孫 雷 戚緒安 劉云飛 曹 盛 張 洋 薛 巖

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0 引 言

建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)技術(shù)，實(shí)質(zhì)是數(shù)字孿生技術(shù)在基礎(chǔ)建設(shè)階段的應(yīng)用，是“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”[1]的重要組成部分。變電站的BIM施工管理平臺(tái)作為其重要組成部分，必須滿足變電站全壽命數(shù)字孿生模型的要求[2]。在建設(shè)變電站BIM施工管理平臺(tái)時(shí)，需要先行構(gòu)建變電站全壽命周期的數(shù)字孿生模型框架。

數(shù)字孿生技術(shù)最早由美國(guó)密歇根大學(xué)的Grieves等[3]于2003年提出，其最初定義為三維模型。由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，隨著科技的發(fā)展，應(yīng)用從最初的軍工及航空航天領(lǐng)域迅速向其他各行各業(yè)擴(kuò)展[4-16]。陶飛等[4]提出了數(shù)字孿生的五維模型，但是在實(shí)際工作中，五維結(jié)構(gòu)模型理論仍過于抽象，距離實(shí)際應(yīng)用尚缺乏物理化結(jié)構(gòu)模型環(huán)節(jié)。

在江蘇無錫綺北220 kV變電站BIM施工管理平臺(tái)的建設(shè)中，研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過分析五維模型中各元素在具體模型中的表現(xiàn)形式，特別是孿生數(shù)據(jù)的矛盾屬性和分布、虛擬實(shí)體的工作應(yīng)用、信息連接等情況，開創(chuàng)性地提出了“孿生數(shù)據(jù)分散式布置”的理念和“多重虛擬實(shí)體”的概念，歸納出具有普適性的數(shù)字孿生系統(tǒng)的分布式物理化結(jié)構(gòu)模型，完成理論模型向物理化模型的轉(zhuǎn)化，構(gòu)建面向變電站全壽命周期的數(shù)字孿生模型框架，并在此框架下完成BIM施工管理平臺(tái)。

1 相關(guān)概念

1.1 數(shù)字孿生的五維模型理論

數(shù)字孿生的“五維模型”理論，總結(jié)歸納出數(shù)字孿生模型的五要素，即物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、服務(wù)、孿生數(shù)據(jù)和連接[4](如圖1所示)。

圖1 數(shù)字孿生五維概念模型[4]

在構(gòu)建數(shù)字孿生系統(tǒng)的物理化結(jié)構(gòu)模型時(shí)，將物理實(shí)體、虛擬實(shí)體和服務(wù)歸為物理結(jié)構(gòu)。作為數(shù)字孿生工作基礎(chǔ)的孿生數(shù)據(jù)，由“服務(wù)”驅(qū)動(dòng)，通過“連接”在物理結(jié)構(gòu)之間流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

1.2 五要素在數(shù)字孿生物理化結(jié)構(gòu)中的表現(xiàn)形式

為了構(gòu)建數(shù)字孿生模型的物理化結(jié)構(gòu)模型，對(duì)“五維模型”中的五要素進(jìn)行衍生分析，進(jìn)一步發(fā)掘其本質(zhì)。

“五維模型”中的物理實(shí)體并不等同于現(xiàn)實(shí)存在的實(shí)體，而是人類希望通過數(shù)字孿生模型的活動(dòng)而改造的對(duì)象，是人們預(yù)期的實(shí)體，其具體表現(xiàn)形式由“實(shí)體”和“愿景”兩部分組成。在數(shù)字孿生模型的活動(dòng)中，物理實(shí)體除了產(chǎn)生和輸出孿生數(shù)據(jù)以外，同時(shí)還接收來源于服務(wù)平臺(tái)的、處于動(dòng)態(tài)變化的孿生數(shù)據(jù)，并根據(jù)其相關(guān)指令實(shí)時(shí)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)愿景向?qū)嶓w的轉(zhuǎn)變。

