清華大學(xué)能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究院高峰

中國發(fā)展研究院魏東

中國科學(xué)院電工研究所葉華

當(dāng)前，數(shù)字孿生被廣泛運(yùn)用在電力、交通、醫(yī)療、城市管理等各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，正顯現(xiàn)出非同一般的璀璨光輝。其作為實(shí)現(xiàn)數(shù)字電網(wǎng)比特和瓦特深度融合目標(biāo)的重要實(shí)現(xiàn)手段，正在持續(xù)演進(jìn)。需要深入認(rèn)識和理解數(shù)字孿生的本質(zhì)與機(jī)理，明晰其對數(shù)字電網(wǎng)的價(jià)值與作用，促進(jìn)數(shù)字比特革命與能源瓦特革命的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)清潔低碳、安全高效的電力系統(tǒng)支撐下的數(shù)字經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。

一、對數(shù)字孿生的認(rèn)知

隨著企業(yè)界和學(xué)術(shù)界對數(shù)字孿生的不斷解讀，其定義、內(nèi)涵和其他一些相關(guān)概念的界限也越來越模糊。如NASA從與系統(tǒng)工程能力結(jié)合的角度，提出了MBSE（基于模型的系統(tǒng)工程）；國外公司用數(shù)字孿生來支撐其工業(yè)4.0、智慧制造和數(shù)字工廠。我們還看到了智慧城市語境下的數(shù)字孿生，建筑BIM語境下的數(shù)字孿生，機(jī)器人語境下的數(shù)字孿生，等等。從目前公開的研究資料來看，大多數(shù)還是把數(shù)字孿生視為某種技術(shù)集成體系，少有人意識到，放大到社會學(xué)的角度上，數(shù)字孿生具有一般科技難以具備的思想價(jià)值。

我們不應(yīng)簡單地從技術(shù)或技術(shù)集成的角度來理解數(shù)字孿生，而應(yīng)認(rèn)識到數(shù)字孿生將是在未來信息社會形態(tài)下構(gòu)建“數(shù)字世界”重要基礎(chǔ)方法之一，需要從思想和理論角度對數(shù)字孿生進(jìn)行深入認(rèn)知與研究。

數(shù)字孿生的本質(zhì)是對物理世界進(jìn)行數(shù)字化解構(gòu)，并在虛擬世界進(jìn)行數(shù)字化重構(gòu)的過程。虛擬世界包含三類個(gè)體：一為數(shù)字原生體，其完全在虛擬世界中產(chǎn)生，以數(shù)字形態(tài)存在于虛擬世界，如網(wǎng)絡(luò)小說、微博等網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)作與社交等；二為數(shù)字孿生體，其為物理世界在虛擬世界中的孿生鏡像；三為數(shù)字混合體，是前兩者的融合，其產(chǎn)生、存在、消費(fèi)乃至消亡過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(yù)見的未來，人類生產(chǎn)生活的大部分信息交互、決策都將在虛擬世界之中完成，并通過虛擬世界向物理世界發(fā)出指令，控制物理世界的運(yùn)行。作為連通物理世界與虛擬世界的數(shù)字孿生，起著超越技術(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(diào)度員培訓(xùn)仿真系統(tǒng)（DTS）作為電網(wǎng)調(diào)度的數(shù)字孿生，其在二三十年前就已得到應(yīng)用，早已成為電網(wǎng)培訓(xùn)調(diào)度人員的有力工具。

二、數(shù)字孿生的構(gòu)建

從物理世界通過信息技術(shù)生成數(shù)字孿生體可分為三個(gè)過程，即映射、再現(xiàn)和校準(zhǔn)。

映射是對物理世界實(shí)體的外觀、構(gòu)造、材質(zhì)和理化指標(biāo)等表征數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，運(yùn)用相應(yīng)軟件在虛擬世界構(gòu)建數(shù)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(jié)點(diǎn)式的數(shù)字描述，常見的是三維建模。數(shù)字電網(wǎng)在主設(shè)備級已經(jīng)或具備條件完成映射工作，有些已實(shí)現(xiàn)輔助設(shè)備的映射，如國網(wǎng)上海電力公司的數(shù)字孿生變電站已實(shí)現(xiàn)20多個(gè)孿生子站。

再現(xiàn)是通過剖析、理解和掌握物理世界實(shí)體的運(yùn)行規(guī)律，建立相對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并通過信息技術(shù)在虛擬世界建立數(shù)字孿生體，即物理實(shí)體的機(jī)理孿生。對于單體來說，主要是全生命周期模型的建立；對于系統(tǒng)來說，重點(diǎn)是系統(tǒng)運(yùn)行的規(guī)則體系。電網(wǎng)的調(diào)度、運(yùn)檢等業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)已將科學(xué)家、工程師百年來研究探索出來的電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)等設(shè)備和系統(tǒng)機(jī)理有機(jī)地融入，然而數(shù)字電網(wǎng)面對的是新數(shù)據(jù)、新設(shè)備、新技術(shù)、新用戶、新模式帶來的挑戰(zhàn)，要通過校準(zhǔn)過程來應(yīng)對未知與創(chuàng)新。

