日前，臨港地區(qū)110千伏博藝數(shù)字孿生站正式投入運行。這是國網(wǎng)上海浦東供電公司首次實現(xiàn)實體變電站與數(shù)字孿生站同步建設(shè)、同步移交，是數(shù)智化轉(zhuǎn)型的創(chuàng)新工程。

當(dāng)前，國家提出加快新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，“5G+云+AI”等先進信息技術(shù)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合所形成的新型工業(yè)生產(chǎn)和服務(wù)體系，使其成為支撐第四次工業(yè)革命的基礎(chǔ)設(shè)施。今年4月27日，上海市政府在《上海市推進新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)行動方案》中提及“探索建設(shè)數(shù)字孿生城市”。為此，浦東供電公司積極響應(yīng)，全力推動數(shù)字技術(shù)與傳統(tǒng)電網(wǎng)深度融合發(fā)展，提出了“數(shù)字孿生變電站”建設(shè)方案，并將位于臨港地區(qū)的110千伏博藝站作為首個試點項目。

所謂“數(shù)字孿生”，是以數(shù)字化方式為物理對象創(chuàng)建的虛擬模型，來模擬其現(xiàn)實環(huán)境中的行為，從而反映相對應(yīng)的實體裝備的全生命周期過程。

“孿生”的兩個變電站，一個是存在于現(xiàn)實中的實體變電站，負責(zé)實際供配電，一個則存在于數(shù)字和虛擬世界之中，對實體變電站的運行狀況實時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)潛在的故障，從而做到及時修理，防患于未然。

試點實施后，浦東供電公司在打造的三維變電站模型基礎(chǔ)上，融入實體變電站運行中的動態(tài)信息。得益于數(shù)字孿生技術(shù)，變電站內(nèi)的設(shè)備模型都清晰顯示，能夠隨時查看設(shè)備狀態(tài)、關(guān)鍵狀態(tài)量、遙信遙測數(shù)據(jù)以及環(huán)境數(shù)據(jù)等重要信息，甚至是試驗報告也可隨時讀取。

隨著110千伏博藝站數(shù)字孿生變電站的正式移交運行，變電站不僅能在設(shè)備出現(xiàn)異常情況時實現(xiàn)“雙向互動”“循環(huán)復(fù)診”，還能利用人工智能分析等核心技術(shù)，對動態(tài)數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)進行研判分析，實時診斷、分析和告知設(shè)備的健康狀態(tài)以及異常發(fā)展趨勢，輸出差異化、精細化的檢修策略，由預(yù)防性檢修轉(zhuǎn)向預(yù)測性檢修。

更加“智慧”的是，依托數(shù)字孿生的基礎(chǔ)技術(shù)，變電站內(nèi)還加裝了“主動防御系統(tǒng)”，通過感應(yīng)系統(tǒng)對風(fēng)險區(qū)域和風(fēng)險作業(yè)進行分級、主動提醒，對人員誤入危險施工區(qū)域等情況進行報警。

與此同時，孿生站模型內(nèi)可顯示全部作業(yè)人員工種、作業(yè)內(nèi)容、位置等信息，做到現(xiàn)場所有工作實時監(jiān)控、主動提醒、及時防御、可追溯。由此，實體變電站有了一座“拷貝不走樣”的數(shù)字變電站來保駕護航。

令人期待的是，未來數(shù)字孿生將成為每一座變電站的標配。借助數(shù)字孿生平臺的開放性和擴展性，浦東供電公司下一步將以點帶面逐步拓展數(shù)字孿生系統(tǒng)的支撐范圍，比如站外排管、電纜、架空線等設(shè)備也可納入其中，打造一個數(shù)字孿生的能源互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)各類設(shè)施的全要素數(shù)字化再現(xiàn)，電力能源設(shè)施、地下管線的三維建模，從規(guī)劃建設(shè)、運維管理到客戶服務(wù)的全過程智能化管理。

01

數(shù)字孿生是什么

孿生，即雙胞胎；數(shù)字孿生，顧名思義，就是數(shù)字形式的雙胞胎。

在“數(shù)字孿生”中，雙胞胎中的一個是存在于現(xiàn)實世界的實體，小到零件，大到工廠，簡單如螺絲，復(fù)雜如人體的結(jié)構(gòu)。

而雙胞胎中的另一個則只存在虛擬和數(shù)字世界之中，是利用數(shù)字技術(shù)營造的與現(xiàn)實世界對稱的鏡像。

如果以家用電腦為例，Word文檔和打印出來的文稿就是“數(shù)字孿生”。若以導(dǎo)航軟件為例，城市中的實體道路和軟件中的虛擬道路也是“數(shù)字孿生”。

