基于数字孪生的智慧园区能源管理系统应用探讨

李 刚，王 梦，左振波，韩永磊

（江苏杰瑞信息科技有限公司，江苏 连云港222000）

1 引言

随着新一代信息技术与园区管理应用的信息融合程度提升，横向打通了园区安防、交通、能源、交通、运维等各业务间的信息壁垒，同时在纵向方面也使园区从顶层规划到基础层业务服务的整体性更加有序高效，这也引导了园区的未来发展趋势。能源管理系统打破了原有的信息孤岛模式，构建了综合管控系统，它是智慧园区的典型应用实践之一。本文结合数字孪生技术，对面向园区的能源管理系统进行了分析，可为智慧园区的发展提供一些参考[1]。

2 数字孪生应用技术

数字孪生又称为数字双胞胎，是实现物理实体向虚拟物体的一种全息映射，通过信息链接，还原物理实体数据参加和动态数据，从而辅助完成各种分析研究。

数字孪生应用技术是融合了数据采集、数据通信、数据仿真等多个学科，传感、通信、仿真、控制等多领域技术成果的系统性工程。仿真技术是数字孪生应用技术的核心功能。即将现实系统进行强关联，将实体物理系统的数据、动作、状态等进行拟实。具有以下几个特征：①镜像映射能力。对真实物理系统精准呈现，以及对行为特征进行复刻，将为管理系统的规划、调度等方面提供辅助支撑。②全域呈现能力。在时间域方面，数字孪生应用技术能够对于能源管理系统的运维、运行等情况下的零碎的数据信息进行信息融合；在空间域上，数字孪生应用技术能够实现对现实物理系统中难以观察和预测的业务环节进行仿真推演，提供了更为全面的观察视角。③动态仿真能力。数字孪生应用技术处理实现同步的虚实映射，还具有动态演变、动态演化仿真能力。④虚实联动能力。数字孪生应用技术能够实现对现实物理系统的控制，实现感知—决策—控制闭环交互[2]。

以上是对数字孪生应用技术的总体性描述，该技术将对智慧园区的能源管理系统赋予更多新的活力，后文将基于该技术特征分析，构建虚拟数字环境，实现能源管理系统多应用的无缝切换。

3 基于数字孪生的智慧园区能源管理系统应用探讨

3.1 需求与难点

智慧园区能源管理系统覆盖了园区生产到综合办公的多种业务应用，具有复杂的物理特征，例如在电、气、水等多个不同能源数据采集过程中，会存在数据结构、误差精度、时间尺度等方面的差异，在多源数据信息融合等方面加大了难度。需要做到以下几点：①能源管理系统数字孪生模型保真度与模型构建复杂度之间需要找到适中的平衡点。模型越精准，对建模的结构及计算量来说，是个混杂的工作量。同时各模型接口的集成难度也相应增加。这就要求数字孪生应用技术对研究对象和场景进入前期深入调研，通过模型等值等技术手段，构建多颗粒度模型等，以便实现有限计算资源的有效求解。②构建真实数据驱动的数字孪生自学习机制。由于能源管理系统中的真实数据是动态变化的，造成多源异构数据计算复杂度高，高维求解难度大。在数字孪生技术应用之前，要完成历史数据训练，尽量明确要映射的确计和运行数据。③能源管理系统还存在着一些无法直接获取的数据，数字孪生应用技术需要通过构建模型机理等方法实现数据获取，明确边界条件，以实现虚实数据的一致性[3-4]。

3.2 基于数字孪生的智慧园区能源管理系统应用关键技术

数字孪生技术在智慧园区能源管理应用方面有如下几个技术关键点：①建模。面向能源管理系统耦合建模。从机理模型出发，构建多颗粒度复杂融合模型架构及动态模型框架；然后再收集业务数据，基于事件驱动来构建数据模型，实现与物理数据交互。②特征提取。首先对能源管理各业务数据进行训练，明确有用价值，降低数据复杂度，另通过机器学习等方法，对机理模型进行优化，降低计算量。③异构模型集成。针对能源管理系统复杂异构系统，构建自适应数学算法架构，尽可能实现不同模型的数学求解。④自学习。利用数字孪生的虚实映射，为能力管理系统提供辅助决策支撑，并在此基础上实现自学习和自完善。

数字孪生技术在智慧园区能源管理应用方面，还需实现数据采集和数据分析，便于更好地实现能源智能化管理。以生产制造型智慧园区应用为例，要构建全生命周期的数字孪生场景，从而帮助园区企业在实际投入生产之前即能在虚拟环境中优化、仿真和测试，而在生产过程中也可根据能源使用情况及生产效率情况同步优化整个企业流程。

具体来说，首先，构建工厂仿真平台，构建未来的数字化产线的虚拟模型，结合混线生产订单、产品工艺、物流的转运策略、轮班安排、生产线布局、人员安排等，通过仿真对产线性能进行分析和优化，包括物流瓶颈、产能和订单等。实现对未来工厂生产线的性能分析及日常排产优化，通过工厂仿真对未来的数字化车间生产线进行仿真，在生产线设计阶段了解生产线的产能、瓶颈、设备利用率、人员配备、存放区大小，并根据发现的问题进行优化，最终得到较优的生产线设计方案；在日常的生产过程中，根据MES排产结果在虚拟的生产线中进行模拟生产，了解产品的交付情况并优化排产结果以满足及时交付要求。其次，构建机器人仿真环境，构建未来的数字化产线工位的三维模型，包括加工中心、上下料机器人、工装夹具等，模拟和优化机器人的运动路径并最终生成机器人的控制程序。在虚拟环境中实现机器人运动路径规划并实现离线编程，未来的数字化车间生产线将实现自动的物流配送及机器人上下料，在生产现场进行机器人的运动示教将占用大量的生产时间并产生安全隐患，建立生产线的双胞胎，即可虚拟的环境中规划机器人无干涉的运动路径，模拟机器人的物料转运过程并优化运动路径，最终生成可用于控制真实机器人运动的控制程序。最后，通过与MES系统、MDC等系统集成，构建未来的数字化产线的三维模型，并动态实时展示各设备的状态、设备的保养信息、设备的加工信息等内容。实时将现场设备状态、加工情况、装配情况等传递到虚拟工厂，虚拟工厂漫游者将结合用能情况查看生产现场的状态，并在机器人仿真的基础上，以实际的PLC控制信号驱动虚拟环境中的生产线，验证控制程序逻辑及信号的正确性，缩短现场进行生产线调试的时间。进而对生产现场监督查看及适应性调整，实现节能化生产及柔性生产。数字孪生应用技术功能如图1所示。

图1 数字孪生应用技术功能示意图

3.3 应用探讨

能源管理系统顶层规划，通过数字孪生应用技术可以在全息镜像的展示环境下，重新规划管线布局、能源类型等匹配关系，同时也可以与增材制造相融合，这将缩短升级改造的建设周期能源管理系统远程诊断与运维，各能源设备的数据信息可在数字孪生系统中呈现，包括设备故障类型数据、历史数据、实时数据等，可基于此来更直观地进行运行和维护，为远程诊断和运维提供支撑。

能源管理系统多业务协同，智慧园区未来的发展将更新智能化和数字化，能源管理系统作为重要组成部分，将会为实现与其他管理业务系统协同发挥重要作用。

4 总结

综上所述，数字孪生技术作为园区智能化的重要手段，将能源管理系统在园区其他领域的协同合作运行提供了基础，通过分析发现，数字孪生应用技术对能源管理系统的顶层规划、运维、业务协同等多方面都具有应用价值，同时也可推广应用至其他应用领域。