王尚剛，程江峰，高順利，楊順昆，史 翔，張曉燁，靳志軍，崔 瑤，許 明，金小輝，鄒孝付，陶 飛+

(1.北京航空航天大學(xué) 可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院，北京 100191；2.北京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191；3.北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司，北京100035；4.北京航天拓?fù)涓呖萍加邢挢?zé)任公司，北京100176)

1 問題的描述

燃?xì)庾鳛橹匾娜剂?、原料及有效的?chǔ)能手段與能源轉(zhuǎn)換中樞，是生產(chǎn)與生活的重要基礎(chǔ)。當(dāng)前，燃?xì)猱a(chǎn)業(yè)各方面正迅速發(fā)展，呈現(xiàn)多種趨勢(shì)的同時(shí)也面臨著諸多挑戰(zhàn)，影響著燃?xì)馓峁┥?、運(yùn)營商、使用者等產(chǎn)業(yè)鏈中各節(jié)點(diǎn)的戰(zhàn)略決策：

(1)在行業(yè)發(fā)展方面，主要呈現(xiàn)出市場(chǎng)下沉化、消費(fèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、空間分布化、多能綜合化等趨勢(shì)：①隨著一、二線城市燃?xì)忭?xiàng)目完成整合、“煤改氣”政策的推行[1]，鄉(xiāng)鎮(zhèn)與農(nóng)村成為新的開發(fā)市場(chǎng)，使燃?xì)馐袌?chǎng)下沉化[2]；②當(dāng)前我國燃?xì)庀M(fèi)結(jié)構(gòu)中，化工用氣仍占據(jù)不小比例，但是在居民用氣、發(fā)電、工業(yè)用氣等方面占比漸增，消費(fèi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化[3]；③隨著分布式能源技術(shù)的發(fā)展，燃?xì)夤┠芊绞皆诳臻g上從集中式轉(zhuǎn)向集中式與分布式結(jié)合的方式，提升了燃?xì)夤┠艿陌踩耘c靈活性[4-5]；④隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與銷售市場(chǎng)的逐步開放，燃?xì)馄髽I(yè)業(yè)務(wù)從當(dāng)前單一的燃?xì)饽苻D(zhuǎn)向包括售電、熱電聯(lián)產(chǎn)、冷熱電三聯(lián)供等多能綜合化服務(wù)[6]。在燃?xì)庑袠I(yè)發(fā)展的同時(shí)也面臨著來自行業(yè)內(nèi)外的競(jìng)爭(zhēng)，如何提升燃?xì)鈱?duì)其他能源的競(jìng)爭(zhēng)力，打破不同能源系統(tǒng)間相對(duì)隔絕的狀況，以及解決分布式燃?xì)獍l(fā)展中面臨的技術(shù)困難等成為當(dāng)前燃?xì)庑袠I(yè)發(fā)展中亟待解決的問題。

