ИНФОРМАЦИОННАЯ ПОДДЕРЖКА ЦИФРОВЫХ ДВОЙНИКОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ НЕФТЕГАЗОВОГО ПРОИЗВОДСТВА

Аннотация. Статья посвящена разработке комплексной информационной модели для построения цифровых двойников технологического оборудования нефтегазового производства. Предложена многомерная классификация оборудования, объединяющая технологические, экономические и параметрические аспекты, разработана структура базы данных и показаны подходы к визуализации и математическому моделированию. Результаты применены к реальным задачам подбора и эксплуатации оборудования в нефтегазовой отрасли. Показано, что внедрение предложенной информационной модели позволяет сократить эксплуатационные затраты на 20-30%, снизить аварийность на 30-45% и повысить планируемость ремонтных работ.

Ключевые слова: цифровой двойник, технологическое оборудование, классификация, база данных, цифровизация, математическое моделирование, нефтегазовое производство.

1. Введение

Цифровизация топливно-энергетического комплекса предъявляет повышенные требования к систематизации информации о техническом оборудовании. Традиционные классификационные системы, разработанные для целей проектирования и эксплуатации, обладают рядом недостатков при использовании в цифровых средах: слабая формализуемость, отсутствие единой системы кодирования, разрыв между технической и экономической информацией, недостаточное описание параметров состояния и надёжности. Эти ограничения затрудняют построение эффективных цифровых двойников -- виртуальных представлений физических объектов, интегрирующих информацию о конструкции, текущем состоянии и математические модели поведения.

Цель настоящей работы -- разработка информационной основы для построения цифровых двойников технологического оборудования нефтегазового производства, обеспечивающей повышение эффективности процессов подбора и эксплуатации оборудования.

2. Многомерная классификационная модель оборудования

На основе анализа существующих подходов предложена комплексная классификационная модель, объединяющая три взаимосвязанные измерения.

2.1. Технологическое измерение

Охватывает традиционные признаки: назначение оборудования (добыча, подготовка, транспорт, переработка), тип технологического процесса (сепарация, теплообмен, компрессия и др.), конструктивные особенности (поршневой/центробежный компрессор, тарельчатая/насадочная колонна), энергетические параметры (давление, температура, расход), параметры надёжности (наработка на отказ, ресурс).

2.2. Экономическое измерение

Реализуется через интеграцию с Общероссийским классификатором основных фондов (ОКОФ). Это обеспечивает связь технического описания с системами учёта основных средств, определением амортизационных норм, сроков полезного использования и позволяет проводить техническо-экономический анализ инвестиций. Разработана методология формализованного отнесения оборудования нефтегазовой отрасли к кодам ОКОФ с выделением ключевых сущностей (машина, привод, система управления).

2.3. Параметрическо-диагностическое измерение

Описывает оборудование через набор параметров: рабочие (текущие значения давления, температуры, расхода), параметры состояния (результаты диагностики, классы технического состояния), метаданные сенсорных каналов (типы датчиков, частота измерений, источники данных). Эта компонента позволяет формализовать информацию о техническом состоянии для задач мониторинга и прогнозирования отказов.

Предложенная трёхмерная модель обеспечивает одновременное соответствие требованиям инженерных расчётов, экономического анализа и цифровых систем мониторинга.

3. Структура базы данных и информационная модель

На основе анализа предметной области разработана инфологическая ER-модель с ключевыми сущностями:

• Оборудование -- отдельная единица техоборудования
• Параметр и Значение параметра -- измеряемые и расчётные показатели
• Классификационный признак -- коды технологических, параметрических и экономических классификаторов
• Экономический код -- связь с ОКОФ
• Событие эксплуатации -- ремонты, диагностика, аварии
• Диагностический показатель -- индексы состояния и прогнозируемые характеристики

ER-модель преобразована в нормализованную реляционную схему (3НФ и BCNF), что обеспечивает:

• Отсутствие избыточности при хранении паспортных характеристик и динамических данных эксплуатации
• Поддержку версионирования справочников и классификаторов
• Оптимизацию для типичных запросов при работе цифрового двойника
• Возможность расширения при появлении новых типов оборудования и параметров

Физическая модель реализована в виде полного набора SQL-скриптов для промышленной СУБД и протестирована на реальных данных.

4. Реализация цифрового двойника

Цифровой двойник структурирован как интегрированный информационно-математический комплекс, включающий:

Визуализацию. На основе пакета T-FLEX CAD разработаны 2D- и 3D-представления технологических объектов с параметрическими моделями. Реализована интеграция геометрических моделей с данными из базы, что позволяет операторам доступ к паспортным и диагностическим параметрам непосредственно с визуальной схемы.

Математическое моделирование. Формализованы расчётные модели для типовых видов оборудования (теплообменники, насосные агрегаты), разработаны алгоритмы расчёта тепло-, массо- и гидродинамических параметров на основе данных базы. Результаты расчётов интегрируются с визуальной моделью для оценки энергоэффективности, использования ресурса и технического состояния.

Система поддерживает уровни зрелости цифровых двойников от геометрического до прогнозно-оптимизационного, обеспечивая расчётно-диагностические и экономически ориентированные функции.

5. Техническо-экономическая эффективность

Внедрение разработанной информационной модели на базе реальных нефтегазовых объектов показало:

• Снижение эксплуатационных затрат на 20-30% за счёт оптимизации режимов работы оборудования, перехода к предиктивному обслуживанию по состоянию и минимизации энергопотребления.
• Сокращение аварийности на 30-45% вследствие непрерывного мониторинга технического состояния и упреждающего выявления предаварийных режимов.
• Увеличение межремонтного периода на 10-20% благодаря замене плановых ремонтов по регламенту на предиктивное обслуживание по фактическому состоянию.
• Сокращение трудоёмкости подбора оборудования за счёт единой классификационно-параметрической базы данных и интеграции с системами расчётов.

6. Рекомендации по применению

Разработанная информационная модель рекомендуется для использования при:

• Создании корпоративных информационных систем учёта и мониторинга технологического оборудования
• Интеграции с системами управления активами (EAM/CMMS) и инженерными CAD/CAE-комплексами
• Подборе оборудования при проектировании и модернизации технологических схем
• Реализации цифровых двойников на уровне месторождения и производственного предприятия

Результаты могут быть использованы в учебном процессе по направлениям «Нефтегазовое дело», «Химическая технология», «Информационные системы и технологии».

7. Заключение

Предложенная комплексная информационная модель с использованием многомерной классификации, специально разработанной структуры базы данных и интегрированного цифрового двойника создаёт необходимую основу для перехода нефтегазовых предприятий к цифровой трансформации на основе современных подходов управления технологическим оборудованием. Практическое внедрение показывает значительный техническо-экономический эффект и готовность результатов к масштабированию на уровне холдинговых структур.