基于数字孪生技术的智慧化工园区安全应用分析

王宇

摘要：在现阶段数字化时代不断发展的背景下，数字孪生技术在石油化工、公共安全、机械工业等方面得到了广泛应用，属于多学科交叉作业的技术，需要运行环境、机械设备、参与者等共同参与，并利用多样化的理论、测量、技术等方式确保系统安全。面向智慧化工园区技术需求，提出了基于数字孪生+智慧化工园区建设新思路，本文首先从数字孪生技术概述入手，剖析数字孪生技术智慧化工园区安全应用中面临的挑战，并提出具体思路，旨在高效推动智慧化工园区质量、效率和动力的变革，以供参考。

关键词：智慧化工园区；数字孪生；分析

DOI：10.12433/zgkjtz.20233104

数字孪生技术具有多学科、多角度、实时性、高保真度等特质，是现实世界与虚拟空间相互转化的重要手段之一，将数字孪生技术应用于智慧化工园区，有助于及时发现并解决问题，防微杜渐，为企业安全有序作业提供技术支撑。

一、数字孪生技术概述

数字孪生实际上是利用物理模型、历史数据、传感器探测等方式在虚拟空间中映衬现实世界，并反映全周期生命过程。数字孪生模型主要包括服务模块、物理实体、连接模块、虚拟实体孪生数据等内容，可利用全生命周期数据管理、多领域多模型融合、高精度传感、高性能计算技术等手段对工程、设备、系统开展实时、快速评价，满足实际建设需求，为后续的管理决策工作打下坚实基础。数字孪生技术也可在一定的空间内完成优化配置、安全维护、协同监管工作，有效减少不必要的资源浪费，确保技术的进一步应用与发展。

二、数字孪生技术内涵

从实际构成看，数字孪生技术主要包括以下六类：第一，感知控制技术。具备数据采集及控制反馈模块，是保证虚拟世界及现实世界有序沟通的重要窗口。第二，数据集成技术。实现相关设备及系统的互联互通，保证现实世界与虚拟空间的无缝对接。第三，模型构建技术。可将现实物体在虚拟空间中形成映射，并构建数据、机理、几何模型，全方位展现物体的物理规律及外观形态。第四，模型互操作技术。可将各类模型有机融合，将静态映射转化为现实事物。第五，业务集成技术。可为生产全过程、产品全周期、商业全流程提供有效支撑，提高数字孪生技术的经济效益。第六，人工智能技术。可将人的因素与数字孪生系统结合，以人机作业方式进行指令反馈，保证数字孪生技术的进一步优化创新。

三、数字孪生技术的智慧化工园区关键应用

（一）联合动态仿真模型

联合仿真模型是现阶段较为重要的系统分析、设备检测手段，相较于以往的计算机数字模型，采用数字孪生仿真技术的优势在于可以依据现实物体的变化调整映射内容。技术人员可将数字孪生技术与智慧化工园区三维模型的创建工作相融合，提升视觉信息交互性，并利用计算机技术实现沉浸感知，准确分析可能发生的各类灾害事故，明确可行的事故应急预案，在事故发生前做好准备。

（二）安全监控

安全監控是对整个化工园区企业开展全方位的监管、反馈和响应，可从以下三方面开展监控作业：第一，环境监控，利用各类传感器及时掌握不同事故的特点，并在虚拟空间进行模拟，最终由物联网技术自动监测建筑。第二，设备安全监控，以数字孪生技术为基础创建信息视觉系统，并利用配套工业机器人完成设备修复作业，综合人工神经网络、模糊逻辑理念创建远程健康监管作业。第三，人员行为安全监控，利用数字孪生技术实时跟踪车间内人员，并有针对性地改进生产流程及方案，或针对人员的生产行为创建数字孪生图卷积识别模型，更好地管理整个生产环境。

（三）故障诊断

为避免系统与设备在实际运营期间发生大规模故障导致严重的安全事故，技术人员应积极引进数字孪生技术并落实到电子故障诊断作业中。可通过对自动化系统故障模块进行定位，提出可行的修整方案，也可深入分析数字孪生技术的故障诊断模型要求，提出敏感参数分析模型，判断并定位故障区域。将数字孪生技术的同步映射性能与故障诊断技术相融合，需要技术人员对得到的数据进行标记、对比，综合数据与模型驱动，完成故障诊断作业。