(2)在需求發(fā)展方面，主要呈現(xiàn)出運(yùn)營一體化、價(jià)格市場(chǎng)化與服務(wù)增值化等趨勢(shì)。①隨著管輸與銷售的逐漸分離，燃?xì)馍嫌纹髽I(yè)可直供燃?xì)獯笥脩?，下游企業(yè)向上游爭(zhēng)取氣源，上下游企業(yè)雙向滲透，最終實(shí)現(xiàn)上下游運(yùn)營一體化的發(fā)展[7]；②管輸與銷售分離、大用戶直供以及燃?xì)舛▋r(jià)政策的改變，使燃?xì)鈨r(jià)格市場(chǎng)化加深[8]；③燃?xì)夥?wù)從單一的燃?xì)夥咒N轉(zhuǎn)向分銷、燃?xì)饩咄扑]、燃?xì)獗ｋU(xiǎn)等增值業(yè)務(wù)共同發(fā)展的新模式，服務(wù)增值化為新的利潤增長點(diǎn)[9-10]；④燃?xì)獍踩赃M(jìn)一步提升。能源供應(yīng)安全方面，建立安全、多元化的能源體系成為緊迫議題[11]；城市燃?xì)膺\(yùn)營安全方面，尤其是燃?xì)廨斔汀⑾到y(tǒng)數(shù)據(jù)信息反饋等重點(diǎn)環(huán)節(jié)獲得發(fā)展[12]；用氣安全方面，安全型燃?xì)獗淼耐茝V[13]、戶內(nèi)用氣監(jiān)控能力的提升[14]增加了戶內(nèi)安全性。然而，隨著能源行業(yè)的發(fā)展，燃?xì)膺\(yùn)營商面臨著行業(yè)內(nèi)外更激烈的競(jìng)爭(zhēng)，如何向用戶推廣并提供增值服務(wù)成為當(dāng)前燃?xì)庑枨蠓矫婷媾R的重大挑戰(zhàn)；作為燃?xì)膺\(yùn)營的重點(diǎn)，燃?xì)獍踩侨細(xì)馄髽I(yè)面臨的重要議題。

(3)在技術(shù)發(fā)展方面，主要呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)獲取便捷化、數(shù)據(jù)中心規(guī)范化、信息系統(tǒng)平臺(tái)化及運(yùn)維管理智能化，如圖1所示。①隨著傳感器、智能燃?xì)獗砭?、新興通信技術(shù)等新設(shè)備、新技術(shù)的使用，提升了數(shù)據(jù)獲取的自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化和遠(yuǎn)程化[14-15]。②燃?xì)鈹?shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化正逐步提升對(duì)數(shù)據(jù)的定義、使用及對(duì)業(yè)務(wù)的理解；為消除燃?xì)膺\(yùn)營中存在的各種數(shù)據(jù)孤島，燃?xì)鈹?shù)據(jù)正實(shí)現(xiàn)一體化，整合燃?xì)膺\(yùn)營全要素、全流程、全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，作為更深入挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值的基礎(chǔ)。通過數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化、一體化及融合化，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的規(guī)范化[16-17]。③統(tǒng)籌建設(shè)各信息化系統(tǒng)，對(duì)相關(guān)系統(tǒng)統(tǒng)一管理[18]，自主開發(fā)仿真、工控等核心模塊[19]，最終實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)的平臺(tái)化。④ 在燃?xì)膺\(yùn)維管理方面，基于綜合多源數(shù)據(jù)進(jìn)行管網(wǎng)可視化交互設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證，并在施工時(shí)交互修正、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案[20]，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)設(shè)計(jì)交互化；基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、仿真模擬等功能，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)三維動(dòng)態(tài)可視化、故障預(yù)警、自動(dòng)診斷等功能，提升完整性管理的準(zhǔn)確度，實(shí)現(xiàn)完整性管理定量化；基于便捷式巡檢設(shè)備、傳感技術(shù)、無線通信技術(shù)等新設(shè)備和新技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)制定巡檢方案、分配巡檢資源、定位巡檢路線[21]、及時(shí)采集并傳輸數(shù)據(jù)[22-23]、巡檢路線回顧、巡檢效率分析等功能，實(shí)現(xiàn)巡檢在線化；基于對(duì)燃?xì)膺\(yùn)維過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、遠(yuǎn)程感知及控制等，燃?xì)馐鹿拾l(fā)生前可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)判事故，事故發(fā)生時(shí)可自動(dòng)報(bào)警、規(guī)劃應(yīng)急路徑、調(diào)度應(yīng)急資源[24-25]，事故發(fā)生后可模擬應(yīng)急方案[2-3]、與指揮中心實(shí)時(shí)交互[26]，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急一體化；基于更全面深入的數(shù)據(jù)分析、多氣源綜合供給，并結(jié)合對(duì)燃?xì)夤芫W(wǎng)的全面監(jiān)控[27-28]，實(shí)現(xiàn)多氣源/多時(shí)段/多壓力級(jí)制下的輸配調(diào)度精細(xì)化[29-30]；通過主動(dòng)捕捉用戶需求并利用線上加線下的服務(wù)形式，實(shí)現(xiàn)服務(wù)主動(dòng)化與線上化[31]。燃?xì)饧夹g(shù)在發(fā)展的同時(shí)也存在如部分?jǐn)?shù)據(jù)難獲取、難共享、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)混亂、信息系統(tǒng)兼容性差、運(yùn)營操作人工經(jīng)驗(yàn)依賴重、用戶服務(wù)方式滯后等亟待解決的問題。

