電網數字孿生管理平臺的設計及實現

張正文,彭 姣,孫樹娟,李美茹,苑魯峰

(1.國網河北省電力有限公司雄安新區供電公司,河北 雄安新區 071000;2.北京中電普華信息技術有限公司,北京 100107)

數字孿生是以數字化方式創建物理實體的虛擬模型[1],借助歷史數據、實時數據以及算法模型等,模擬、驗證、預測、控制物理實體全生命周期過程的技術手段[23]。

根據國家電網有限公司(簡稱“國網公司”)《數字化轉型和數字電網建設行動方案(2020年版)》要求,國網公司將對傳統物理電網進行數字化映射,構建全新的數字孿生電網形態[4]。然而,由于數字孿生應用于工業界實際時間不長,存在較多的技術分支與演進模式,在實際工業應用中,需要面對數字孿生種類繁多、標準多樣、管理復雜等問題,在實際項目中如何進行管理和控制面臨巨大的挑戰。本文結合國網河北省電力有限公司雄安新區供電公司(簡稱“雄安供電公司”)數字孿生建設需要,提出一種數字孿生管理平臺架構設計方案。

1 數字孿生管理平臺的設計

雄安供電公司數字孿生管理平臺主要實現對各專業部門構建的數字孿生體的統一管理,對規劃、調度、營銷、信通等業務部門的數字孿生,提供統一注冊、版本管控、共享、共用等,通過統一管理平臺,實現基礎構件(類似于積木)性質數字孿生的共享共用,避免各專業重復建設,提升應用效率。數字孿生管理平臺基于業務和管理需求,實現電網大規模多源孿生體的匯聚、存儲、管理和共享等應用,構建電網數字孿生綜合管理體系,實現電網孿生體的統一管理和跨部門資源調用,解決多部門分散建設與片面管理問題。

1.1 數字孿生類型

數字孿生是指與物理實體或過程相對的數字化模型的實例,其不僅僅是物理世界的鏡像,也要反映物理世界的實時信息,更要反過來實時驅動物理世界,而且進化為物理世界的先知、先覺甚至超體。雄安供電公司各專業建設的孿生體模型成果主要分為兩大類,一是依照統一標準體系建設的孿生體模型,如雄安規范的XDB模型、國網規范的GI M模型等,這類模型從本質上已經具備了數字孿生的基本要素;另一類是三維行業中常見的多種三維模型格式,如傾斜攝影模型(OSGB)、3DMAX模型(.MAX)、基于Web GL的GLTF、BI M主流的revit、bently、catia模型以及其他通用三維模型格式OBJ、FBX、3DS等。在雄安供電公司數字孿生管理平臺中,需要對以上眾多模型進行統一管理,其中核心的數字孿生模型就是雄安規范的XDB模型以及國網規范的GI M模型。

雄安規范的XDB模型是指雄安新區規劃建設BI M管理平臺數字化交付數據標準,是雄安新區為建設數字城市而制定的數字化標準。雄安新區XDB按專業劃分,每個專業對應一個XDB,包含系統信息表、項目信息表、幾何信息表、專業信息表、數據關系表等。XDB的基本單位是元素,元素描述了數據集中一條模型數據所包括的內容,如一個門構件為一個元素,一個墻構件為一個元素。元素主要包括了基本屬性數據、專業屬性數據、擴展屬性數據、顯示幾何等。元素之間的相互關聯關系用模型關聯關系來描述,如樓層與構件的關聯關系、組與構件的關聯關系等。雄安新區XDB體系結構示意,見圖1,其從大向小,逐步細化,建立不可劃分的細節XDB基本組件。

圖1 雄安新區XDB體系結構

國網規范的GI M模型是指國網公司為了實現智能電網建立的電網信息模型,具體包括輸變電工程三維設計模型交互規范、軟件基本功能規范、建模規范等內容。國網GI M模型包括變電站、換流站、架空輸電線路等單元。各個電氣單元拆分為多個基本幾何體,通過層級劃分的方式進行建模,其模型結構與XDB類似。以變電站為例,其建模使用了常規幾何體和專用幾何體,并由一組控制參數進行描述。常規幾何體是最基本的幾何圖形單元,而專用幾何體則是變電站設備、材料中的常用部件,包括套管、絕緣子串、安裝板、端子板等。在建模的過程中,基本圖元先組合為各種部件,然后由各個部件組合為設備。