校準(zhǔn)是通過觀測→修正→運(yùn)行→再觀測的反復(fù)循環(huán)，使得數(shù)字孿生體無限趨近于物理實(shí)體，在盡可能的尺度下達(dá)到兩者的同步運(yùn)行地過程。校準(zhǔn)過程有助于我們認(rèn)知發(fā)現(xiàn)物理實(shí)體本質(zhì)規(guī)律、識別物理實(shí)體的表征數(shù)據(jù)需求，從而構(gòu)建更加精準(zhǔn)的機(jī)理孿生和表征孿生。

三、數(shù)字孿生的應(yīng)用

數(shù)字孿生在各領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用中體現(xiàn)在狀態(tài)洞察、實(shí)時(shí)操控、趨勢預(yù)測和模擬實(shí)驗(yàn)等方面。同時(shí)，通過三維模型和可視化手段，數(shù)字孿生還可以把各個(gè)方面的專業(yè)數(shù)據(jù)匯集在同一個(gè)平臺之上并直觀地表現(xiàn)出來，既可以促進(jìn)在內(nèi)部不同部門之間貫通數(shù)字主線，也可以進(jìn)一步與客戶、供應(yīng)商乃至政府、公眾進(jìn)行相應(yīng)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(shù)字孿生在電網(wǎng)中主要應(yīng)用于以下方面：運(yùn)行監(jiān)測、預(yù)測預(yù)警、監(jiān)管審查、模擬實(shí)驗(yàn)、研發(fā)創(chuàng)新。隨著數(shù)字電網(wǎng)的發(fā)展，數(shù)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(guī)模分布式儲能仍面臨著小容量單體差異性成網(wǎng)引起的“短板效應(yīng)”等技術(shù)難題。通過儲能虛擬化與數(shù)字孿生技術(shù)把儲能系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)檐浖x型資源，通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)柔性組合、即連即用，則是解決之道。當(dāng)前再現(xiàn)過程已建立了基于智能電力電子開關(guān)的規(guī)模化超級電容器、電池儲能串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)模型等，構(gòu)建了分布式儲能及其接入配電網(wǎng)的數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)；校準(zhǔn)過程已提出了數(shù)字孿生仿真與儲能監(jiān)測等多業(yè)務(wù)系統(tǒng)的信息實(shí)時(shí)交互校準(zhǔn)技術(shù)與方法。

四、當(dāng)下的工作

數(shù)字孿生的實(shí)現(xiàn)需要“表里如一”，這里的“一”是指物理世界，表征孿生為基礎(chǔ)，機(jī)理孿生為目標(biāo)。沒有表征孿生，一切無從談起，其實(shí)現(xiàn)需要傳感、建模的支撐。沒有機(jī)理孿生，數(shù)字孿生就是花瓶，中看不中用，其實(shí)現(xiàn)需要大數(shù)據(jù)、人工智能的支撐。目前國內(nèi)對數(shù)字孿生開展的研究仍然是以概念性研究和應(yīng)用性研究居多，而對于實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生所需要的傳感、建模等通用技術(shù)平臺、基礎(chǔ)裝備方面，卻缺乏企業(yè)進(jìn)行大力度的深入開發(fā)投入。數(shù)字孿生對于建設(shè)數(shù)字電網(wǎng)意義重大，我國電力企業(yè)擁有著充足優(yōu)質(zhì)的人才團(tuán)隊(duì)和科研資源，完全有能力也有責(zé)任發(fā)揮引領(lǐng)作用，打造數(shù)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(shù)字化轉(zhuǎn)型的ICT企業(yè)應(yīng)該充分發(fā)揮人才和技術(shù)優(yōu)勢，深入、持續(xù)地開發(fā)投入于電力數(shù)字孿生領(lǐng)域。

在“十四五”期間，一是應(yīng)大力進(jìn)行數(shù)字孿生通用軟件和公共技術(shù)平臺的研發(fā)建設(shè)，及早建立我國數(shù)字孿生技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，確立我國數(shù)字孿生的技術(shù)路線，搶占數(shù)字孿生科技制高點(diǎn)；二是牽頭開發(fā)傳感器、物聯(lián)網(wǎng)終端等數(shù)字孿生所必需的通用硬件設(shè)備設(shè)施，推進(jìn)我國數(shù)字孿生實(shí)踐應(yīng)用水平，建設(shè)壯大我國數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)集群；三是大力開展數(shù)字孿生試點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)字孿生在多領(lǐng)域不同場景下的應(yīng)用測試，加速擴(kuò)展數(shù)字孿生影響力和市場邊界，提升我們在數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)的市場份額和話語權(quán)，如著重開展大規(guī)模儲能及其接入電網(wǎng)所需要的傳感器研發(fā)、數(shù)字建模、自主分析決策等關(guān)鍵設(shè)備和技術(shù)平臺等。