電網(wǎng)數(shù)字孿生管理平臺的設計及實現(xiàn)

張正文,彭 姣,孫樹娟,李美茹,苑魯峰

(1.國網(wǎng)河北省電力有限公司雄安新區(qū)供電公司,河北 雄安新區(qū) 071000;2.北京中電普華信息技術(shù)有限公司,北京 100107)

數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實體的虛擬模型[1],借助歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)以及算法模型等,模擬、驗證、預測、控制物理實體全生命周期過程的技術(shù)手段[23]。

根據(jù)國家電網(wǎng)有限公司(簡稱“國網(wǎng)公司”)《數(shù)字化轉(zhuǎn)型和數(shù)字電網(wǎng)建設行動方案(2020年版)》要求,國網(wǎng)公司將對傳統(tǒng)物理電網(wǎng)進行數(shù)字化映射,構(gòu)建全新的數(shù)字孿生電網(wǎng)形態(tài)[4]。然而,由于數(shù)字孿生應用于工業(yè)界實際時間不長,存在較多的技術(shù)分支與演進模式,在實際工業(yè)應用中,需要面對數(shù)字孿生種類繁多、標準多樣、管理復雜等問題,在實際項目中如何進行管理和控制面臨巨大的挑戰(zhàn)。本文結(jié)合國網(wǎng)河北省電力有限公司雄安新區(qū)供電公司(簡稱“雄安供電公司”)數(shù)字孿生建設需要,提出一種數(shù)字孿生管理平臺架構(gòu)設計方案。

1 數(shù)字孿生管理平臺的設計

雄安供電公司數(shù)字孿生管理平臺主要實現(xiàn)對各專業(yè)部門構(gòu)建的數(shù)字孿生體的統(tǒng)一管理,對規(guī)劃、調(diào)度、營銷、信通等業(yè)務部門的數(shù)字孿生,提供統(tǒng)一注冊、版本管控、共享、共用等,通過統(tǒng)一管理平臺,實現(xiàn)基礎構(gòu)件(類似于積木)性質(zhì)數(shù)字孿生的共享共用,避免各專業(yè)重復建設,提升應用效率。數(shù)字孿生管理平臺基于業(yè)務和管理需求,實現(xiàn)電網(wǎng)大規(guī)模多源孿生體的匯聚、存儲、管理和共享等應用,構(gòu)建電網(wǎng)數(shù)字孿生綜合管理體系,實現(xiàn)電網(wǎng)孿生體的統(tǒng)一管理和跨部門資源調(diào)用,解決多部門分散建設與片面管理問題。

1.1 數(shù)字孿生類型

數(shù)字孿生是指與物理實體或過程相對的數(shù)字化模型的實例,其不僅僅是物理世界的鏡像,也要反映物理世界的實時信息,更要反過來實時驅(qū)動物理世界,而且進化為物理世界的先知、先覺甚至超體。雄安供電公司各專業(yè)建設的孿生體模型成果主要分為兩大類,一是依照統(tǒng)一標準體系建設的孿生體模型,如雄安規(guī)范的XDB模型、國網(wǎng)規(guī)范的GI M模型等,這類模型從本質(zhì)上已經(jīng)具備了數(shù)字孿生的基本要素;另一類是三維行業(yè)中常見的多種三維模型格式,如傾斜攝影模型(OSGB)、3DMAX模型(.MAX)、基于Web GL的GLTF、BI M主流的revit、bently、catia模型以及其他通用三維模型格式OBJ、FBX、3DS等。在雄安供電公司數(shù)字孿生管理平臺中,需要對以上眾多模型進行統(tǒng)一管理,其中核心的數(shù)字孿生模型就是雄安規(guī)范的XDB模型以及國網(wǎng)規(guī)范的GI M模型。

雄安規(guī)范的XDB模型是指雄安新區(qū)規(guī)劃建設BI M管理平臺數(shù)字化交付數(shù)據(jù)標準,是雄安新區(qū)為建設數(shù)字城市而制定的數(shù)字化標準。雄安新區(qū)XDB按專業(yè)劃分,每個專業(yè)對應一個XDB,包含系統(tǒng)信息表、項目信息表、幾何信息表、專業(yè)信息表、數(shù)據(jù)關(guān)系表等。XDB的基本單位是元素,元素描述了數(shù)據(jù)集中一條模型數(shù)據(jù)所包括的內(nèi)容,如一個門構(gòu)件為一個元素,一個墻構(gòu)件為一個元素。元素主要包括了基本屬性數(shù)據(jù)、專業(yè)屬性數(shù)據(jù)、擴展屬性數(shù)據(jù)、顯示幾何等。元素之間的相互關(guān)聯(lián)關(guān)系用模型關(guān)聯(lián)關(guān)系來描述,如樓層與構(gòu)件的關(guān)聯(lián)關(guān)系、組與構(gòu)件的關(guān)聯(lián)關(guān)系等。雄安新區(qū)XDB體系結(jié)構(gòu)示意,見圖1,其從大向小,逐步細化,建立不可劃分的細節(jié)XDB基本組件。

