)據(jù)驅動方法主要基于制造對象的大量數(shù)據(jù)，利用機器學習等方法模擬參數(shù)間的關系，建立對象的穩(wěn)態(tài)模型機理與數(shù)據(jù)驅動相結合的方法則是針對較為復雜的對象，首先利用機理知識確定模型的結構，然后用大量數(shù)據(jù)來辨識模型的參數(shù)，以此建立穩(wěn)態(tài)模型解決的問題過程系統(tǒng)的模擬分析過程系統(tǒng)的設計過程系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化穩(wěn)態(tài)模型主要是通過機理、數(shù)據(jù)驅動或兩種方法相結合的方式建立2、數(shù)字孿生五維模型與關鍵技術虛擬實體（PE）構建關鍵技術——穩(wěn)態(tài)仿真技術13

2、數(shù)字孿生五維模型與關鍵技術虛擬實體（PE）構建關鍵技術——動態(tài)仿真技術14對機理較明確的過程：根據(jù)某一對象或過程的機理建立數(shù)學描述方程，由模型的輸入輸出選擇相應的求解方法，得到模型輸入輸出之間的數(shù)學關系，進而建立動態(tài)仿真模型對“黑箱”或“灰箱”過程：使用數(shù)據(jù)驅動的方法（或數(shù)據(jù)驅動與機理相結合的方法）建立動態(tài)仿真模型機理較明確“黑箱”“灰箱”物理機理、化學機理…數(shù)學描述方程模型輸入、輸出間的數(shù)學關系求解部分機理模型結構模型參數(shù)機器學習方法大量過程數(shù)據(jù)2、數(shù)字孿生五維模型與關鍵技術虛擬實體（PE）構建關鍵技術——動態(tài)仿真技術15

2、數(shù)字孿生五維模型與關鍵技術虛擬實體（PE）構建關鍵技術——動態(tài)仿真技術16

2、數(shù)字孿生五維模型與關鍵技術數(shù)字孿生關鍵技術——服務（Ss）構建關鍵技術17物理產(chǎn)品或系統(tǒng)全生命周期中依托各類軟件和程序代碼、插件等實現(xiàn)的各種功能和服務2、數(shù)字孿生五維模型與關鍵技術數(shù)字孿生關鍵技術——孿生數(shù)據(jù)（DD）構建關鍵技術18為了建立功能完備的數(shù)字孿生體，需要大量準確的相關數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的感知決定了數(shù)字孿生體最終的效果流程工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)可通過分布式控制（DistributedControlSystem，DCS）系統(tǒng)、可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController，PLC）系統(tǒng)、智能檢測儀表等進行采集數(shù)字孿生系統(tǒng)建設過程中，獲取的數(shù)據(jù)形式多樣，既包括圖像、聲音等非結構化數(shù)據(jù)，也包括溫度、壓力、流量、成分等結構化數(shù)據(jù)。另外，還有大量由產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)（ProductLifecycleManagement，PLM）、應用程序生命周期管理系統(tǒng)（ApplicationLifecycleManagement，ALM）、服務生命周期管理系統(tǒng)（ServiceLifecycleManagement，SLM）等系統(tǒng)產(chǎn)生的半結構化數(shù)據(jù)而流程工業(yè)的數(shù)據(jù)，在此基礎上存在著更為復雜的特點，主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)的多采樣率特性2、數(shù)字孿生五維模型與關鍵技術數(shù)字孿生關鍵技術——連接（CN）構建關鍵技術19連接與交互是數(shù)字孿生由滯至通、由靜至動、由孤至融的核心關鍵，通過實現(xiàn)數(shù)字孿生內外要素間的緊密相連，使數(shù)字孿生既成為數(shù)據(jù)互通、資源共享、信息融合的整體，又能與環(huán)境積極主動交流流程工業(yè)數(