為促進(jìn)燃?xì)庠谛袠I(yè)、需求和技術(shù)方面的信息化、數(shù)字化和智能化，越來越多的新技術(shù)被應(yīng)用其中。如云計(jì)算因其強(qiáng)擴(kuò)展性，可被用于解決燃?xì)饩W(wǎng)的測(cè)量感知、數(shù)字空間建模、仿真分析決策等關(guān)鍵問題[32]；應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)整合長輸管線全生命周期數(shù)據(jù)，解決管線環(huán)焊縫與空間位置對(duì)應(yīng)的問題[33]；應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)監(jiān)測(cè)燃?xì)夤芫W(wǎng)，為燃?xì)庹{(diào)度、管網(wǎng)維護(hù)、應(yīng)急處理等操作提供決策依據(jù)[34]；結(jié)合移動(dòng)通信技術(shù)與地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System, GIS)，提高空間數(shù)據(jù)處理效率，提升管線巡檢水平[35]；針對(duì)燃?xì)庹{(diào)壓中存在的非線性、不確定性等特征，應(yīng)用人工智能技術(shù)提高調(diào)壓精度及可靠性[36]。

新技術(shù)的應(yīng)用一定程度上提高了燃?xì)膺\(yùn)營效率、降低了運(yùn)營成本、優(yōu)化了用戶體驗(yàn)，然而這些實(shí)踐往往只能解決某一方面的問題，不能成為智慧燃?xì)庠谌鞒?、全業(yè)務(wù)、全生命周期的整體應(yīng)對(duì)方案。當(dāng)前燃?xì)庑袠I(yè)面臨的數(shù)據(jù)獲取不全面、數(shù)據(jù)中心不規(guī)范、信息系統(tǒng)不兼容、運(yùn)維管理不智能等難題和挑戰(zhàn)，其核心問題是燃?xì)夤┙o側(cè)、輸配側(cè)和需求側(cè)的物理世界與信息世界融合不充分。因此，本文結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，提出數(shù)字孿生智慧燃?xì)庀到y(tǒng)，為智慧燃?xì)獾慕ㄔO(shè)提供一種方案。

數(shù)字孿生技術(shù)作為一種解決物理世界與信息世界互聯(lián)與融合的方法[37-38]，當(dāng)前已被廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療、城市建設(shè)等多個(gè)領(lǐng)域[39]，在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、故障預(yù)測(cè)等諸多方面發(fā)揮重要作用[40]。數(shù)字孿生技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界的刻畫、仿真、優(yōu)化等功能[41]，為解決智慧燃?xì)獍l(fā)展建設(shè)中面臨的挑戰(zhàn)提供了有效途徑[42]。如對(duì)物理實(shí)體的高保真映射，可用于燃?xì)庠O(shè)備設(shè)施和運(yùn)營操作的可視化呈現(xiàn)；數(shù)據(jù)整合可實(shí)現(xiàn)燃?xì)膺\(yùn)營全流程、全周期、全業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)集成、融合與共享；虛實(shí)交互可實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)庠O(shè)備設(shè)施的自動(dòng)化、遠(yuǎn)程化操控[43]。在實(shí)際應(yīng)用中，已有中緬油氣管道利用數(shù)字恢復(fù)技術(shù)構(gòu)建管道數(shù)字孿生體，實(shí)現(xiàn)管道的可視化運(yùn)行、設(shè)備拆解培訓(xùn)及應(yīng)急搶險(xiǎn)等目的[44]。

