面向通信機(jī)房的數(shù)字孿生技術(shù)及其應(yīng)用

張亞南，韓冰洋

（北京中電飛華通信有限公司，北京,100070）

0 引言

由于當(dāng)今和未來電力系統(tǒng)中IT/OT的日益融合，新的信息源可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的監(jiān)控和控制應(yīng)用程序。特別是數(shù)字孿生技術(shù)，它是具備強(qiáng)化建模，分析和預(yù)測功能的關(guān)鍵技術(shù)。為了保證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，電力行業(yè)普遍采用專用的網(wǎng)絡(luò)模式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源管理。然而，隨著物聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)在電力領(lǐng)域的快速發(fā)展，電力行業(yè)的通信機(jī)房規(guī)模和數(shù)量正在迅速增加，導(dǎo)致日常運(yùn)維的工作量和復(fù)雜性急劇增加。因此，迫切需要利用信息技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有機(jī)房的智能化運(yùn)維、監(jiān)控和管理，以更好地保證電力行業(yè)的健康發(fā)展和穩(wěn)定運(yùn)行。但是，當(dāng)前電力通信機(jī)房管理、運(yùn)行維護(hù)的方法仍然較為傳統(tǒng)，每個(gè)機(jī)房尚未實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的集中監(jiān)控，智能分析和預(yù)測報(bào)警，這使得網(wǎng)絡(luò)控制室值班人員無法監(jiān)控信息系統(tǒng)的整體運(yùn)行狀況。因此，他們既不能有效地分配和優(yōu)化信息資源，也不能保證信息系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。顯然，這不能滿足智能電網(wǎng)建設(shè)工程的需求。國外很多研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)對(duì)機(jī)房智能化運(yùn)維進(jìn)行了相應(yīng)的研究，如林雪平基于B/S模式開發(fā)的核電站診斷與演示系統(tǒng)，瑞士ABB公司的電力設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)等，以及由加拿大Granby公司設(shè)計(jì)和開發(fā)的用于通過以太網(wǎng)對(duì)機(jī)器工具進(jìn)行診斷的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。西安電子科技大學(xué)，中國華能集團(tuán)等國內(nèi)相關(guān)單位也在這方面進(jìn)行了研究，例如HG系列機(jī)房綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件，“飛思網(wǎng)巡”機(jī)房監(jiān)控管理系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電力設(shè)備運(yùn)維支撐的功能，提高了中國電力行業(yè)信息管理業(yè)務(wù)的效率和質(zhì)量。但是，這些系統(tǒng)主要是分配，維護(hù)和管理網(wǎng)絡(luò)資源，用于機(jī)房運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視和運(yùn)行維護(hù)管理的系統(tǒng)在文獻(xiàn)中很少報(bào)道。本文將基于數(shù)字孿生通信機(jī)房智能運(yùn)維系統(tǒng)，開展通信機(jī)房設(shè)備、配套設(shè)施三維建模研究以及通信機(jī)房設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收與狀態(tài)仿真模擬展示研究[1]。

1 數(shù)字孿生技術(shù)研究發(fā)展概況

在向工業(yè)4.0的數(shù)字化轉(zhuǎn)型的時(shí)代，制造和生產(chǎn)過程都處于最前沿。為了實(shí)現(xiàn)這種數(shù)字化轉(zhuǎn)型，需要將現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)世界和數(shù)字化生產(chǎn)世界融合在一起，所有部分都相互連接，包括傳感器，機(jī)器，產(chǎn)品，系統(tǒng)，過程和人員。在這方面，網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)，數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施和專用軟件可以對(duì)生產(chǎn)過程中包括的物理資產(chǎn)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控。這有效促進(jìn)了事件檢測，并實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)資產(chǎn)和流程的模擬和優(yōu)化，從而為相關(guān)人員提供了明確的決策支持。數(shù)字孿生（DT）是這種數(shù)字轉(zhuǎn)換的重要推動(dòng)力，它定義了物理世界向數(shù)字領(lǐng)域的虛擬轉(zhuǎn)移。數(shù)字孿生技術(shù)可以為當(dāng)代生產(chǎn)系統(tǒng)提供許多功能?；A(chǔ)數(shù)字孿生架構(gòu)如圖1所示，主要包括物理空間、虛擬空間以及這些空間之間的連接三部分[2]。

圖1 基礎(chǔ)數(shù)字孿生架構(gòu)