1.2 總體架構

雄安數字孿生管理平臺總體架構主要分為數據匯集、數據層建設及應用服務建設等三部分[5],見圖2。

圖2 數字孿生管理平臺總體架構

1.2.1 數據匯集

數據匯集對應數據源和數據輸入層兩部分,主要用于多源異構孿生體的匯集。雄安供電公司數字孿生管理平臺橫向關聯電網各專業、縱向貫通電網全業務,實現各部門、各專業分散建設的數字孿生匯集[6]。這些孿生體來源分散、結構多樣、體量巨大。匯集的主要任務是對模型、屬性、關聯關系等3個數字孿生的核心要素進行整合。

模型整合。對于雄安規范的XDB模型、國網規范的GI M模型等,由于該類模型已經具備了數字孿生的基本要素,整合時可延用該模型結構,并將這2種模型作為管理平臺標準格式。其他三維行業模型格式,如OSGB、3DMAX模型、基于Web-GL的GLTF、revit、bently、catia模型以及其他通用三維模型格式OBJ、FBX、3DS等,這些格式為適應孿生體統一納管的需求,進行歸一化處理,具備標準化條件的轉化為XDB或GI M模型,不具備標準化條件的轉化為通用三維格式OBJ。

屬性與關聯關系整合。電網各專業孿生體的業務數據、感知監測數據等屬性均來源于數據中臺,為避免數據重復存儲,統一對接數據中臺的屬性數據。關聯關系由實物ID進行綁定,整合時應要求并檢查模型是否具備且符合電網統一實物ID編碼規則。

1.2.2 數據層建設

數據層建設部分主要對應數據層和組件層兩部分,用于實現數字孿生管理平臺的核心數據管理。數字孿生管理平臺通過數據匯集搭建孿生體模型數據庫,實現多維度、跨專業、格式歸一化的孿生體數據集中存儲與管理,通過模型唯一識別碼實體ID關聯數據中臺的各類業務和感知數據及映射關系,服務于后期孿生體的復用[7]。同時,模型數據庫的搭建延用數據中臺的建設技術框架,為后期數據中心整合和擴展提供技術準備。

1.2.3 應用服務

應用服務主要對應應用層部分,用于實現數字孿生管理平臺的各項具體應用。雄安供電公司數字孿生管理平臺應用服務能力從目錄體系統一、可視化展示、空間坐標配準、屬性編輯、場景組合、數據檢索等基本的管理組件作為支撐,搭建平臺的基本應用功能,實現孿生體上傳入庫、在庫管理和出庫共享分發等環節功能。

1.3 技術架構

雄安數字孿生管理平臺的技術架構,主要分為部署環境、數據層技術、支撐層技術和服務層微服務架構等4個主要技術環節,以此支撐多樣的孿生體應用[8],見圖3。

圖3 數字孿生管理平臺技術架構

部署環境主要延用國網公司現有的虛擬機、容器架構、專用網絡和負載均衡設備進行部署安裝,實現在國網公司體系下兼容與適配。

數據層,為了后期數字孿生數據中心統一歸入國網公司數據中臺的需求,保持與國網公司現有技術框架一致的技術方案。在數據接入方面采用ETL數據中間件的方式完成數據的集成過程,采用關系型數據庫、NoSql數據庫、對象存儲服務和分布式文件存儲系統等方式進行數據的混合存儲。數據分析與計算方面,為滿足孿生體海量空間與非空間數據計算的性能需求,采用分布式計算架構進行設計。

支撐層,用于對平臺應用與數據操作進行技術支撐。數據轉換工具為定制開發的用于多源數據歸一化的工具軟件,完成多類三維數據的歸一化處理[9]。而三維轉換插件則是更專業的針對BI M、OSGB等特殊三維格式的輕量化、結構化轉換插件,可將BIM輕量化為通用三維格式,將OSGB結構化為OBJ格式,從而適配更多的三維平臺。

服務層,采用微服務架構進行實現,兼顧擴展性、容錯性、技術選型靈活性、開發運維效率等因素。微服務架構是將原本單一進程拆分為多個進程服務,且相互之間存在調用關系,又能獨立部署運行的松耦合架構,便于服務的穩定、擴展和維護,可以更好的支撐數字孿生多種多樣的應用需求。