在分析服務(wù)要素在物理化結(jié)構(gòu)中的表現(xiàn)形式前，需先給予其一個(gè)廣義的定義，服務(wù)要素是指為滿足用戶單一或多重需求而提供的各類支撐[17]，即在數(shù)字孿生模型系統(tǒng)運(yùn)行中為達(dá)到預(yù)期目的而發(fā)生的一切人為活動(dòng)，包括采用計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。服務(wù)的本質(zhì)是人為活動(dòng)在數(shù)字孿生模型系統(tǒng)運(yùn)行中的干涉插入點(diǎn)，是人與系統(tǒng)的唯一接口。同時(shí)，服務(wù)平臺(tái)定義了服務(wù)的規(guī)則。

虛擬實(shí)體和物理實(shí)體互為映射關(guān)系。無論對(duì)虛擬實(shí)體還是物理實(shí)體的操作都離不開人的驅(qū)動(dòng)，即物理實(shí)體與虛擬實(shí)體的運(yùn)行都必須依托于服務(wù)平臺(tái)。在數(shù)字孿生的物理化結(jié)構(gòu)中，服務(wù)元素和物理實(shí)體、虛擬實(shí)體按照規(guī)則以工作界面集合體的方式出現(xiàn)。

在實(shí)際的數(shù)字孿生系統(tǒng)中，孿生數(shù)據(jù)依附于物理實(shí)體、虛擬實(shí)體或服務(wù)平臺(tái)而存在，基于其本身的矛盾屬性，體現(xiàn)出分散性的布置，并且需要在各自實(shí)體模型間實(shí)現(xiàn)流通。

在物理化模型中，“連接”在物理結(jié)構(gòu)間形成信息通道，其重點(diǎn)在于：連接的兩端是什么，構(gòu)成的通道是單向的還是雙向的。通過連接，孿生數(shù)據(jù)進(jìn)行流通，數(shù)字孿生模型才能完成各個(gè)工作界面的各項(xiàng)任務(wù)。

圖2為從五維模型理論中抽象而來的變電站數(shù)字孿生模型。該理論模型雖然在一定程度上可以較為直觀地反映變電站項(xiàng)目的管控流程，但仍然無法直接指導(dǎo)變電站數(shù)字孿生模型的構(gòu)建。實(shí)際工程在其全壽命周期的各階段，不同主體對(duì)模型的需求也不盡相同，所涉及的范圍更廣，細(xì)節(jié)也更多樣化。為解決不同利益主體間存在的現(xiàn)實(shí)矛盾與沖突，將五維模型理論深化，將其所構(gòu)建的模型細(xì)化、拆分，增加分散式布置與多重虛擬實(shí)體的概念，使其更加適用于變電站項(xiàng)目。

圖2 由五維模型理論得出的數(shù)字孿生變電站的物理化結(jié)構(gòu)

1.3 孿生數(shù)據(jù)的矛盾屬性及其分散式布置

在數(shù)字孿生五維結(jié)構(gòu)中，孿生數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生運(yùn)行的核心驅(qū)動(dòng)，其定義是“包括物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、服務(wù)系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)、領(lǐng)域知識(shí)及其融合數(shù)據(jù)，并隨著實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生被不斷更新和優(yōu)化”[4]。孿生數(shù)據(jù)為物理實(shí)體數(shù)據(jù)、領(lǐng)域知識(shí)在虛擬實(shí)體和服務(wù)系統(tǒng)上的映射及其仿真運(yùn)算結(jié)果。作為映射結(jié)果，孿生數(shù)據(jù)存在以下矛盾屬性：