圖1 雄安新區(qū)XDB體系結(jié)構(gòu)

國網(wǎng)規(guī)范的GI M模型是指國網(wǎng)公司為了實現(xiàn)智能電網(wǎng)建立的電網(wǎng)信息模型,具體包括輸變電工程三維設計模型交互規(guī)范、軟件基本功能規(guī)范、建模規(guī)范等內(nèi)容。國網(wǎng)GI M模型包括變電站、換流站、架空輸電線路等單元。各個電氣單元拆分為多個基本幾何體,通過層級劃分的方式進行建模,其模型結(jié)構(gòu)與XDB類似。以變電站為例,其建模使用了常規(guī)幾何體和專用幾何體,并由一組控制參數(shù)進行描述。常規(guī)幾何體是最基本的幾何圖形單元,而專用幾何體則是變電站設備、材料中的常用部件,包括套管、絕緣子串、安裝板、端子板等。在建模的過程中,基本圖元先組合為各種部件,然后由各個部件組合為設備。

1.2 總體架構(gòu)

雄安數(shù)字孿生管理平臺總體架構(gòu)主要分為數(shù)據(jù)匯集、數(shù)據(jù)層建設及應用服務建設等三部分[5],見圖2。

圖2 數(shù)字孿生管理平臺總體架構(gòu)

1.2.1 數(shù)據(jù)匯集

數(shù)據(jù)匯集對應數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)輸入層兩部分,主要用于多源異構(gòu)孿生體的匯集。雄安供電公司數(shù)字孿生管理平臺橫向關(guān)聯(lián)電網(wǎng)各專業(yè)、縱向貫通電網(wǎng)全業(yè)務,實現(xiàn)各部門、各專業(yè)分散建設的數(shù)字孿生匯集[6]。這些孿生體來源分散、結(jié)構(gòu)多樣、體量巨大。匯集的主要任務是對模型、屬性、關(guān)聯(lián)關(guān)系等3個數(shù)字孿生的核心要素進行整合。

模型整合。對于雄安規(guī)范的XDB模型、國網(wǎng)規(guī)范的GI M模型等,由于該類模型已經(jīng)具備了數(shù)字孿生的基本要素,整合時可延用該模型結(jié)構(gòu),并將這2種模型作為管理平臺標準格式。其他三維行業(yè)模型格式,如OSGB、3DMAX模型、基于Web-GL的GLTF、revit、bently、catia模型以及其他通用三維模型格式OBJ、FBX、3DS等,這些格式為適應孿生體統(tǒng)一納管的需求,進行歸一化處理,具備標準化條件的轉(zhuǎn)化為XDB或GI M模型,不具備標準化條件的轉(zhuǎn)化為通用三維格式OBJ。

屬性與關(guān)聯(lián)關(guān)系整合。電網(wǎng)各專業(yè)孿生體的業(yè)務數(shù)據(jù)、感知監(jiān)測數(shù)據(jù)等屬性均來源于數(shù)據(jù)中臺,為避免數(shù)據(jù)重復存儲,統(tǒng)一對接數(shù)據(jù)中臺的屬性數(shù)據(jù)。關(guān)聯(lián)關(guān)系由實物ID進行綁定,整合時應要求并檢查模型是否具備且符合電網(wǎng)統(tǒng)一實物ID編碼規(guī)則。

1.2.2 數(shù)據(jù)層建設

數(shù)據(jù)層建設部分主要對應數(shù)據(jù)層和組件層兩部分,用于實現(xiàn)數(shù)字孿生管理平臺的核心數(shù)據(jù)管理。數(shù)字孿生管理平臺通過數(shù)據(jù)匯集搭建孿生體模型數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)多維度、跨專業(yè)、格式歸一化的孿生體數(shù)據(jù)集中存儲與管理,通過模型唯一識別碼實體ID關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)中臺的各類業(yè)務和感知數(shù)據(jù)及映射關(guān)系,服務于后期孿生體的復用[7]。同時,模型數(shù)據(jù)庫的搭建延用數(shù)據(jù)中臺的建設技術(shù)框架,為后期數(shù)據(jù)中心整合和擴展提供技術(shù)準備。

