鄒 東 馮劍冰,2

(1. 廣州地鐵集團(tuán)有限公司， 510330， 廣州； 2. 華南理工大學(xué)電力學(xué)院， 510641， 廣州∥第一作者， 正高級(jí)工程師)

數(shù)字孿生技術(shù)近年來(lái)已成為炙手可熱、被寄予極高期望的發(fā)展方向之一。國(guó)際上最具權(quán)威的IT(互聯(lián)網(wǎng)技術(shù))調(diào)研與咨詢服務(wù)公司Gartner，從2016年起連續(xù)5年將數(shù)字孿生技術(shù)列為未來(lái)十大戰(zhàn)略技術(shù)之一。

數(shù)字孿生技術(shù)其內(nèi)涵是構(gòu)建一個(gè)數(shù)字孿生體，其最終表現(xiàn)形式是對(duì)物理實(shí)體完整、精確的數(shù)字化描述，可用來(lái)對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行模擬、監(jiān)控、診斷、預(yù)測(cè)及控制，具有實(shí)時(shí)同步、忠實(shí)映射特性，是能夠?qū)崿F(xiàn)物理世界與信息世界交互、融合的技術(shù)手段。

數(shù)字孿生技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展迅速，而無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，有關(guān)數(shù)字孿生技術(shù)在城市軌道交通供電系統(tǒng)的應(yīng)用大都處于探索階段。城市軌道交通供電系統(tǒng)是電力系統(tǒng)在城市軌道交通這一特定場(chǎng)景下的特殊系統(tǒng)，探索數(shù)字孿生技術(shù)在城市軌道交通供電系統(tǒng)的廣泛和深入應(yīng)用，可以給該系統(tǒng)及其設(shè)備，以及其上游的制造、下游的運(yùn)維帶來(lái)革命性的改變。

1 數(shù)字孿生技術(shù)在城市軌道交通供電系統(tǒng)中的應(yīng)用方向分析

上海軌道交通、深圳地鐵、廣州地鐵等已開(kāi)始探討將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于智能供電，如應(yīng)用于建設(shè)過(guò)程中對(duì)供電設(shè)備進(jìn)行BIM(建筑信息模型)建模分析、運(yùn)營(yíng)過(guò)程中對(duì)供電設(shè)備進(jìn)行智能運(yùn)維等。但從目前國(guó)內(nèi)各城市地鐵公司的智能供電建設(shè)和智能運(yùn)維情況來(lái)看，智能供電建設(shè)更側(cè)重于智能信息集成展示層面，往往是多個(gè)信息化系統(tǒng)、自動(dòng)化系統(tǒng)的簡(jiǎn)單堆積，各系統(tǒng)之間缺乏緊密聯(lián)系，很難從整體上、系統(tǒng)性上解決智能供電實(shí)施中存在的問(wèn)題，對(duì)節(jié)能降耗、提質(zhì)增效的作用不強(qiáng)，偏離了智能供電的初衷，也很少通過(guò)智能供電建設(shè)推進(jìn)管理模式變革，未真正做到提質(zhì)增效。

數(shù)字孿生技術(shù)在城市軌道交通供電系統(tǒng)的應(yīng)用，就是通過(guò)對(duì)供電系統(tǒng)的智能化改造，以自動(dòng)化、數(shù)字化、信息化為基礎(chǔ)，充分發(fā)揮數(shù)字孿生技術(shù)強(qiáng)大的分析處理能力，實(shí)現(xiàn)供電設(shè)備全生命周期管理及壽命可視管控，解決供電系統(tǒng)運(yùn)行故障預(yù)測(cè)與分析、線網(wǎng)級(jí)供電系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試，實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)運(yùn)維向狀態(tài)修轉(zhuǎn)變，提升供電系統(tǒng)運(yùn)維管理能力，提高能源利用效率，推動(dòng)節(jié)能減排。