數(shù)字孿生可以通過創(chuàng)建一個(gè)連接的物理和虛擬孿生來解決物聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)分析之間無縫集成的挑戰(zhàn)。數(shù)字孿生環(huán)境允許快速分析和通過精確分析做出實(shí)時(shí)決策。自21世紀(jì)初以來，關(guān)于數(shù)字孿生的正式想法就已經(jīng)出現(xiàn)。也就是說，我們有可能更早地定義數(shù)字孿生。第一個(gè)術(shù)語是由Grieves在2003年的一次演講中提出的，后來在白皮書中進(jìn)行了記錄，為數(shù)字孿生的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。美國國家航空航天局(NASA)在2012年發(fā)表了一篇題為《未來美國航空航天局和美國空軍飛行器的數(shù)字孿生范例》的論文，為定義數(shù)字孿生樹立了一個(gè)重要的里程碑。文獻(xiàn)3描述：“數(shù)字孿生是物理設(shè)備或系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型，它代表了所有的功能特征和與工作元件的聯(lián)系?！蔽墨I(xiàn)4描述：“數(shù)字孿生實(shí)際上是物理資產(chǎn)或系統(tǒng)的生命模型，它基于收集到的在線數(shù)據(jù)和信息不斷適應(yīng)業(yè)務(wù)變化，并可以預(yù)測相應(yīng)的物理對(duì)等物的未來?！蔽墨I(xiàn)5描述：“數(shù)字孿生是一組虛擬信息，它從微觀原子水平到宏觀幾何水平，完全描述了潛在的或?qū)嶋H的物理生產(chǎn)。”文獻(xiàn)6描述：“數(shù)字孿生是物理系統(tǒng)的虛擬實(shí)例，在物理系統(tǒng)的整個(gè)生命周期中都會(huì)不斷更新其性能，維護(hù)和運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)?！薄段磥砻绹娇蘸教炀趾兔绹哲婏w行器的數(shù)字孿生范例》論文是NASA的星際飛行器的模棱兩可的定義，也是早期定義數(shù)字孿生的論文之一。盡管文獻(xiàn)3和文獻(xiàn)6之間的時(shí)間間隔超過6年，但共識(shí)仍然是沒有根本或有意義的改變。學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都沒有將DT與一般的計(jì)算模型和模擬區(qū)分開來，未來的工作需要對(duì)數(shù)字孿生做出更明確的定義。

2 面向通信機(jī)房的數(shù)字孿生部署

通信機(jī)房作為電力通信行業(yè)業(yè)務(wù)運(yùn)行的中樞系統(tǒng)，具有極高的商業(yè)價(jià)值，業(yè)務(wù)的有序開展取決于通信機(jī)房的正常運(yùn)行，而通信機(jī)房的正常運(yùn)行取決于機(jī)房中各支撐系統(tǒng)設(shè)備及傳感器能否正常工作，一方面需要全方位的手段保證機(jī)房各項(xiàng)支撐系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，包括動(dòng)力系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、IT系統(tǒng)，機(jī)房管理人員需要詳盡掌握上述系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況以及告警信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)房的精細(xì)化管理；另一方面，針對(duì)機(jī)房設(shè)備運(yùn)行故障告警能啟動(dòng)運(yùn)維流程，下發(fā)工單至運(yùn)維人員或代維人員，管理員可對(duì)維護(hù)質(zhì)量全方位監(jiān)督，實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)維管理。如圖2所示為機(jī)房運(yùn)維監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖，分為接入層、網(wǎng)絡(luò)層、私有云、應(yīng)用層三層架構(gòu)。

圖2 機(jī)房運(yùn)維監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

機(jī)房也是數(shù)據(jù)信息計(jì)算、交換和存儲(chǔ)的中心，是數(shù)據(jù)處理最集中、數(shù)據(jù)價(jià)值最高的核心區(qū)域，機(jī)房具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、存儲(chǔ)及帶寬資源，安全可靠的機(jī)房設(shè)施、高水平的維護(hù)管理是業(yè)務(wù)正常運(yùn)行的必要條件，機(jī)房的管理必須能夠全面滿足業(yè)務(wù)正常運(yùn)行的各項(xiàng)需求，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用管理系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初即充分考慮到機(jī)房管理的全方位需求，針對(duì)性的對(duì)機(jī)房的各個(gè)系統(tǒng)提出管理方案，系統(tǒng)遵循以下設(shè)計(jì)原則：

（1）智能化：系統(tǒng)提供智能化處理物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)分析，掌握機(jī)房各子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)并預(yù)測發(fā)生故障的可能性，實(shí)現(xiàn)預(yù)防性的機(jī)房管理，真正做到防范于未然。

（2）兼容性：物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)全面兼容各種傳感器、智能設(shè)備、IT設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、安防設(shè)備接入，提供機(jī)房各類狀態(tài)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一入口，僅需一臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備即可全面兼容各類子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的匯聚及解析。

（3）擴(kuò)展性：無論部署在機(jī)房的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，還是部署在云端的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用管理平臺(tái)，均具有彈性拓展能力，在機(jī)房內(nèi)部，用戶可根據(jù)被管理設(shè)備的類型和數(shù)量，選擇物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)及擴(kuò)展模組實(shí)現(xiàn)設(shè)備的適配。在云端系統(tǒng)可根據(jù)用戶接入機(jī)房和設(shè)備的規(guī)模彈性分配資源，動(dòng)態(tài)地分配業(yè)務(wù)所需資源。