1.2.3 應用服務

應用服務主要對應應用層部分,用于實現(xiàn)數(shù)字孿生管理平臺的各項具體應用。雄安供電公司數(shù)字孿生管理平臺應用服務能力從目錄體系統(tǒng)一、可視化展示、空間坐標配準、屬性編輯、場景組合、數(shù)據(jù)檢索等基本的管理組件作為支撐,搭建平臺的基本應用功能,實現(xiàn)孿生體上傳入庫、在庫管理和出庫共享分發(fā)等環(huán)節(jié)功能。

1.3 技術(shù)架構(gòu)

雄安數(shù)字孿生管理平臺的技術(shù)架構(gòu),主要分為部署環(huán)境、數(shù)據(jù)層技術(shù)、支撐層技術(shù)和服務層微服務架構(gòu)等4個主要技術(shù)環(huán)節(jié),以此支撐多樣的孿生體應用[8],見圖3。

圖3 數(shù)字孿生管理平臺技術(shù)架構(gòu)

部署環(huán)境主要延用國網(wǎng)公司現(xiàn)有的虛擬機、容器架構(gòu)、專用網(wǎng)絡和負載均衡設備進行部署安裝,實現(xiàn)在國網(wǎng)公司體系下兼容與適配。

數(shù)據(jù)層,為了后期數(shù)字孿生數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一歸入國網(wǎng)公司數(shù)據(jù)中臺的需求,保持與國網(wǎng)公司現(xiàn)有技術(shù)框架一致的技術(shù)方案。在數(shù)據(jù)接入方面采用ETL數(shù)據(jù)中間件的方式完成數(shù)據(jù)的集成過程,采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、NoSql數(shù)據(jù)庫、對象存儲服務和分布式文件存儲系統(tǒng)等方式進行數(shù)據(jù)的混合存儲。數(shù)據(jù)分析與計算方面,為滿足孿生體海量空間與非空間數(shù)據(jù)計算的性能需求,采用分布式計算架構(gòu)進行設計。

支撐層,用于對平臺應用與數(shù)據(jù)操作進行技術(shù)支撐。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具為定制開發(fā)的用于多源數(shù)據(jù)歸一化的工具軟件,完成多類三維數(shù)據(jù)的歸一化處理[9]。而三維轉(zhuǎn)換插件則是更專業(yè)的針對BI M、OSGB等特殊三維格式的輕量化、結(jié)構(gòu)化轉(zhuǎn)換插件,可將BIM輕量化為通用三維格式,將OSGB結(jié)構(gòu)化為OBJ格式,從而適配更多的三維平臺。

服務層,采用微服務架構(gòu)進行實現(xiàn),兼顧擴展性、容錯性、技術(shù)選型靈活性、開發(fā)運維效率等因素。微服務架構(gòu)是將原本單一進程拆分為多個進程服務,且相互之間存在調(diào)用關(guān)系,又能獨立部署運行的松耦合架構(gòu),便于服務的穩(wěn)定、擴展和維護,可以更好的支撐數(shù)字孿生多種多樣的應用需求。

2 數(shù)字孿生管理平臺的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 階段式數(shù)字孿生生成技術(shù)

雄安供電公司數(shù)字孿生管理平臺建立數(shù)字孿生的過程分為建模與仿真兩個階段。在建模階段以雄安XDB和國網(wǎng)GI M為基本標準模型,將待建立數(shù)字孿生的物理實體拆解成各種基礎組件,逐層分級的組合成XDB模型和GI M模型,從而實現(xiàn)將物理實體虛擬映射為三維數(shù)字模型,且相應模型真實地在虛擬空間再現(xiàn)物理實體的外觀、幾何、運動結(jié)構(gòu)、幾何關(guān)聯(lián)等屬性,并結(jié)合實體對象的空間運動規(guī)律而建立。仿真階段則是基于構(gòu)建好的三維數(shù)字模型,結(jié)合結(jié)構(gòu)、熱學、電磁、流體等物理規(guī)律和機理,計算、分析和預測物理實體的未來狀態(tài),從而建立數(shù)字孿生體內(nèi)部和孿生體之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。最終的數(shù)字孿生體由1個或多個單元級數(shù)字孿生體按層次和關(guān)聯(lián)關(guān)系逐級復合而成,從而實現(xiàn)數(shù)字孿生體的生成。