此外，這個數(shù)字孿生體，不僅是對現(xiàn)實實體的虛擬再現(xiàn)，還可以模擬對象在現(xiàn)實環(huán)境中的行為。因此可以說，數(shù)字孿生是將物理對象以數(shù)字化方式在虛擬空間呈現(xiàn)，模擬其在現(xiàn)實環(huán)境中的行為特征。

02

數(shù)字孿生有什么用

首先，數(shù)字孿生可以通過設(shè)計工具、仿真工具、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實等各種數(shù)字化的手段，將物理設(shè)備的各種屬性映射到虛擬空間中，形成可拆解、可復(fù)制、可轉(zhuǎn)移、可修改、可刪除、可重復(fù)操作的數(shù)字鏡像。

這極大的加速了操作人員對物理實體的了解，激發(fā)模擬仿真、批量復(fù)制、虛擬裝配等設(shè)計活動。

過去，在沒有數(shù)字化模型幫助之下，制造一件產(chǎn)品要經(jīng)歷很多次迭代設(shè)計。

現(xiàn)在，采用了數(shù)字化模型的設(shè)計技術(shù)，就可以在虛擬的三維數(shù)字空間輕松地修改部件和產(chǎn)品的每一處尺寸和裝配關(guān)系，這使得幾何結(jié)構(gòu)的驗證工作和裝配可行性的驗證工作大為簡單，大幅度減少了迭代過程中物理樣機的制造次數(shù)、時間，以及成本。

此外，數(shù)字孿生還可以通過采集有限的物理傳感器指標的直接數(shù)據(jù)，借助大樣本庫，通過機器學(xué)習(xí)推測出一些原本無法直接測量的指標。

由此實現(xiàn)對當(dāng)前狀態(tài)的評估、對過去發(fā)生問題的診斷，以及對未來趨勢的預(yù)測，并給予分析的結(jié)果，模擬各種可能性，提供更全面的決策支持。

例如，針對大型設(shè)備運行過程中出現(xiàn)的各種故障特征，可以將傳感器的歷史數(shù)據(jù)通過機器學(xué)習(xí)訓(xùn)練出針對不同故障現(xiàn)象的數(shù)字化特征模型，并結(jié)合專家處理的記錄，將其形成未來對設(shè)備故障狀態(tài)進行精準判決的依據(jù)，最終形成自治化的智能診斷和判決。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展，更多的工業(yè)產(chǎn)品、設(shè)備具備了智能的特征。在這樣的背景下，數(shù)字孿生技術(shù)正直接影響著智慧城市、人工智能、安防、物聯(lián)網(wǎng)等未來發(fā)展。

03

數(shù)字孿生的起源及演變

數(shù)字孿生是通過數(shù)字化的手段，在虛擬世界中構(gòu)建一個和物理世界中的對象一模一樣的主體，以此來實現(xiàn)對物理實體的了解、分析和優(yōu)化。從概念到應(yīng)用，數(shù)字孿生已經(jīng)走過了十幾年的發(fā)展歷程。

數(shù)字孿生這一概念最早出現(xiàn)于2002年，由Grieves教授在美國密歇根大學(xué)發(fā)表的一次關(guān)于產(chǎn)品生命周期管理的演講中首次提出。

他認為，通過利用物理設(shè)備的數(shù)據(jù)，人們可以在虛擬（信息）空間構(gòu)建一個可以表征該物理設(shè)備的虛擬主體和子系統(tǒng)，并且這種聯(lián)系不是單向和靜態(tài)的，而是在整個產(chǎn)品的生命周期中都聯(lián)系在一起。

后來，美國國防部將數(shù)字孿生技術(shù)引入航天飛行器的健康維護中，并在美國國家航空航天局（NASA）的阿波羅計劃中應(yīng)用。

實際上，自從有了計算機輔助設(shè)計等數(shù)字化的“創(chuàng)作”手段，就已經(jīng)有了數(shù)字孿生的源頭。工程設(shè)計中計算機仿真手段的出現(xiàn)就讓數(shù)字虛體和物理實體走得更近，讓數(shù)字虛體更像物理實體。

隨著數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展，以及人們多年來在數(shù)字世界里做設(shè)計和仿真，虛擬和現(xiàn)實越來越對應(yīng)、融合，數(shù)字虛體越來越賦能物理實體系統(tǒng)。

而數(shù)字孿生技術(shù)就是以數(shù)字化方式為物理對象創(chuàng)建的虛擬模型，來模擬物理實體在現(xiàn)實環(huán)境中的行為。

數(shù)字孿生從概念成為技術(shù)，是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，也是在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實體裝備的全生命周期過程。

04

數(shù)字孿生在能源方面的應(yīng)用

當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)的迅速發(fā)展對推動制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化進程起到關(guān)鍵作用。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)不斷向應(yīng)用層面推進，數(shù)字孿生被賦予了新的生命力。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)延伸了數(shù)字孿生的價值鏈條和生命周期，凸顯出數(shù)字孿生在模型、數(shù)據(jù)、服務(wù)方面的優(yōu)勢和能力，打通了數(shù)字孿生應(yīng)用和迭代優(yōu)化的現(xiàn)實路徑，正成為數(shù)字孿生的孵化床。