(1) 絕對(duì)的不完整性和相對(duì)的完整性。一方面，對(duì)任何物體的描述不可能是全方位無遺漏的，另一方面，對(duì)于任何人而言，也只能了解事物的一部分內(nèi)容。同樣，由人構(gòu)建而成的孿生數(shù)據(jù)也不可能完整地描述物理實(shí)體。對(duì)于某個(gè)物理實(shí)體數(shù)字孿生模型，從事不同工作內(nèi)容的不同群體只對(duì)自身工作方向的數(shù)據(jù)感興趣，僅掌握自身工作范圍的數(shù)據(jù)。當(dāng)這些群體構(gòu)建物理實(shí)體的孿生數(shù)字模型時(shí)，他們構(gòu)建的孿生數(shù)據(jù)只著眼于自己相關(guān)的那部分?jǐn)?shù)據(jù)，由此，孿生數(shù)據(jù)在絕對(duì)上是不完整的。但對(duì)于某個(gè)工作界面，其具備所有該項(xiàng)工作需要的數(shù)據(jù)，又是相對(duì)完整的。所以當(dāng)某一界面的服務(wù)系統(tǒng)需要利用孿生數(shù)據(jù)時(shí)，也只需要搜集與其相關(guān)的數(shù)據(jù)。服務(wù)系統(tǒng)不需要所有的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)也不需要被送往所有的服務(wù)系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)的選擇性接收與傳送。

(2) 絕對(duì)的不同步性和相對(duì)的同步性。數(shù)據(jù)在物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、服務(wù)系統(tǒng)之間傳輸，受各種條件制約與限制，必然存在傳輸時(shí)間差，同時(shí)，數(shù)字孿生模型的數(shù)據(jù)仿真運(yùn)算處理也會(huì)產(chǎn)生運(yùn)算時(shí)間差。根據(jù)服務(wù)平臺(tái)的處理速度以及連接環(huán)節(jié)傳輸手段的不同，這種時(shí)間差可以是從可忽略不計(jì)的光速到人工傳輸?shù)臄?shù)天甚至更久。由于包括物理實(shí)體在內(nèi)的整個(gè)數(shù)字孿生系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)，不但孿生數(shù)據(jù)和物理實(shí)體數(shù)據(jù)之間存在不同步，同一孿生數(shù)字模型上的孿生數(shù)據(jù)所反映的也不一定是同一物理實(shí)體在同一時(shí)間發(fā)生的數(shù)據(jù)。孿生數(shù)據(jù)的不同步性，并不意味著數(shù)字孿生模型不能模擬物理實(shí)體。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，根據(jù)數(shù)字孿生模型的應(yīng)用目的，設(shè)定一個(gè)允許時(shí)間范圍，只要在此時(shí)間范圍內(nèi)完成數(shù)據(jù)處理，即可認(rèn)為孿生數(shù)據(jù)在該工作界面上同步。當(dāng)服務(wù)系統(tǒng)需要利用孿生數(shù)據(jù)完成某項(xiàng)工作時(shí)，只需要將數(shù)據(jù)的同步性控制在設(shè)定時(shí)間內(nèi)，就可以達(dá)到工作要求。當(dāng)人工智能技術(shù)水平受到限制時(shí)，只要設(shè)定時(shí)間長(zhǎng)度允許時(shí)，在數(shù)據(jù)流通和處理的某些步驟可人為干預(yù)來彌補(bǔ)替代，以保證整個(gè)孿生數(shù)據(jù)系統(tǒng)按時(shí)完成工作任務(wù)。