2.2 復合式數(shù)字孿生信息模型庫

雄安供電公司數(shù)字孿生管理平臺內(nèi)部包含眾多孿生模型,除了具有極強業(yè)務背景的XDB模型和GI M模型以外,還包括OSGB、3DMAX、GLTF、revit、bently、catia、OBJ、FBX、3DS等 模型。因此,如何兼容眾多模型格式就是數(shù)字孿生管理平臺的核心功能[10]。在結(jié)構(gòu)設計上,數(shù)字孿生管理平臺指定了3種基礎模型,分別是XDB、GI M和OBJ。對于其他格式的三維模型,首先通過格式導出工具標準化為XDB或者GI M模型,如果不具備標準化條件的轉(zhuǎn)化為通用三維格式OBJ。在具體實現(xiàn)過程中,采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫,用于存儲各類模型的基礎數(shù)據(jù)、專業(yè)數(shù)據(jù)、顯示圖形數(shù)據(jù)以及組件的編碼信息。同時支持存儲各領(lǐng)域的數(shù)據(jù)字典,用于解析專業(yè)數(shù)據(jù)含義。

2.3 高性能協(xié)同計算能力

高性能協(xié)同計算是數(shù)字孿生信息分析的效率保障。在數(shù)字孿生模式下,物理實體實現(xiàn)高度數(shù)字化,同時產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)資源,高性能的協(xié)同計算提供算力支撐,主要包括強大的數(shù)據(jù)處理中心和邊緣計算中心,為數(shù)字孿生的高效運行提供運行決策。為了提高高性能的協(xié)同計算能力,數(shù)字孿生管理平臺使用了基于Spar k的分布式計算引擎,能夠?qū)崿F(xiàn)多節(jié)點分布式的高性能并行計算。同時部署了人工智能算法庫,通過智能匹配最佳算法,可在無需數(shù)據(jù)專家的人工參與下,自動執(zhí)行數(shù)據(jù)準備、分析、融合對孿生數(shù)據(jù)進行深度知識挖掘,從而生成各類型服務。

3 數(shù)字孿生管理平臺實現(xiàn)及成效

雄安供電公司數(shù)字孿生管理平臺采用前后端分離的架構(gòu),前端和后端分別獨立實現(xiàn),后端采用微服務架構(gòu),以RESTful API的形式,對外提供數(shù)據(jù)服務和各類抽象的、基礎的業(yè)務邏輯,前端以瀏覽器和大屏為載體,承載各功能模塊的業(yè)務功能。其中,后端架構(gòu)自下而上由數(shù)據(jù)服務、微服務和API Gateway構(gòu)成,數(shù)據(jù)服務層封裝了底層數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)存取的業(yè)務邏輯,微服務層構(gòu)建了實現(xiàn)本系統(tǒng)的各類基礎業(yè)務邏輯,API Gateway層結(jié)合上層的業(yè)務需求,對數(shù)據(jù)和基礎業(yè)務邏輯進行封裝和整合,以RESTful API的形式提供支撐前端應用的最終服務。前端部分的Web系統(tǒng)由ASP.net、HTML、CSS和JavaScript生態(tài)下的各類技術(shù)實現(xiàn)。

目前數(shù)字孿生管理平臺實現(xiàn)了3大類6小類共29種XDB模型,3大類17小類共34種GI M模型,共建立各種三維數(shù)字孿生體1 921個,基本實現(xiàn)了雄安供電公司數(shù)字孿生基礎模型體系。依托現(xiàn)有模型,建立了可視化安全監(jiān)控場景。建立變電站1∶1的三維數(shù)字地圖,融合視頻監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)等園區(qū)監(jiān)測信息,巡檢人員佩戴定位系統(tǒng),可實時遠程展示變電站信息和巡檢人員在虛擬地圖中的位置信息,當發(fā)生危險報警或異常情況時,及時提醒危險區(qū)域人員。

4 結(jié)束語

數(shù)字孿生管理平臺作為雄安供電公司數(shù)字化主動電網(wǎng)數(shù)字孿生建設的重要組成部分,已經(jīng)初步實現(xiàn)了數(shù)字孿生的生成和管理能力,能夠為數(shù)字化主動電網(wǎng)數(shù)字孿生建設提供基礎支撐。未來數(shù)字孿生管理平臺還需要在數(shù)字孿生生成以及應用場景建設進一步強化,以增強雄安供電公司數(shù)字化能力。數(shù)字孿生作為新興學科,正表現(xiàn)出巨大的實用價值和經(jīng)濟效益。