充分運用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和區(qū)塊鏈等先進技術(shù)，打造數(shù)字孿生模型，可以為智慧城市、智慧制造、智能變電站等提供新的建設(shè)思路和方法。

在國際上，美國通用電氣公司借助數(shù)字孿生這一概念，提出物理機械和分析技術(shù)融合的實現(xiàn)途徑，目前已將成果應(yīng)用于機器人制造。

德國西門子公司將數(shù)字孿生技術(shù)用于機械設(shè)備設(shè)計和工廠規(guī)劃排產(chǎn)。

法國達索公司利用數(shù)字孿生技術(shù)幫助包括寶馬、特斯拉在內(nèi)的汽車公司進行產(chǎn)品外形仿真，利用仿真數(shù)據(jù)設(shè)計產(chǎn)品，使產(chǎn)品減少空氣阻力。

在國內(nèi)，數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用正處于起步階段，但已在能源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中得到應(yīng)用。

我國一些能源企業(yè)在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中設(shè)計了完全沉浸式的數(shù)字孿生模型，從而實現(xiàn)工程設(shè)計可視化，并可以確定潛在的障礙和問題，提升工作效率。

在電力行業(yè)中，數(shù)字孿生技術(shù)也在變電、配電領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了應(yīng)用。

在第六屆世界互聯(lián)網(wǎng)大會上，新投運的烏鎮(zhèn)“互聯(lián)網(wǎng)之光”博覽會新展館10千伏配電房運用數(shù)字孿生技術(shù)，構(gòu)建了與真實場景無縫匹配的虛擬場景。

坐落于中新天津生態(tài)城旅游區(qū)的110千伏游樂港智能變電站全息模型于2019年6月建設(shè)完成，為數(shù)字孿生變電站建設(shè)打下基礎(chǔ)。

數(shù)字孿生變電站建設(shè)完成后，運維人員將通過“孿生”變電站輕松獲取并分析處理各類運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對變電站的全域和全生命周期管理。

05

將對電力系統(tǒng)運行管理帶來重要影響

電力物聯(lián)網(wǎng)是電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)萬物互聯(lián)、人機交互，實現(xiàn)人與人、人與物、物與物之間的實時交互及高效協(xié)同。

而數(shù)字孿生在數(shù)字空間構(gòu)建了一套表征對象在設(shè)計、研發(fā)、運行、迭代過程中的虛擬體，猶如物聯(lián)網(wǎng)中各種實體對象的“基因”，是實現(xiàn)人機協(xié)同的重要橋梁與技術(shù)，可以說是電力物聯(lián)網(wǎng)和電力數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級的底層邏輯。

同時，數(shù)字孿生技術(shù)也將對電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運行邏輯、交易方式、商業(yè)模式、技術(shù)體系與管理機制帶來重要影響。

在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的具體場景中，數(shù)字孿生技術(shù)可應(yīng)用于支撐虛擬現(xiàn)實下電網(wǎng)的智能規(guī)劃及優(yōu)化設(shè)計、精準電網(wǎng)故障模擬云測仿真、虛擬電廠、智能設(shè)備監(jiān)控、電力機房調(diào)控、變電站設(shè)備監(jiān)控等業(yè)務(wù)。

以數(shù)字孿生電力機房應(yīng)用為例，當(dāng)前，巡檢以人工巡檢為主，實時性差，效率較低。

在數(shù)字孿生技術(shù)的支撐下，把人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和三維可視化等技術(shù)應(yīng)用到機房的環(huán)境監(jiān)測和調(diào)控中，構(gòu)建起機房生產(chǎn)運行虛擬環(huán)境，可以實時監(jiān)控機房溫度等環(huán)境因素。

一旦發(fā)生預(yù)警，系統(tǒng)將及時自動調(diào)節(jié)，當(dāng)故障恢復(fù)后，機房服務(wù)器設(shè)備及環(huán)境控制設(shè)備自動啟動，并將環(huán)境因素調(diào)節(jié)至理想狀態(tài)，保障電力機房安全穩(wěn)定運行。

目前，國網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團有限公司正依托人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等方面的技術(shù)優(yōu)勢，形成多個數(shù)字孿生科研項目儲備。

其中，“基于數(shù)字孿生模型的機房運行環(huán)境監(jiān)測及一站式調(diào)控的關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”項目即將實現(xiàn)試點應(yīng)用。

未來，國家電網(wǎng)有限公司經(jīng)營區(qū)域內(nèi)分布廣泛、數(shù)量眾多的電力機房和變電站都將成為數(shù)字孿生節(jié)點部署的最佳選擇。