數字孿生分布式物理化結構模型及其在變電站建設管理中的應用

孫 雷 戚緒安 劉云飛 曹 盛 張 洋 薛 巖

1(國網江蘇省電力工程咨詢有限公司 江蘇 南京 210000) 2(華東電力設計院有限公司 上海 200000)

0 引 言

建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)技術，實質是數字孿生技術在基礎建設階段的應用，是“泛在電力物聯網”[1]的重要組成部分。變電站的BIM施工管理平臺作為其重要組成部分，必須滿足變電站全壽命數字孿生模型的要求[2]。在建設變電站BIM施工管理平臺時，需要先行構建變電站全壽命周期的數字孿生模型框架。

數字孿生技術最早由美國密歇根大學的Grieves等[3]于2003年提出，其最初定義為三維模型。由于其獨特的優(yōu)勢，隨著科技的發(fā)展，應用從最初的軍工及航空航天領域迅速向其他各行各業(yè)擴展[4-16]。陶飛等[4]提出了數字孿生的五維模型，但是在實際工作中，五維結構模型理論仍過于抽象，距離實際應用尚缺乏物理化結構模型環(huán)節(jié)。

在江蘇無錫綺北220 kV變電站BIM施工管理平臺的建設中，研發(fā)團隊通過分析五維模型中各元素在具體模型中的表現形式，特別是孿生數據的矛盾屬性和分布、虛擬實體的工作應用、信息連接等情況，開創(chuàng)性地提出了“孿生數據分散式布置”的理念和“多重虛擬實體”的概念，歸納出具有普適性的數字孿生系統(tǒng)的分布式物理化結構模型，完成理論模型向物理化模型的轉化，構建面向變電站全壽命周期的數字孿生模型框架，并在此框架下完成BIM施工管理平臺。

1 相關概念

1.1 數字孿生的五維模型理論

數字孿生的“五維模型”理論，總結歸納出數字孿生模型的五要素，即物理實體、虛擬實體、服務、孿生數據和連接[4](如圖1所示)。

圖1 數字孿生五維概念模型[4]

在構建數字孿生系統(tǒng)的物理化結構模型時，將物理實體、虛擬實體和服務歸為物理結構。作為數字孿生工作基礎的孿生數據，由“服務”驅動，通過“連接”在物理結構之間流動，實現系統(tǒng)功能。

1.2 五要素在數字孿生物理化結構中的表現形式

為了構建數字孿生模型的物理化結構模型，對“五維模型”中的五要素進行衍生分析，進一步發(fā)掘其本質。

“五維模型”中的物理實體并不等同于現實存在的實體，而是人類希望通過數字孿生模型的活動而改造的對象，是人們預期的實體，其具體表現形式由“實體”和“愿景”兩部分組成。在數字孿生模型的活動中，物理實體除了產生和輸出孿生數據以外，同時還接收來源于服務平臺的、處于動態(tài)變化的孿生數據，并根據其相關指令實時調整，以實現愿景向實體的轉變。

在分析服務要素在物理化結構中的表現形式前，需先給予其一個廣義的定義，服務要素是指為滿足用戶單一或多重需求而提供的各類支撐[17]，即在數字孿生模型系統(tǒng)運行中為達到預期目的而發(fā)生的一切人為活動，包括采用計算機驅動方式。服務的本質是人為活動在數字孿生模型系統(tǒng)運行中的干涉插入點，是人與系統(tǒng)的唯一接口。同時，服務平臺定義了服務的規(guī)則。

虛擬實體和物理實體互為映射關系。無論對虛擬實體還是物理實體的操作都離不開人的驅動，即物理實體與虛擬實體的運行都必須依托于服務平臺。在數字孿生的物理化結構中，服務元素和物理實體、虛擬實體按照規(guī)則以工作界面集合體的方式出現。

在實際的數字孿生系統(tǒng)中，孿生數據依附于物理實體、虛擬實體或服務平臺而存在，基于其本身的矛盾屬性，體現出分散性的布置，并且需要在各自實體模型間實現流通。

在物理化模型中，“連接”在物理結構間形成信息通道，其重點在于：連接的兩端是什么，構成的通道是單向的還是雙向的。通過連接，孿生數據進行流通，數字孿生模型才能完成各個工作界面的各項任務。