（四）运行维护控制

科学技术的飞速发展，使得系统设备逐渐突显复杂化特质，维运控制安全成为现阶段较突出的问题。创新数字孪生集成—分布式控制框架体系可及时预测、校正生产系统执行情况，技术人员深入讨论不确定性条件下损伤诊断概率、预后概率、优化升级的运行策略，与数字孪生技术相结合，避免出现设备疲劳裂纹等问题。技术人员也可创新系统工程仿真引擎，并将运营风险提前至开发初期，利用物联网技术获取相关性能信息，落实控制闭环。因此融合数字孪生技术可借助虚拟互联网平台分析现实世界的物体性能，同时综合大数据、物联网等技术进一步记录和分析数据，确保现实平台网络的有序运营及管控，突出风险转移、安全维护和资源优化等性能。

（五）预测性维护

预测性维护可有效避免出现各类安全事故，提高实际生产效率，延长产品建设周期。通过构建生产机器运行数学模型，利用仿真及数字模拟的交互反馈方式做好机械设备的状态评估作业，落实预测性维护原则，也可综合源数据创建车间数字孪生模型，充分发挥非线性漂移布朗运动优势，研发功能部件寿命预测模型，提升预测模型的实时性和高效性。因此以数字孪生技术为基础的预测性维护技术主要通过创建数字孪生体获取工程参数，技术人员可在数据比对、处理后对故障特征进行识别、定位以及处理。

四、数字孪生技术的智慧化工园区面临的挑战

第一，数据获取方面的挑战。数据采集门槛高，为了获得应急预案、救援队伍、物资库、消防栓、取水点、避难场所等数据，有时需要镇街和多个部门协调，数据的采集、传输、存储和分析都需要消耗大量资源，在现有条件下，收集准确实用的信息是一项挑战。

第二，模型建立方面的挑战。要想实现高度逼真的建模，需要应用大数据、人工智能等技术手段，利用倾斜摄影技术，采用数据矢量化建模的方式，将道路、林区、房屋、监测点、巡航位置等信息在三维高清遥感地理场景上全景展现，实现对化工园区企业可视化、自动化和精准化监管。

第三，运行维护方面的挑战。要保证在不同的场景中快速有效的处置，必须掌握大量准确实时的信息，这就需要耗费大量人力、物力对后台资源进行实时维护。另外，随着时间推移，对模型标准和软硬件的性能要求也越来越高，需要不断对平台进行升级、优化。

五、数字孪生技术的智慧化工园区应用分析

坚持“统筹组织、分级负责、多方投入、有序推进、全程管控、务求实效”的原则。智慧化工园区的建设更加强调“智慧”，构建“一体化平台、一张图应用、三个中心、三大体系”模式。一体化平台：综合管理、基础设施、公共服务一体化平台；一张图应用：采用数字孪生Digital Twin技术构建园区安全生产、应急救援、能源等一张图；三个中心：预警中心、数据中心、视频监控中心；三大体系：安全生产、应急救援、封闭管理。

第一，直播推流 。通过设备采集直播内容，推流SDK推送直播流，提供直播流接入、分发、实时流媒体处理服务。视频直播服务通过边缘推流的方式将直播流推送至直播中心，推送的视频流通过CDN边缘节点进行加速，确保上行传输的稳定性。

第二，蔓延分析模型。通过与3D技术相结合，模拟事故扩散趋势，结合当日气象五参因素（即温度、气压、湿度、风向、风速）分析事故扩散的方向，并在GIS地图上显示，从而把握事故扩散趋势，为应急处置提供辅助决策。

第三，AR应用。基于AR技术的智慧园区管控系统，实现视、查、管、控一站式应用，利用摄像装置采集园区内的数据分送至AR设备生成园区的AR实景图，建立一套先进、稳定、可靠、经济及可扩展的AR实景综合管理平台。