綜上所述，本文結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，提出數(shù)字孿生智慧燃?xì)庀到y(tǒng)，從物理實(shí)體、虛擬模型、數(shù)據(jù)中心、信息系統(tǒng)及應(yīng)用服務(wù)5個(gè)方面闡述數(shù)字孿生智慧燃?xì)庀到y(tǒng)；探討分析管網(wǎng)設(shè)計(jì)、完整性管理、巡檢、應(yīng)急、輸配調(diào)度及用戶服務(wù)6類應(yīng)用；最后開展相關(guān)實(shí)踐工作，驗(yàn)證本文提出的數(shù)字孿生智慧燃?xì)庀到y(tǒng)的可行性。

2 數(shù)字孿生智慧燃?xì)庀到y(tǒng)體系架構(gòu)

數(shù)字孿生智慧燃?xì)庀到y(tǒng)是將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于燃?xì)膺\(yùn)營中，與燃?xì)庀到y(tǒng)物理實(shí)體、數(shù)據(jù)中心、信息系統(tǒng)等相結(jié)合，從而完成輔助管網(wǎng)設(shè)計(jì)、智能應(yīng)急、精準(zhǔn)輸配調(diào)度等應(yīng)用服務(wù)的新一代燃?xì)庀到y(tǒng)。結(jié)合燃?xì)庀到y(tǒng)基本架構(gòu)與數(shù)字孿生五維模型[39]，闡述數(shù)字孿生智慧燃?xì)庀到y(tǒng)的體系架構(gòu)，并分析建設(shè)數(shù)字孿生智慧燃?xì)庀到y(tǒng)所需的一些關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 體系架構(gòu)

數(shù)字孿生智慧燃?xì)庀到y(tǒng)體系架構(gòu)如圖2所示，包括物理實(shí)體、虛擬模型、孿生數(shù)據(jù)中心、信息系統(tǒng)和應(yīng)用服務(wù)5部分。

2.1.1 物理實(shí)體

物理實(shí)體是智慧燃?xì)庀到y(tǒng)的物理承載，包括所有可連入燃?xì)庀到y(tǒng)的終端，如供給側(cè)的燃?xì)忾T站、儲(chǔ)氣罐等，輸配側(cè)的管線、閥井等，需求側(cè)的燃?xì)獗怼⑷細(xì)饩叩认嚓P(guān)設(shè)備設(shè)施，以及人員、車輛等企業(yè)資源。物理實(shí)體通過傳感器、人工測(cè)量等方式實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)庀到y(tǒng)的感知；通過控制器實(shí)現(xiàn)不同部件的協(xié)同調(diào)控。物理實(shí)體與虛擬模型實(shí)時(shí)同步、交互，在迭代中不斷優(yōu)化。

2.1.2 虛擬模型

結(jié)合筆者團(tuán)隊(duì)已有工作[39]對(duì)燃?xì)庀到y(tǒng)進(jìn)行虛擬建模。在建模對(duì)象上，與物理實(shí)體相對(duì)應(yīng)，從供給側(cè)、輸配側(cè)及需求側(cè)對(duì)燃?xì)庀到y(tǒng)建立對(duì)應(yīng)的虛擬模型；在建模內(nèi)容上，建立包括燃?xì)庀到y(tǒng)的幾何(如管網(wǎng)口徑、走向、埋深等)、物理(如管網(wǎng)材料、氣質(zhì)組分等)、行為(如閥門開合、氣體放散等)及規(guī)則(管網(wǎng)對(duì)氣體的承載能力、土壤環(huán)境對(duì)管道的腐蝕等)模型；在模建立過程中，分別從單元級(jí)、系統(tǒng)級(jí)與復(fù)雜系統(tǒng)級(jí)上逐步構(gòu)建、組裝、驗(yàn)證虛擬模型，最終在各方面、各層級(jí)上均實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)建模。虛擬模型接收來自物理實(shí)體的數(shù)據(jù)和更新狀態(tài)，同時(shí)根據(jù)相應(yīng)的理論與方法進(jìn)行仿真、優(yōu)化、決策等操作，并將結(jié)果傳遞到物理實(shí)體，與物理實(shí)體保持實(shí)時(shí)同步和交互。

