基于數字孿生的智慧園區能源管理系統應用探討

李 剛，王 夢，左振波，韓永磊

（江蘇杰瑞信息科技有限公司，江蘇 連云港222000）

1 引言

隨著新一代信息技術與園區管理應用的信息融合程度提升，橫向打通了園區安防、交通、能源、交通、運維等各業務間的信息壁壘，同時在縱向方面也使園區從頂層規劃到基礎層業務服務的整體性更加有序高效，這也引導了園區的未來發展趨勢。能源管理系統打破了原有的信息孤島模式，構建了綜合管控系統，它是智慧園區的典型應用實踐之一。本文結合數字孿生技術，對面向園區的能源管理系統進行了分析，可為智慧園區的發展提供一些參考[1]。

2 數字孿生應用技術

數字孿生又稱為數字雙胞胎，是實現物理實體向虛擬物體的一種全息映射，通過信息鏈接，還原物理實體數據參加和動態數據，從而輔助完成各種分析研究。

數字孿生應用技術是融合了數據采集、數據通信、數據仿真等多個學科，傳感、通信、仿真、控制等多領域技術成果的系統性工程。仿真技術是數字孿生應用技術的核心功能。即將現實系統進行強關聯，將實體物理系統的數據、動作、狀態等進行擬實。具有以下幾個特征：①鏡像映射能力。對真實物理系統精準呈現，以及對行為特征進行復刻，將為管理系統的規劃、調度等方面提供輔助支撐。②全域呈現能力。在時間域方面，數字孿生應用技術能夠對于能源管理系統的運維、運行等情況下的零碎的數據信息進行信息融合；在空間域上，數字孿生應用技術能夠實現對現實物理系統中難以觀察和預測的業務環節進行仿真推演，提供了更為全面的觀察視角。③動態仿真能力。數字孿生應用技術處理實現同步的虛實映射，還具有動態演變、動態演化仿真能力。④虛實聯動能力。數字孿生應用技術能夠實現對現實物理系統的控制，實現感知—決策—控制閉環交互[2]。

以上是對數字孿生應用技術的總體性描述，該技術將對智慧園區的能源管理系統賦予更多新的活力，后文將基于該技術特征分析，構建虛擬數字環境，實現能源管理系統多應用的無縫切換。

3 基于數字孿生的智慧園區能源管理系統應用探討

3.1 需求與難點

智慧園區能源管理系統覆蓋了園區生產到綜合辦公的多種業務應用，具有復雜的物理特征，例如在電、氣、水等多個不同能源數據采集過程中，會存在數據結構、誤差精度、時間尺度等方面的差異，在多源數據信息融合等方面加大了難度。需要做到以下幾點：①能源管理系統數字孿生模型保真度與模型構建復雜度之間需要找到適中的平衡點。模型越精準，對建模的結構及計算量來說，是個混雜的工作量。同時各模型接口的集成難度也相應增加。這就要求數字孿生應用技術對研究對象和場景進入前期深入調研，通過模型等值等技術手段，構建多顆粒度模型等，以便實現有限計算資源的有效求解。②構建真實數據驅動的數字孿生自學習機制。由于能源管理系統中的真實數據是動態變化的，造成多源異構數據計算復雜度高，高維求解難度大。在數字孿生技術應用之前，要完成歷史數據訓練，盡量明確要映射的確計和運行數據。③能源管理系統還存在著一些無法直接獲取的數據，數字孿生應用技術需要通過構建模型機理等方法實現數據獲取，明確邊界條件，以實現虛實數據的一致性[3-4]。

