配电站房数字孪生系统(数字孪生在智慧配电室系统管理中的研究与设计)

1 引言

随着信息化进程的演进，大数据、人工智能、5G、BIM、物联网、数字孪生等新一代信息化技术的日益成熟，配电室管理也逐步由传统粗放型向数字化型转变，利用新一代信息技术，实现让创新助力发展、技术辅助管理和数据驱动创新，达到管理更精准、运维服务更高效以及发展具备良性循环性，同时为管理部门提供决策分析，保障三甲医院电力能经济、安全、平稳、高效的运行。

2 研究现状

当前三甲医院的配电室大多采用比较传统的方式进行监管，而走在前沿的多采用物联网、大数据、人工智能、云计算、移动互联等新一代信息技术，通过技术平台和一体化的监控服务系统，实时监测设备运转情况、检测记录各项工作数据和控制设备以最佳状态运转，将隐患排除在萌芽之初，满足医院各科室的用电需求，提升供电质量和运行水平，同时为能源监测提供有效数据支撑，实现具有安全、经济、环保、集成、兼容、自愈的智慧配电室。

3 数字孪生

3.1 数字孪生的定义

数字孪生是利用物理模型、感知设备和各类数据信息，跨学科、多维度、多尺度深度融合的仿真过程，将物理实体在虚拟空间中构建数字模型并交互映射，使特定物理实体或过程具有数字化表达，实现虚拟世界中对现实世界的可管、可控、可互操作的数字映射，以及物理实体全生命周期的运行管理。

而本次以数字化方式创建配电室的虚拟实体，借助实时采集的数据、第三方数据以及智能算法模型等，实现对资产和流程的软件化表示，用于理解、模拟、验证、预测甚至控制物理实体的全生命周期数字管理。

3.2 数字孪生的特征

数字化转型是我国发展的必由之路，也是大势所趋，数字孪生与其他新一代信息技术的深度融合，将有力的推动我院配电室朝着数字化、网络化、智能化和可视化管理。未来，数字化不仅仅是具备数字化特征的产品，更是可以通过数字化手段提供多方位的需求，如设计、开发、运维和服务等，甚至可以通过数字化方式将配电室内部与外部环境融为一体，实现具备管、控、操可视化沉浸式的智慧管理。数字孪生具有以下几个典型特点：

（1）互操作性

在数字孪生的应用中物理世界和数字世界是具备实时连接、动态交互和双向映射的，因此其具备以多样的数字模型映射物理实体的能力，具有能够在不同数字模型之间转换、合并和建立“表达”的等同性，虚实融合、虚实协同将是未来发展新模式。

（2）可扩展性

数字孪生技术不仅具备API网关与SDK能力，同时也应具备集成、添加、删除和替换数字模型的能力，能够针对多维度、多尺度、多物理、多层级的模型内容自主按需扩展。

（3）实时性

数字孪生技术是数字化的一种体现方式，即以一种计算机可识别和处理的方式管理数据以对物理实体进行可视化呈现。呈现的对象包括但不限于外观、运行状态、属性、内部构件、实时运行数据等，形成物理实体实时可视化的数字虚体映射。

（4）保真性

保真性指数字孪生模型和物理实体之间的仿真程度，不仅要保持几何结构的高度仿真，同时也要保持在运行状态、相态与时态上高度保持实时同步，确保虚拟模型与物理实体的一致性。

（5）闭环性

数字孪生虚体用于描述物理实体的可视模型和内在机理，以便于对物理实体的状态数据进行实时监视、分析预测和优化参数，实现智能决策功能，即赋予数字孪生虚体和物理实体同一个大脑，因此数字孪生具有闭环性。

4 研究设计

4.1体系架构

数字孪生智慧配电室，是将物理配电室与孪生配电室进行一一映射、协同交互、智能操控的虚拟仿真配电室，其技术体系架构包含智能传感器、5G融合网络、支撑平台、应用系统等必要组成要素构成的，并贯穿整个配电室以及多源异构系统的数据采集、汇聚、整合、建模、分析与应用等的全过程，是一个将技术、业务、应用和数据深度融合的复杂系统，其整体技术体系架构如下图1所示。

