1 引言

隨著信息化進(jìn)程的演進(jìn)，大數(shù)據(jù)、人工智能、5G、BIM、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生等新一代信息化技術(shù)的日益成熟，配電室管理也逐步由傳統(tǒng)粗放型向數(shù)字化型轉(zhuǎn)變，利用新一代信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)讓創(chuàng)新助力發(fā)展、技術(shù)輔助管理和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新，達(dá)到管理更精準(zhǔn)、運(yùn)維服務(wù)更高效以及發(fā)展具備良性循環(huán)性，同時(shí)為管理部門(mén)提供決策分析，保障三甲醫(yī)院電力能經(jīng)濟(jì)、安全、平穩(wěn)、高效的運(yùn)行。

2 研究現(xiàn)狀

當(dāng)前三甲醫(yī)院的配電室大多采用比較傳統(tǒng)的方式進(jìn)行監(jiān)管，而走在前沿的多采用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)等新一代信息技術(shù)，通過(guò)技術(shù)平臺(tái)和一體化的監(jiān)控服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況、檢測(cè)記錄各項(xiàng)工作數(shù)據(jù)和控制設(shè)備以最佳狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)，將隱患排除在萌芽之初，滿(mǎn)足醫(yī)院各科室的用電需求，提升供電質(zhì)量和運(yùn)行水平，同時(shí)為能源監(jiān)測(cè)提供有效數(shù)據(jù)支撐，實(shí)現(xiàn)具有安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、集成、兼容、自愈的智慧配電室。

3 數(shù)字孿生

3.1 數(shù)字孿生的定義

數(shù)字孿生是利用物理模型、感知設(shè)備和各類(lèi)數(shù)據(jù)信息，跨學(xué)科、多維度、多尺度深度融合的仿真過(guò)程，將物理實(shí)體在虛擬空間中構(gòu)建數(shù)字模型并交互映射，使特定物理實(shí)體或過(guò)程具有數(shù)字化表達(dá)，實(shí)現(xiàn)虛擬世界中對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的可管、可控、可互操作的數(shù)字映射，以及物理實(shí)體全生命周期的運(yùn)行管理。

而本次以數(shù)字化方式創(chuàng)建配電室的虛擬實(shí)體，借助實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)、第三方數(shù)據(jù)以及智能算法模型等，實(shí)現(xiàn)對(duì)資產(chǎn)和流程的軟件化表示，用于理解、模擬、驗(yàn)證、預(yù)測(cè)甚至控制物理實(shí)體的全生命周期數(shù)字管理。

3.2 數(shù)字孿生的特征

數(shù)字化轉(zhuǎn)型是我國(guó)發(fā)展的必由之路，也是大勢(shì)所趨，數(shù)字孿生與其他新一代信息技術(shù)的深度融合，將有力的推動(dòng)我院配電室朝著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和可視化管理。未來(lái)，數(shù)字化不僅僅是具備數(shù)字化特征的產(chǎn)品，更是可以通過(guò)數(shù)字化手段提供多方位的需求，如設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、運(yùn)維和服務(wù)等，甚至可以通過(guò)數(shù)字化方式將配電室內(nèi)部與外部環(huán)境融為一體，實(shí)現(xiàn)具備管、控、操可視化沉浸式的智慧管理。數(shù)字孿生具有以下幾個(gè)典型特點(diǎn)：

（1）互操作性

在數(shù)字孿生的應(yīng)用中物理世界和數(shù)字世界是具備實(shí)時(shí)連接、動(dòng)態(tài)交互和雙向映射的，因此其具備以多樣的數(shù)字模型映射物理實(shí)體的能力，具有能夠在不同數(shù)字模型之間轉(zhuǎn)換、合并和建立“表達(dá)”的等同性，虛實(shí)融合、虛實(shí)協(xié)同將是未來(lái)發(fā)展新模式。

（2）可擴(kuò)展性

數(shù)字孿生技術(shù)不僅具備API網(wǎng)關(guān)與SDK能力，同時(shí)也應(yīng)具備集成、添加、刪除和替換數(shù)字模型的能力，能夠針對(duì)多維度、多尺度、多物理、多層級(jí)的模型內(nèi)容自主按需擴(kuò)展。

（3）實(shí)時(shí)性

數(shù)字孿生技術(shù)是數(shù)字化的一種體現(xiàn)方式，即以一種計(jì)算機(jī)可識(shí)別和處理的方式管理數(shù)據(jù)以對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行可視化呈現(xiàn)。呈現(xiàn)的對(duì)象包括但不限于外觀、運(yùn)行狀態(tài)、屬性、內(nèi)部構(gòu)件、實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)等，形成物理實(shí)體實(shí)時(shí)可視化的數(shù)字虛體映射。