(3) 孿生數(shù)據(jù)在結(jié)構(gòu)布置上的分散性和工作時(shí)的整體性。從數(shù)字孿生概念提出的初衷來看，人們希望在同一數(shù)字孿生模型上匯集所有的孿生數(shù)據(jù)，并在更多的層面運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)，但孿生數(shù)據(jù)的絕對(duì)不完整性和相對(duì)完整性，決定了孿生數(shù)據(jù)在數(shù)字孿生模型中必然是分散式分布的。當(dāng)有多層面的需求加入時(shí)，就會(huì)引入不同工作界面知識(shí)領(lǐng)域的專業(yè)人員，也就需要在數(shù)字孿生模型中引入多種規(guī)則。大部分規(guī)則是依附于服務(wù)系統(tǒng)存在的，同時(shí)，使用該服務(wù)系統(tǒng)的專業(yè)人員不了解也不必了解其他界面領(lǐng)域的數(shù)據(jù)，因此，就形成了多服務(wù)系統(tǒng)終端的結(jié)構(gòu)，而每個(gè)服務(wù)系統(tǒng)僅需接收本服務(wù)界面所需的數(shù)據(jù)，這樣，孿生數(shù)據(jù)在服務(wù)系統(tǒng)自然形成分散式布置。孿生數(shù)據(jù)的分散布置體現(xiàn)于數(shù)據(jù)在服務(wù)系統(tǒng)與虛擬實(shí)體之間的分散，也體現(xiàn)于數(shù)據(jù)在不同工作界面服務(wù)系統(tǒng)之間的分散。在同一數(shù)字孿生模型中的孿生數(shù)據(jù)映射于同一物理實(shí)體，這些數(shù)據(jù)之間存在先天性的有機(jī)聯(lián)系，在數(shù)字模擬系統(tǒng)中也需要在分散布置的孿生數(shù)據(jù)間建立連接，保證孿生數(shù)據(jù)在系統(tǒng)工作中可以整體投入工作，而不是以一個(gè)個(gè)孤立的封閉數(shù)據(jù)庫形式存在。

1.4 多重虛擬實(shí)體的概念

在孿生數(shù)字模型的實(shí)際運(yùn)用中，利用建模工具建立的虛擬實(shí)體并不能直接被服務(wù)系統(tǒng)所利用。為了說明和分析這一問題，先做如下定義：將利用建模工具，按一定規(guī)則組織的[18]，帶有直接從物理實(shí)體映射數(shù)據(jù)的虛擬實(shí)體定義為原生虛擬實(shí)體。

建模平臺(tái)按建模規(guī)則建立原生虛擬實(shí)體，工作平臺(tái)除了需要按工作規(guī)則從虛擬實(shí)體中提取數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和操作外，還需要向虛擬實(shí)體輸入工作服務(wù)平臺(tái)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，由于工作服務(wù)平臺(tái)和建模服務(wù)平臺(tái)具有較強(qiáng)的專業(yè)性，需由不同的開發(fā)商完成，其規(guī)則不盡相同。因此，工作服務(wù)系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)與原生虛擬實(shí)體之間的直接連接，而是需要形成適應(yīng)自身規(guī)則的虛擬實(shí)體。通常，該虛擬實(shí)體需要的數(shù)據(jù)從原生虛擬實(shí)體映射取得，本文將其定義為“次生虛擬實(shí)體”(或“工作虛擬實(shí)體”)。次生虛擬實(shí)體與相應(yīng)服務(wù)系統(tǒng)緊密綁定，由此，構(gòu)成多重虛擬實(shí)體的概念。

多重虛擬實(shí)體的模型解決了一系列應(yīng)用中的實(shí)際問題。原生虛擬實(shí)體中含有大量建模規(guī)則等數(shù)據(jù)，通過映射形成次生虛擬實(shí)體，過濾掉了大量不需要的信息，可減輕工作服務(wù)系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)荷。同樣，有些僅服務(wù)系統(tǒng)需要的信息，可直接輸入到次生虛擬實(shí)體，避免了原生虛擬實(shí)體的體量過于龐大，降低了原生虛擬實(shí)體建模與傳遞的難度。由于在映射過程中過濾掉了建模規(guī)則信息，工作服務(wù)平臺(tái)可以較容易地滿足多種不同建模軟件建立的原生虛擬實(shí)體，避免建模軟件壟斷。