2.1.3 孿生數(shù)據(jù)中心

孿生數(shù)據(jù)中心是智慧燃?xì)庀到y(tǒng)的數(shù)據(jù)集散地。一方面，數(shù)據(jù)中心集成了智慧燃?xì)庀到y(tǒng)物理實(shí)體、虛擬模型、信息系統(tǒng)以及應(yīng)用服務(wù)所產(chǎn)生的全生命周期數(shù)據(jù)；另一方面，數(shù)據(jù)中心向燃?xì)庀到y(tǒng)的各部分提供數(shù)據(jù)，是控制物理實(shí)體、更新虛擬模型、驅(qū)動(dòng)信息系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)應(yīng)用服務(wù)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過孿生數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)在燃?xì)庀到y(tǒng)內(nèi)流通與共享。

2.1.4 信息系統(tǒng)

信息系統(tǒng)是承載智慧燃?xì)庀到y(tǒng)中各個(gè)應(yīng)用服務(wù)的主體，將相關(guān)的信息系統(tǒng)集成到系統(tǒng)平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理和協(xié)調(diào)運(yùn)行。燃?xì)庀到y(tǒng)中信息系統(tǒng)主要分為生產(chǎn)運(yùn)營類、市場(chǎng)營銷類及企業(yè)管理類，不同類型的智能系統(tǒng)各司其責(zé)，共同支撐智慧燃?xì)庀到y(tǒng)各應(yīng)用服務(wù)的執(zhí)行。

(1)生產(chǎn)運(yùn)營類 生產(chǎn)運(yùn)營類信息系統(tǒng)指與燃?xì)馍a(chǎn)運(yùn)營相關(guān)的信息系統(tǒng)，主要包括數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(Supervisory Control And Data Acquisition, SCADA)系統(tǒng)和GIS。前者可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制等功能；后者是燃?xì)膺\(yùn)營中管網(wǎng)位置、周圍環(huán)境指示、移動(dòng)巡檢地圖等功能的重要載體。其他如智能巡檢系統(tǒng)將巡檢過程中路線規(guī)劃、數(shù)據(jù)采集、到位監(jiān)督等功能綜合為一體，應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)可結(jié)合GIS與視頻，將應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)與指揮中心實(shí)時(shí)連接。

(2)市場(chǎng)營銷類 市場(chǎng)營銷類信息系統(tǒng)主要與燃?xì)馐袌?chǎng)營銷活動(dòng)相關(guān)，如用戶管理系統(tǒng)主要處理與用戶直接相關(guān)的業(yè)務(wù)，如抄表、計(jì)費(fèi)、報(bào)修等；用戶發(fā)展管理系統(tǒng)與發(fā)展用戶、管理項(xiàng)目相關(guān)，如報(bào)裝、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收等。

(3)企業(yè)管理類 企業(yè)管理類系統(tǒng)主要涉及企業(yè)的資產(chǎn)管理及企業(yè)辦公相關(guān)工作，如企業(yè)資產(chǎn)管理系統(tǒng)用于提高資產(chǎn)運(yùn)營效率、降低維護(hù)成本；協(xié)同辦公管理系統(tǒng)連通各辦公環(huán)境，提高企業(yè)內(nèi)部信息流暢度。

2.1.5 應(yīng)用服務(wù)

