李 剛，王 夢(mèng)，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(shù)與園區(qū)管理應(yīng)用的信息融合程度提升，橫向打通了園區(qū)安防、交通、能源、交通、運(yùn)維等各業(yè)務(wù)間的信息壁壘，同時(shí)在縱向方面也使園區(qū)從頂層規(guī)劃到基礎(chǔ)層業(yè)務(wù)服務(wù)的整體性更加有序高效，這也引導(dǎo)了園區(qū)的未來發(fā)展趨勢(shì)。能源管理系統(tǒng)打破了原有的信息孤島模式，構(gòu)建了綜合管控系統(tǒng)，它是智慧園區(qū)的典型應(yīng)用實(shí)踐之一。本文結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，對(duì)面向園區(qū)的能源管理系統(tǒng)進(jìn)行了分析，可為智慧園區(qū)的發(fā)展提供一些參考[1]。

2 數(shù)字孿生應(yīng)用技術(shù)

數(shù)字孿生又稱為數(shù)字雙胞胎，是實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體向虛擬物體的一種全息映射，通過信息鏈接，還原物理實(shí)體數(shù)據(jù)參加和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，從而輔助完成各種分析研究。

數(shù)字孿生應(yīng)用技術(shù)是融合了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)仿真等多個(gè)學(xué)科，傳感、通信、仿真、控制等多領(lǐng)域技術(shù)成果的系統(tǒng)性工程。仿真技術(shù)是數(shù)字孿生應(yīng)用技術(shù)的核心功能。即將現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)關(guān)聯(lián)，將實(shí)體物理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、動(dòng)作、狀態(tài)等進(jìn)行擬實(shí)。具有以下幾個(gè)特征：①鏡像映射能力。對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)精準(zhǔn)呈現(xiàn)，以及對(duì)行為特征進(jìn)行復(fù)刻，將為管理系統(tǒng)的規(guī)劃、調(diào)度等方面提供輔助支撐。②全域呈現(xiàn)能力。在時(shí)間域方面，數(shù)字孿生應(yīng)用技術(shù)能夠?qū)τ谀茉垂芾硐到y(tǒng)的運(yùn)維、運(yùn)行等情況下的零碎的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行信息融合；在空間域上，數(shù)字孿生應(yīng)用技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)物理系統(tǒng)中難以觀察和預(yù)測(cè)的業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)進(jìn)行仿真推演，提供了更為全面的觀察視角。③動(dòng)態(tài)仿真能力。數(shù)字孿生應(yīng)用技術(shù)處理實(shí)現(xiàn)同步的虛實(shí)映射，還具有動(dòng)態(tài)演變、動(dòng)態(tài)演化仿真能力。④虛實(shí)聯(lián)動(dòng)能力。數(shù)字孿生應(yīng)用技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)物理系統(tǒng)的控制，實(shí)現(xiàn)感知—決策—控制閉環(huán)交互[2]。

以上是對(duì)數(shù)字孿生應(yīng)用技術(shù)的總體性描述，該技術(shù)將對(duì)智慧園區(qū)的能源管理系統(tǒng)賦予更多新的活力，后文將基于該技術(shù)特征分析，構(gòu)建虛擬數(shù)字環(huán)境，實(shí)現(xiàn)能源管理系統(tǒng)多應(yīng)用的無縫切換。

3 基于數(shù)字孿生的智慧園區(qū)能源管理系統(tǒng)應(yīng)用探討

3.1 需求與難點(diǎn)