2 數(shù)字孿生技術(shù)在城市軌道交通供電系統(tǒng)的應(yīng)用模式分析

數(shù)字孿生技術(shù)在城市軌道交通供電系統(tǒng)中的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在數(shù)字空間構(gòu)建現(xiàn)實(shí)供電系統(tǒng)的映射模型，借助仿真、模型推演、數(shù)據(jù)分析、迭代優(yōu)化等手段，實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)管理和服務(wù)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、智能決策，最終達(dá)到現(xiàn)實(shí)供電系統(tǒng)和數(shù)字供電系統(tǒng)同步運(yùn)轉(zhuǎn)、雙向互動(dòng)， 實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)綜合效能提升?；跀?shù)字孿生技術(shù)的城市軌道交通供電系統(tǒng)如圖1所示。

注：PI——美國(guó)OSI公司的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)； ERP——企業(yè)資源計(jì)劃。

首先，通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建一套虛擬的城市軌道交通供電系統(tǒng)，這是一個(gè)完整的、系統(tǒng)化的數(shù)字化系統(tǒng)；然后，對(duì)該虛擬系統(tǒng)中的設(shè)備及其設(shè)備內(nèi)部件進(jìn)行數(shù)字建模，并建立所有設(shè)備的檔案資料，基于此，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行信息實(shí)時(shí)交互和對(duì)未來(lái)運(yùn)行情況的超前預(yù)測(cè)。該虛擬系統(tǒng)囊括了所有設(shè)備及其部件在設(shè)計(jì)、工廠制造、工廠調(diào)試、現(xiàn)場(chǎng)安裝等運(yùn)行前所有階段的歷史信息，以及運(yùn)行階段的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、交互信息、未來(lái)運(yùn)行情況的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，因此可形成虛擬系統(tǒng)與現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的鏡像對(duì)應(yīng)和數(shù)字化映射，最終形成可視、可控、可管的基于數(shù)字孿生技術(shù)的城市軌道交通供電系統(tǒng)。

其次，要實(shí)現(xiàn)智能供電系統(tǒng)的核心能力，需要充分應(yīng)用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)應(yīng)用等先進(jìn)信息技術(shù)，在現(xiàn)有的城市軌道交通供電通信系統(tǒng)、供電監(jiān)控系統(tǒng)、供電管理信息系統(tǒng)、供電輔助監(jiān)控系統(tǒng)等基礎(chǔ)上，進(jìn)行數(shù)字孿生建模、信息物理融合、交換與協(xié)同。為促進(jìn)數(shù)字孿生技術(shù)的落地應(yīng)用，必須抓住數(shù)字孿生技術(shù)的數(shù)據(jù)和模型這兩個(gè)核心，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、管理云平臺(tái)和綜合監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)為支撐，在智能設(shè)備層、智能控制層、智能監(jiān)管層和智能決策層構(gòu)建符合智能供電系統(tǒng)要求的模型，實(shí)現(xiàn)供電過(guò)程的全面感知、協(xié)同優(yōu)化、預(yù)測(cè)預(yù)警和科學(xué)決策?；跀?shù)字孿生技術(shù)的城市軌道交通智能供電系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖2所示。

3 數(shù)字孿生技術(shù)在城市軌道交通供電系統(tǒng)中的應(yīng)用場(chǎng)景分析

數(shù)字孿生技術(shù)源于設(shè)備全壽命周期管理(PLM)，具備覆蓋全周期各階段的應(yīng)用基礎(chǔ)和向多領(lǐng)域拓展的能力：從設(shè)備的生命周期開(kāi)始，到設(shè)備的數(shù)字化設(shè)計(jì)、設(shè)備的數(shù)字樣機(jī)、工廠的智能制造、設(shè)備安裝的BIM場(chǎng)景、設(shè)備運(yùn)維的故障診斷、設(shè)備狀態(tài)維修等。除單機(jī)設(shè)備外，參照CPS(信息物理系統(tǒng))和ACP(平行系統(tǒng))的理念，還可以進(jìn)一步應(yīng)用于整個(gè)系統(tǒng)級(jí)的孿生，對(duì)整個(gè)供電系統(tǒng)的控制進(jìn)行平行模擬、故障推演、分析預(yù)測(cè)、系統(tǒng)優(yōu)化和仿真試驗(yàn)。

