摘要：本文介紹一種基于空間結(jié)構(gòu)關(guān)系的電力設(shè)備三維數(shù)字孿生模型管理體系的設(shè)計(jì)，該管理體系為電力企業(yè)提供了全面性和整體性的管理方法。其核心在于對電力設(shè)備的空間結(jié)構(gòu)及設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，包括空間、設(shè)備、子系統(tǒng)以及它們之間的布局和相互關(guān)系。這種劃分有助于更好地管理三維數(shù)字孿生模型，為實(shí)體對象的定位、監(jiān)測、運(yùn)維仿真和預(yù)測分析等不同應(yīng)用場景提供數(shù)據(jù)支持。此外，管理體系還包括定期的數(shù)據(jù)維護(hù)和更新，以確保模型與實(shí)體對象狀態(tài)的一致性，提高實(shí)體對象管理的效率和可靠性。

關(guān)鍵詞：空間結(jié)構(gòu)；設(shè)備結(jié)構(gòu)；三維數(shù)字孿生模型

引言

電力行業(yè)正處于數(shù)字化轉(zhuǎn)型的前沿，電力企業(yè)需要更好地理解和管理其設(shè)備，以提高效率、降低運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)，并確保設(shè)備的可靠性和安全性，而數(shù)字孿生技術(shù)為電力設(shè)備管理帶來了前所未有的機(jī)遇[1]。本文介紹了一種基于空間結(jié)構(gòu)關(guān)系的電力設(shè)備三維數(shù)字孿生模型管理體系的設(shè)計(jì)，該管理體系為電力企業(yè)提供了全面性和整體性的電力設(shè)備管理方法[2]。

1. 基于空間結(jié)構(gòu)關(guān)系的電力設(shè)備三維數(shù)字孿生模型理論

1.1 電力設(shè)備三維數(shù)字孿生模型

電力設(shè)備三維數(shù)字孿生模型是一種高度精確的模型，旨在準(zhǔn)確反映現(xiàn)實(shí)世界中的電力設(shè)備和系統(tǒng)的物理特性、操作行為和性能。這些數(shù)字孿生模型是實(shí)際電力設(shè)備的虛擬實(shí)體，在電力行業(yè)的不同領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。電力設(shè)備的三維數(shù)字孿生模型在電力行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型中發(fā)揮著重要作用，提供了更好的決策支持、更高的效率和更可靠的電力設(shè)備管理。這些模型將不斷演進(jìn)，以滿足不斷變化的電力行業(yè)需求。

1.2 基于電力設(shè)備的空間結(jié)構(gòu)關(guān)系理論

空間結(jié)構(gòu)關(guān)系是指在物理三維空間中不同元素之間的相對位置和連接方式。在電力設(shè)備管理中，空間結(jié)構(gòu)關(guān)系包括建筑物、設(shè)備、子系統(tǒng)，以及它們之間的布局和相容關(guān)系。這些關(guān)系對于理解和管理電力設(shè)備、建筑o57pXbTgMZM5ACaWg/60Fw==物以及它們的運(yùn)行至關(guān)重要。以下是基于電力設(shè)備的空間結(jié)構(gòu)關(guān)系的一些主要概念。

（1）物理布局：物理三維空間中的建筑物、設(shè)備和其他元素的相對位置和布局，包括建筑物內(nèi)部的布局以及建筑物之間的相對位置。

（2）連接關(guān)系：不同元素之間的連接方式，包括物理連接以及功能上的連接，如傳感器與監(jiān)控設(shè)備之間的數(shù)據(jù)連接。

（3）功能關(guān)系：不同元素之間的功能關(guān)系，如電力設(shè)備的元素與電力系統(tǒng)中的任務(wù)和功能之間的關(guān)系。

（4）占用范圍：每個元素在三維空間中的位置和范圍，包括建筑物的占用范圍、設(shè)備的位置以及它們在空間中的相對大小。

（5）空間層次結(jié)構(gòu)：在三維空間中元素之間的層次結(jié)構(gòu)，即元素之間的從屬關(guān)系和互相關(guān)系。

2. 電力設(shè)備的三維數(shù)字孿生模型管理體系設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)劃分

2.1.1 三維空間劃分

此過程旨在將電力設(shè)備的三維空間劃分為多個離散的子空間，以便更好地理解和管理設(shè)備的布局和結(jié)構(gòu)[3]。劃分過程可表示為

其中，S代表電力設(shè)備的整個三維空間，是劃分后的子空間，每個子空間都代表一個特定的區(qū)域或建筑物。

2.1.2 主要建筑物的功能、關(guān)聯(lián)關(guān)系和占用范圍定義

在每個子空間內(nèi)，定義主要建筑物的功能、關(guān)聯(lián)關(guān)系和占用范圍，以確定它們在電力設(shè)備的三維數(shù)字孿生模型中的位置和作用。此過程可表示為：

