热电厂管理数字孪生系统应用综述

热电厂管理数字孪生系统应用综述

摘要：数字孪生(digitaltwin)系统作为实践智能制造理念的使能技术与手段，能够有效解决智能制造的信息物理融合难题，也被越来越多的学者关注和重视，并将其用于解决实际的工程问题。

关键词：热电厂管理；数字孪生系统；应用

引言

随着数字孪生的迅猛发展和数字化浪潮的持续推进，对物理世界进行全域感知、精准刻画、仿真推演和实时操控成为可能。为了实现数字化镜像，需要依托

标识感知、数据互动、建模仿真、交互控制、区块链、大数据、人工智能和云计

算等技术来构建数字孪生系统。

1基本概念

当前的怪象是，虽然数字孪生得到业界近乎疯狂的追捧，但令人不解的是，

数字孪生的概念诞生近20年后，在内涵和处延上仍未达成共识。随着数字经济

的迅猛发展和数字化浪潮的持续推进，数字孪生被赋予新的内涵，差异进一步扩大。顾名思义，孪生就是双胞胎、克隆体的意思。由于具有完全相同的基因，因

而他们的心灵相通。现实生活中，孪生兄弟对同一类植物过敏，对同类性格的女

生有感觉，有福同享有难同当。数字孪生就是数字版的双胞胎。简单地说，就是

通过数字化技术，将现实世界完全镜像到虚拟世界中，在虚拟世界中建立包括人、机、料、法、环等要素在内的数字版“克隆体”。显而易见，这种“克隆体”在

物理世界中有个“模子”。数字孪生仍处于发展初期，因而缺乏公认的权威定义，许多人心中只有模糊的概念，以至于人人都在谈论数字孪生，但每个人所说的数

字孪生又不尽相同。

仍处于起草阶段的国家标准《信息技术数字孪生第1部分：通用要求》对数

字孪生的初步定义：数字孪生是以数字化的方式建立物理实体的多维度、多学科、

多时空、多物理量的虚拟模型，用于精准刻画、动态仿真和科学预测物理实体在

现实环境中的行为、属性和规则等。

数字孪生系统是由实体、数据、服务和连接构成。实体是基础，分别提供了

数字孪生的“模子”和数字版“克隆体”；数据能为全要素/全流程/全业务提供

更为全面准确的支持，且可满足现实世界与虚拟世界的同步性与一致性需求；服

务就是通过封装模型、算法、数据、仿真和结果等，以应用软件或移动App的形

式按需提供给不同业务、不同领域和不同层次的用户；连接用于实现实体、数据

和服务之间的互联，进而支持现实世界与虚拟世界的实时互联与共享融合。

2数据驱动的热电厂数字孪生系统

2.1系统框架

这个系统采用分层架构设计，仿照开放式系统互联通信参考模型进行系统的

层级设计，确保每个层级要有通用性、稳定性。通过功能属性划分包，来确定该

层包含那些功能，以上层服务为导向，逐层级设计。将该数字孪生管理系统分为

数据采集层、数据层、平台支撑层、服务层、应用层五层。

第一层数据采集层，主要功能为数据的获取处理，分为新建及对接两类数据，新建数据包括影像数据、地形数据、点云模型、人工模型、业务标会等，工业电

视画面点位、门禁点位属性、人员定位信息、设备实时测点数据、检修等业务专

题数据、物联网数据为对接数据。第二层为数据层，接收数据采集层发送的数据，对接收到的数据进行分类处理，对系统模块提供遥感影响GIS数据支撑，三维地

形场景支撑，三维模型数据支撑，电厂设备数据空间展示支撑，电厂运行数据。

第三层为平台层，该层对经过数据层处理后的数据进行可视化展示前的数据处理，通过引入云平台，物联网引擎，空间数据管理引擎等利用大数据技术进行数据分析。第四层服务层，该层利用物联网，GIS空间分析，三维引擎等技术和工具搭

建三维可视化场景，对各个业务系统进行分类监测和管理。第五层应用层，该层

通过对接业务子系统，实现各个子系统协同运行。如人员定位系统实现工作现场

作业人员监督管理的应用场景，视频、门禁系统，面向安生业务系统等。

2．2系统特点

文中的数据驱动的热电厂数字孪生系统具有数字化、模型化、可视化、自动化、决策科学化、集成化等特点。数字化指的是通过覆盖全厂的高速通信网络和

工业设备传感器组成的实时采集平台实现生产过程全生命周期的状态信息数据的

实时采集，数据中心进行实时分析处理，方便管理人员管理热电厂的运行，提升

管理人员对生产环境的现场感知和监控能力。模型化是结合全厂与各种生产管理

活动相匹配的对作业环境、设备、生产工艺、业务模型和规则等进行数据化建模。可视化是将热电厂中的设备进行建模，在三维引擎中搭建的三维场景，实现全厂

设备的三维可视化展示。通过对实时收集到的生产工艺、设备信息、作业票等数

据集成，在显示屏上给管理人员和工人提供直接的业务场景展示。自动化是指建

设覆盖全厂的分散控制系统、安全仪表系统等辅助系统，实现对整个生产过程通

过相关系统使用机器学习技术进行自主学习式的监测与控制。决策科学化是指利

用大数据处理技术、机器学习和深度学习的计算机处理方法，对全厂设备的信息

状态数据进行实时采集、集中存储、分类，泛化、挖掘等处理，做到及时发现问题、分析问题原因、进行风险预警，及时汇报给热电厂中决策层的人员，实现决

策层中决策的科学化。集成化指的是建设企业信息集成平台，以制造企业生产过

程执行管理系统为核心，向上支撑整企业的运营，向下与生产过程的中产生的实

时数据高度集成，将各自独立的信息系统连接成为一个完整可靠和有效的整体。

2．3关键技术

多学科交叉的建模技术，构建高保真数字孪生热电厂对象。对物理世界中的

物理对象进行系统化的三维建模是描绘和理解物理世界的技术手段之一，利用设

备采集的大量数据，检查各环节资料的连续性，辨认资料是否存伪，通过数据挖

掘技术手段对数据进行挖掘发现，提取有用异常，通过多层次的建模技术手段，

为接下来的步骤中的分析、理解及重复数据提供了有用工具，系统化建模后的模

型达到三维可视化效果，既可以作为数据的解释工具，也可以成为数据处理后的

展示对象。要达到数据孪生就必须根据热电厂现场和现有数据情况，尽可能多的

采用不同的建模技术，多学科知识交融，协同工作处理各类数据，通过这些手段

构建出物理世界中众多物理对象的高精度、高保真的虚拟数字对象。