現(xiàn)代化的鑽油機（drilling rigs）是一極為複雜的系統(tǒng)：必須仰賴液壓、氣動、電氣、機構(gòu)、以及熱能系統(tǒng)和次系統(tǒng)等緊密配合，才能維持器械順利運作。從複雜性和規(guī)模來看，這些龐大系統(tǒng)可以說是現(xiàn)今製造和控制設(shè)計的工程奇蹟。
不過，要讓新的設(shè)計上線並保證它的功能性，卻必須要有相當(dāng)大的膽量，而且如同任何新的產(chǎn)品，都沒有所謂的「最終」設(shè)計，即便是已經(jīng)過認證的設(shè)計，也由於客戶將不斷地要求客製化以及技術(shù)上的改善，設(shè)計沒有終止的時候。
我們其中一個客戶，Helmerich & Payne, Inc. （H&P），是全球鑽油機領(lǐng)導(dǎo)設(shè)計和製造商。他們想知道有沒有可能在不變動現(xiàn)有運作中的鑽油機及工作人員工作時程的情況下，預(yù)先測試鑽油機的特定變更？簡單地說，能不能讓測試和認證的過程更簡化和縮短？
因此策略市場定義的問題是這樣的：如果H&P的客戶因經(jīng)濟上的考量，考慮該地區(qū)關(guān)鍵零件的可得性、或天氣及溫度條件等因素而希望變更鑽油機，鑽油機是否能在最短的設(shè)計週期內(nèi)優(yōu)化到能夠符合客戶的需求？
而對我們的團隊來說，其中的關(guān)鍵問題會是：單一部分對於整體會產(chǎn)生什麼樣的影響？是否有可能對系統(tǒng)的某一個部分很快地進行重新設(shè)計，同時間又能維持整個系統(tǒng)的平衡，而且改變所造成的影響也能夠被量化？
因此，我們的解決方案是開發(fā)一個數(shù)位分身（digital twin），一種電腦模擬方法，可以準確預(yù)測複雜系統(tǒng)的即時效能。
數(shù)位分身可以幫助H&P衡量某部分設(shè)計的改變對於整個系統(tǒng)帶來的影響，也能判斷可從當(dāng)?shù)厝〉玫鸟R達或泵浦，將如何影響鑽油機的其他部分。數(shù)位分身也可以幫助客戶在真正購買馬達之前，事先預(yù)測各種不同的馬達種類對鑽油機性能的影響。透過模擬對性能改善程度的能力進行量化，還幫助客戶進行決策，用能減少機械震動提升可靠度的成型馬達（form-wound motors），來取代傳統(tǒng)的散繞馬達（random-wound motors）。
捕捉真實世界系統(tǒng)的物理特性
由於數(shù)位分身能夠重新建構(gòu)或建立主要裝置，像是馬達、長線材的運轉(zhuǎn)等基礎(chǔ)物理模型以及驅(qū)動控制演算法，它也可以準確地預(yù)測整個鑽油機的整體性能，並判斷可能會造成性能改善、偏誤或失敗等的物理議題。
複製每一個裝置物理特性的能力，有助於確保數(shù)位分身不只是一個重建特定輸出訊號的「黑盒子」，而是以物理為基礎(chǔ)的分身，描述了裝置（馬達、泵浦、匯流排參數(shù)）物理特性，包含材料特性、使用的數(shù)學(xué)方法，而且是一個動態(tài)系統(tǒng)，能捕捉真實世界對於這些裝置回應(yīng)的分析工具。
除此之外，藉由建立每一個裝置的物理模型，我們可以觀察到無法從真實世界獲得的性能衡量值。舉例來說，以物理為基礎(chǔ)的分身可以預(yù)測加在軸上的壓力、馬達轉(zhuǎn)繞的溫度梯度、或甚至是在馬達溫度升高時的電感變化，能同時間（幾乎）即時地顯示這些事件可能發(fā)生的原因。這些性能的測量讓客戶能夠開發(fā)出新的產(chǎn)品以及測試控制情境，而不一定需要特別安排鑽油機或工作人員，或者雇用外部的測試人員來對假設(shè)進行測試。對鑽油機物理特性的觀察，使得數(shù)位分身成為了降低開發(fā)成本和縮短設(shè)計週期強大的工具。
範(fàn)例：利用數(shù)位分身來優(yōu)化發(fā)電機組的選擇
建立一個數(shù)位分身以精準地符合裝置效能，不僅需要石油設(shè)備和產(chǎn)業(yè)流程的經(jīng)驗，也需要具備能用數(shù)學(xué)來描述這些流程物理特性的能力。Simulink有大量預(yù)先建立好的模組，能描述各式各樣種類的裝置；且擁有強大先進的功能，如自動控制調(diào)整、龐大的函式庫及模式化的編程等等。這些功能能為地面上方的機電系統(tǒng)和次系統(tǒng)的物理特性建模過程，帶來絕佳的效率和準確性。
建立發(fā)電機組模型，並使用該模型來決定特定鑽油機發(fā)電機組的最適合尺寸以及配置是一個很好的例子，能說明這些功能可為整個流程帶來價值。一個發(fā)電機組基本上由一個柴油引擎和一個發(fā)電機所組成（圖1）。
發(fā)電機組單元為整個鑽油機系統(tǒng)提供電力，包含了鑽孔、拖拉、和泥漿泵浦馬達，因此是現(xiàn)代化的電動鑽油機的必備元件。通常，一臺鑽油機的運作會用到三個柴油發(fā)電機組，但依鑽孔的地點和地質(zhì)情況，可能是單一個較大的發(fā)電機組運作起來更有效率，也有可能是四個較小的單元一起運作比較有效率。然而，增加發(fā)電機組的數(shù)量或尺寸不一定能夠提升效能。團隊又要如何判斷哪一種配置能夠提供最好的結(jié)果，又能在經(jīng)濟上將成本降到最低呢?