（4）保真性

保真性指數(shù)字孿生模型和物理實(shí)體之間的仿真程度，不僅要保持幾何結(jié)構(gòu)的高度仿真，同時(shí)也要保持在運(yùn)行狀態(tài)、相態(tài)與時(shí)態(tài)上高度保持實(shí)時(shí)同步，確保虛擬模型與物理實(shí)體的一致性。

（5）閉環(huán)性

數(shù)字孿生虛體用于描述物理實(shí)體的可視模型和內(nèi)在機(jī)理，以便于對(duì)物理實(shí)體的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視、分析預(yù)測(cè)和優(yōu)化參數(shù)，實(shí)現(xiàn)智能決策功能，即賦予數(shù)字孿生虛體和物理實(shí)體同一個(gè)大腦，因此數(shù)字孿生具有閉環(huán)性。

4 研究設(shè)計(jì)

4.1體系架構(gòu)

數(shù)字孿生智慧配電室，是將物理配電室與孿生配電室進(jìn)行一一映射、協(xié)同交互、智能操控的虛擬仿真配電室，其技術(shù)體系架構(gòu)包含智能傳感器、5G融合網(wǎng)絡(luò)、支撐平臺(tái)、應(yīng)用系統(tǒng)等必要組成要素構(gòu)成的，并貫穿整個(gè)配電室以及多源異構(gòu)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、匯聚、整合、建模、分析與應(yīng)用等的全過(guò)程，是一個(gè)將技術(shù)、業(yè)務(wù)、應(yīng)用和數(shù)據(jù)深度融合的復(fù)雜系統(tǒng)，其整體技術(shù)體系架構(gòu)如下圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)孿生配電室技術(shù)體系架構(gòu)

4.2技術(shù)思路

數(shù)字孿生技術(shù)在智慧配電室的建設(shè)中起到關(guān)鍵性作用，本次設(shè)計(jì)通過(guò)利用物聯(lián)網(wǎng)采集的海量、實(shí)時(shí)各類(lèi)數(shù)據(jù)，以數(shù)字孿生技術(shù)將配電室內(nèi)建筑、設(shè)備信息，狀態(tài)以直觀的形式展現(xiàn)出來(lái)，讓數(shù)據(jù)不再枯燥乏味。通過(guò)利用智能傳感技術(shù)，實(shí)時(shí)采集設(shè)備狀態(tài)參數(shù)、狀態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)控等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；利用數(shù)字孿生技術(shù)與控制技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性校驗(yàn)和算法迭代優(yōu)化；利用人工智能與算法對(duì)實(shí)體實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行決策分析、參數(shù)調(diào)優(yōu)、性能評(píng)估與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)分析等。同時(shí)，將采集的各類(lèi)數(shù)據(jù)在BIM模型中進(jìn)行可視化實(shí)時(shí)展示、監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)故障以及警告等功能，真正做到“事先預(yù)警、集中監(jiān)控、事后分析”的管理要求，達(dá)到無(wú)人值守、使?jié)撛陲L(fēng)險(xiǎn)盡在掌控。技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路如下圖2所示。

圖2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

4.3技術(shù)路線(xiàn)

智慧配電室采用面向服務(wù)的架構(gòu)（SOA)設(shè)計(jì)，利用BIM模型、物聯(lián)網(wǎng)采集平臺(tái)和數(shù)字孿生等技術(shù)，以5G為承載網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)結(jié)合視頻監(jiān)控、門(mén)禁、消防、照明、水電氣、空調(diào)等其他系統(tǒng)，將BIM、MR、GIS、大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算與邊緣計(jì)算等技術(shù)與視頻和多源數(shù)據(jù)等進(jìn)行深度融合，實(shí)現(xiàn)物理世界與虛擬世界深度結(jié)合，形成具備運(yùn)、管、營(yíng)、維等多維度可視化MR沉浸漫游式的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官的全新數(shù)字孿生一體化管理體系。同時(shí)，制定空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范、API接口與SDK服務(wù)平臺(tái)，整體技術(shù)路線(xiàn)如下圖3所示。

圖3 技術(shù)路線(xiàn)

4.4技術(shù)體現(xiàn)

數(shù)字孿生是充分利用物理世界模型、傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)以及異構(gòu)多源數(shù)據(jù)，融合BIM、GIS、人工智能與大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，通過(guò)構(gòu)建虛擬空間來(lái)完成與物理世界的完美映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體設(shè)備的全生命周期過(guò)程的管理與監(jiān)測(cè)。該技術(shù)在此次智慧配電室的應(yīng)用上具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）虛實(shí)交互