第四，5G传输。基于5G网络，无人机直播画面回传、高空瞭望、视频监控、移动会商等的数据传输速率更稳定、更快速，便于数据的采集与传输。

第五，AI智能数据分析。整合散落的园区各类数据，构建统一的大数据平台系统，实现各类场景分析，从各类整体指标概览，再到分层细节指标数据的对比分析，实现数据指导业务精细化运营。

六、数字孪生技术的智慧化工园区具体思路

第一，数据分析采集。利用分布式大数据技术将园区数据进行整合、分析处理，形成可视化图表，将采集到的数据进行形象化、直观化和具体化呈现，实现对园区概况、园区基本信息、园区企业数量统计、安全风险对象、风险单元、重大危险源、重点监管工艺、重点监管危险化学品等信息的统计分析，同时直观查看园区的各项指标和平台预警信息。

第二，构建一张图。建设数字孪生一张图，包括园区、安全、应急、能源等三维信息，以一张图透视分析智慧园区运行全貌，建立可视化、智能化、一体化管理平台。通过与GIS地图相结合展示园区总体信息，实时关注园区动态，了解园区、企业日常情况，高效全面掌握和管理园区运营状态。将园区内的重大危险源数据、应急资源、企业位置分布、实时监测信息、车辆信息、能源设备等信息实现一张图汇总。利用大数据图表形式进行多维度分析，综合考虑安全、应急、能源、人员等因素，提高园区管理者安全应急一体化管理水平。

第三，实时预警监控。实现对园区所有预警、报警管理、实时监测企业各项数据运行情况，一旦发生异常，立即启动预警应急流程，并实时分析企业的动态风险。进行预警统计分析，对预警信息进行统计分析，包括人员定位报警、智能监控、DCS监测报警、应急事故报警、隐患排查，以可视化图表分析报警信息，实时统计园区内不同类型的报警次数，维护园区安全。对报警信息进行管理，查看报警信息的详情，对报警通知进行忽略、应急响应和解除操作，实现对报警信息的综合管理与处置，预警记录是对预警信息的统计分析，可以查看报警来源、处置状态、报警时间、报警描述、处置时间等信息。

第四，风险动态管理。实现企业风险情况的汇总，按照风险等级对企业进行排名，以红橙黄蓝对风险等级进行重点标识，查看日期、具体时间、企业名称、风险指数、风险等级、是否重大危险源企业、是否涉危企业等信息。

七、数字孪生技术智慧化工园区应用展望

相关人员可利用数字孪生技术手段，从不同的维度为后续的运行工作提供数字化、安全性的作业环境。而现阶段随着物联网、芯片技术、量子计算、新材料技术、融合人工智能、量子通信技术等高端科技手段的不断创新发展，可以推进数字孪生技术实现进一步创新升级，拓宽现有发展前景。

从实际情况分析，数字孪生的智慧化工园区可朝着以下方向推进：第一，深入创新数据实时传输技术，避免出现数据滞后等问题，提高模型精确性。第二，由于数字孪生技术具有动态性、实时性、交互性特质，需要构建沉浸感强烈的安全培训演练平台。第三，利用大数据技术融合平台数据，实现数据与模型的整合统一，并以数字孪生技术的相关信息为参照开展故障诊断作业，对故障溯源原理进行深入探究。第四，将数字孪生技术与灾后处理工作相结合，创建自救安全避险系统、人员紧急定位通讯系统等，减少人员伤亡。第五，提升数字孪生技术的绿色环保性、多向互动性、自我感知性、模型开放性、数据实时性、技术容错性、动态进化性以及高度自动化。

八、结语

数字孪生技术与智慧化工园区充分融合，建设以全面互联、透彻感知、简易运维、统一监测、安全可控的智慧化工园区，以工业产业体系建设为基础，以基础设施体系建设为支撑，以综合服务体系建设为保障，实现信息化系统集成、部门联动协同、上下贯通指挥的高度统一，引导园区重新定位和产业升级，实现园区“基础设施智能化、园区管理精细化、产业发展现代化”的目标，促使园区效益最大化。

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