shù)字孿生概述1流程工業(yè)數(shù)字孿生應用案例3數(shù)字孿生五維模型與關鍵技術2第六章流程工業(yè)數(shù)字孿生3、數(shù)字孿生應用案例——復雜地質鉆進過程智能控制數(shù)字孿生復雜地質鉆進過程智能控制問題和需求20復雜地質鉆進過程是穿越多套高地應力、高地溫和高陡構造地層抵達目標區(qū)域，對資源能源進行勘探開發(fā)的過程該過程包含的系統(tǒng)主要有三個，分別是絞車轉盤系統(tǒng)、泥漿循環(huán)系統(tǒng)和軌跡控制系統(tǒng)轉盤旋轉系統(tǒng)帶動鉆柱、底部鉆具組合、鉆頭整體旋轉泥漿循環(huán)系統(tǒng)被稱為“鉆進的血液”，保證鉆進過程安全軌跡控制系統(tǒng)通過調整工具面向角實現(xiàn)方位角和井斜角的改變，進而控制實際鉆進軌跡有效跟蹤設計鉆進軌跡鉆進過程中鉆柱、底部鉆具組合、鉆頭、泥漿和井壁之間存在強烈熱-流-固反應，機理復雜非線性強各鉆進參數(shù)之間耦合嚴重3、數(shù)字孿生應用案例——復雜地質鉆進過程智能控制數(shù)字孿生復雜地質鉆進過程智能控制數(shù)字孿生概述21國內處于初步階段，主要集中在理論研究和小規(guī)模實驗驗證中石油和中石化等大型企業(yè)的研究院，嘗試構建鉆井過程的虛擬模型，通過仿真和數(shù)據(jù)分析來優(yōu)化鉆井參數(shù)和策略成都理工大學的重點實驗室通過對基于數(shù)字孿生的智能鉆探服務平臺架構、運行模式與平臺實現(xiàn)進行研究，利用鉆進過程不同時段獲取的時序監(jiān)測數(shù)據(jù)驅動在虛擬空間中構建鉆進過程數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)信息空間中鉆進全過程模擬國外處于領先地位，目前已開發(fā)了全面的數(shù)字孿生平臺歐美國家的大型石油公司和科研機構，如Schlumberger、Halliburton、BakerHughes等，已經(jīng)在實際鉆井作業(yè)中廣泛應用數(shù)字孿生技術，取得了顯著效果挪威的Equinor公司在其北海油田的鉆井作業(yè)中，成功應用了數(shù)字孿生技術，實現(xiàn)了全程的智能化控制和管理3、數(shù)字孿生應用案例——復雜地質鉆進過程智能控制數(shù)字孿生復雜地質鉆進過程智能控制數(shù)字孿生系統(tǒng)架構223、數(shù)字孿生應用案例——復雜地質鉆進過程智能控制數(shù)字孿生鉆進過程的現(xiàn)場概況及電氣結構實驗23該過程包含的系統(tǒng)主要有三個，分別是泥漿循環(huán)系統(tǒng)、轉盤旋轉系統(tǒng)和絞車提升系統(tǒng)泥漿循環(huán)系統(tǒng)被稱為“鉆進的血液”，保證鉆進過程安全轉盤旋轉系統(tǒng)帶動鉆柱、底部鉆具組合、鉆頭整體旋轉絞車提升系統(tǒng)是控制鉆頭-巖石接觸壓力大小的關鍵該孿生系統(tǒng)以某款交流變頻電傳動鉆機為基礎進行研究，所用設備包括：井架、司鉆房、絞車、轉盤、電控房、振動篩、泥漿泵、泥漿罐、沉淀池、除砂器、加料器等通過虛擬仿真建模展現(xiàn)了鉆進現(xiàn)場絞車提升、轉盤回轉和泥漿循環(huán)三大系統(tǒng)及其電氣結構3、數(shù)字孿生應用案例——復雜地質鉆進過程智能控制數(shù)字孿生24鉆進過程安全預警斷鉆具：由于鉆具刺漏或操作不當引起的鉆桿斷裂、脫落由于鉆桿的斷裂，一部分鉆桿直接落入井底反映到鉆進參數(shù)變化：立管壓力突然下降、鉆壓突然下降，判斷可能出現(xiàn)斷鉆具異常事故處理：當發(fā)生斷鉆具事故后，司鉆應及時停止鉆進，提起鉆桿，重新下打撈工具井涌：由于地層壓力變化，井壁發(fā)生破裂，地層流體進入井筒由于地層壓力大于鉆井液壓力，在鉆井液由井底返回至地面的途中，一部分鉆井液滲入地層；當井漏嚴重時，鉆井液甚至無法返回至地面反映到鉆進參數(shù)變化：總池體積上升、立管壓力下降，判斷可能出現(xiàn)井涌異常事故處理：當觀察到鉆進過程數(shù)據(jù)變化情況符合井漏異常時，調整司鉆房中的泵量，通過調整加料器，加入堵漏材料，提高鉆井液粘度。