1 引言

隨著信息化進程的演進，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)字化型轉變，利用新一代信息技術，實現(xiàn)讓創(chuàng)新助力發(fā)展、技術輔助管理和數(shù)據(jù)驅動創(chuàng)新，達到管理更精準、運維服務更高效以及發(fā)展具備良性循環(huán)性，同時為管理部門提供決策分析，保障三甲醫(yī)院電力能經濟、安全、平穩(wěn)、高效的運行。

2 研究現(xiàn)狀

當前三甲醫(yī)院的配電室大多采用比較傳統(tǒng)的方式進行監(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、云計算、移動互聯(lián)等新一代信息技術，通過技術平臺和一體化的監(jiān)控服務系統(tǒng)，實時監(jiān)測設備運轉情況、檢測記錄各項工作數(shù)據(jù)和控制設備以最佳狀態(tài)運轉，將隱患排除在萌芽之初，滿足醫(yī)院各科室的用電需求，提升供電質量和運行水平，同時為能源監(jiān)測提供有效數(shù)據(jù)支撐，實現(xiàn)具有安全、經濟、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、感知設備和各類數(shù)據(jù)信息，跨學科、多維度、多尺度深度融合的仿真過程，將物理實體在虛擬空間中構建數(shù)字模型并交互映射，使特定物理實體或過程具有數(shù)字化表達，實現(xiàn)虛擬世界中對現(xiàn)實世界的可管、可控、可互操作的數(shù)字映射，以及物理實體全生命周期的運行管理。

而本次以數(shù)字化方式創(chuàng)建配電室的虛擬實體，借助實時采集的數(shù)據(jù)、第三方數(shù)據(jù)以及智能算法模型等，實現(xiàn)對資產和流程的軟件化表示，用于理解、模擬、驗證、預測甚至控制物理實體的全生命周期數(shù)字管理。

3.2 數(shù)字孿生的特征

數(shù)字化轉型是我國發(fā)展的必由之路，也是大勢所趨，數(shù)字孿生與其他新一代信息技術的深度融合，將有力的推動我院配電室朝著數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化和可視化管理。未來，數(shù)字化不僅僅是具備數(shù)字化特征的產品，更是可以通過數(shù)字化手段提供多方位的需求，如設計、開發(fā)、運維和服務等，甚至可以通過數(shù)字化方式將配電室內部與外部環(huán)境融為一體，實現(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典型特點：

（1）互操作性

在數(shù)字孿生的應用中物理世界和數(shù)字世界是具備實時連接、動態(tài)交互和雙向映射的，因此其具備以多樣的數(shù)字模型映射物理實體的能力，具有能夠在不同數(shù)字模型之間轉換、合并和建立“表達”的等同性，虛實融合、虛實協(xié)同將是未來發(fā)展新模式。

（2）可擴展性

數(shù)字孿生技術不僅具備API網(wǎng)關與SDK能力，同時也應具備集成、添加、刪除和替換數(shù)字模型的能力，能夠針對多維度、多尺度、多物理、多層級的模型內容自主按需擴展。

（3）實時性

數(shù)字孿生技術是數(shù)字化的一種體現(xiàn)方式，即以一種計算機可識別和處理的方式管理數(shù)據(jù)以對物理實體進行可視化呈現(xiàn)。呈現(xiàn)的對象包括但不限于外觀、運行狀態(tài)、屬性、內部構件、實時運行數(shù)據(jù)等，形成物理實體實時可視化的數(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體之間的仿真程度，不僅要保持幾何結構的高度仿真，同時也要保持在運行狀態(tài)、相態(tài)與時態(tài)上高度保持實時同步，確保虛擬模型與物理實體的一致性。

（5）閉環(huán)性

數(shù)字孿生虛體用于描述物理實體的可視模型和內在機理，以便于對物理實體的狀態(tài)數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)視、分析預測和優(yōu)化參數(shù)，實現(xiàn)智能決策功能，即賦予數(shù)字孿生虛體和物理實體同一個大腦，因此數(shù)字孿生具有閉環(huán)性。

4 研究設計

4.1體系架構

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

圖1 數(shù)據(jù)孿生配電室技術體系架構

4.2技術思路

數(shù)字孿生技術在智慧配電室的建設中起到關鍵性作用，本次設計通過利用物聯(lián)網(wǎng)采集的海量、實時各類數(shù)據(jù)，以數(shù)字孿生技術將配電室內建筑、設備信息，狀態(tài)以直觀的形式展現(xiàn)出來，讓數(shù)據(jù)不再枯燥乏味。通過利用智能傳感技術，實時采集設備狀態(tài)參數(shù)、狀態(tài)運行數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)控等實時數(shù)據(jù)；利用數(shù)字孿生技術與控制技術對數(shù)據(jù)進行完整性校驗和算法迭代優(yōu)化；利用人工智能與算法對實體實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進行決策分析、參數(shù)調優(yōu)、性能評估與風險預測分析等。同時，將采集的各類數(shù)據(jù)在BIM模型中進行可視化實時展示、監(jiān)測、預測故障以及警告等功能，真正做到“事先預警、集中監(jiān)控、事后分析”的管理要求，達到無人值守、使?jié)撛陲L險盡在掌控。技術實現(xiàn)思路如下圖2所示。