（1）功能定義

其中，F(xiàn)i代表第i個建筑物的功能集合，fij代表具體的功能描述。

（2）關(guān)聯(lián)關(guān)系定義

其中，Ri代表第i個建筑物與其他建筑物的關(guān)聯(lián)關(guān)系集合，rij描述與第i個建筑物相關(guān)的其他建筑物。

（3）占用范圍定義

其中，Ai代表第i個建筑物的占用范圍，aij描述建筑物在三維空間中的位置和范圍。

2.1.3 結(jié)構(gòu)化分解

通過將每個子空間內(nèi)的主要建筑物的功能、關(guān)聯(lián)關(guān)系和占用范圍進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分解，形成清晰的層級框架，以表示建筑物之間的關(guān)系和層次[4]。此過程可表示為

其中，Hi代表第i個空間結(jié)構(gòu)或設(shè)備結(jié)構(gòu)的層次結(jié)構(gòu)，hij表示空間或設(shè)備?？臻g結(jié)構(gòu)劃分如圖1所示。

為更加細(xì)致地表示每個建筑物內(nèi)的設(shè)備層級結(jié)構(gòu)，本文引入了設(shè)備結(jié)構(gòu)（KKS）編寫。設(shè)備結(jié)構(gòu)（KKS）是一種用于唯一標(biāo)識和分類水力電站設(shè)備的編碼系統(tǒng)，通常由一系列字母和數(shù)字組成，反映了設(shè)備的層級關(guān)系和功能。本文以水輪發(fā)電機(jī)為研究對象，使用設(shè)備結(jié)構(gòu)（KKS）編寫。設(shè)備結(jié)構(gòu)劃分如圖2所示。

2.2 數(shù)據(jù)管理

2.2.1 建立數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

為支持電力設(shè)備的三維數(shù)字孿生模型建設(shè)和管理，建立一個數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，用D表示，其中，D包含了多個數(shù)據(jù)表，每個表存儲特定類型的信息[5]?？杀硎緸?/p>

其中，Ti表示第i個數(shù)據(jù)表，每個表包含多個字段和記錄。

2.2.2 存儲電力設(shè)備的三維數(shù)字孿生模型

電力設(shè)備的三維數(shù)字孿生模型用M表示，存儲在數(shù)據(jù)庫中的一個特定表中，可表示為

表示M模型存儲在數(shù)據(jù)表Ti中。

2.2.3 存儲與空間結(jié)構(gòu)相關(guān)的信息

與電力設(shè)備的空間結(jié)構(gòu)相關(guān)的信息用變量S表示，同樣存儲在數(shù)據(jù)存儲區(qū)中

表示S信息存儲在數(shù)據(jù)表Ti中。

2.2.4 數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性

為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性，數(shù)據(jù)驗(yàn)證過程必不可少。驗(yàn)證過程如下：

（1）對于模型M

（2）對于信息S

其中，V（M）表示模型M的驗(yàn)證結(jié)果，表示每個數(shù)據(jù)點(diǎn)的差值的絕對值，n表示數(shù)據(jù)點(diǎn)的總數(shù)，V（S）表示信息S的驗(yàn)證結(jié)果，表示每個數(shù)據(jù)點(diǎn)的差值的絕對值，n表示數(shù)據(jù)點(diǎn)的總數(shù)。

3. 電力設(shè)備三維數(shù)字孿生模型管理體系的應(yīng)用場景和維護(hù)更新

3.1 應(yīng)用場景

在電力設(shè)備的三維數(shù)字孿生模型管理體系設(shè)計(jì)中，不同的應(yīng)用場景具有不同的數(shù)據(jù)特點(diǎn)和應(yīng)用目標(biāo)。以下是關(guān)于各個應(yīng)用場景的詳細(xì)描述。

3.1.1 設(shè)備定位應(yīng)用場景

數(shù)據(jù)特點(diǎn)：主要涉及設(shè)備的位置和坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

應(yīng)用目標(biāo)：提高設(shè)備定位的準(zhǔn)確性。

效益公式

其中，B1oc表示設(shè)備定位應(yīng)用場景的效益，Bmon是設(shè)備的實(shí)際位置誤差，a是一個正常數(shù)，用于調(diào)整效益的曲線。