3.1 數(shù)字化設(shè)計(jì)和虛擬制造

與城市電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化和垂直管理不同，城市軌道交通的供電設(shè)備，通常因系統(tǒng)設(shè)計(jì)和用戶需求的差異，定制化設(shè)備較多，這就對(duì)設(shè)備的設(shè)計(jì)和性能提出更復(fù)雜的要求。采用數(shù)字孿生技術(shù)，對(duì)各類設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)，可將設(shè)備的設(shè)計(jì)信息、制造信息和其他附屬信息均定義至產(chǎn)品的數(shù)字化模型中，保障了數(shù)字孿生體在產(chǎn)品全生命周期中的唯一性和起始基礎(chǔ)。結(jié)合VMT(虛擬制造技術(shù))，可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段生成DMU(數(shù)字樣機(jī))，對(duì)設(shè)備的制造過(guò)程、產(chǎn)品性能和定制化進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)?；跀?shù)字孿生技術(shù)的城市軌道交通供電設(shè)備設(shè)計(jì)流程如圖3所示。圖4 為110 kV電力變壓器數(shù)字化設(shè)計(jì)樣機(jī)。圖5 為35 kV整流變壓器數(shù)字化設(shè)計(jì)樣機(jī)。

GB/T 26100—2010《機(jī)械產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)通用要求》中，將數(shù)字樣機(jī)定義為對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的數(shù)字化描述，不僅反映產(chǎn)品的幾何屬性，還反映產(chǎn)品的功能和性能。數(shù)字樣機(jī)也將傳統(tǒng)的三維模型從靜態(tài)表達(dá)上升至反映功能和性能的動(dòng)態(tài)表達(dá)。數(shù)字孿生技術(shù)正好全面承接了數(shù)字樣機(jī)這一未來(lái)趨勢(shì)。

注：ECMS——電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)； PSCADA——電力監(jiān)控系統(tǒng)； ISCS——綜合監(jiān)控系統(tǒng)； GIS——?dú)怏w絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備。

圖3 基于數(shù)字孿生技術(shù)的城市軌道交通供電設(shè)備設(shè)計(jì)流程

3.2 數(shù)字化工廠和智能制造

數(shù)字化工廠(DF)是針對(duì)設(shè)備制造環(huán)節(jié)的數(shù)字化融合。制造設(shè)備是制造過(guò)程的核心要素，實(shí)現(xiàn)制造設(shè)備的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化，可以將制造設(shè)備與擬造產(chǎn)品的數(shù)字模型進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。這不僅可以虛擬生產(chǎn)過(guò)程和監(jiān)督制造質(zhì)量，還可以對(duì)產(chǎn)品的數(shù)字孿生體進(jìn)行修正和傳遞，并使其附著有生產(chǎn)環(huán)節(jié)的信息。在產(chǎn)品制造過(guò)程中，結(jié)合傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、5 G等技術(shù)與數(shù)字模型進(jìn)行實(shí)時(shí)虛實(shí)互動(dòng)，使制造過(guò)程更加智能化，同時(shí)也累積了制造過(guò)程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)。圖6 為導(dǎo)入智能生產(chǎn)線的35 kV C-GIS數(shù)字化模型。

圖4 110 kV電力變壓器數(shù)字化設(shè)計(jì)樣機(jī)

圖5 35 kV整流變壓器數(shù)字化設(shè)計(jì)樣機(jī)