圖2 技術實現(xiàn)思路

4.3技術路線

智慧配電室采用面向服務的架構（SOA)設計，利用BIM模型、物聯(lián)網(wǎng)采集平臺和數(shù)字孿生等技術，以5G為承載網(wǎng)絡，同時結合視頻監(jiān)控、門禁、消防、照明、水電氣、空調等其他系統(tǒng)，將BIM、MR、GIS、大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算與邊緣計算等技術與視頻和多源數(shù)據(jù)等進行深度融合，實現(xiàn)物理世界與虛擬世界深度結合，形成具備運、管、營、維等多維度可視化MR沉浸漫游式的視覺、聽覺、觸覺等感官的全新數(shù)字孿生一體化管理體系。同時，制定空間數(shù)據(jù)標準與規(guī)范、API接口與SDK服務平臺，整體技術路線如下圖3所示。

圖3 技術路線

4.4技術體現(xiàn)

數(shù)字孿生是充分利用物理世界模型、傳感器實時數(shù)據(jù)、運行歷史數(shù)據(jù)以及異構多源數(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，通過構建虛擬空間來完成與物理世界的完美映射，從而反映相對應的實體設備的全生命周期過程的管理與監(jiān)測。該技術在此次智慧配電室的應用上具體體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）虛實交互

在數(shù)字孿生的應用中物理世界和數(shù)字世界是具備實時連接、動態(tài)交互和雙向映射的，因此其具備以多樣的數(shù)字模型映射物理實體的能力，具有能夠在不同數(shù)字模型之間轉換、合并和建立“表達”的等同性，虛實融合、虛實協(xié)同將是未來發(fā)展新模式。

（2）精準映射

數(shù)字孿生不僅是數(shù)字化，更是精準映射，通過室內、室外、地下管道等各層面部署相應傳感器，實現(xiàn)對配電室、環(huán)境、監(jiān)控、空調等基礎設施的全面數(shù)字化建模，以及對運行狀態(tài)的充分感知、動態(tài)監(jiān)測，形成虛擬配電室在信息維度上對實體配電室的精準信息表達和映射。

（3）軟件定義

數(shù)字孿生針對物理世界建立相對應的虛擬模型，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)，通過云端和邊緣計算，軟性指引和操控配電室的各類設備信號控制、電熱能源調度、溫濕度監(jiān)測、視頻監(jiān)控等。

（4）智能干預

通過在“數(shù)字孿生配電室”上規(guī)劃設計、模擬仿真等，將配電室可能產生的不良事件、危險事故、潛在危險進行智能預警，并針對性提供可行性的對策建議，以未來視角智能干預、自主修正配電室原有發(fā)展軌跡和運行狀態(tài)，進而指引和優(yōu)化實體，賦予配電室“智慧”管理。

5 結 語

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

1. 數(shù)據(jù)的標準一致性

通過物聯(lián)網(wǎng)以及其他采集的海量數(shù)據(jù)中存在結構性與非結構數(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多模數(shù)據(jù)按統(tǒng)一標準與規(guī)范進行集成、深度融合和統(tǒng)一管理，是數(shù)字孿生在智慧配電室應用中要解決的關鍵問題。

2. 數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與準確性

數(shù)字孿生模型與物理實體之間的實時交互對傳輸?shù)囊蕾囆詷O高，必須要保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性與可靠性，同時也需保障傳輸?shù)臏蚀_性，否則會直接影響到用戶的使用，甚至造成難以預估的損失。數(shù)據(jù)的來源是多源的，所以無論數(shù)據(jù)采集還是下達指令，其穩(wěn)定性和準確性對整個系統(tǒng)來說都是至關重要的，關乎著其是否能穩(wěn)定、高效、平穩(wěn)的運行，需引起特別重視，以確保在傳輸過程中萬無一失。

3. 數(shù)據(jù)的共享與開放

數(shù)據(jù)的采集是多源異構的，甚至是來自不同系統(tǒng)之間的，而數(shù)據(jù)孿生的應用是基于這些數(shù)據(jù)之上的，深度融合其他新一代信息技術，因此必然會面臨數(shù)據(jù)共享和開放的挑戰(zhàn)。然而，當前多源異構數(shù)據(jù)之間的共享機制和服務體系建設還不夠完善，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，難以滿足數(shù)字孿生對于數(shù)據(jù)開發(fā)共享的相關需求。

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