每一個鑽油機的操作人員都知道，當(dāng)管線掉落或發(fā)生故障，鑽油機的匯流排電壓可能會發(fā)生大幅波動，迫使主要馬達系統(tǒng)強制停機，但很少人可以解釋管線的掉落為什麼會造成電壓波動，或者怎麼做可以將其對鑽油機的衝擊減至最低。
為了回答這些問題，會需要細部的發(fā)電機組模型，但沒有兩組發(fā)電機組是完全一樣的。即使是微小的差異也會讓平行發(fā)電機組的建模變得充滿挑戰(zhàn)性—兩個或更多的發(fā)電機組匯入一個共用的匯流排—兩組發(fā)電機會因自動電壓調(diào)整器（automatic voltage regulator，AVR）和各自的引擎控制系統(tǒng)（engine control systems，ECS）而有不同的引擎速度和力矩指令訊號。
如果這些差異在物理裝置一直沒有被檢查出來，則其中一組發(fā)電機可能比另一組更高的電壓，導(dǎo)致電流在發(fā)電機組之間流動而沒有供應(yīng)鑽油機的負載（這是一個眾所皆知的議題，通常會利用一個被稱為無功下降補償（reactive droop compensation）的矯正控制系統(tǒng)來解決。）
透過Simulink建立發(fā)電機組的數(shù)位分身，可以對引擎、激勵器、和發(fā)電機與其各自的控制系統(tǒng)，建立很精準的內(nèi)部條件模型（圖2）。
| 圖2 : 以Simulink建立的發(fā)電機組子系統(tǒng)模型 |
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透過合適的運算硬體，數(shù)位分身可以同時間建立發(fā)電機磁場線圈的激勵器（exciter）之電流和磁通量分配模型，以引發(fā)輸出電壓來滿足負載需求。數(shù)位分身也可以複製管理激勵器電流的控制系統(tǒng)（在真實世界是透過AVR來管理），並且以圖形來呈現(xiàn)AVR如何依激勵器電流、電樞電流、來調(diào)整參數(shù)。
更廣泛地說，以物理為基礎(chǔ)的分身可以描繪系統(tǒng)的細節(jié)回應(yīng)，再搭配技術(shù)的經(jīng)驗來指出避免管線掉落以導(dǎo)致電壓過高的解決方法，此外，還能對大量經(jīng)濟情境進行測試，以決定發(fā)電機組最適合的數(shù)量和功率等級。
那麼，要建立一個足夠精確的設(shè)備模型，稱得上是「數(shù)位分身」的模型，大致上可分為三大步驟：參數(shù)估計、優(yōu)化、以及有效性檢驗（圖3）。
| 圖3 : 分身開發(fā)步驟：估計、優(yōu)化、有效性檢驗。左上：整合演算法與初始參數(shù)估計。右上：使用自適應(yīng)演算法來最佳化參數(shù)值-定義「最佳化」將失誤降至最少。下：比較鑽油機組的歷史資料來驗證系統(tǒng)的結(jié)果。 |
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對數(shù)位分身模型細節(jié)進行有效性檢驗（validation），也可能是很具挑戰(zhàn)性的，因為歷史資料可能有缺失或受到破壞。在這種情況下，通常最好由簡化過的分身模型開始，以根本元件為基礎(chǔ)，依所能夠取得的歷史資料來進行有效性檢驗。當(dāng)簡化的模型經(jīng)過檢驗後，就可以逐漸加入從OEM公司那邊取得的每一個裝置的性能細節(jié)，來達到期望的模型精確度。
實務(wù)作法上，藉由練習(xí)與實踐，對於大部分的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用和裝置來說，數(shù)位分身（系統(tǒng)和裝置層級）應(yīng)該能夠透過比較過歷史資料，讓預(yù)測性能的錯誤率小於3-5%。
化其為可能
數(shù)位分身的開發(fā)主要多用於特定電子、電機等裝置的物理學(xué)，以及地面上方設(shè)備電力和控制系統(tǒng)的控制流程。透過使用分身，熟悉設(shè)備操作的工程師可以獲得以下幾項好處：
* 顯著降低產(chǎn)品研發(fā)時間和金錢成本
* 能夠迅速執(zhí)行「如果是…（what if）」情境的評估
* 對現(xiàn)場問題發(fā)生的根本原因分析進行強大支援
數(shù)位分身化，甚至是即時的分身，是有可能因為現(xiàn)代先進的運算效能硬體及軟體，例如像Simulink等而付諸實現(xiàn)。有了這些創(chuàng)新工具，開發(fā)新設(shè)備所需的金錢成本和時間得以大幅降低，由於硬體和軟體還在持續(xù)精進提升，因此數(shù)位分身對於更為精細複雜的特性捕捉將有可能成真。
（本文由鈦思科技提供，作者Weston Johnson任職於Renoir Consulting LLC公司）
