中國發(fā)展研究院 魏東
中國科學(xué)院電工研究所 葉華
當前，數字孿生被廣泛運用在電力、交通、醫療、城市管理等各個(gè)領(lǐng)域當中，正顯現出非同一般的璀璨光輝。其作為實(shí)現數字電網(wǎng)比特和瓦特深度融合目標的重要實(shí)現手段，正在持續演進(jìn)。需要深入認識和理解數字孿生的本質(zhì)與機理，明晰其對數字電網(wǎng)的價(jià)值與作用，促進(jìn)數字比特革命與能源瓦特革命的有機結合，實(shí)現清潔低碳、安全高效的電力系統支撐下的數字經(jīng)濟快速發(fā)展。
01 對數字孿生的認知
隨著(zhù)企業(yè)界和學(xué)術(shù)界對數字孿生的不斷解讀，其定義、內涵和其他一些相關(guān)概念的界限也越來(lái)越模糊。如NASA從與系統工程能力結合的角度，提出了MBSE(基于模型的系統工程);國外公司用數字孿生來(lái)支撐其工業(yè)4.0、智慧制造和數字工廠(chǎng)。我們還看到了智慧城市語(yǔ)境下的數字孿生，建筑BIM語(yǔ)境下的數字孿生，機器人語(yǔ)境下的數字孿生，等等。從目前公開(kāi)的研究資料來(lái)看，大多數還是把數字孿生視為某種技術(shù)集成體系，少有人意識到，放大到社會(huì )學(xué)的角度上，數字孿生具有一般科技難以具備的思想價(jià)值。我們不應簡(jiǎn)單地從技術(shù)或技術(shù)集成的角度來(lái)理解數字孿生，而應認識到數字孿生將是在未來(lái)信息社會(huì )形態(tài)下構建“數字世界”重要基礎方法之一，需要從思想和理論角度對數字孿生進(jìn)行深入認知與研究。數字孿生的本質(zhì)是對物理世界進(jìn)行數字化解構，并在虛擬世界進(jìn)行數字化重構的過(guò)程。虛擬世界包含三類(lèi)個(gè)體：一為數字原生體，其完全在虛擬世界中產(chǎn)生，以數字形態(tài)存在于虛擬世界，如網(wǎng)絡(luò )小說(shuō)、微博等網(wǎng)絡(luò )創(chuàng )作與社交等;二為數字孿生體，其為物理世界在虛擬世界中的孿生鏡像;三為數字混合體，是前兩者的融合，其產(chǎn)生、存在、消費乃至消亡過(guò)程中的某些部分只存在于虛擬世界，而另外的部分則伴隨物理世界存在。在可預見(jiàn)的未來(lái)，人類(lèi)生產(chǎn)生活的大部分信息交互、決策都將在虛擬世界之中完成，并通過(guò)虛擬世界向物理世界發(fā)出指令，控制物理世界的運行。作為連通物理世界與虛擬世界的數字孿生，起著(zhù)超越技術(shù)的重要作用。電力行業(yè)由于其產(chǎn)品與服務(wù)的特殊性，在這方面積累深厚，如調度員培訓仿真系統(DTS)作為電網(wǎng)調度的數字孿生，其在二三十年前就已得到應用，早已成為電網(wǎng)培訓調度人員的有力工具。
02 數字孿生的構建
從物理世界通過(guò)信息技術(shù)生成數字孿生體可分為三個(gè)過(guò)程，即映射、再現和校準。映射是對物理世界實(shí)體的外觀(guān)、構造、材質(zhì)和理化指標等表征數據進(jìn)行采集，運用相應軟件在虛擬世界構建數字孿生體，即物理實(shí)體的表征孿生。這是對物理世界實(shí)體靜態(tài)、節點(diǎn)式的數字描述，常見(jiàn)的是三維建模。數字電網(wǎng)在主設備級已經(jīng)或具備條件完成映射工作，有些已實(shí)現輔助設備的映射，如國網(wǎng)上海電力公司的數字孿生變電站已實(shí)現20多個(gè)孿生子站。再現是通過(guò)剖析、理解和掌握物理世界實(shí)體的運行規律，建立相對應的數學(xué)模型，并通過(guò)信息技術(shù)在虛擬世界建立數字孿生體，即物理實(shí)體的機理孿生。對于單體來(lái)說(shuō)，主要是全生命周期模型的建立;對于系統來(lái)說(shuō)，重點(diǎn)是系統運行的規則體系。電網(wǎng)的調度、運檢等業(yè)務(wù)信息系統已將科學(xué)家、工程師百年來(lái)研究探索出來(lái)的電力系統穩態(tài)、暫態(tài)等設備和系統機理有機地融入，然而數字電網(wǎng)面對的是新數據、新設備、新技術(shù)、新用戶(hù)、新模式帶來(lái)的挑戰，要通過(guò)校準過(guò)程來(lái)應對未知與創(chuàng )新。校準是通過(guò)觀(guān)測→修正→運行→再觀(guān)測的反復循環(huán)，使得數字孿生體無(wú)限趨近于物理實(shí)體，在盡可能的尺度下達到兩者的同步運行地過(guò)程。校準過(guò)程有助于我們認知發(fā)現物理實(shí)體本質(zhì)規律、識別物理實(shí)體的表征數據需求，從而構建更加精準的機理孿生和表征孿生。
