配電站房數字孿生系統(數字孿生在智慧配電室系統管理中的研究與設計)

1 引言

隨著(zhù)信息化進(jìn)程的演進(jìn)，大數據、人工智能、5G、BIM、物聯(lián)網(wǎng)、數字孿生等新一代信息化技術(shù)的日益成熟，配電室管理也逐步由傳統粗放型向數字化型轉變，利用新一代信息技術(shù)，實(shí)現讓創(chuàng )新助力發(fā)展、技術(shù)輔助管理和數據驅動(dòng)創(chuàng )新，達到管理更精準、運維服務(wù)更高效以及發(fā)展具備良性循環(huán)性，同時(shí)為管理部門(mén)提供決策分析，保障三甲醫院電力能經(jīng)濟、安全、平穩、高效的運行。

2 研究現狀

當前三甲醫院的配電室大多采用比較傳統的方式進(jìn)行監管，而走在前沿的多采用物聯(lián)網(wǎng)、大數據、人工智能、云計算、移動(dòng)互聯(lián)等新一代信息技術(shù)，通過(guò)技術(shù)平臺和一體化的監控服務(wù)系統，實(shí)時(shí)監測設備運轉情況、檢測記錄各項工作數據和控制設備以最佳狀態(tài)運轉，將隱患排除在萌芽之初，滿(mǎn)足醫院各科室的用電需求，提升供電質(zhì)量和運行水平，同時(shí)為能源監測提供有效數據支撐，實(shí)現具有安全、經(jīng)濟、環(huán)保、集成、兼容、自愈的智慧配電室。

3 數字孿生

3.1 數字孿生的定義

數字孿生是利用物理模型、感知設備和各類(lèi)數據信息，跨學(xué)科、多維度、多尺度深度融合的仿真過(guò)程，將物理實(shí)體在虛擬空間中構建數字模型并交互映射，使特定物理實(shí)體或過(guò)程具有數字化表達，實(shí)現虛擬世界中對現實(shí)世界的可管、可控、可互操作的數字映射，以及物理實(shí)體全生命周期的運行管理。

而本次以數字化方式創(chuàng )建配電室的虛擬實(shí)體，借助實(shí)時(shí)采集的數據、第三方數據以及智能算法模型等，實(shí)現對資產(chǎn)和流程的軟件化表示，用于理解、模擬、驗證、預測甚至控制物理實(shí)體的全生命周期數字管理。

3.2 數字孿生的特征

數字化轉型是我國發(fā)展的必由之路，也是大勢所趨，數字孿生與其他新一代信息技術(shù)的深度融合，將有力的推動(dòng)我院配電室朝著(zhù)數字化、網(wǎng)絡(luò )化、智能化和可視化管理。未來(lái)，數字化不僅僅是具備數字化特征的產(chǎn)品，更是可以通過(guò)數字化手段提供多方位的需求，如設計、開(kāi)發(fā)、運維和服務(wù)等，甚至可以通過(guò)數字化方式將配電室內部與外部環(huán)境融為一體，實(shí)現具備管、控、操可視化沉浸式的智慧管理。數字孿生具有以下幾個(gè)典型特點(diǎn)：

（1）互操作性

在數字孿生的應用中物理世界和數字世界是具備實(shí)時(shí)連接、動(dòng)態(tài)交互和雙向映射的，因此其具備以多樣的數字模型映射物理實(shí)體的能力，具有能夠在不同數字模型之間轉換、合并和建立“表達”的等同性，虛實(shí)融合、虛實(shí)協(xié)同將是未來(lái)發(fā)展新模式。

（2）可擴展性

數字孿生技術(shù)不僅具備API網(wǎng)關(guān)與SDK能力，同時(shí)也應具備集成、添加、刪除和替換數字模型的能力，能夠針對多維度、多尺度、多物理、多層級的模型內容自主按需擴展。

（3）實(shí)時(shí)性

數字孿生技術(shù)是數字化的一種體現方式，即以一種計算機可識別和處理的方式管理數據以對物理實(shí)體進(jìn)行可視化呈現。呈現的對象包括但不限于外觀(guān)、運行狀態(tài)、屬性、內部構件、實(shí)時(shí)運行數據等，形成物理實(shí)體實(shí)時(shí)可視化的數字虛體映射。

