全球最具權(quán)威的IT研究與顧問咨詢公司Gartner曾預(yù)測，到2021年，全球50%的大型工業(yè)公司將使用數(shù)字雙胞胎(Digital Twin)，尤其是制造業(yè)和工程行業(yè)的公司，如果想要在競爭中保持領(lǐng)先地位，就需要考慮實施數(shù)字雙胞胎。
一.什么是數(shù)字雙胞胎呢?
數(shù)字雙胞胎(Digital Twin)也被翻譯成數(shù)字孿生，維基百科對其的解釋為“Digital twin refers to computerized companions of physical assets that can be used for various purposes.A digital twin uses data from sensors installed on physical objects to represent their near real-time status，working condition or position.”翻譯為“數(shù)字雙胞胎是指對物理資產(chǎn)(對象)的數(shù)字化映射并且可用于各種目的。數(shù)字雙胞胎使用安裝在物理對象上的傳感數(shù)據(jù)來表示它們的接近實時狀態(tài)、工作狀態(tài)或位置。”
二.數(shù)字雙胞胎對傳統(tǒng)企業(yè)有什么價值?
在這個數(shù)字化時代，對企業(yè)來說，在最基本的層面上，數(shù)字雙胞胎使組織能夠在他們所參與的環(huán)境或物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境中，對其系統(tǒng)的運行進(jìn)行可視化和洞察。從傳感器收集的數(shù)據(jù)，結(jié)合分析軟件工具，人工智能等技術(shù)使企業(yè)能夠在問題成為問題之前進(jìn)行反復(fù)試驗和解決。
數(shù)字雙胞胎有兩個重要模型，一是實體的物理模型，二是虛擬模型。虛擬模型是在計算機中，利用數(shù)學(xué)、統(tǒng)計、圖形、邏輯規(guī)則等不同方式進(jìn)行仿真得到的模型，并與物理模型之間通過通訊、感知，緊密地結(jié)合起來。因此，在Digital Twin里虛擬模型起到非常重要的作用。
數(shù)字胞胎的發(fā)展有四個層次，也體現(xiàn)了虛擬模型在Digital Twin中的作用。
第一層次是模型映射，即建立物理對象的虛擬映射;
第二層次是監(jiān)控與操作，即在虛擬模型中反映物理對象的變化;
第三層次是診斷，即發(fā)生異常時尋找根本原因;
第四層次是預(yù)測，即預(yù)測潛在風(fēng)險，合理規(guī)劃設(shè)備的維護(hù)以及生產(chǎn)計劃。
這四個層次應(yīng)用的背后體現(xiàn)的是仿真的精度與效率，數(shù)字雙胞胎層次越高，對其要求也就越高。
三.光伏電站的數(shù)字雙胞胎
對于光伏行業(yè)來說，光伏電站是利用太陽光能、結(jié)合晶硅板、逆變器等光伏設(shè)備組成，與電網(wǎng)相連并向電網(wǎng)輸送電力的光伏發(fā)電系統(tǒng)。也是一種“生產(chǎn)電量”的物理裝置。
我們以某個光伏軟件Archelios軟件為例，可以構(gòu)建光伏電站的數(shù)字化雙胞胎體系。
首先，光伏電站也是一種工業(yè)建筑，在前期工程設(shè)計階段，需要對整個電站做3D建模設(shè)計，我們以建筑行業(yè)BIM理念為導(dǎo)向，采用SKetchup作為3D建模工具，實現(xiàn)對光伏電站的物理信息的模型搭建，通過定位的地理信息，結(jié)合archelios pro的3D控件，可以建立其氣象數(shù)據(jù):光照度，輻照度，反照率。以及根據(jù)I(V)曲線對光伏模板和陣列建模，精確計算附近陰影，進(jìn)行可視化模擬以確立組件布置方案。并可以自動創(chuàng)建布線模型。
這樣一來，我們就可以得到一個結(jié)合物理信息和電氣特性的光伏電站模型。注意，這里只是作為設(shè)計的數(shù)字化模型。
在前期設(shè)計階段，也可以基于這個3D模型通過archelios pro設(shè)計軟件進(jìn)行詳細(xì)的組件/逆變器選型設(shè)計，以及進(jìn)行發(fā)電產(chǎn)量計算，自消耗計算與經(jīng)濟(jì)效益分析。
根據(jù)前期選型設(shè)計和產(chǎn)量計算指導(dǎo)，進(jìn)行光伏電站的施工建設(shè)和安裝后，依照建成后的電站裝置信息，對設(shè)計模型進(jìn)行更新數(shù)據(jù)。就得到了真實完整的虛擬映射模型。
下一步則是通過數(shù)據(jù)采集器等檢測傳感器件和控制機構(gòu)的部署，將采集到的光伏電站運行狀態(tài)，環(huán)境數(shù)據(jù)等通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆破脚_上。通過archelios O&M與之前所創(chuàng)建的虛擬3D模型結(jié)合，實現(xiàn)可視化，實時動態(tài)的監(jiān)控。除了實現(xiàn)數(shù)據(jù)看板，報警提醒，缺陷檢測功能外，還可以基于專家知識庫甚至機器學(xué)習(xí)等AI技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的診斷分析，基于實時環(huán)境數(shù)據(jù)對發(fā)電產(chǎn)量的預(yù)測。
可能有人看到這里會說，這不就是畫個3D模型加上光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)嗎?其實不然，這里主張使用的是一種全生命周期，統(tǒng)一信息的數(shù)據(jù)模型，并且需要可以方便交互，構(gòu)建流程協(xié)同的云平臺作為支撐。它其實是BIM理念和傳感器，通訊技術(shù)，仿真軟件的系統(tǒng)化集成。利用此光伏電站數(shù)字雙胞胎，再結(jié)合新興的AR/VR可穿戴設(shè)備和技術(shù)可幫助運維人員更方便的進(jìn)行學(xué)習(xí)和維護(hù)操作;對于城市的自然資源管理部門來說，也可以集成到GIS(地理信息系統(tǒng))中，實現(xiàn)對光伏電站的統(tǒng)一管理和環(huán)境資源可協(xié)調(diào)性分析和配合。
尾言
在智能制造領(lǐng)域，諸如西門子，GE，達(dá)索等工業(yè)巨頭在構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，已經(jīng)有了數(shù)字化工廠，數(shù)字化飛機等數(shù)字化雙胞胎的實施方案和成果案例。
在建筑工程領(lǐng)域，autodesk,bentley這些軟件廠商也在積極布道BIM應(yīng)用，大力向前推動數(shù)字化建造，智慧城市的發(fā)展腳步。
那么在光伏領(lǐng)域，可以制造綠色電能的太陽能發(fā)電系統(tǒng)裝置。我相信，將BIM技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)云平臺相結(jié)合，能誕生你們想要的光伏電站數(shù)字雙胞胎。
（秦凱，技術(shù)工程師，上海，逸萊軻軟件）