03 數字孿生的應用
數字孿生在各領(lǐng)域實(shí)際應用中體現在狀態(tài)洞察、實(shí)時(shí)操控、趨勢預測和模擬實(shí)驗等方面。同時(shí)，通過(guò)三維模型和可視化手段，數字孿生還可以把各個(gè)方面的專(zhuān)業(yè)數據匯集在同一個(gè)平臺之上并直觀(guān)地表現出來(lái)，既可以促進(jìn)在內部不同部門(mén)之間貫通數字主線(xiàn)，也可以進(jìn)一步與客戶(hù)、供應商乃至政府、公眾進(jìn)行相應聯(lián)接，成為通用平臺，甚至進(jìn)一步拓展企業(yè)的競爭邊界。目前數字孿生在電網(wǎng)中主要應用于以下方面：運行監測、預測預警、監管審查、模擬實(shí)驗、研發(fā)創(chuàng )新。隨著(zhù)數字電網(wǎng)的發(fā)展，數字孿生將在各種新技術(shù)、新模式、新業(yè)態(tài)下大顯身手。如為支撐可再生能源快速發(fā)展，充分利用和發(fā)展海量分布式儲能將是關(guān)鍵手段。但目前大規模分布式儲能仍面臨著(zhù)小容量單體差異性成網(wǎng)引起的“短板效應”等技術(shù)難題。通過(guò)儲能虛擬化與數字孿生技術(shù)把儲能系統轉變?yōu)檐浖x型資源，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現柔性組合、即連即用，則是解決之道。當前再現過(guò)程已建立了基于智能電力電子開(kāi)關(guān)的規?；夒娙萜?、電池儲能串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò )模型等，構建了分布式儲能及其接入配電網(wǎng)的數字孿生技術(shù)架構;校準過(guò)程已提出了數字孿生仿真與儲能監測等多業(yè)務(wù)系統的信息實(shí)時(shí)交互校準技術(shù)與方法。
04 當下的工作
數字孿生的實(shí)現需要“表里如一”，這里的“一”是指物理世界，表征孿生為基礎，機理孿生為目標。沒(méi)有表征孿生，一切無(wú)從談起，其實(shí)現需要傳感、建模的支撐。沒(méi)有機理孿生，數字孿生就是花瓶，中看不中用，其實(shí)現需要大數據、人工智能的支撐。目前國內對數字孿生開(kāi)展的研究仍然是以概念性研究和應用性研究居多，而對于實(shí)現數字孿生所需要的傳感、建模等通用技術(shù)平臺、基礎裝備方面，卻缺乏企業(yè)進(jìn)行大力度的深入開(kāi)發(fā)投入。數字孿生對于建設數字電網(wǎng)意義重大，我國電力企業(yè)擁有著(zhù)充足優(yōu)質(zhì)的人才團隊和科研資源，完全有能力也有責任發(fā)揮引領(lǐng)作用，打造數字孿生的技術(shù)底座與生態(tài)。華為等致力于電力行業(yè)數字化轉型的ICT企業(yè)應該充分發(fā)揮人才和技術(shù)優(yōu)勢，深入、持續地開(kāi)發(fā)投入于電力數字孿生領(lǐng)域。在“十四五”期間，一是應大力進(jìn)行數字孿生通用軟件和公共技術(shù)平臺的研發(fā)建設，及早建立我國數字孿生技術(shù)標準體系，確立我國數字孿生的技術(shù)路線(xiàn)，搶占數字孿生科技制高點(diǎn);二是牽頭開(kāi)發(fā)傳感器、物聯(lián)網(wǎng)終端等數字孿生所必需的通用硬件設備設施，推進(jìn)我國數字孿生實(shí)踐應用水平，建設壯大我國數字孿生產(chǎn)業(yè)集群;三是大力開(kāi)展數字孿生試點(diǎn)，進(jìn)行數字孿生在多領(lǐng)域不同場(chǎng)景下的應用測試，加速擴展數字孿生影響力和市場(chǎng)邊界，提升我們在數字孿生產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)份額和話(huà)語(yǔ)權，如著(zhù)重開(kāi)展大規模儲能及其接入電網(wǎng)所需要的傳感器研發(fā)、數字建模、自主分析決策等關(guān)鍵設備和技術(shù)平臺等。(作者： 高峰 魏東 葉華)