（4）保真性

保真性指數字孿生模型和物理實(shí)體之間的仿真程度，不僅要保持幾何結構的高度仿真，同時(shí)也要保持在運行狀態(tài)、相態(tài)與時(shí)態(tài)上高度保持實(shí)時(shí)同步，確保虛擬模型與物理實(shí)體的一致性。

（5）閉環(huán)性

數字孿生虛體用于描述物理實(shí)體的可視模型和內在機理，以便于對物理實(shí)體的狀態(tài)數據進(jìn)行實(shí)時(shí)監視、分析預測和優(yōu)化參數，實(shí)現智能決策功能，即賦予數字孿生虛體和物理實(shí)體同一個(gè)大腦，因此數字孿生具有閉環(huán)性。

4 研究設計

4.1體系架構

數字孿生智慧配電室，是將物理配電室與孿生配電室進(jìn)行一一映射、協(xié)同交互、智能操控的虛擬仿真配電室，其技術(shù)體系架構包含智能傳感器、5G融合網(wǎng)絡(luò )、支撐平臺、應用系統等必要組成要素構成的，并貫穿整個(gè)配電室以及多源異構系統的數據采集、匯聚、整合、建模、分析與應用等的全過(guò)程，是一個(gè)將技術(shù)、業(yè)務(wù)、應用和數據深度融合的復雜系統，其整體技術(shù)體系架構如下圖1所示。

圖1 數據孿生配電室技術(shù)體系架構

4.2技術(shù)思路

數字孿生技術(shù)在智慧配電室的建設中起到關(guān)鍵性作用，本次設計通過(guò)利用物聯(lián)網(wǎng)采集的海量、實(shí)時(shí)各類(lèi)數據，以數字孿生技術(shù)將配電室內建筑、設備信息，狀態(tài)以直觀(guān)的形式展現出來(lái)，讓數據不再枯燥乏味。通過(guò)利用智能傳感技術(shù)，實(shí)時(shí)采集設備狀態(tài)參數、狀態(tài)運行數據和視頻監控等實(shí)時(shí)數據；利用數字孿生技術(shù)與控制技術(shù)對數據進(jìn)行完整性校驗和算法迭代優(yōu)化；利用人工智能與算法對實(shí)體實(shí)時(shí)數據和歷史數據進(jìn)行決策分析、參數調優(yōu)、性能評估與風(fēng)險預測分析等。同時(shí)，將采集的各類(lèi)數據在BIM模型中進(jìn)行可視化實(shí)時(shí)展示、監測、預測故障以及警告等功能，真正做到“事先預警、集中監控、事后分析”的管理要求，達到無(wú)人值守、使潛在風(fēng)險盡在掌控。技術(shù)實(shí)現思路如下圖2所示。

圖2 技術(shù)實(shí)現思路

4.3技術(shù)路線(xiàn)

智慧配電室采用面向服務(wù)的架構（SOA)設計，利用BIM模型、物聯(lián)網(wǎng)采集平臺和數字孿生等技術(shù)，以5G為承載網(wǎng)絡(luò )，同時(shí)結合視頻監控、門(mén)禁、消防、照明、水電氣、空調等其他系統，將BIM、MR、GIS、大數據、人工智能、云計算與邊緣計算等技術(shù)與視頻和多源數據等進(jìn)行深度融合，實(shí)現物理世界與虛擬世界深度結合，形成具備運、管、營(yíng)、維等多維度可視化MR沉浸漫游式的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官的全新數字孿生一體化管理體系。同時(shí)，制定空間數據標準與規范、API接口與SDK服務(wù)平臺，整體技術(shù)路線(xiàn)如下圖3所示。

圖3 技術(shù)路線(xiàn)