圖6 導(dǎo)入智能生產(chǎn)線35 kV C-GIS數(shù)字化模型

以某城市軌道交通電氣設(shè)備制造商的生產(chǎn)為例，其城市軌道交通用開(kāi)關(guān)柜的生產(chǎn)，引入了全數(shù)字化智能生產(chǎn)線。直接輸入產(chǎn)品的數(shù)字化模型，可直接生成各組件的物料清單和規(guī)格參數(shù)；系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)備的構(gòu)成生成產(chǎn)品制造工藝流程、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等并傳遞至生成線，生產(chǎn)線依據(jù)模型和工藝流程進(jìn)行生成。該生產(chǎn)線可最大程度減少人工參與，整個(gè)制造過(guò)程是模型1.0向N.0的不斷演進(jìn)過(guò)程。從設(shè)計(jì)階段開(kāi)始直到制造階段完成，產(chǎn)品的數(shù)字孿生模型不斷附著元器件的規(guī)格型號(hào)、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等新增信息，為下一步的虛實(shí)同步交付奠定了基礎(chǔ)。圖7為數(shù)字化智能生產(chǎn)線管理平臺(tái)結(jié)構(gòu)體系。

圖7 數(shù)字化智能生產(chǎn)線管理平臺(tái)結(jié)構(gòu)體系

3.3 數(shù)字化應(yīng)用及智能運(yùn)維階段

3.3.1 設(shè)備狀態(tài)維修和壽命管理

在向用戶交付設(shè)備的同時(shí)，如能向設(shè)備運(yùn)維方交付設(shè)備的數(shù)字孿生體，則可在設(shè)備運(yùn)維過(guò)程中繼續(xù)進(jìn)行數(shù)字孿生體與實(shí)體設(shè)備的虛實(shí)映射，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)維修和壽命精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。

傳統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)維基本上處于計(jì)劃維修階段，對(duì)設(shè)備的狀態(tài)判斷大部分源于理論推導(dǎo)和經(jīng)驗(yàn)積累，是對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期、定量的維護(hù)或檢修。如果獲得精準(zhǔn)的設(shè)備數(shù)字孿生體，則可獲得設(shè)備及其各組成部分的精準(zhǔn)狀態(tài)和維修需求，就可按設(shè)備的狀態(tài)安排針對(duì)性的維護(hù)或檢修。設(shè)備狀態(tài)維修，將會(huì)使設(shè)備運(yùn)維發(fā)生革命性改變，可以使運(yùn)維部門的人工成本、備件成本大幅度降低，并可使停電時(shí)間和備件庫(kù)存減少。同時(shí)，根據(jù)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)記錄和機(jī)理性預(yù)測(cè)，可以掌握設(shè)備的預(yù)期壽命。這樣，一方面可以進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)備壽命延長(zhǎng)維護(hù)；另一方面可以在設(shè)備壽命終結(jié)時(shí)形成全壽命周期質(zhì)量總結(jié)報(bào)告，用以指導(dǎo)新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和質(zhì)量提升。

目前，廣州地鐵、上海地鐵等已開(kāi)始在軌道交通供電系統(tǒng)中開(kāi)展設(shè)備狀態(tài)評(píng)估和壽命管理，通過(guò)對(duì)供電設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，對(duì)其變化趨勢(shì)和易損件的重點(diǎn)預(yù)判，以及應(yīng)用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型等手段，形成對(duì)供電系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行全面、科學(xué)的判斷和狀態(tài)化維修管理。而對(duì)供電設(shè)備的全面狀態(tài)感知，是建立在設(shè)備的數(shù)字化孿生體基礎(chǔ)之上的。

在設(shè)備數(shù)字孿生技術(shù)基礎(chǔ)之上，設(shè)備的PHM(故障預(yù)測(cè)與健康管理)才能真正實(shí)現(xiàn)。圖8 為基于數(shù)字孿生技術(shù)的供電設(shè)備狀態(tài)修和壽命管理流程。圖9 為基于數(shù)字孿生技術(shù)的設(shè)備全壽命周期的虛實(shí)互動(dòng)關(guān)系。