3.2 基于數字孿生的智慧園區能源管理系統應用關鍵技術

數字孿生技術在智慧園區能源管理應用方面有如下幾個技術關鍵點：①建模。面向能源管理系統耦合建模。從機理模型出發，構建多顆粒度復雜融合模型架構及動態模型框架；然后再收集業務數據，基于事件驅動來構建數據模型，實現與物理數據交互。②特征提取。首先對能源管理各業務數據進行訓練，明確有用價值，降低數據復雜度，另通過機器學習等方法，對機理模型進行優化，降低計算量。③異構模型集成。針對能源管理系統復雜異構系統，構建自適應數學算法架構，盡可能實現不同模型的數學求解。④自學習。利用數字孿生的虛實映射，為能力管理系統提供輔助決策支撐，并在此基礎上實現自學習和自完善。

數字孿生技術在智慧園區能源管理應用方面，還需實現數據采集和數據分析，便于更好地實現能源智能化管理。以生產制造型智慧園區應用為例，要構建全生命周期的數字孿生場景，從而幫助園區企業在實際投入生產之前即能在虛擬環境中優化、仿真和測試，而在生產過程中也可根據能源使用情況及生產效率情況同步優化整個企業流程。

具體來說，首先，構建工廠仿真平臺，構建未來的數字化產線的虛擬模型，結合混線生產訂單、產品工藝、物流的轉運策略、輪班安排、生產線布局、人員安排等，通過仿真對產線性能進行分析和優化，包括物流瓶頸、產能和訂單等。實現對未來工廠生產線的性能分析及日常排產優化，通過工廠仿真對未來的數字化車間生產線進行仿真，在生產線設計階段了解生產線的產能、瓶頸、設備利用率、人員配備、存放區大小，并根據發現的問題進行優化，最終得到較優的生產線設計方案；在日常的生產過程中，根據MES排產結果在虛擬的生產線中進行模擬生產，了解產品的交付情況并優化排產結果以滿足及時交付要求。其次，構建機器人仿真環境，構建未來的數字化產線工位的三維模型，包括加工中心、上下料機器人、工裝夾具等，模擬和優化機器人的運動路徑并最終生成機器人的控制程序。在虛擬環境中實現機器人運動路徑規劃并實現離線編程，未來的數字化車間生產線將實現自動的物流配送及機器人上下料，在生產現場進行機器人的運動示教將占用大量的生產時間并產生安全隱患，建立生產線的雙胞胎，即可虛擬的環境中規劃機器人無干涉的運動路徑，模擬機器人的物料轉運過程并優化運動路徑，最終生成可用于控制真實機器人運動的控制程序。最后，通過與MES系統、MDC等系統集成，構建未來的數字化產線的三維模型，并動態實時展示各設備的狀態、設備的保養信息、設備的加工信息等內容。實時將現場設備狀態、加工情況、裝配情況等傳遞到虛擬工廠，虛擬工廠漫游者將結合用能情況查看生產現場的狀態，并在機器人仿真的基礎上，以實際的PLC控制信號驅動虛擬環境中的生產線，驗證控制程序邏輯及信號的正確性，縮短現場進行生產線調試的時間。進而對生產現場監督查看及適應性調整，實現節能化生產及柔性生產。數字孿生應用技術功能如圖1所示。

圖1 數字孿生應用技術功能示意圖

3.3 應用探討

能源管理系統頂層規劃，通過數字孿生應用技術可以在全息鏡像的展示環境下，重新規劃管線布局、能源類型等匹配關系，同時也可以與增材制造相融合，這將縮短升級改造的建設周期能源管理系統遠程診斷與運維，各能源設備的數據信息可在數字孿生系統中呈現，包括設備故障類型數據、歷史數據、實時數據等，可基于此來更直觀地進行運行和維護，為遠程診斷和運維提供支撐。

能源管理系統多業務協同，智慧園區未來的發展將更新智能化和數字化，能源管理系統作為重要組成部分，將會為實現與其他管理業務系統協同發揮重要作用。

4 總結

綜上所述，數字孿生技術作為園區智能化的重要手段，將能源管理系統在園區其他領域的協同合作運行提供了基礎，通過分析發現，數字孿生應用技術對能源管理系統的頂層規劃、運維、業務協同等多方面都具有應用價值，同時也可推廣應用至其他應用領域。