圖2為從五維模型理論中抽象而來的變電站數字孿生模型。該理論模型雖然在一定程度上可以較為直觀地反映變電站項目的管控流程，但仍然無法直接指導變電站數字孿生模型的構建。實際工程在其全壽命周期的各階段，不同主體對模型的需求也不盡相同，所涉及的范圍更廣，細節(jié)也更多樣化。為解決不同利益主體間存在的現實矛盾與沖突，將五維模型理論深化，將其所構建的模型細化、拆分，增加分散式布置與多重虛擬實體的概念，使其更加適用于變電站項目。

圖2 由五維模型理論得出的數字孿生變電站的物理化結構

1.3 孿生數據的矛盾屬性及其分散式布置

在數字孿生五維結構中，孿生數據是數字孿生運行的核心驅動，其定義是“包括物理實體、虛擬實體、服務系統(tǒng)的相關數據、領域知識及其融合數據，并隨著實時數據的產生被不斷更新和優(yōu)化”[4]。孿生數據為物理實體數據、領域知識在虛擬實體和服務系統(tǒng)上的映射及其仿真運算結果。作為映射結果，孿生數據存在以下矛盾屬性：

(1) 絕對的不完整性和相對的完整性。一方面，對任何物體的描述不可能是全方位無遺漏的，另一方面，對于任何人而言，也只能了解事物的一部分內容。同樣，由人構建而成的孿生數據也不可能完整地描述物理實體。對于某個物理實體數字孿生模型，從事不同工作內容的不同群體只對自身工作方向的數據感興趣，僅掌握自身工作范圍的數據。當這些群體構建物理實體的孿生數字模型時，他們構建的孿生數據只著眼于自己相關的那部分數據，由此，孿生數據在絕對上是不完整的。但對于某個工作界面，其具備所有該項工作需要的數據，又是相對完整的。所以當某一界面的服務系統(tǒng)需要利用孿生數據時，也只需要搜集與其相關的數據。服務系統(tǒng)不需要所有的數據，數據也不需要被送往所有的服務系統(tǒng)，即數據的選擇性接收與傳送。

(2) 絕對的不同步性和相對的同步性。數據在物理實體、虛擬實體、服務系統(tǒng)之間傳輸，受各種條件制約與限制，必然存在傳輸時間差，同時，數字孿生模型的數據仿真運算處理也會產生運算時間差。根據服務平臺的處理速度以及連接環(huán)節(jié)傳輸手段的不同，這種時間差可以是從可忽略不計的光速到人工傳輸的數天甚至更久。由于包括物理實體在內的整個數字孿生系統(tǒng)處于動態(tài)變化狀態(tài)，不但孿生數據和物理實體數據之間存在不同步，同一孿生數字模型上的孿生數據所反映的也不一定是同一物理實體在同一時間發(fā)生的數據。孿生數據的不同步性，并不意味著數字孿生模型不能模擬物理實體。在實際應用時，根據數字孿生模型的應用目的，設定一個允許時間范圍，只要在此時間范圍內完成數據處理，即可認為孿生數據在該工作界面上同步。當服務系統(tǒng)需要利用孿生數據完成某項工作時，只需要將數據的同步性控制在設定時間內，就可以達到工作要求。當人工智能技術水平受到限制時，只要設定時間長度允許時，在數據流通和處理的某些步驟可人為干預來彌補替代，以保證整個孿生數據系統(tǒng)按時完成工作任務。

(3) 孿生數據在結構布置上的分散性和工作時的整體性。從數字孿生概念提出的初衷來看，人們希望在同一數字孿生模型上匯集所有的孿生數據，并在更多的層面運用數字孿生技術，但孿生數據的絕對不完整性和相對完整性，決定了孿生數據在數字孿生模型中必然是分散式分布的。當有多層面的需求加入時，就會引入不同工作界面知識領域的專業(yè)人員，也就需要在數字孿生模型中引入多種規(guī)則。大部分規(guī)則是依附于服務系統(tǒng)存在的，同時，使用該服務系統(tǒng)的專業(yè)人員不了解也不必了解其他界面領域的數據，因此，就形成了多服務系統(tǒng)終端的結構，而每個服務系統(tǒng)僅需接收本服務界面所需的數據，這樣，孿生數據在服務系統(tǒng)自然形成分散式布置。孿生數據的分散布置體現于數據在服務系統(tǒng)與虛擬實體之間的分散，也體現于數據在不同工作界面服務系統(tǒng)之間的分散。在同一數字孿生模型中的孿生數據映射于同一物理實體，這些數據之間存在先天性的有機聯系，在數字模擬系統(tǒng)中也需要在分散布置的孿生數據間建立連接，保證孿生數據在系統(tǒng)工作中可以整體投入工作，而不是以一個個孤立的封閉數據庫形式存在。