3.3.2 供電系統(tǒng)運(yùn)行健康管理

通過(guò)對(duì)城市軌道交通供電系統(tǒng)進(jìn)行整體的數(shù)字孿生(或者類似于平行系統(tǒng)的功能)，可以開(kāi)發(fā)出大量系統(tǒng)性的高級(jí)應(yīng)用功能。

1) 高精度的實(shí)時(shí)潮流計(jì)算。依靠系統(tǒng)的數(shù)字孿生能力，可以將潮流計(jì)算的理論模型與實(shí)際(采集)量進(jìn)行虛實(shí)互動(dòng)，修正出高精度的數(shù)字孿生模型；通過(guò)高精度的數(shù)字孿生模型，可以對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行精確預(yù)測(cè)和診斷，以及在各類運(yùn)行模式下的運(yùn)行預(yù)判。

2) 健康管理和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)。擁有高精度的數(shù)字孿生系統(tǒng)，可以對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行全方位健康管理，特別是對(duì)各類極端故障情況下的系統(tǒng)災(zāi)備能力進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)判。城市軌道交通供電系統(tǒng)通常在設(shè)計(jì)時(shí)，按照既定的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行計(jì)算和配置，系統(tǒng)可運(yùn)行在既定的工況下；但在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，為保障城市交通和社會(huì)秩序，運(yùn)營(yíng)部門通常將挖掘系統(tǒng)的極端供電能力，以在極端情況下盡可能向列車或車站進(jìn)行供電。精準(zhǔn)的系統(tǒng)數(shù)字孿生模型，將無(wú)需考慮既定工況，可對(duì)各類極端情況進(jìn)行預(yù)測(cè)和災(zāi)備支撐

圖8 基于數(shù)字孿生技術(shù)的供電設(shè)備狀態(tài)修和壽命管理流程

圖9 基于數(shù)字孿生技術(shù)的設(shè)備全壽命周期的虛實(shí)互動(dòng)關(guān)系

。

3.3.3 系統(tǒng)虛擬試驗(yàn)和系統(tǒng)優(yōu)化模擬

1) 系統(tǒng)虛擬試驗(yàn)。系統(tǒng)涉及的大量聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)、短路試驗(yàn)和滿載試驗(yàn)等，均可以通過(guò)在數(shù)字孿生模型中進(jìn)行模擬。通過(guò)虛擬試驗(yàn)，一方面可以驗(yàn)證系統(tǒng)的閉鎖、整定值等的正確性和合理性；另一方面可以作為實(shí)體試驗(yàn)的預(yù)演，以指導(dǎo)實(shí)體試驗(yàn)的過(guò)程。

2) 系統(tǒng)優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。對(duì)供電系統(tǒng)的各角度優(yōu)化，以及經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行，都可以在系統(tǒng)數(shù)字孿生模型中進(jìn)行預(yù)演和驗(yàn)證；通過(guò)在虛體中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置和模式切換，找到系統(tǒng)最佳的、最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式，對(duì)降低成本、提高系統(tǒng)可靠性均有巨大意義。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字孿生技術(shù)為物理世界和數(shù)據(jù)世界建立了親密的橋梁，它們之間的虛實(shí)互動(dòng)，將成為未來(lái)數(shù)字世界、智慧世界的基石。

數(shù)字孿生技術(shù)在城市軌道交通供電系統(tǒng)的應(yīng)用，還處于起步階段。盡管數(shù)字孿生技術(shù)的建模技術(shù)、傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型和模型的高保真性都處于百花齊放的前夜，但是可以肯定地預(yù)計(jì)，數(shù)字孿生技術(shù)將在城市軌道交通供電系統(tǒng)中得以全面應(yīng)用并推動(dòng)顛覆性的技術(shù)變革。

本文探討了數(shù)字孿生技術(shù)在城市軌道交通供電系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景，希望籍此推動(dòng)數(shù)字孿生技術(shù)在城市軌道交通行業(yè)的全面應(yīng)用。