在數(shù)字孿生的應(yīng)用中物理世界和數(shù)字世界是具備實(shí)時(shí)連接、動(dòng)態(tài)交互和雙向映射的，因此其具備以多樣的數(shù)字模型映射物理實(shí)體的能力，具有能夠在不同數(shù)字模型之間轉(zhuǎn)換、合并和建立“表達(dá)”的等同性，虛實(shí)融合、虛實(shí)協(xié)同將是未來(lái)發(fā)展新模式。

（2）精準(zhǔn)映射

數(shù)字孿生不僅是數(shù)字化，更是精準(zhǔn)映射，通過(guò)室內(nèi)、室外、地下管道等各層面部署相應(yīng)傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電室、環(huán)境、監(jiān)控、空調(diào)等基礎(chǔ)設(shè)施的全面數(shù)字化建模，以及對(duì)運(yùn)行狀態(tài)的充分感知、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，形成虛擬配電室在信息維度上對(duì)實(shí)體配電室的精準(zhǔn)信息表達(dá)和映射。

（3）軟件定義

數(shù)字孿生針對(duì)物理世界建立相對(duì)應(yīng)的虛擬模型，并以軟件的方式模擬配電室物、事在物理環(huán)境下的狀態(tài)，通過(guò)云端和邊緣計(jì)算，軟性指引和操控配電室的各類(lèi)設(shè)備信號(hào)控制、電熱能源調(diào)度、溫濕度監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控等。

（4）智能干預(yù)

通過(guò)在“數(shù)字孿生配電室”上規(guī)劃設(shè)計(jì)、模擬仿真等，將配電室可能產(chǎn)生的不良事件、危險(xiǎn)事故、潛在危險(xiǎn)進(jìn)行智能預(yù)警，并針對(duì)性提供可行性的對(duì)策建議，以未來(lái)視角智能干預(yù)、自主修正配電室原有發(fā)展軌跡和運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而指引和優(yōu)化實(shí)體，賦予配電室“智慧”管理。

5 結(jié) 語(yǔ)

數(shù)字孿生技術(shù)在智慧配電室的研究與設(shè)計(jì)的核心是模型和數(shù)據(jù)，在建立完善的數(shù)字孿生虛擬模型時(shí)，需要在模型中添加海量的相對(duì)的設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)，這樣才能充分發(fā)揮數(shù)字孿生技術(shù)的潛能。實(shí)現(xiàn)沉浸式的可視化管控。但是，數(shù)字孿生技術(shù)在應(yīng)用于智慧配電室時(shí)也面臨了很多難點(diǎn)，具體體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

1. 數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)一致性

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)以及其他采集的海量數(shù)據(jù)中存在結(jié)構(gòu)性與非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，具備差異性，涉及數(shù)據(jù)包括但不限于物理數(shù)據(jù)、幾何數(shù)據(jù)、時(shí)間數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、音頻、視頻、文本等等，如何將這些多源異構(gòu)多模數(shù)據(jù)按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范進(jìn)行集成、深度融合和統(tǒng)一管理，是數(shù)字孿生在智慧配電室應(yīng)用中要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

2. 數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性

數(shù)字孿生模型與物理實(shí)體之間的實(shí)時(shí)交互對(duì)傳輸?shù)囊蕾?lài)性極高，必須要保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性與可靠性，同時(shí)也需保障傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，否則會(huì)直接影響到用戶(hù)的使用，甚至造成難以預(yù)估的損失。數(shù)據(jù)的來(lái)源是多源的，所以無(wú)論數(shù)據(jù)采集還是下達(dá)指令，其穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)都是至關(guān)重要的，關(guān)乎著其是否能穩(wěn)定、高效、平穩(wěn)的運(yùn)行，需引起特別重視，以確保在傳輸過(guò)程中萬(wàn)無(wú)一失。

3. 數(shù)據(jù)的共享與開(kāi)放

數(shù)據(jù)的采集是多源異構(gòu)的，甚至是來(lái)自不同系統(tǒng)之間的，而數(shù)據(jù)孿生的應(yīng)用是基于這些數(shù)據(jù)之上的，深度融合其他新一代信息技術(shù)，因此必然會(huì)面臨數(shù)據(jù)共享和開(kāi)放的挑戰(zhàn)。然而，當(dāng)前多源異構(gòu)數(shù)據(jù)之間的共享機(jī)制和服務(wù)體系建設(shè)還不夠完善，不同主體之間的數(shù)據(jù)共享仍然存在較大的安全隱患和利益沖突，難以滿(mǎn)足數(shù)字孿生對(duì)于數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)共享的相關(guān)需求。

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