1.4 多重虛擬實體的概念

在孿生數字模型的實際運用中，利用建模工具建立的虛擬實體并不能直接被服務系統(tǒng)所利用。為了說明和分析這一問題，先做如下定義：將利用建模工具，按一定規(guī)則組織的[18]，帶有直接從物理實體映射數據的虛擬實體定義為原生虛擬實體。

建模平臺按建模規(guī)則建立原生虛擬實體，工作平臺除了需要按工作規(guī)則從虛擬實體中提取數據進行運算和操作外，還需要向虛擬實體輸入工作服務平臺產生的數據，由于工作服務平臺和建模服務平臺具有較強的專業(yè)性，需由不同的開發(fā)商完成，其規(guī)則不盡相同。因此，工作服務系統(tǒng)無法實現與原生虛擬實體之間的直接連接，而是需要形成適應自身規(guī)則的虛擬實體。通常，該虛擬實體需要的數據從原生虛擬實體映射取得，本文將其定義為“次生虛擬實體”(或“工作虛擬實體”)。次生虛擬實體與相應服務系統(tǒng)緊密綁定，由此，構成多重虛擬實體的概念。

多重虛擬實體的模型解決了一系列應用中的實際問題。原生虛擬實體中含有大量建模規(guī)則等數據，通過映射形成次生虛擬實體，過濾掉了大量不需要的信息，可減輕工作服務系統(tǒng)的運行負荷。同樣，有些僅服務系統(tǒng)需要的信息，可直接輸入到次生虛擬實體，避免了原生虛擬實體的體量過于龐大，降低了原生虛擬實體建模與傳遞的難度。由于在映射過程中過濾掉了建模規(guī)則信息，工作服務平臺可以較容易地滿足多種不同建模軟件建立的原生虛擬實體，避免建模軟件壟斷。

但是，在多服務系統(tǒng)孿生數字系統(tǒng)內，原生虛擬實體同時與多個次生虛擬實體對接。這種情況下，服務系統(tǒng)軟件開發(fā)者較容易開發(fā)接收原生虛擬實體數據的功能，而原生虛擬實體的建模軟件開發(fā)者則難以開發(fā)出同時適應數目眾多、規(guī)則各不相同的次生虛擬實體的數據接收功能。此種情況就造成了原生虛擬實體和次生虛擬實體之間數據僅能單向直接流通；原生虛擬實體和次生虛擬實體之間的孿生數據不同步情況較為嚴重，服務至原生虛擬實體的數據流閉環(huán)困難。目前很多數字孿生應用案例中，都摒棄了數據向原生虛擬模型反饋的環(huán)節(jié)，造成數字孿生未能在全壽命周期內有效運用。

2 模型架構及應用

2.1 數字孿生模型的分布式物理化結構模型

在數字孿生系統(tǒng)中，將物理實體、虛擬實體及服務平臺定義為物理結構，基于以上對孿生數據的分散式布置及多重虛實體工作模式的論證，可建立分布式數字孿生模型物理化結構，如圖3所示。

圖3 分布式數字孿生模型物理化結構

模型中，原生虛擬實體是最重要的孿生數據中心，但是其不必集中整個模型中所有的數據。孿生數據以不同步狀態(tài)分散布置于各原生虛擬實體、次生虛擬實體及服務系統(tǒng)中。孿生數據通過服務實現連接和傳輸，在每個服務界面實現相對的完整和同步。

服務不但是孿生數據模型工作的目的，也起著驅動數據聯通的作用，所有的連接都至少有一端起始或終止于服務系統(tǒng)。服務是整個數字孿生模型運行的動力中心。

盡管在五維概念模型中，連接似乎無處不在、無所不能，但在實際的物理結構中，存在部分連接不能直接實現的情況。原則上，物理實體、虛擬實體和服務，這些物理結構間采取兩兩連接的模式，不存在三者及以上直接共聯的模式。任意兩個物理結構之間，連接必須經過服務的驅動才能實現。根據數字孿生的分布式物理化結構，得出以下結論：