智慧園區(qū)能源管理系統(tǒng)覆蓋了園區(qū)生產(chǎn)到綜合辦公的多種業(yè)務(wù)應(yīng)用，具有復(fù)雜的物理特征，例如在電、氣、水等多個(gè)不同能源數(shù)據(jù)采集過程中，會(huì)存在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、誤差精度、時(shí)間尺度等方面的差異，在多源數(shù)據(jù)信息融合等方面加大了難度。需要做到以下幾點(diǎn)：①能源管理系統(tǒng)數(shù)字孿生模型保真度與模型構(gòu)建復(fù)雜度之間需要找到適中的平衡點(diǎn)。模型越精準(zhǔn)，對(duì)建模的結(jié)構(gòu)及計(jì)算量來說，是個(gè)混雜的工作量。同時(shí)各模型接口的集成難度也相應(yīng)增加。這就要求數(shù)字孿生應(yīng)用技術(shù)對(duì)研究對(duì)象和場(chǎng)景進(jìn)入前期深入調(diào)研，通過模型等值等技術(shù)手段，構(gòu)建多顆粒度模型等，以便實(shí)現(xiàn)有限計(jì)算資源的有效求解。②構(gòu)建真實(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字孿生自學(xué)習(xí)機(jī)制。由于能源管理系統(tǒng)中的真實(shí)數(shù)據(jù)是動(dòng)態(tài)變化的，造成多源異構(gòu)數(shù)據(jù)計(jì)算復(fù)雜度高，高維求解難度大。在數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用之前，要完成歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練，盡量明確要映射的確計(jì)和運(yùn)行數(shù)據(jù)。③能源管理系統(tǒng)還存在著一些無法直接獲取的數(shù)據(jù)，數(shù)字孿生應(yīng)用技術(shù)需要通過構(gòu)建模型機(jī)理等方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取，明確邊界條件，以實(shí)現(xiàn)虛實(shí)數(shù)據(jù)的一致性[3-4]。

3.2 基于數(shù)字孿生的智慧園區(qū)能源管理系統(tǒng)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字孿生技術(shù)在智慧園區(qū)能源管理應(yīng)用方面有如下幾個(gè)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)：①建模。面向能源管理系統(tǒng)耦合建模。從機(jī)理模型出發(fā)，構(gòu)建多顆粒度復(fù)雜融合模型架構(gòu)及動(dòng)態(tài)模型框架；然后再收集業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，基于事件驅(qū)動(dòng)來構(gòu)建數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)與物理數(shù)據(jù)交互。②特征提取。首先對(duì)能源管理各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，明確有用價(jià)值，降低數(shù)據(jù)復(fù)雜度，另通過機(jī)器學(xué)習(xí)等方法，對(duì)機(jī)理模型進(jìn)行優(yōu)化，降低計(jì)算量。③異構(gòu)模型集成。針對(duì)能源管理系統(tǒng)復(fù)雜異構(gòu)系統(tǒng)，構(gòu)建自適應(yīng)數(shù)學(xué)算法架構(gòu)，盡可能實(shí)現(xiàn)不同模型的數(shù)學(xué)求解。④自學(xué)習(xí)。利用數(shù)字孿生的虛實(shí)映射，為能力管理系統(tǒng)提供輔助決策支撐，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)和自完善。

數(shù)字孿生技術(shù)在智慧園區(qū)能源管理應(yīng)用方面，還需實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析，便于更好地實(shí)現(xiàn)能源智能化管理。以生產(chǎn)制造型智慧園區(qū)應(yīng)用為例，要構(gòu)建全生命周期的數(shù)字孿生場(chǎng)景，從而幫助園區(qū)企業(yè)在實(shí)際投入生產(chǎn)之前即能在虛擬環(huán)境中優(yōu)化、仿真和測(cè)試，而在生產(chǎn)過程中也可根據(jù)能源使用情況及生產(chǎn)效率情況同步優(yōu)化整個(gè)企業(yè)流程。