但是，在多服務(wù)系統(tǒng)孿生數(shù)字系統(tǒng)內(nèi)，原生虛擬實(shí)體同時(shí)與多個(gè)次生虛擬實(shí)體對(duì)接。這種情況下，服務(wù)系統(tǒng)軟件開發(fā)者較容易開發(fā)接收原生虛擬實(shí)體數(shù)據(jù)的功能，而原生虛擬實(shí)體的建模軟件開發(fā)者則難以開發(fā)出同時(shí)適應(yīng)數(shù)目眾多、規(guī)則各不相同的次生虛擬實(shí)體的數(shù)據(jù)接收功能。此種情況就造成了原生虛擬實(shí)體和次生虛擬實(shí)體之間數(shù)據(jù)僅能單向直接流通；原生虛擬實(shí)體和次生虛擬實(shí)體之間的孿生數(shù)據(jù)不同步情況較為嚴(yán)重，服務(wù)至原生虛擬實(shí)體的數(shù)據(jù)流閉環(huán)困難。目前很多數(shù)字孿生應(yīng)用案例中，都摒棄了數(shù)據(jù)向原生虛擬模型反饋的環(huán)節(jié)，造成數(shù)字孿生未能在全壽命周期內(nèi)有效運(yùn)用。

2 模型架構(gòu)及應(yīng)用

2.1 數(shù)字孿生模型的分布式物理化結(jié)構(gòu)模型

在數(shù)字孿生系統(tǒng)中，將物理實(shí)體、虛擬實(shí)體及服務(wù)平臺(tái)定義為物理結(jié)構(gòu)，基于以上對(duì)孿生數(shù)據(jù)的分散式布置及多重虛實(shí)體工作模式的論證，可建立分布式數(shù)字孿生模型物理化結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 分布式數(shù)字孿生模型物理化結(jié)構(gòu)

模型中，原生虛擬實(shí)體是最重要的孿生數(shù)據(jù)中心，但是其不必集中整個(gè)模型中所有的數(shù)據(jù)。孿生數(shù)據(jù)以不同步狀態(tài)分散布置于各原生虛擬實(shí)體、次生虛擬實(shí)體及服務(wù)系統(tǒng)中。孿生數(shù)據(jù)通過服務(wù)實(shí)現(xiàn)連接和傳輸，在每個(gè)服務(wù)界面實(shí)現(xiàn)相對(duì)的完整和同步。

服務(wù)不但是孿生數(shù)據(jù)模型工作的目的，也起著驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)聯(lián)通的作用，所有的連接都至少有一端起始或終止于服務(wù)系統(tǒng)。服務(wù)是整個(gè)數(shù)字孿生模型運(yùn)行的動(dòng)力中心。

盡管在五維概念模型中，連接似乎無處不在、無所不能，但在實(shí)際的物理結(jié)構(gòu)中，存在部分連接不能直接實(shí)現(xiàn)的情況。原則上，物理實(shí)體、虛擬實(shí)體和服務(wù)，這些物理結(jié)構(gòu)間采取兩兩連接的模式，不存在三者及以上直接共聯(lián)的模式。任意兩個(gè)物理結(jié)構(gòu)之間，連接必須經(jīng)過服務(wù)的驅(qū)動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)。根據(jù)數(shù)字孿生的分布式物理化結(jié)構(gòu)，得出以下結(jié)論：

(1) 孿生數(shù)據(jù)分散布置在物理實(shí)體、虛擬實(shí)體和服務(wù)系統(tǒng)中。

(2) 數(shù)字孿生系統(tǒng)內(nèi)存在多個(gè)虛擬實(shí)體，其中原生虛擬實(shí)體處于核心地位。

(3) 物理實(shí)體和虛擬實(shí)體都必須與服務(wù)系統(tǒng)結(jié)合存在。

(4) 次生虛擬實(shí)體數(shù)據(jù)完成向原生虛擬實(shí)體數(shù)據(jù)的反饋是數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于全壽命周期的必要條件。

2.2 變電站分布式數(shù)字孿生物理化結(jié)構(gòu)模型

變電站的數(shù)字孿生分布式物理化結(jié)構(gòu)模型是針對(duì)特定需求與面向虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)的平臺(tái)，是特定與適用領(lǐng)域較廣的模型的綜合產(chǎn)物[16-17,19]。根據(jù)數(shù)字孿生模型的分布式物理化結(jié)構(gòu)模型，建立綺北220 kV變電站的數(shù)字孿生模型構(gòu)架，如圖4所示。

