數(shù)字孿生的技術(shù)架構(gòu)

圖1是數(shù)字孿生的技術(shù)架構(gòu)，包含五層，自下而上為感知、數(shù)據(jù)、建模、可視化和應(yīng)用。另外，還需要平臺軟件，機理分析的支撐。建立數(shù)字孿生，數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)，模型是核心，軟件或平臺是載體。

數(shù)字孿生的技術(shù)架構(gòu)

數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)中各層技術(shù)簡單介紹如下：

（1）感知

為了實時感知物理實體及其運行環(huán)境，需要傳感技術(shù)、監(jiān)測技術(shù)的支撐。例如，為了建立面向風(fēng)電、光伏出力預(yù)測和故障診斷的數(shù)字孿生，需要獲得電站周邊氣象數(shù)據(jù)以及設(shè)備溫度、聲音、振動等數(shù)據(jù)，為此，需要可獲取聲振信號、溫度、濕度數(shù)據(jù)的傳感設(shè)備，當然，也需要來自SCADA系統(tǒng)的電氣數(shù)據(jù)。電力系統(tǒng)的智能電表、SCADA、PMU等也應(yīng)看作是傳感設(shè)備，通過智能電表，可以感知用戶的用電特性，通過PMU，可以感知到系統(tǒng)受到的擾動。

（2）數(shù)據(jù)

通過監(jiān)測和傳感獲得的數(shù)據(jù)，需要利用先進的通信技術(shù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)平臺或數(shù)據(jù)庫中進行存儲、處理和建模。如果數(shù)據(jù)量大，實時性要求高，需要大容量、高速通信技術(shù)，根據(jù)需要，也可以采取邊緣計算模式存儲處理數(shù)據(jù)。為節(jié)省信道和存儲空間，需要應(yīng)用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)；為實現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合、時空數(shù)據(jù)融合，需要應(yīng)用數(shù)據(jù)融合技術(shù)；為提高數(shù)據(jù)處理和建模速度、滿足數(shù)據(jù)孿生的實時性要求，需要采用分布式存儲和處理技術(shù)、流計算、內(nèi)存計算等技術(shù)。

（3）建模

建模方法包括機理建模方法和數(shù)據(jù)驅(qū)動建模方法。前者根據(jù)研究對象的機理特性建立數(shù)學(xué)公式，并賦予參數(shù)，然后應(yīng)用數(shù)值計算方法或解析方法進行計算，一般適合于機理清楚的物理系統(tǒng)；后者是指采用統(tǒng)計學(xué)、機器學(xué)習(xí)方法建立模型，適合于機理不明確或只存在關(guān)聯(lián)關(guān)系的研究對象。機理建模時由于存在不可避免的假設(shè)和簡化，有時會帶來不容忽視的誤差，這種情況下，如果數(shù)據(jù)足夠，也適合采用數(shù)據(jù)驅(qū)動建模方法。另外，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動方法時，為了解決小樣本、樣本不均衡、弱特征以及不可解釋性等問題，將機理建模方法和數(shù)據(jù)驅(qū)動方法相結(jié)合，具有一定優(yōu)勢。

數(shù)字孿生的模型需要隨物理實體同步更新、演化，如圖所示。

數(shù)字孿生隨物理實體的更新邏輯

（4）可視化

數(shù)字孿生需要很直觀的可視化效果，三維展示、地理信息系統(tǒng)（GIS）、AR/VR等都是很重要的可視化技術(shù)。例如，在地理信息圖上，直觀展示電網(wǎng)脆弱性分析結(jié)果，其中，藍色區(qū)域最為脆弱，一點攻擊可影響到10%電網(wǎng)，紫色、橘色和紅色區(qū)域要造成同樣嚴重后果，需要更多的攻擊；又如，風(fēng)機的數(shù)字孿生，在地理位置上標注了風(fēng)機的身份信息，點擊各個部位，均能更直觀地看到各個部位的狀況。

（5）應(yīng)用

數(shù)字孿生應(yīng)用的領(lǐng)域很多，智慧城市、精準醫(yī)療、智能制造、智慧能源是最重要的應(yīng)用領(lǐng)域。

小結(jié)：

數(shù)字孿生是一項綜合性技術(shù)，數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)，模型是核心，平臺或軟件是載體。所以獲取數(shù)據(jù)的傳感技術(shù)、監(jiān)測技術(shù)以及數(shù)據(jù)的傳輸技術(shù)、存儲技術(shù)、融合技術(shù)、處理技術(shù)，都是數(shù)字孿生的基礎(chǔ)性技術(shù)；各種建模技術(shù)以及支撐建模的平臺和軟件、三維展示和AR/VR技術(shù)也是數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)。

圖文：中國電力科學(xué)研究院人工智能應(yīng)用研究所 張東霞