基于數(shù)字孿生概念的智慧能源監(jiān)控和管理系統(tǒng)研究

陳 智，張耀軍，張軍保

（大唐海南能源開發(fā)有限公司，?？?570203）

0 引言

數(shù)字孿生是對象或系統(tǒng)的虛擬表示，以及反映它如何隨時間變化。數(shù)字孿生出現(xiàn)在多個經(jīng)濟部門和領(lǐng)域，使虛擬而非模擬成為管理單個技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)、城市地區(qū)甚至自然的方式。在智慧能源領(lǐng)域，數(shù)字孿生通過實現(xiàn)先發(fā)制人的監(jiān)控和維護來提高智慧能源的安全性、可靠性和使用效率，并支持對其設(shè)計和使用的決策。盡管人們越來越希望使用數(shù)字孿生來加強智慧能源領(lǐng)域監(jiān)控和管理方面的開發(fā)和實施，但人們對“孿生”的過程及其在智慧能源監(jiān)控和管理系統(tǒng)的設(shè)計、規(guī)劃和持續(xù)管理中的作用知之甚少。鑒于此，本文旨在提供基于數(shù)字孿生概念的智慧能源監(jiān)控和管理系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)，并說明智慧能源監(jiān)控和管理系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)。為此，除明確數(shù)字孿生的概念外，還介紹了數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)。本研究側(cè)重于智慧能源監(jiān)控和管理系統(tǒng)的數(shù)字孿生實施，并詳細描述系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)、系統(tǒng)整體方案和系統(tǒng)功能模塊。

1 數(shù)字孿生的概念及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 數(shù)字孿生的概念

數(shù)字孿生（Digital Twin，DT）是一種同步虛擬和物理狀態(tài)的行為，以使虛擬和物理狀態(tài)“相等”。這樣看來，數(shù)字孿生與其說是在虛擬領(lǐng)域的鏡像現(xiàn)實（即“孿生”），不如說是關(guān)于產(chǎn)生虛擬現(xiàn)實所需的愿望和行動。本文認為，對數(shù)字孿生的概念界定需要注意理解數(shù)字孿生作為“邊界對象”的作用，即根據(jù)不同人的背景和專業(yè)知識對不同人具有多種含義的人工制品或概念以及邊界工作的產(chǎn)物和效果。這些都是由模型、信息和數(shù)據(jù)的選擇特征、屬性、條件及行為組成的。這些模型、信息和數(shù)據(jù)在整個生命周期中不斷被存儲，并且可以提供給應(yīng)用程序和服務(wù)，以提供一個適用于具體情況的映射，使用最合適的建模語言創(chuàng)建和操作網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)。數(shù)字孿生的應(yīng)用基礎(chǔ)是信息系統(tǒng)的代碼生成基礎(chǔ)設(shè)施、自適應(yīng)數(shù)字孿生的可擴展基礎(chǔ)架構(gòu)和用于配置的可重用語言組件，因此可使用“兩步法”進行數(shù)字孿生的創(chuàng)建：第一步，軟件工程師使用所需的建模語言配置信息系統(tǒng)，以生成數(shù)字孿生的低代碼開發(fā)平臺；第二步，領(lǐng)域?qū)＜依蒙傻钠脚_創(chuàng)建數(shù)字孿生。

在此基礎(chǔ)上，數(shù)字孿生的結(jié)構(gòu)和體系取決于其應(yīng)用、行為和能力范圍。例如，在工業(yè)制造領(lǐng)域，產(chǎn)品可以在加工過程中被跟蹤和監(jiān)控，以便有效地提高產(chǎn)品質(zhì)量。同時，對機器磨損情況的監(jiān)測可以協(xié)調(diào)保養(yǎng)和維修工作計劃，并有助于減少計劃停機時間。但是，如果出現(xiàn)意外的產(chǎn)品下行問題或需要在短時間內(nèi)調(diào)整生產(chǎn)計劃，則可以使用生產(chǎn)資源的數(shù)字孿生重新安排當前的生產(chǎn)計劃并執(zhí)行修改后的生產(chǎn)計劃。例如，過程模擬和機器學習可以帶來額外的收益，利用機器學習算法對現(xiàn)有制造工藝進行分析，可以對工藝進行優(yōu)化，實現(xiàn)更高的穩(wěn)定性和質(zhì)量。由此可見，數(shù)字孿生的開發(fā)和設(shè)計必須始終考慮到它所代表的產(chǎn)品和要實施的應(yīng)用程序。事實上，每個組成部分都可以有它自己的數(shù)字孿生，它們可以聚合成模型、信息和數(shù)據(jù)，并且層次化地表示為系統(tǒng)。