圖4 綺北220 kV變電站的數(shù)字孿生模型構(gòu)架

整個(gè)全壽命周期的變電站數(shù)字孿生模型由物理實(shí)體(變電站)、建模工作界面、施工管理工作界面、運(yùn)維工作界面等組成。

在變電站建設(shè)階段，模型中的“物理實(shí)體”為變電站的待建愿景部分和已建部分的聯(lián)合體；“原生虛擬實(shí)體”為變電站的數(shù)字化三維設(shè)計(jì)模型；“次生虛擬實(shí)體”為BIM施工過程管理平臺(tái)中的輕量化模型；“服務(wù)平臺(tái)”為設(shè)計(jì)三維平臺(tái)及BIM施工過程管理平臺(tái)。其中，施工過程管理平臺(tái)根據(jù)人員的角色，還可細(xì)分為項(xiàng)目管理終端、監(jiān)理終端、設(shè)計(jì)終端、施工終端等。

設(shè)計(jì)愿景經(jīng)設(shè)計(jì)服務(wù)平臺(tái)形成原生虛擬實(shí)體，即變電站的數(shù)字化三維設(shè)計(jì)模型。經(jīng)BIM施工管理服務(wù)平臺(tái)的輕量化服務(wù)子終端映射轉(zhuǎn)化為次生虛擬實(shí)體，即變電站的輕量化三維模型，輕量化模型保存了變電站施工所需信息。BIM施工管理服務(wù)平臺(tái)中的設(shè)計(jì)、項(xiàng)目管理、施工、監(jiān)理等服務(wù)子終端模塊，基于相同的工作規(guī)則，讀取利用次生虛擬實(shí)體輕量化模型上的數(shù)據(jù)；也可根據(jù)整個(gè)BIM施工管理服務(wù)平臺(tái)的要求，將數(shù)據(jù)輸入到輕量化模型中，供其他服務(wù)子模塊讀取和使用，從而逐步將物理實(shí)體中的愿景部分轉(zhuǎn)換為建成部分。當(dāng)全部物理實(shí)體都轉(zhuǎn)變?yōu)榻ǔ刹糠謺r(shí)，項(xiàng)目即建成竣工。當(dāng)需要對(duì)愿景進(jìn)行修改調(diào)整時(shí)，子終端將相關(guān)信息輸送到次生虛擬模型，設(shè)計(jì)服務(wù)子終端讀取相關(guān)信息，反饋至設(shè)計(jì)人員，再通過設(shè)計(jì)工作界面修改原生虛擬實(shí)體，并完成“原生虛擬實(shí)體——次生虛擬實(shí)體——項(xiàng)目管理服務(wù)終端”的循環(huán)。由此，實(shí)現(xiàn)了BIM施工管理界面孿生數(shù)據(jù)的完整性和同步性，滿足變電站建設(shè)要求，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了三維設(shè)計(jì)模型與變電站實(shí)物數(shù)據(jù)的同步性，當(dāng)項(xiàng)目竣工后，原生虛擬實(shí)體可繼續(xù)供運(yùn)維平臺(tái)使用。

同樣，根據(jù)數(shù)字孿生模型的分布式物理化結(jié)構(gòu)模型，變電站的運(yùn)行和維護(hù)等平臺(tái)，在利用數(shù)字化三維設(shè)計(jì)模型時(shí)，也應(yīng)考慮到當(dāng)需要對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行改動(dòng)時(shí)，需將必要的孿生數(shù)據(jù)由服務(wù)平臺(tái)反饋到原生虛擬實(shí)體模型，保證原生虛擬實(shí)體和物理實(shí)體的同步性，支持孿生數(shù)字系統(tǒng)服務(wù)于變電站的全壽命周期。