4.4技術(shù)體現

數字孿生是充分利用物理世界模型、傳感器實(shí)時(shí)數據、運行歷史數據以及異構多源數據，融合BIM、GIS、人工智能與大數據等新一代信息技術(shù)，通過(guò)構建虛擬空間來(lái)完成與物理世界的完美映射，從而反映相對應的實(shí)體設備的全生命周期過(guò)程的管理與監測。該技術(shù)在此次智慧配電室的應用上具體體現在以下幾個(gè)方面：

（1）虛實(shí)交互

在數字孿生的應用中物理世界和數字世界是具備實(shí)時(shí)連接、動(dòng)態(tài)交互和雙向映射的，因此其具備以多樣的數字模型映射物理實(shí)體的能力，具有能夠在不同數字模型之間轉換、合并和建立“表達”的等同性，虛實(shí)融合、虛實(shí)協(xié)同將是未來(lái)發(fā)展新模式。

（2）精準映射

數字孿生不僅是數字化，更是精準映射，通過(guò)室內、室外、地下管道等各層面部署相應傳感器，實(shí)現對配電室、環(huán)境、監控、空調等基礎設施的全面數字化建模，以及對運行狀態(tài)的充分感知、動(dòng)態(tài)監測，形成虛擬配電室在信息維度上對實(shí)體配電室的精準信息表達和映射。

（3）軟件定義

數字孿生針對物理世界建立相對應的虛擬模型，并以軟件的方式模擬配電室物、事在物理環(huán)境下的狀態(tài)，通過(guò)云端和邊緣計算，軟性指引和操控配電室的各類(lèi)設備信號控制、電熱能源調度、溫濕度監測、視頻監控等。

（4）智能干預

通過(guò)在“數字孿生配電室”上規劃設計、模擬仿真等，將配電室可能產(chǎn)生的不良事件、危險事故、潛在危險進(jìn)行智能預警，并針對性提供可行性的對策建議，以未來(lái)視角智能干預、自主修正配電室原有發(fā)展軌跡和運行狀態(tài)，進(jìn)而指引和優(yōu)化實(shí)體，賦予配電室“智慧”管理。

5 結 語(yǔ)

數字孿生技術(shù)在智慧配電室的研究與設計的核心是模型和數據，在建立完善的數字孿生虛擬模型時(shí)，需要在模型中添加海量的相對的設備相關(guān)數據，這樣才能充分發(fā)揮數字孿生技術(shù)的潛能。實(shí)現沉浸式的可視化管控。但是，數字孿生技術(shù)在應用于智慧配電室時(shí)也面臨了很多難點(diǎn)，具體體現在以下幾點(diǎn)。

1. 數據的標準一致性

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)以及其他采集的海量數據中存在結構性與非結構數據數據，具備差異性，涉及數據包括但不限于物理數據、幾何數據、時(shí)間數據、空間數據、音頻、視頻、文本等等，如何將這些多源異構多模數據按統一標準與規范進(jìn)行集成、深度融合和統一管理，是數字孿生在智慧配電室應用中要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

2. 數據的穩定性與準確性

數字孿生模型與物理實(shí)體之間的實(shí)時(shí)交互對傳輸的依賴(lài)性極高，必須要保障數據傳輸的穩定性與可靠性，同時(shí)也需保障傳輸的準確性，否則會(huì )直接影響到用戶(hù)的使用，甚至造成難以預估的損失。數據的來(lái)源是多源的，所以無(wú)論數據采集還是下達指令，其穩定性和準確性對整個(gè)系統來(lái)說(shuō)都是至關(guān)重要的，關(guān)乎著(zhù)其是否能穩定、高效、平穩的運行，需引起特別重視，以確保在傳輸過(guò)程中萬(wàn)無(wú)一失。

3. 數據的共享與開(kāi)放

數據的采集是多源異構的，甚至是來(lái)自不同系統之間的，而數據孿生的應用是基于這些數據之上的，深度融合其他新一代信息技術(shù)，因此必然會(huì )面臨數據共享和開(kāi)放的挑戰。然而，當前多源異構數據之間的共享機制和服務(wù)體系建設還不夠完善，不同主體之間的數據共享仍然存在較大的安全隱患和利益沖突，難以滿(mǎn)足數字孿生對于數據開(kāi)發(fā)共享的相關(guān)需求。

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