1.2 數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 數(shù)字建模

建模技術(shù)是建設(shè)數(shù)字孿生的基礎(chǔ)技術(shù)，主要部分是系統(tǒng)的模型與分析、系統(tǒng)開發(fā)的核心活動和需求工程。在數(shù)字孿生中，所有的系統(tǒng)開發(fā)結(jié)果都會定期進行復查和評估。使用案例是提出開發(fā)要求、明確開發(fā)中系統(tǒng)業(yè)務(wù)模式的重要投入，也是開發(fā)系統(tǒng)的前提。通常情況下，可使用基于模型的系統(tǒng)工程（Model-Based Systems Engineering，MBSE）工具將數(shù)字孿生的開發(fā)與基于模型的系統(tǒng)工程結(jié)合起來。在整個系統(tǒng)生命周期內(nèi)，使用MBSE 工具創(chuàng)建必要的模型，并使它們在數(shù)字孿生的知識庫中可用。需要注意的是，MBSE 模型的粒度和詳細程度是可變的，并且必須以“適合目的”和“適當調(diào)整以適應(yīng)各種意外情況”的方式選擇。

1.2.2 一體化的仿真驗證

對單個維度物理性能或系統(tǒng)性能進行數(shù)值仿真的技術(shù)在當前已經(jīng)比較成熟。然而，對于復雜的實際產(chǎn)品，其運行時的性能涉及多物理場、多學科的綜合作用。為此，在數(shù)字化模型的基礎(chǔ)上，基于單個系統(tǒng)或多個系統(tǒng)的聯(lián)合仿真對產(chǎn)品性能進行預測分析同樣是實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)字孿生的重要技術(shù)。

1.2.3 其他技術(shù)

實現(xiàn)完備的產(chǎn)品數(shù)字孿生還需要建模和仿真之外的其他技術(shù)，如創(chuàng)成式設(shè)計技術(shù)、基于歷史數(shù)據(jù)的仿真結(jié)果校準技術(shù)等。

2 智慧能源監(jiān)控和管理系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體方案

基于數(shù)字孿生概念的智慧能源監(jiān)控和管理系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)智控節(jié)能控、管、維一體化技術(shù)架構(gòu)，多網(wǎng)絡(luò)融合及大數(shù)據(jù)云計算技術(shù)、人工智能技術(shù)，實現(xiàn)在遠程云架構(gòu)下的多客戶端數(shù)據(jù)可視化、信息圖形化、控制智能化，嵌入人工智能巡檢模型軟件與能源專家分析系統(tǒng)，由過去以控制功能為主、人工巡檢方式轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃邮綌?shù)據(jù)巡檢、預測性維護和操作優(yōu)化，事前發(fā)現(xiàn)故障隱患，預防處理，確保能源系統(tǒng)安全可靠運行。在設(shè)計中，系統(tǒng)的控制邏輯可以采用塊連線的方式，將信息從一個塊傳輸?shù)搅硪粋€塊，或者采用腳本語言，這種語言在高級控制算法的經(jīng)典程序設(shè)計語言中更為常見，為用戶提供了更高級別的控制機會，以發(fā)送所有連接子系統(tǒng)的命令。具體的系統(tǒng)方案如圖1所示。

圖1 基于數(shù)字孿生概念的智慧能源監(jiān)控和管理系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1 所示，系統(tǒng)將大數(shù)據(jù)平臺作為離線計算及存儲支撐，在信息管理層制定統(tǒng)一的協(xié)議標準；在實時監(jiān)控層進行智慧能源應(yīng)用情況的監(jiān)控；在智慧控制層通過通用協(xié)議做統(tǒng)一的接入口，做好廠商協(xié)議和數(shù)據(jù)的接入。

2.2 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

基于數(shù)字孿生的智慧能源監(jiān)控和管理系統(tǒng)的技術(shù)主要包括物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、能源預測技術(shù)和高維數(shù)據(jù)分析技術(shù)。

2.2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的應(yīng)用，加上能夠獲取產(chǎn)品生命周期內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的智能設(shè)備，并以人工智能（Artificial Intelligence，AI）的數(shù)據(jù)挖掘能力為支撐，都在為新時代數(shù)據(jù)驅(qū)動的產(chǎn)品設(shè)計、制造和服務(wù)鋪平道路。物聯(lián)網(wǎng)平臺從物理系統(tǒng)中實時生成數(shù)據(jù)，并結(jié)合以前能源消耗的歷史數(shù)據(jù)集，用于數(shù)字孿生概念的開發(fā)。同樣，智能電網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)還能提供智能傳感和安全傳輸網(wǎng)絡(luò)，以構(gòu)建面向最終消費者的數(shù)字孿生框架。

2.2.2 能源預測技術(shù)

跨越不同時間范圍的穩(wěn)健負荷預測模型對于電力系統(tǒng)的有效運行至關(guān)重要，并且已被確定在優(yōu)化數(shù)字孿生的實際運行中發(fā)揮了重要作用。能源預測大致可分為短期、中期和長期負荷預測。短期負荷預測允許確定提前1 小時到1 周的能源消耗。中期負荷預測通常持續(xù)2 周到3 年，主要目的是事前規(guī)劃、維護和調(diào)度負載。長期負荷預測旨在實現(xiàn)對未來能源需求的預測，從而可以長期了解電力消耗，以制定、規(guī)劃和起草國民經(jīng)濟方面的有效政策。使用數(shù)字孿生進行能源預測的好處是平臺運行得更快，能夠提供新能源部門的數(shù)字孿生方法，提供檢查基準能量的時間維度，使用數(shù)據(jù)驅(qū)動的大規(guī)模模型快速完成在線分析工作等。