2.3 變電站分布式數(shù)字孿生物理化結(jié)構(gòu)模型的實(shí)踐應(yīng)用情況

江蘇無錫綺北220 kV變電站項(xiàng)目在數(shù)字孿生分布式物理化結(jié)構(gòu)模型理論指導(dǎo)下構(gòu)建BIM項(xiàng)目管理平臺(tái)。平臺(tái)作為一個(gè)頂層應(yīng)用，采用數(shù)據(jù)與頁面分離的設(shè)計(jì)，整體部署在一套先進(jìn)的開發(fā)、運(yùn)維及質(zhì)量保證(Development & Operations，DevOps)系統(tǒng)內(nèi)。在DevOps的支撐下讓開發(fā)、運(yùn)維和QA高效協(xié)作完成整個(gè)工作。平臺(tái)使用集成開發(fā)環(huán)境(Integrated Development Environment,IDE)及分布式版本控制系統(tǒng)(GIT)等代碼開發(fā)管理工具開發(fā)，部署在一個(gè)由容器編排引擎Kubernetes管理著的分布式集群上，使用應(yīng)用容器引擎Docker等虛擬化技術(shù)部署應(yīng)用，保證穩(wěn)定高效運(yùn)行的同時(shí)，可以快速部署上線。

平臺(tái)使用模型輕量化引擎，單獨(dú)處理模型，將解析的數(shù)據(jù)和參數(shù)存放至數(shù)據(jù)庫中統(tǒng)一管理起來。平臺(tái)后端使用Java語言編寫，運(yùn)行穩(wěn)定。模型輕量化引擎使用JavaScript語言編寫，異步加載及緩存的機(jī)制能夠更好地展示模型，與平臺(tái)前端頁面保持一致，更好地兼容各種瀏覽器。平臺(tái)采用云存儲(chǔ)，保證多個(gè)備份，確保便捷、高效、安全。

平臺(tái)針對(duì)使用地區(qū)專門采用內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)(Content Delivery Network,CDN)的方式進(jìn)行優(yōu)化，讓用戶更加快速地訪問到平臺(tái)。同時(shí)在搜索引擎優(yōu)化(Search Engine Optimization,SEO)方面對(duì)頁面及站點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)外部人員的訪問加以管控，同時(shí)提升網(wǎng)站的影響力。在安全方面采用多重加密的方式對(duì)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，保證足夠的安全性。

江蘇無錫綺北220 kV變電站項(xiàng)目在數(shù)字孿生分布式物理化結(jié)構(gòu)模型理論指導(dǎo)下構(gòu)建BIM項(xiàng)目管理平臺(tái)。根據(jù)數(shù)字孿生的物理化結(jié)構(gòu)模型，綺北變電站項(xiàng)目的開發(fā)遵循以下原則：

(1) 否定了設(shè)計(jì)階段要將工程項(xiàng)目全壽命周期的所有信息建入模型的理想化理念，將應(yīng)用于單一階段的模型信息調(diào)整至相應(yīng)的階段，加強(qiáng)設(shè)計(jì)平臺(tái)的主要功能，突出設(shè)計(jì)人員工作重點(diǎn)。

(2) 設(shè)計(jì)平臺(tái)的建設(shè)重點(diǎn)集中在設(shè)計(jì)功能，在設(shè)計(jì)建模工作界面創(chuàng)建構(gòu)件(或設(shè)備)的屬性信息，而將諸如進(jìn)度模擬、部件歸類選擇、進(jìn)度工程量統(tǒng)計(jì)等非設(shè)計(jì)應(yīng)用功能剝離。

(3) 通過權(quán)限設(shè)置，將項(xiàng)目施工管理平臺(tái)服務(wù)功能終端細(xì)分為模型輕量化終端、項(xiàng)目管理終端、監(jiān)理終端、設(shè)計(jì)終端及施工終端等，以此來提高各方工作效率。

(4) 在精細(xì)化模型的構(gòu)建方面，改進(jìn)信息標(biāo)注模式，設(shè)計(jì)模型修改再經(jīng)輕量化更迭后，其原先位于施工管理平臺(tái)的信息可繼續(xù)有效地保留，確保模型修改可實(shí)時(shí)、連續(xù)地進(jìn)行，從而減少由于模型修改而可能造成的數(shù)據(jù)信息丟失的情況發(fā)生。