(1) 孿生數據分散布置在物理實體、虛擬實體和服務系統(tǒng)中。

(2) 數字孿生系統(tǒng)內存在多個虛擬實體，其中原生虛擬實體處于核心地位。

(3) 物理實體和虛擬實體都必須與服務系統(tǒng)結合存在。

(4) 次生虛擬實體數據完成向原生虛擬實體數據的反饋是數字孿生技術應用于全壽命周期的必要條件。

2.2 變電站分布式數字孿生物理化結構模型

變電站的數字孿生分布式物理化結構模型是針對特定需求與面向虛擬現實開發(fā)的平臺，是特定與適用領域較廣的模型的綜合產物[16-17,19]。根據數字孿生模型的分布式物理化結構模型，建立綺北220 kV變電站的數字孿生模型構架，如圖4所示。

圖4 綺北220 kV變電站的數字孿生模型構架

整個全壽命周期的變電站數字孿生模型由物理實體(變電站)、建模工作界面、施工管理工作界面、運維工作界面等組成。

在變電站建設階段，模型中的“物理實體”為變電站的待建愿景部分和已建部分的聯合體；“原生虛擬實體”為變電站的數字化三維設計模型；“次生虛擬實體”為BIM施工過程管理平臺中的輕量化模型；“服務平臺”為設計三維平臺及BIM施工過程管理平臺。其中，施工過程管理平臺根據人員的角色，還可細分為項目管理終端、監(jiān)理終端、設計終端、施工終端等。

設計愿景經設計服務平臺形成原生虛擬實體，即變電站的數字化三維設計模型。經BIM施工管理服務平臺的輕量化服務子終端映射轉化為次生虛擬實體，即變電站的輕量化三維模型，輕量化模型保存了變電站施工所需信息。BIM施工管理服務平臺中的設計、項目管理、施工、監(jiān)理等服務子終端模塊，基于相同的工作規(guī)則，讀取利用次生虛擬實體輕量化模型上的數據；也可根據整個BIM施工管理服務平臺的要求，將數據輸入到輕量化模型中，供其他服務子模塊讀取和使用，從而逐步將物理實體中的愿景部分轉換為建成部分。當全部物理實體都轉變?yōu)榻ǔ刹糠謺r，項目即建成竣工。當需要對愿景進行修改調整時，子終端將相關信息輸送到次生虛擬模型，設計服務子終端讀取相關信息，反饋至設計人員，再通過設計工作界面修改原生虛擬實體，并完成“原生虛擬實體——次生虛擬實體——項目管理服務終端”的循環(huán)。由此，實現了BIM施工管理界面孿生數據的完整性和同步性，滿足變電站建設要求，同時還實現了三維設計模型與變電站實物數據的同步性，當項目竣工后，原生虛擬實體可繼續(xù)供運維平臺使用。

同樣，根據數字孿生模型的分布式物理化結構模型，變電站的運行和維護等平臺，在利用數字化三維設計模型時，也應考慮到當需要對物理實體進行改動時，需將必要的孿生數據由服務平臺反饋到原生虛擬實體模型，保證原生虛擬實體和物理實體的同步性，支持孿生數字系統(tǒng)服務于變電站的全壽命周期。

2.3 變電站分布式數字孿生物理化結構模型的實踐應用情況

江蘇無錫綺北220 kV變電站項目在數字孿生分布式物理化結構模型理論指導下構建BIM項目管理平臺。平臺作為一個頂層應用，采用數據與頁面分離的設計，整體部署在一套先進的開發(fā)、運維及質量保證(Development & Operations，DevOps)系統(tǒng)內。在DevOps的支撐下讓開發(fā)、運維和QA高效協作完成整個工作。平臺使用集成開發(fā)環(huán)境(Integrated Development Environment,IDE)及分布式版本控制系統(tǒng)(GIT)等代碼開發(fā)管理工具開發(fā)，部署在一個由容器編排引擎Kubernetes管理著的分布式集群上，使用應用容器引擎Docker等虛擬化技術部署應用，保證穩(wěn)定高效運行的同時，可以快速部署上線。

平臺使用模型輕量化引擎，單獨處理模型，將解析的數據和參數存放至數據庫中統(tǒng)一管理起來。平臺后端使用Java語言編寫，運行穩(wěn)定。模型輕量化引擎使用JavaScript語言編寫，異步加載及緩存的機制能夠更好地展示模型，與平臺前端頁面保持一致，更好地兼容各種瀏覽器。平臺采用云存儲，保證多個備份，確保便捷、高效、安全。