具體來說，首先，構(gòu)建工廠仿真平臺(tái)，構(gòu)建未來的數(shù)字化產(chǎn)線的虛擬模型，結(jié)合混線生產(chǎn)訂單、產(chǎn)品工藝、物流的轉(zhuǎn)運(yùn)策略、輪班安排、生產(chǎn)線布局、人員安排等，通過仿真對(duì)產(chǎn)線性能進(jìn)行分析和優(yōu)化，包括物流瓶頸、產(chǎn)能和訂單等。實(shí)現(xiàn)對(duì)未來工廠生產(chǎn)線的性能分析及日常排產(chǎn)優(yōu)化，通過工廠仿真對(duì)未來的數(shù)字化車間生產(chǎn)線進(jìn)行仿真，在生產(chǎn)線設(shè)計(jì)階段了解生產(chǎn)線的產(chǎn)能、瓶頸、設(shè)備利用率、人員配備、存放區(qū)大小，并根據(jù)發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行優(yōu)化，最終得到較優(yōu)的生產(chǎn)線設(shè)計(jì)方案；在日常的生產(chǎn)過程中，根據(jù)MES排產(chǎn)結(jié)果在虛擬的生產(chǎn)線中進(jìn)行模擬生產(chǎn)，了解產(chǎn)品的交付情況并優(yōu)化排產(chǎn)結(jié)果以滿足及時(shí)交付要求。其次，構(gòu)建機(jī)器人仿真環(huán)境，構(gòu)建未來的數(shù)字化產(chǎn)線工位的三維模型，包括加工中心、上下料機(jī)器人、工裝夾具等，模擬和優(yōu)化機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑并最終生成機(jī)器人的控制程序。在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃并實(shí)現(xiàn)離線編程，未來的數(shù)字化車間生產(chǎn)線將實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的物流配送及機(jī)器人上下料，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)示教將占用大量的生產(chǎn)時(shí)間并產(chǎn)生安全隱患，建立生產(chǎn)線的雙胞胎，即可虛擬的環(huán)境中規(guī)劃?rùn)C(jī)器人無干涉的運(yùn)動(dòng)路徑，模擬機(jī)器人的物料轉(zhuǎn)運(yùn)過程并優(yōu)化運(yùn)動(dòng)路徑，最終生成可用于控制真實(shí)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的控制程序。最后，通過與MES系統(tǒng)、MDC等系統(tǒng)集成，構(gòu)建未來的數(shù)字化產(chǎn)線的三維模型，并動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)展示各設(shè)備的狀態(tài)、設(shè)備的保養(yǎng)信息、設(shè)備的加工信息等內(nèi)容。實(shí)時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)、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(jié)合用能情況查看生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)，并在機(jī)器人仿真的基礎(chǔ)上，以實(shí)際的PLC控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)虛擬環(huán)境中的生產(chǎn)線，驗(yàn)證控制程序邏輯及信號(hào)的正確性，縮短現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行生產(chǎn)線調(diào)試的時(shí)間。進(jìn)而對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督查看及適應(yīng)性調(diào)整，實(shí)現(xiàn)節(jié)能化生產(chǎn)及柔性生產(chǎn)。數(shù)字孿生應(yīng)用技術(shù)功能如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生應(yīng)用技術(shù)功能示意圖

3.3 應(yīng)用探討

能源管理系統(tǒng)頂層規(guī)劃，通過數(shù)字孿生應(yīng)用技術(shù)可以在全息鏡像的展示環(huán)境下，重新規(guī)劃管線布局、能源類型等匹配關(guān)系，同時(shí)也可以與增材制造相融合，這將縮短升級(jí)改造的建設(shè)周期能源管理系統(tǒng)遠(yuǎn)程診斷與運(yùn)維，各能源設(shè)備的數(shù)據(jù)信息可在數(shù)字孿生系統(tǒng)中呈現(xiàn)，包括設(shè)備故障類型數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等，可基于此來更直觀地進(jìn)行運(yùn)行和維護(hù)，為遠(yuǎn)程診斷和運(yùn)維提供支撐。

能源管理系統(tǒng)多業(yè)務(wù)協(xié)同，智慧園區(qū)未來的發(fā)展將更新智能化和數(shù)字化，能源管理系統(tǒng)作為重要組成部分，將會(huì)為實(shí)現(xiàn)與其他管理業(yè)務(wù)系統(tǒng)協(xié)同發(fā)揮重要作用。

4 總結(jié)

綜上所述，數(shù)字孿生技術(shù)作為園區(qū)智能化的重要手段，將能源管理系統(tǒng)在園區(qū)其他領(lǐng)域的協(xié)同合作運(yùn)行提供了基礎(chǔ)，通過分析發(fā)現(xiàn)，數(shù)字孿生應(yīng)用技術(shù)對(duì)能源管理系統(tǒng)的頂層規(guī)劃、運(yùn)維、業(yè)務(wù)協(xié)同等多方面都具有應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)也可推廣應(yīng)用至其他應(yīng)用領(lǐng)域。