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

隨著信息化進程的演進，大數據、人工智能、5G、BIM、物聯網、數字孿生等新一代信息化技術的日益成熟，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，實現讓創新助力發展、技術輔助管理和數據驅動創新，達到管理更精準、運維服務更高效以及發展具備良性循環性，同時為管理部門提供決策分析，保障三甲醫院電力能經濟、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行監管，而走在前沿的多采用物聯網、大數據、人工智能、云計算、移動互聯等新一代信息技術，通過技術平臺和一體化的監控服務系統，實時監測設備運轉情況、檢測記錄各項工作數據和控制設備以最佳狀態運轉，將隱患排除在萌芽之初，滿足醫院各科室的用電需求，提升供電質量和運行水平，同時為能源監測提供有效數據支撐，實現具有安全、經濟、環保、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、感知設備和各類數據信息，跨學科、多維度、多尺度深度融合的仿真過程，將物理實體在虛擬空間中構建數字模型并交互映射，使特定物理實體或過程具有數字化表達，實現虛擬世界中對現實世界的可管、可控、可互操作的數字映射，以及物理實體全生命周期的運行管理。

而本次以數字化方式創建配電室的虛擬實體，借助實時采集的數據、第三方數據以及智能算法模型等，實現對資產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的深度融合，將有力的推動我院配電室朝著數字化、網絡化、智能化和可視化管理。未來，數字化不僅僅是具備數字化特征的產品，更是可以通過數字化手段提供多方位的需求，如設計、開發、運維和服務等，甚至可以通過數字化方式將配電室內部與外部環境融為一體，實現具備管、控、操可視化沉浸式的智慧管理。數字孿生具有以下幾個典型特點：

（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時連接、動態交互和雙向映射的，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，虛實融合、虛實協同將是未來發展新模式。

（2）可擴展性

數字孿生技術不僅具備API網關與SDK能力，同時也應具備集成、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）實時性

數字孿生技術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體進行可視化呈現。呈現的對象包括但不限于外觀、運行狀態、屬性、內部構件、實時運行數據等，形成物理實體實時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體之間的仿真程度，不僅要保持幾何結構的高度仿真，同時也要保持在運行狀態、相態與時態上高度保持實時同步，確保虛擬模型與物理實體的一致性。

（5）閉環性

數字孿生虛體用于描述物理實體的可視模型和內在機理，以便于對物理實體的狀態數據進行實時監視、分析預測和優化參數，實現智能決策功能，即賦予數字孿生虛體和物理實體同一個大腦，因此數字孿生具有閉環性。

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行一一映射、協同交互、智能操控的虛擬仿真配電室，其技術體系架構包含智能傳感器、5G融合網絡、支撐平臺、應用系統等必要組成要素構成的，并貫穿整個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程，是一個將技術、業務、應用和數據深度融合的復雜系統，其整體技術體系架構如下圖1所示。

圖1 數據孿生配電室技術體系架構

4.2技術思路

數字孿生技術在智慧配電室的建設中起到關鍵性作用，本次設計通過利用物聯網采集的海量、實時各類數據，以數字孿生技術將配電室內建筑、設備信息，狀態以直觀的形式展現出來，讓數據不再枯燥乏味。通過利用智能傳感技術，實時采集設備狀態參數、狀態運行數據和視頻監控等實時數據；利用數字孿生技術與控制技術對數據進行完整性校驗和算法迭代優化；利用人工智能與算法對實體實時數據和歷史數據進行決策分析、參數調優、性能評估與風險預測分析等。同時，將采集的各類數據在BIM模型中進行可視化實時展示、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，達到無人值守、使潛在風險盡在掌控。技術實現思路如下圖2所示。

圖2 技術實現思路

4.3技術路線

智慧配電室采用面向服務的架構（SOA)設計，利用BIM模型、物聯網采集平臺和數字孿生等技術，以5G為承載網絡，同時結合視頻監控、門禁、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與視頻和多源數據等進行深度融合，實現物理世界與虛擬世界深度結合，形成具備運、管、營、維等多維度可視化MR沉浸漫游式的視覺、聽覺、觸覺等感官的全新數字孿生一體化管理體系。同時，制定空間數據標準與規范、API接口與SDK服務平臺，整體技術路線如下圖3所示。

圖3 技術路線

4.4技術體現

數字孿生是充分利用物理世界模型、傳感器實時數據、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，通過構建虛擬空間來完成與物理世界的完美映射，從而反映相對應的實體設備的全生命周期過程的管理與監測。該技術在此次智慧配電室的應用上具體體現在以下幾個方面：

（1）虛實交互

在數字孿生的應用中物理世界和數字世界是具備實時連接、動態交互和雙向映射的，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，虛實融合、虛實協同將是未來發展新模式。

（2）精準映射

數字孿生不僅是數字化，更是精準映射，通過室內、室外、地下管道等各層面部署相應傳感器，實現對配電室、環境、監控、空調等基礎設施的全面數字化建模，以及對運行狀態的充分感知、動態監測，形成虛擬配電室在信息維度上對實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、事在物理環境下的狀態，通過云端和邊緣計算，軟性指引和操控配電室的各類設備信號控制、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，將配電室可能產生的不良事件、危險事故、潛在危險進行智能預警，并針對性提供可行性的對策建議，以未來視角智能干預、自主修正配電室原有發展軌跡和運行狀態，進而指引和優化實體，賦予配電室“智慧”管理。

5 結 語

數字孿生技術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，需要在模型中添加海量的相對的設備相關數據，這樣才能充分發揮數字孿生技術的潛能。實現沉浸式的可視化管控。但是，數字孿生技術在應用于智慧配電室時也面臨了很多難點，具體體現在以下幾點。

1. 數據的標準一致性

通過物聯網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鍵問題。

2. 數據的穩定性與準確性

數字孿生模型與物理實體之間的實時交互對傳輸的依賴性極高，必須要保障數據傳輸的穩定性與可靠性，同時也需保障傳輸的準確性，否則會直接影響到用戶的使用，甚至造成難以預估的損失。數據的來源是多源的，所以無論數據采集還是下達指令，其穩定性和準確性對整個系統來說都是至關重要的，關乎著其是否能穩定、高效、平穩的運行，需引起特別重視，以確保在傳輸過程中萬無一失。

3. 數據的共享與開放

數據的采集是多源異構的，甚至是來自不同系統之間的，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，因此必然會面臨數據共享和開放的挑戰。然而，當前多源異構數據之間的共享機制和服務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，難以滿足數字孿生對于數據開發共享的相關需求。

參考文獻

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