2 數字孿生管理平臺的關鍵技術

2.1 階段式數字孿生生成技術

雄安供電公司數字孿生管理平臺建立數字孿生的過程分為建模與仿真兩個階段。在建模階段以雄安XDB和國網GI M為基本標準模型,將待建立數字孿生的物理實體拆解成各種基礎組件,逐層分級的組合成XDB模型和GI M模型,從而實現將物理實體虛擬映射為三維數字模型,且相應模型真實地在虛擬空間再現物理實體的外觀、幾何、運動結構、幾何關聯等屬性,并結合實體對象的空間運動規律而建立。仿真階段則是基于構建好的三維數字模型,結合結構、熱學、電磁、流體等物理規律和機理,計算、分析和預測物理實體的未來狀態,從而建立數字孿生體內部和孿生體之間的關聯關系。最終的數字孿生體由1個或多個單元級數字孿生體按層次和關聯關系逐級復合而成,從而實現數字孿生體的生成。

2.2 復合式數字孿生信息模型庫

雄安供電公司數字孿生管理平臺內部包含眾多孿生模型,除了具有極強業務背景的XDB模型和GI M模型以外,還包括OSGB、3DMAX、GLTF、revit、bently、catia、OBJ、FBX、3DS等 模型。因此,如何兼容眾多模型格式就是數字孿生管理平臺的核心功能[10]。在結構設計上,數字孿生管理平臺指定了3種基礎模型,分別是XDB、GI M和OBJ。對于其他格式的三維模型,首先通過格式導出工具標準化為XDB或者GI M模型,如果不具備標準化條件的轉化為通用三維格式OBJ。在具體實現過程中,采用關系型數據庫,用于存儲各類模型的基礎數據、專業數據、顯示圖形數據以及組件的編碼信息。同時支持存儲各領域的數據字典,用于解析專業數據含義。

2.3 高性能協同計算能力

高性能協同計算是數字孿生信息分析的效率保障。在數字孿生模式下,物理實體實現高度數字化,同時產生海量數據資源,高性能的協同計算提供算力支撐,主要包括強大的數據處理中心和邊緣計算中心,為數字孿生的高效運行提供運行決策。為了提高高性能的協同計算能力,數字孿生管理平臺使用了基于Spar k的分布式計算引擎,能夠實現多節點分布式的高性能并行計算。同時部署了人工智能算法庫,通過智能匹配最佳算法,可在無需數據專家的人工參與下,自動執行數據準備、分析、融合對孿生數據進行深度知識挖掘,從而生成各類型服務。

3 數字孿生管理平臺實現及成效

雄安供電公司數字孿生管理平臺采用前后端分離的架構,前端和后端分別獨立實現,后端采用微服務架構,以RESTful API的形式,對外提供數據服務和各類抽象的、基礎的業務邏輯,前端以瀏覽器和大屏為載體,承載各功能模塊的業務功能。其中,后端架構自下而上由數據服務、微服務和API Gateway構成,數據服務層封裝了底層數據庫數據存取的業務邏輯,微服務層構建了實現本系統的各類基礎業務邏輯,API Gateway層結合上層的業務需求,對數據和基礎業務邏輯進行封裝和整合,以RESTful API的形式提供支撐前端應用的最終服務。前端部分的Web系統由ASP.net、HTML、CSS和JavaScript生態下的各類技術實現。

目前數字孿生管理平臺實現了3大類6小類共29種XDB模型,3大類17小類共34種GI M模型,共建立各種三維數字孿生體1 921個,基本實現了雄安供電公司數字孿生基礎模型體系。依托現有模型,建立了可視化安全監控場景。建立變電站1∶1的三維數字地圖,融合視頻監控系統、門禁系統等園區監測信息,巡檢人員佩戴定位系統,可實時遠程展示變電站信息和巡檢人員在虛擬地圖中的位置信息,當發生危險報警或異常情況時,及時提醒危險區域人員。

4 結束語

數字孿生管理平臺作為雄安供電公司數字化主動電網數字孿生建設的重要組成部分,已經初步實現了數字孿生的生成和管理能力,能夠為數字化主動電網數字孿生建設提供基礎支撐。未來數字孿生管理平臺還需要在數字孿生生成以及應用場景建設進一步強化,以增強雄安供電公司數字化能力。數字孿生作為新興學科,正表現出巨大的實用價值和經濟效益。