Fundamental Requirements of Digital Twins forProduction System in Oil and Gas Industry

Abstract

Digital Twin (DT) has become a main object of study in recent years, with many applications. It brings promising results to various fields where it can be applied, especially in large industrial applications such as Smart Cities, Healthcare, Industry 4.0, and the Oil & Gas (O&G) industry. However, there is still a lack of fundamental understanding of what a DT is and what the requirements of a DT are, including functional needs, external behavior, non-functional requirements, quality criteria, characteristics, properties, and limitations—for anyone who wishes to develop and build a DT. Beyond comprehension, organizing and managing these requirements is crucial for implementing a functional and successful DT.The identification of DT requirements is not explicit but depends on the description of some essential characteristics, typically in an application-oriented dimension. Due to confidentiality, it is understood that most sets of requirements specific to the O&G domain are generally unavailable.Although the goals and definitions of Digital Twins differ across many applications, companies, and even domains, they share some common characteristics. Many DT requirements are generic and common to many other domains. In contrast, other DT requirements are specific to a particular context, depending on the domain, objective, or type of related physical object (asset). Thus, investigating the requirements presented in many DT projects described in the literature is an excellent way to improve the understanding of DT requirements.This dissertation addresses the discussion, organization, and management of DT requirements for the specific domain of Oil and Gas (O&G) Production Processes. Firstly, this work presents a Systematic Literature Review (SLR) to identify, evaluate, and synthesize research results related to Digital Twin Requirements for the Oil and Gas Production System. This SLR focuses on the capabilities and characteristics that a DT needs to achieve the production process objectives rather than the technologies and tools used.In the second part of thiswork, an application developed for the management of DT requirements (also focusing on O&G) is presented, aiming to support typical activities throughout the Requirements Engineering process. The context in which this tool was developed is described, along with its theoretical foundation, its evolution from a simple proof of concept to a complete software solution, and its main features, targeting business managers, software engineers, development team leaders, and others.As a result of the SLR, some requirements considered very important, specifically in the O&G domain, were identified. Some issues related to the requirements of DTs in the O&G domain were analyzed, highlighting which DT requirements are generally specifiedor described (even informally). This study helps identifyprimary studies in both DT for O&G and the fields of Requirements Engineering. It is expected that this studyoffersa clear understanding of the state-of-the-art DT requirements for many domains in a generic way, but mainly for the O&G domain, andto identify some gaps and challenges that need to be considered for the adoption of DTs by the O&G industry.

Gêmeo Digital ou Digital Twin(DT) tornou-se um objeto principal de estudo nos últimos anos, com muitas aplicações. Ele traz resultados promissores para os diversos campos em que pode ser aplicado, especialmente em grandes aplicações industriais como Cidades Inteligentes, Saúde, Indústria 4.0 e a indústria de Óleo e Gás (O&G). No entanto, ainda falta um entendimento fundamental sobre o que é um DT e quais são os requisitos de um DT-incluindo necessidades funcionais, comportamento externo, requisitos não funcionais, critérios de qualidade, características, propriedades e limitações -para qualquer pessoa que deseje desenvolver e construir um DT. Além de Compreensão, organizar e gerenciar estes requisitosé fundamental paraa implementaçãoum DTfuncional e bem-sucedido.Nas descrições presentes na literatura, aidentificação dos requisitos deDTs não é explícita, mas simdependenteda descrição de algumas características essenciais, tipicamente em uma dimensão orientada para a aplicação. Devido à confidencialidade, entendemos que a maioria dos conjuntos de requisitos específicos do domíniode O&G geralmente não está disponível. Embora os objetivos e definições dos Digital Twinssejam diferentes em muitas aplicações, empresas e até domínios,eles compartilham algumas características comuns. Muitos requisitos do DT são genéricos e comuns a muitos outros domínios. Em contraste, outros requisitos do DT são específicos para um contexto particular, dependendo do domínio, do objetivo ou do tipo de objeto físico(asset)relacionado. Sendo assim, a investigação sobreos requisitos apresentados em muitos projetos de DT apresentados na literatura é uma excelente maneira de melhorar a compreensão dos requisitos de DT. A discussão, organização e gerenciamentodos requisitos do DT para o domínio específico de Processosede Produção de Óleo e Gás (O&G) são abordados nesta dissertação. Primeiramente, este trabalho apresenta uma Revisão Sistemática da Literatura (RSL) para identificar, avaliar e sintetizar os resultados da pesquisa relacionados aos Requisitos de Gêmeos Digitais para o Sistema de Produção de Petróleo e Gás. Esta RSL está interessada nas capacidades e características que um DT precisa ter para alcançar os objetivos do processo de produção, em vez das tecnologias e ferramentas utilizadas. Na segunda parte do trabalho, é apresentada uma ferramenta desenvolvida para o gerenciamento de requisitos para DTs (também com foco em O&G), visando dar suporte às atividades típicas relacionadas no decorrer do processo de Engenharia de Requisitos. É descrito o contexto no qual essa ferramenta foi desenvolvida, o seu embasamento teórico, a sua evolução de uma simples prova de conceito para um software completo e suas features principais, sendo o público-alvo gerentes empresariais, engenheiros de software, líderes de equipes de desenvolvimento, entre outros. Como resultadoda RSL, foi identificado alguns requisitos considerados muito importantes, especificamente no domínio de O&G. Algumas questões relacionadas aos requisitos dos DTs no domínio de O&G foram analisadas, destacando quais são os requisitos de um DT geralmente especificados ou descritos (mesmo informalmente). Este trabalho permitiu identificar estudos primários tanto em DT para O&G quanto nos campos de Engenharia de Requisitos. Espera-se oferecer uma compreensão clara dos requisitos de DT do estado da arte para muitos domínios de maneira genérica, mas principalmente para o domínio de O&G, e também identificar algumas lacunas e desafios que precisam ser considerados para a adoção de DTs pela indústria de O&G.