平臺針對使用地區(qū)專門采用內容分發(fā)網絡(Content Delivery Network,CDN)的方式進行優(yōu)化，讓用戶更加快速地訪問到平臺。同時在搜索引擎優(yōu)化(Search Engine Optimization,SEO)方面對頁面及站點進行優(yōu)化，對外部人員的訪問加以管控，同時提升網站的影響力。在安全方面采用多重加密的方式對數據庫中的數據進行加密，保證足夠的安全性。

江蘇無錫綺北220 kV變電站項目在數字孿生分布式物理化結構模型理論指導下構建BIM項目管理平臺。根據數字孿生的物理化結構模型，綺北變電站項目的開發(fā)遵循以下原則：

(1) 否定了設計階段要將工程項目全壽命周期的所有信息建入模型的理想化理念，將應用于單一階段的模型信息調整至相應的階段，加強設計平臺的主要功能，突出設計人員工作重點。

(2) 設計平臺的建設重點集中在設計功能，在設計建模工作界面創(chuàng)建構件(或設備)的屬性信息，而將諸如進度模擬、部件歸類選擇、進度工程量統(tǒng)計等非設計應用功能剝離。

(3) 通過權限設置，將項目施工管理平臺服務功能終端細分為模型輕量化終端、項目管理終端、監(jiān)理終端、設計終端及施工終端等，以此來提高各方工作效率。

(4) 在精細化模型的構建方面，改進信息標注模式，設計模型修改再經輕量化更迭后，其原先位于施工管理平臺的信息可繼續(xù)有效地保留，確保模型修改可實時、連續(xù)地進行，從而減少由于模型修改而可能造成的數據信息丟失的情況發(fā)生。

(5) 在施工管理工作階段，根據實際的施工需求，對設計模型進行深化，使該模型更符合施工管理流程與最終的物理實體。這一階段的模型深化，是將設計人員不掌握的施工信息，通過施工人員不斷深化來完善模型，以此來確保相關信息的正確性。

(6) 施工管理增加了施工階段信息收集工作。對于一些僅在施工階段需要，且可以直接錄入到施工管理平臺的信息，將其整理形成電子檔案，作為將來工程使用的備案。

(7) 運維管理平臺應從設計模型(原生虛擬實體)映射生成運維模型(次生虛擬實體)，再通過此映射模型進行數據信息輸入與輸出。

以主變壓器為例，其在全壽命周期所含信息分類如表1所示。

表1 不同階段提供的主變壓器相關信息

根據項目數字孿生系統(tǒng)中的分布式物理化結構，設計模型(原生虛擬實體)中僅需錄入外形尺寸、安裝尺寸、設備主要參數、項目信息等，而施工相關的進度安排、實際進度、安裝工藝、施工安全等級、安全評估、價格、物資跟蹤的信息在施工管理平臺錄入，故障記錄、運行年限等信息在運維平臺錄入。這樣可以有效地控制設計建模的工作量，并確保核心數據的順利流通，方便各階段獲得相應數據。

3 結 語

在數字孿生五維模型基礎上建立的數字化孿生分布式物理化結構模型正視了現實技術發(fā)展與人類愿景的差距，突出了服務驅動的意義，給予數字孿生系統(tǒng)中各組成部分清晰的功能定位，填補了應用指導理論的空白。

在建立數字孿生分布式物理化結構模型過程中提出的元素分析、孿生數據的矛盾屬性、孿生數據的分散式分布、多重虛擬實體等概念，有助于深入理解和研究數字孿生技術。

數字孿生分布式物理化結構模型提出以下主要觀點：孿生數據分散布置在物理實體、虛擬實體與服務系統(tǒng)中；數字孿生系統(tǒng)內存在多個虛擬實體，其中原生虛擬實體處于核心地位；物理實體、虛擬實體和服務系統(tǒng)結合存在；次生虛擬實體數據完成向原生虛擬實體數據的反饋是數字孿生技術應用于全壽命周期的必要條件。

在變電站建設管理的實踐中，采用數字孿生分布式物理化結構模型指導構建變電站BIM施工管理平臺，將其納入數字孿生變電站全壽命周期應用的框架內，滿足泛在電力物聯網的建設要求。此外，還可通過對模型結構的分析，總結其中的關鍵環(huán)節(jié)和難點，并加以研究和優(yōu)化。

數字孿生分布式物理化結構模型具有行業(yè)領域普適性，適用不同領域的多種對象，可為其他領域的數字孿生構建和研究提供理論參考。