3.1.2 監(jiān)測應(yīng)用場景

數(shù)據(jù)特點(diǎn)：包括傳感器數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)等。

應(yīng)用目標(biāo)：提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性。

效益公式

其中，Bmon表示監(jiān)測應(yīng)用場景的效益，Emon是監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)際誤差，t是時(shí)間間隔，β是一個正常數(shù)，用于調(diào)整效益的曲線。

3.1.3 運(yùn)維仿真應(yīng)用場景

數(shù)據(jù)特點(diǎn)：包括模型參數(shù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)等。

應(yīng)用目標(biāo)：提高仿真數(shù)據(jù)的逼真度和準(zhǔn)確性。

效益公式

其中，Bsim表示運(yùn)維仿真應(yīng)用場景的效益，Esim是仿真數(shù)據(jù)的實(shí)際誤差，γ是一個正常數(shù)，用于調(diào)整效益的曲線。

3.2 維護(hù)和更新

管理體系會定期進(jìn)行模型的維護(hù)和更新，以反映實(shí)際設(shè)備的變化。定期審核和維護(hù)是確保三維數(shù)字孿生模型的準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵，保證了管理體系的持續(xù)有效性。

3.2.1 維護(hù)過程

Step1數(shù)據(jù)收集：在特定時(shí)間點(diǎn)t，收集新數(shù)據(jù)Dnew，其中，Dnew包括電力設(shè)備的位置、狀態(tài)、參數(shù)等信息。設(shè)表示第i個數(shù)據(jù)點(diǎn)，數(shù)據(jù)收集可表示為

Step2數(shù)據(jù)驗(yàn)證：使用驗(yàn)證函數(shù)V對新數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證

得到每個數(shù)據(jù)點(diǎn)的驗(yàn)證結(jié)果

驗(yàn)證函數(shù)V對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，返回一個二元值，其中1表示數(shù)據(jù)有效，0表示數(shù)據(jù)無效。

Step3數(shù)據(jù)篩選：根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果，篩選出有效的數(shù)據(jù)點(diǎn)，構(gòu)成有效數(shù)據(jù)集Dvalid。有效數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)點(diǎn)滿足。數(shù)據(jù)篩選可表示為

Step4模型更新：如果有效數(shù)據(jù)點(diǎn)與現(xiàn)有模型M不一致，使用更新函數(shù)U來更新模型，得到更新后的模型Mupdated。模型更新可表示為：

維護(hù)過程通過數(shù)據(jù)的采集、驗(yàn)證、篩選和模型的更新，確保三維數(shù)字孿生模型的持續(xù)準(zhǔn)確性和可靠性。

3.2.2 更新過程

Step1數(shù)據(jù)對齊：將經(jīng)過篩選的數(shù)據(jù)Dvalid與當(dāng)前模型M進(jìn)行對齊，以確保數(shù)據(jù)與模型的坐標(biāo)系和結(jié)構(gòu)一致。數(shù)據(jù)對齊可表示為

其中，表示對齊后的數(shù)據(jù)點(diǎn)，A為對齊函數(shù)。

Step2數(shù)據(jù)融合：將對齊后的數(shù)據(jù)與模型進(jìn)行融合，更新模型的狀態(tài)、參數(shù)等信息。

數(shù)據(jù)融合可表示為

其中，Mmerged表示融合后的模型，F(xiàn)為融合函數(shù)。

Step3模型優(yōu)化：對融合后的模型進(jìn)行優(yōu)化，以提高其準(zhǔn)確性和性能。

模型優(yōu)化可表示為

其中，Moptimized表示優(yōu)化后的模型，O為優(yōu)化函數(shù)。

Step4模型更新：更新優(yōu)化后的模型。模型更新可表示為

更新過程通過數(shù)據(jù)的對齊、融合和優(yōu)化，確保三維數(shù)字孿生模型與實(shí)際電力設(shè)備狀態(tài)的一致性，從而提高電力設(shè)備管理的效率和可靠性，同時(shí)為實(shí)際設(shè)備的變化提供及時(shí)的反映。

結(jié)語

本文提出的基于空間結(jié)構(gòu)關(guān)系的電力設(shè)備三維數(shù)字孿生模型管理體系設(shè)計(jì)為電力企業(yè)提供了全面性和整體性的管理框架，有助于提高電力設(shè)備管理的效率、可靠性和安全性。通過有效的應(yīng)用場景和定期的數(shù)據(jù)維護(hù)與更新，這一管理體系將推動電力行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，滿足未來的能源需求。

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作者簡介：王剛，本科，工程師，研究方向：信息化。