應(yīng)用服務(wù)是智慧燃?xì)庀到y(tǒng)表現(xiàn)出的一系列功能和服務(wù)的總和，主要包括管網(wǎng)設(shè)計(jì)、完整性管理、燃?xì)庋矙z、應(yīng)急響應(yīng)、智能輸配調(diào)度、用戶服務(wù)等。

(1)管網(wǎng)設(shè)計(jì) 孿生數(shù)據(jù)中心集成管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)相關(guān)的多源數(shù)據(jù)，提供全面的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，通過虛擬模型進(jìn)行可視化交互設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證，確定最優(yōu)方案；施工時(shí)，對(duì)比設(shè)計(jì)方案與施工結(jié)果，兩者交互并及時(shí)修正。

(2)完整性管理 在進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和完整性評(píng)價(jià)時(shí)，可利用虛擬模型進(jìn)行評(píng)價(jià)結(jié)果量化，提高風(fēng)險(xiǎn)與故障預(yù)警的準(zhǔn)確性；在進(jìn)行維修維護(hù)前，通過對(duì)維護(hù)維修方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證，提高維修維護(hù)的效果與效率。

(3)燃?xì)庋矙z 利用虛擬模型進(jìn)行巡檢方案制定，實(shí)現(xiàn)按需巡檢、精準(zhǔn)巡檢；利用虛擬模型的可視化功能向巡檢人員提供虛實(shí)一體的巡檢輔助，如定位輔助、操作引導(dǎo)、埋地管線指示等。

(4)應(yīng)急響應(yīng) 基于實(shí)時(shí)監(jiān)控，利用虛擬模型對(duì)管網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，及時(shí)、主動(dòng)預(yù)報(bào)燃?xì)馐鹿?；結(jié)合報(bào)警綜合信息、GIS、虛擬模型仿真，及時(shí)規(guī)劃應(yīng)急路線、調(diào)配應(yīng)急資源；現(xiàn)場(chǎng)處置時(shí)，通過虛擬模型實(shí)時(shí)仿真事故狀況和應(yīng)急方案，輔助現(xiàn)場(chǎng)人員及指揮中心進(jìn)行決策。

(5)智能輸配調(diào)度 根據(jù)用戶用氣數(shù)據(jù)及其影響因素進(jìn)行需求預(yù)測(cè)，根據(jù)供氣數(shù)據(jù)進(jìn)行供應(yīng)預(yù)測(cè)并進(jìn)行氣源協(xié)調(diào)，在管網(wǎng)壓力、溫度、流量等約束條件下，利用虛擬模型仿真燃?xì)廨斉湔{(diào)度方案，確定調(diào)度剖面、各參數(shù)設(shè)置等。

(6)用戶服務(wù) 通過對(duì)用戶用氣數(shù)據(jù)的分析與預(yù)測(cè)，可提前捕捉用戶需求，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)服務(wù)；結(jié)合孿生數(shù)據(jù)、云平臺(tái)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等，實(shí)現(xiàn)線上+線下的服務(wù)方式，提供便捷服務(wù)；除燃?xì)夥咒N外，根據(jù)用戶不同需求提供如燃?xì)獗ｋU(xiǎn)、節(jié)能減排分析等增值服務(wù)。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

為構(gòu)建并運(yùn)行數(shù)字孿生智慧燃?xì)庀到y(tǒng)，需要相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的支持。結(jié)合本文提出的數(shù)字孿生智慧燃?xì)庀到y(tǒng)體系架構(gòu)，將架構(gòu)中5部分劃分為如下關(guān)鍵技術(shù)：

(1)物理實(shí)體監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)

數(shù)字孿生智慧燃?xì)庀到y(tǒng)中，需要對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，所需技術(shù)包括：①燃?xì)庀到y(tǒng)物理實(shí)體監(jiān)測(cè)技術(shù)，如管網(wǎng)狀態(tài)實(shí)時(shí)感知、氣體泄漏檢測(cè)、管道陰極檢測(cè)等技術(shù)；②燃?xì)庀到y(tǒng)物理實(shí)體控制技術(shù)，如分布式控制、協(xié)同控制等技術(shù)；③物理實(shí)體與虛擬模型及數(shù)據(jù)中心間數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，可應(yīng)用如北斗短報(bào)文、NB-IoT、5G等技術(shù)。