及時關閉位于井口的防噴閥，防止更為嚴重的井噴事故發(fā)生3、數(shù)字孿生應用案例——復雜地質鉆進過程智能控制數(shù)字孿生25鉆進過程安全預警鉆具刺漏：由于鉆具老化或損壞，鉆桿或接頭處出現(xiàn)裂痕由于鉆桿或接頭處存在裂痕，在鉆井液泵入井底的過程中，一部分鉆井液滲入直接通過縫隙返回至井上反映到鉆進參數(shù)變化：立管壓力一直緩慢下降，判斷可能出現(xiàn)鉆具刺漏異常事故處理：當發(fā)生鉆具刺漏后，司鉆應及時停止鉆進，提鉆更換新鉆桿，否則可能導致更嚴重的事故井漏：由于地層壓力變化，井壁發(fā)生破裂，鉆井液漏失由于地層壓力小于鉆井液壓力，在鉆井液由井底返回至地面的途中，一部分鉆井液滲入地層；當井漏嚴重時，鉆井液甚至無法返回至地面反映到鉆進參數(shù)變化：總池體積下降、立管壓力下降，判斷可能出現(xiàn)井漏異常事故處理：當觀察到鉆進過程數(shù)據(jù)變化情況符合井漏異常時，調整司鉆房中的泵量，通過調整加料器，加入堵漏材料，提高鉆井液粘度3、數(shù)字孿生應用案例——隧道超前地質預報數(shù)字孿生26隧道超前地質預報問題和需求在工業(yè)轉型過程中，信息技術的理論和方法逐漸改造傳統(tǒng)隧道建造模式，隧道超前地質預報的需求呈現(xiàn)出數(shù)字化、智能化發(fā)展的趨勢在隧道超前地質預報中，盾構機（TunnelBoringMachine，TBM）應用廣泛但盾構機施工方法的靈活性和地質適應性較低，遇到不良地質時極易引發(fā)工程失敗和人員傷亡等嚴重問題需要利用地質感知方法和模型，結合巖-機相互作用理論，在盾構機掘進過程中及時感知和決策前方地質情況目前對于盾構機的參數(shù)控制和調整仍然廣泛依賴于人工操作，這使得隧道掘進時難以根據(jù)實際情況實現(xiàn)實時的智能控制，并可能導致決策失誤，存在較大的安全隱患3、數(shù)字孿生應用案例——隧道超前地質預報數(shù)字孿生27隧道超前地質預報數(shù)字孿生概述在隧道建設階段，智能化技術的應用旨在整合地質感知和災害預報預警等功能在隧道運營階段，智能化技術的應用主要集中在全方位監(jiān)測系統(tǒng)和檢測裝備上，以實現(xiàn)隧道缺陷檢測和運行管控等功能在隧道超前地質預報中，數(shù)字孿生技術通過建立精細的虛擬模型，融合計算機建模、數(shù)值計算和輔助設計技術，預報結果更加精準將數(shù)字孿生技術和智能算法引入盾構掘進施工中，通過建立盾構機的虛擬模型和分析模型，并實現(xiàn)盾構機實體與虛擬模型、分析模型的相互融合和數(shù)據(jù)交互，不僅能準確地對掘進參數(shù)進行預測和預警，還能及時進行掘進參數(shù)的控制調整，實現(xiàn)盾構施工的智能化管控3、數(shù)字孿生應用案例——隧道超前地質預報數(shù)字孿生28隧道超前地質預報數(shù)字孿生系統(tǒng)架構3、數(shù)字孿生應用案例——隧道超前地質預報數(shù)字孿生29隧道超前地質預報數(shù)字孿生系統(tǒng)應用及服務隧道超前地質預報數(shù)字孿生系統(tǒng)貫穿于整個隧道施工過程中，為地層感知、風險評價、輔助決策提供解決方案3、數(shù)字孿生應用案例——地下管網(wǎng)健康管理數(shù)字孿生30地下管網(wǎng)PHM技術和需求分析技術發(fā)展方面隨著智能傳感器、新興通信技術等新設備、新技術的使用，極大地提升了管網(wǎng)運行數(shù)據(jù)獲取的自動化、實時化和遠程化管網(wǎng)運營過程中數(shù)據(jù)種類呈指數(shù)型增長，導致各種數(shù)據(jù)孤島的存在需求發(fā)展方面隨著地下管網(wǎng)敷設范圍和使用年限的不斷增加，需要在管網(wǎng)的在全流程、全業(yè)務、全生命周期構建智能生命線工程，以此建立安全、多元化的城市地下管網(wǎng)系統(tǒng)而如何充分融合物理世界和與信息世界，在降低運營成本的同時優(yōu)化用戶體驗，以提高管網(wǎng)運營效率，是智慧管網(wǎng)研究的重中之重3、數(shù)字孿生應用案例——地下管網(wǎng)健康管理數(shù)字孿生31數(shù)字孿生驅動的地下管網(wǎng)PHM概述國外諸多管道企業(yè)在管道的設備狀態(tài)監(jiān)測、完整性管理以及運行調控等方面，開發(fā)了基于管道數(shù)字孿