2.2.3 高維數(shù)據(jù)分析技術(shù)

數(shù)據(jù)不能以原始形式用于推薦或能源預測，因此有必要了解影響能源預測的關(guān)鍵變量，以理解可能影響能源消耗的顯著特征。這涉及用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)處理高維數(shù)據(jù)的過程。此類數(shù)據(jù)包括預測和關(guān)鍵歷史能源數(shù)據(jù)，如從公用事業(yè)、社交媒體、住宅信息以及政策中獲得每小時電力需求數(shù)據(jù)；天氣數(shù)據(jù)包括室外溫度、室外相對濕度、室外空氣密度、地面溫度和區(qū)域內(nèi)部總熱量增益等；建筑能源消耗數(shù)據(jù)包括照明、熱循環(huán)能源消耗、制冷能源消耗等。此外，還需要考慮其他特征，如工作日、周末、節(jié)假日情況，不同溫度、時間下的能源概況，以及包括年齡、家庭規(guī)模和歷史消費數(shù)據(jù)在內(nèi)的消費者人口統(tǒng)計信息。這些都被認為是影響能源動態(tài)變化的因素。為了提取這些動態(tài)信息，需要在數(shù)據(jù)預處理方面付出努力。從智能儀表、氣象站和歷史消費中收集用于開發(fā)基于數(shù)字孿生的智慧能源監(jiān)控和管理系統(tǒng)所需的參數(shù)，并測量、處理和分析消費者相關(guān)數(shù)據(jù)，以制定和優(yōu)化能源戰(zhàn)略。在這方面，高維數(shù)據(jù)分析技術(shù)的運用有助于為系統(tǒng)提供自主決策。

2.3 系統(tǒng)功能服務(wù)

基于數(shù)字孿生的智慧能源監(jiān)控和管理系統(tǒng)提供以下功能服務(wù)。

2.3.1 能源消耗分析和預測相關(guān)服務(wù)

智慧能源管理服務(wù)已經(jīng)被認為可以為消費者提供節(jié)能的動力，并且可以發(fā)現(xiàn)他們能源行為中的問題。通過數(shù)字孿生，可以在虛擬世界和物理世界之間實現(xiàn)高精度的分析，允許以各種規(guī)模（如每日、每周或每月）預測能源消耗。此外，還可以估計未來的能源消耗，以便發(fā)現(xiàn)更好的能源行為和選擇，提供與競爭相關(guān)的服務(wù)。

2.3.2 基于行為分析的能源管理服務(wù)

基于用戶的能源消費習慣，采集數(shù)字孿生實時監(jiān)測數(shù)據(jù)并進行分析，從而糾正不良的能源行為和生活方式。這可以通過簡單地分析消費習慣來實現(xiàn)，一方面計算與能源行為相關(guān)的生活行為，另一方面幫助智慧能源監(jiān)控和管理系統(tǒng)有效地進行數(shù)字孿生需求側(cè)管理，同時提高智慧能源監(jiān)控和管理系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量。

2.3.3 糾正消費者不良的用電習慣

數(shù)字孿生允許根據(jù)消費者不同且獨立的能源使用模式生成消費者習慣。通過數(shù)字孿生，智慧能源監(jiān)控和管理系統(tǒng)把握機會，實時糾正消費者不良的用電習慣。其原理主要是分析特定用戶的消費習慣并檢查他們是否在健康消費范圍內(nèi)。實現(xiàn)這一目標的方法是應(yīng)用非侵入式設(shè)備負載監(jiān)控技術(shù)，對智能電表數(shù)據(jù)與最終用戶家用電器的使用情況進行分解，并使用相似度測量值多方位進行用電質(zhì)量和產(chǎn)品能耗分析對比。

3 結(jié)語

數(shù)字孿生已成為不同領(lǐng)域的流行概念，包括能源、公共衛(wèi)生和基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，但人們對“數(shù)字孿生是什么”和“孿生過程如何工作”的理解仍然有限。本文探索了作為邊界對象的數(shù)字孿生，并通過邊界工作的棱鏡，說明它們的設(shè)計過程是一個協(xié)商決策的積極過程，即關(guān)于如何協(xié)調(diào)現(xiàn)實的數(shù)字和物理方面。研究基于數(shù)字孿生闡明智慧能源監(jiān)控和管理系統(tǒng)的相關(guān)問題，包括系統(tǒng)方案、技術(shù)架構(gòu)和功能模塊；展示了數(shù)字孿生在智慧能源監(jiān)控和管理系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)工作，方便從業(yè)人員對“數(shù)字孿生是什么”和“虛擬現(xiàn)實應(yīng)該是什么樣子”有自己的理解。