（4）安全性：系統(tǒng)各組成部分均提供完善的安全防護(hù)能力，業(yè)務(wù)全流程數(shù)據(jù)采用HTTP Digest加密認(rèn)證，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)內(nèi)置軟件防火墻，并且具備物理隔離能力。視頻監(jiān)控采用P2P方案，視頻數(shù)據(jù)不經(jīng)過平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，保證視頻信息安全；物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用管理平臺(tái)采用RBAC權(quán)限模型，可以精確控制用戶權(quán)限，保證用戶權(quán)限受控。

（5）可用性：系統(tǒng)具備高可用性，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備具備高性能ARM處理器，能夠?qū)Σ杉母黝愒O(shè)備協(xié)議進(jìn)行現(xiàn)場解析處理，即使與云端平臺(tái)通訊中斷，也不會(huì)影響物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)本地?cái)?shù)據(jù)采集、分析和聯(lián)動(dòng)，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3 系統(tǒng)功能概述

3.1 三維模型庫

包含通信機(jī)房主要基礎(chǔ)設(shè)施三維模型庫，能夠?qū)δＰ瓦M(jìn)行增加、刪除、修改、查詢、展示，包括通信設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、配線架、線纜、機(jī)柜、空調(diào)、UPS、電源等。

3.2 機(jī)房管理

（1）告警管理

能夠?qū)π畔⑼ㄐ艡C(jī)房整體及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)告警進(jìn)行記錄、查詢、展示、提醒，能夠與巡檢機(jī)器人、網(wǎng)管系統(tǒng)的告警功能對(duì)接。

（2）運(yùn)行記錄

支持信息通信機(jī)房內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行信息的增加、刪除、修改、查詢、數(shù)據(jù)展示，包括設(shè)備上架、更換、下架的時(shí)間、設(shè)備型號(hào)、批次、狀態(tài)、投運(yùn)日期、維修次數(shù)等。

（3）動(dòng)環(huán)管理

具備信息通信機(jī)房動(dòng)環(huán)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測、告警、分析、視頻監(jiān)控等功能，支持告警提示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、圖表輔助分析。

電源系統(tǒng)：具備電源系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與展示功能，包括UPS蓄電池剩余電量、負(fù)載額度及異常告警、直流配電設(shè)備使用情況、狀態(tài)監(jiān)測等。

空調(diào)系統(tǒng)：支持空調(diào)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與展示，包括溫濕度、工作狀態(tài)、告警等。

消防系統(tǒng)：支持消防設(shè)備管理、報(bào)警信息處理、機(jī)房地圖展示、遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等。

溫度：能夠展示機(jī)房內(nèi)環(huán)境溫度、設(shè)備溫度，支持圖表展示。

（4）人員管理

支持人員角色、權(quán)限管理，包括工作人員、臨時(shí)訪客等。支持與視頻監(jiān)控、門禁系統(tǒng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)人員進(jìn)出記錄、違規(guī)進(jìn)入告警等。

（5）巡更管理

支持與移動(dòng)端對(duì)接，支持巡視計(jì)劃制定、指令下達(dá)、人員定位、拍照錄像、軌跡回放、巡更打卡、告警、分析、公告管理。

3.3 資產(chǎn)管理

支持信息通信機(jī)房內(nèi)在運(yùn)設(shè)備和板件以及基礎(chǔ)設(shè)施等基本信息的增加、刪除、修改、查詢、資產(chǎn)標(biāo)簽展示，包括規(guī)格、批次、出廠日期等。

3.4 能耗PUE曲線

支持信息通信機(jī)房整體、各個(gè)機(jī)柜的能耗計(jì)算與數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)展示，支持圖表、曲線等多方式展示。

3.5 應(yīng)急演練

包含虛擬互動(dòng)應(yīng)急演練庫，支持三維動(dòng)畫模擬展示通信機(jī)房設(shè)備故障、網(wǎng)絡(luò)故障、突發(fā)事故等，建立預(yù)案、設(shè)置故障、錄制處置故障操作流程、回放錄制預(yù)案、故障恢復(fù)模擬操作。

4 結(jié)論

本文面向通信機(jī)房智能運(yùn)維需求，采用三維虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了通信機(jī)房的動(dòng)環(huán)監(jiān)控和機(jī)柜智能檢測，滿足數(shù)字化移交要求，同時(shí)為智能化、精益化運(yùn)維應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)房環(huán)境和機(jī)柜相關(guān)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，分析和預(yù)警處理，對(duì)電力信息通信的運(yùn)維進(jìn)行了新的探索，提升了通信機(jī)房風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警與故障處置能力，打造通信機(jī)房智能管控新模式，為通信機(jī)房建設(shè)運(yùn)維提供智能決策支持，有效地提高了運(yùn)維效率和運(yùn)行質(zhì)量。