图1 数据孪生配电室技术体系架构

4.2技术思路

数字孪生技术在智慧配电室的建设中起到关键性作用，本次设计通过利用物联网采集的海量、实时各类数据，以数字孪生技术将配电室内建筑、设备信息，状态以直观的形式展现出来，让数据不再枯燥乏味。通过利用智能传感技术，实时采集设备状态参数、状态运行数据和视频监控等实时数据；利用数字孪生技术与控制技术对数据进行完整性校验和算法迭代优化；利用人工智能与算法对实体实时数据和历史数据进行决策分析、参数调优、性能评估与风险预测分析等。同时，将采集的各类数据在BIM模型中进行可视化实时展示、监测、预测故障以及警告等功能，真正做到“事先预警、集中监控、事后分析”的管理要求，达到无人值守、使潜在风险尽在掌控。技术实现思路如下图2所示。

图2 技术实现思路

4.3技术路线

智慧配电室采用面向服务的架构（SOA)设计，利用BIM模型、物联网采集平台和数字孪生等技术，以5G为承载网络，同时结合视频监控、门禁、消防、照明、水电气、空调等其他系统，将BIM、MR、GIS、大数据、人工智能、云计算与边缘计算等技术与视频和多源数据等进行深度融合，实现物理世界与虚拟世界深度结合，形成具备运、管、营、维等多维度可视化MR沉浸漫游式的视觉、听觉、触觉等感官的全新数字孪生一体化管理体系。同时，制定空间数据标准与规范、API接口与SDK服务平台，整体技术路线如下图3所示。

图3 技术路线

4.4技术体现

数字孪生是充分利用物理世界模型、传感器实时数据、运行历史数据以及异构多源数据，融合BIM、GIS、人工智能与大数据等新一代信息技术，通过构建虚拟空间来完成与物理世界的完美映射，从而反映相对应的实体设备的全生命周期过程的管理与监测。该技术在此次智慧配电室的应用上具体体现在以下几个方面：

（1）虚实交互

在数字孪生的应用中物理世界和数字世界是具备实时连接、动态交互和双向映射的，因此其具备以多样的数字模型映射物理实体的能力，具有能够在不同数字模型之间转换、合并和建立“表达”的等同性，虚实融合、虚实协同将是未来发展新模式。

（2）精准映射

数字孪生不仅是数字化，更是精准映射，通过室内、室外、地下管道等各层面部署相应传感器，实现对配电室、环境、监控、空调等基础设施的全面数字化建模，以及对运行状态的充分感知、动态监测，形成虚拟配电室在信息维度上对实体配电室的精准信息表达和映射。

（3）软件定义

数字孪生针对物理世界建立相对应的虚拟模型，并以软件的方式模拟配电室物、事在物理环境下的状态，通过云端和边缘计算，软性指引和操控配电室的各类设备信号控制、电热能源调度、温湿度监测、视频监控等。

（4）智能干预

通过在“数字孪生配电室”上规划设计、模拟仿真等，将配电室可能产生的不良事件、危险事故、潜在危险进行智能预警，并针对性提供可行性的对策建议，以未来视角智能干预、自主修正配电室原有发展轨迹和运行状态，进而指引和优化实体，赋予配电室“智慧”管理。

5 结 语

数字孪生技术在智慧配电室的研究与设计的核心是模型和数据，在建立完善的数字孪生虚拟模型时，需要在模型中添加海量的相对的设备相关数据，这样才能充分发挥数字孪生技术的潜能。实现沉浸式的可视化管控。但是，数字孪生技术在应用于智慧配电室时也面临了很多难点，具体体现在以下几点。

1. 数据的标准一致性

通过物联网以及其他采集的海量数据中存在结构性与非结构数据数据，具备差异性，涉及数据包括但不限于物理数据、几何数据、时间数据、空间数据、音频、视频、文本等等，如何将这些多源异构多模数据按统一标准与规范进行集成、深度融合和统一管理，是数字孪生在智慧配电室应用中要解决的关键问题。

2. 数据的稳定性与准确性

数字孪生模型与物理实体之间的实时交互对传输的依赖性极高，必须要保障数据传输的稳定性与可靠性，同时也需保障传输的准确性，否则会直接影响到用户的使用，甚至造成难以预估的损失。数据的来源是多源的，所以无论数据采集还是下达指令，其稳定性和准确性对整个系统来说都是至关重要的，关乎着其是否能稳定、高效、平稳的运行，需引起特别重视，以确保在传输过程中万无一失。

3. 数据的共享与开放

数据的采集是多源异构的，甚至是来自不同系统之间的，而数据孪生的应用是基于这些数据之上的，深度融合其他新一代信息技术，因此必然会面临数据共享和开放的挑战。然而，当前多源异构数据之间的共享机制和服务体系建设还不够完善，不同主体之间的数据共享仍然存在较大的安全隐患和利益冲突，难以满足数字孪生对于数据开发共享的相关需求。

参考文献

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