(5) 在施工管理工作階段，根據(jù)實(shí)際的施工需求，對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行深化，使該模型更符合施工管理流程與最終的物理實(shí)體。這一階段的模型深化，是將設(shè)計(jì)人員不掌握的施工信息，通過施工人員不斷深化來完善模型，以此來確保相關(guān)信息的正確性。

(6) 施工管理增加了施工階段信息收集工作。對(duì)于一些僅在施工階段需要，且可以直接錄入到施工管理平臺(tái)的信息，將其整理形成電子檔案，作為將來工程使用的備案。

(7) 運(yùn)維管理平臺(tái)應(yīng)從設(shè)計(jì)模型(原生虛擬實(shí)體)映射生成運(yùn)維模型(次生虛擬實(shí)體)，再通過此映射模型進(jìn)行數(shù)據(jù)信息輸入與輸出。

以主變壓器為例，其在全壽命周期所含信息分類如表1所示。

表1 不同階段提供的主變壓器相關(guān)信息

根據(jù)項(xiàng)目數(shù)字孿生系統(tǒng)中的分布式物理化結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)模型(原生虛擬實(shí)體)中僅需錄入外形尺寸、安裝尺寸、設(shè)備主要參數(shù)、項(xiàng)目信息等，而施工相關(guān)的進(jìn)度安排、實(shí)際進(jìn)度、安裝工藝、施工安全等級(jí)、安全評(píng)估、價(jià)格、物資跟蹤的信息在施工管理平臺(tái)錄入，故障記錄、運(yùn)行年限等信息在運(yùn)維平臺(tái)錄入。這樣可以有效地控制設(shè)計(jì)建模的工作量，并確保核心數(shù)據(jù)的順利流通，方便各階段獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)。

3 結(jié) 語

在數(shù)字孿生五維模型基礎(chǔ)上建立的數(shù)字化孿生分布式物理化結(jié)構(gòu)模型正視了現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展與人類愿景的差距，突出了服務(wù)驅(qū)動(dòng)的意義，給予數(shù)字孿生系統(tǒng)中各組成部分清晰的功能定位，填補(bǔ)了應(yīng)用指導(dǎo)理論的空白。

在建立數(shù)字孿生分布式物理化結(jié)構(gòu)模型過程中提出的元素分析、孿生數(shù)據(jù)的矛盾屬性、孿生數(shù)據(jù)的分散式分布、多重虛擬實(shí)體等概念，有助于深入理解和研究數(shù)字孿生技術(shù)。

數(shù)字孿生分布式物理化結(jié)構(gòu)模型提出以下主要觀點(diǎn)：孿生數(shù)據(jù)分散布置在物理實(shí)體、虛擬實(shí)體與服務(wù)系統(tǒng)中；數(shù)字孿生系統(tǒng)內(nèi)存在多個(gè)虛擬實(shí)體，其中原生虛擬實(shí)體處于核心地位；物理實(shí)體、虛擬實(shí)體和服務(wù)系統(tǒng)結(jié)合存在；次生虛擬實(shí)體數(shù)據(jù)完成向原生虛擬實(shí)體數(shù)據(jù)的反饋是數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于全壽命周期的必要條件。

在變電站建設(shè)管理的實(shí)踐中，采用數(shù)字孿生分布式物理化結(jié)構(gòu)模型指導(dǎo)構(gòu)建變電站BIM施工管理平臺(tái)，將其納入數(shù)字孿生變電站全壽命周期應(yīng)用的框架內(nèi)，滿足泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)要求。此外，還可通過對(duì)模型結(jié)構(gòu)的分析，總結(jié)其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和難點(diǎn)，并加以研究和優(yōu)化。

數(shù)字孿生分布式物理化結(jié)構(gòu)模型具有行業(yè)領(lǐng)域普適性，適用不同領(lǐng)域的多種對(duì)象，可為其他領(lǐng)域的數(shù)字孿生構(gòu)建和研究提供理論參考。