(2)虛擬模型構(gòu)建與管理技術(shù)

虛擬模型構(gòu)建與管理技術(shù)是支撐建模、仿真、優(yōu)化、決策輔助等功能的技術(shù)，包括：①虛擬模型構(gòu)建技術(shù)，如燃?xì)夤芫W(wǎng)幾何模型、物理模型、行為模型等的構(gòu)建、組裝、驗(yàn)證等技術(shù)；②虛擬模型管理技術(shù)，如模型的查詢、復(fù)用等；③虛實(shí)交互技術(shù)；④虛擬模型自修正/自演化技術(shù)等。

(3)孿生數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理技術(shù)

孿生數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理技術(shù)對(duì)數(shù)字孿生智慧燃?xì)庀到y(tǒng)中產(chǎn)生的全業(yè)務(wù)、全流程、全周期數(shù)據(jù)進(jìn)行一體化存儲(chǔ)與管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)、共享及融合。包括：①孿生數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)，如數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集、遠(yuǎn)程自動(dòng)化傳輸、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換等技術(shù)；②孿生數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)，如數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)歸一化、數(shù)據(jù)融合等技術(shù)；③孿生數(shù)據(jù)共享相關(guān)技術(shù)，如數(shù)據(jù)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化、跨數(shù)據(jù)庫共享、數(shù)據(jù)自更新等技術(shù)。

(4)信息系統(tǒng)構(gòu)建與管理技術(shù)

信息系統(tǒng)構(gòu)建與管理技術(shù)輔助企業(yè)進(jìn)行信息系統(tǒng)的規(guī)劃、開發(fā)、部署、使用等工作，包括：①信息功能解耦技術(shù)，用于梳理、分解各個(gè)系統(tǒng)服務(wù)，降低各系統(tǒng)間功能的耦合性；②服務(wù)治理技術(shù)，明確各系統(tǒng)功能類別、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、接口與協(xié)議等事項(xiàng)，確保各系統(tǒng)間的兼容性與共享程度；③企業(yè)服務(wù)總線技術(shù)、微服務(wù)技術(shù)等，將各系統(tǒng)間不同功能的集成與互聯(lián)互通。

(5)燃?xì)鈶?yīng)用與服務(wù)技術(shù)

燃?xì)庀到y(tǒng)應(yīng)用服務(wù)是燃?xì)馄髽I(yè)日常最重要的活動(dòng)，相關(guān)支撐技術(shù)包括：①管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)，用于提升管網(wǎng)規(guī)劃效果和效率，提升管網(wǎng)全生命周期效益，如用戶規(guī)模預(yù)測(cè)、管網(wǎng)可視化設(shè)計(jì)、管網(wǎng)全生命周期仿真驗(yàn)證等技術(shù)；②完整性管理相關(guān)技術(shù)，如陰極保護(hù)、完整性評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等技術(shù)；③燃?xì)庋矙z相關(guān)技術(shù)，如按需定制巡檢路線、氣體泄漏檢測(cè)等技術(shù)；④應(yīng)急相關(guān)技術(shù)，如警情自動(dòng)上報(bào)、警情信息綜合、應(yīng)急方案模擬等技術(shù)；⑤輸配調(diào)度相關(guān)技術(shù)，如氣源協(xié)調(diào)、狀態(tài)監(jiān)控、調(diào)度方案仿真等技術(shù)；⑥用戶服務(wù)相關(guān)技術(shù)，如用戶需求預(yù)測(cè)、用戶需求捕捉等技術(shù)。

3 數(shù)字孿生智慧燃?xì)鈶?yīng)用服務(wù)

3.1 基于數(shù)字孿生的管網(wǎng)設(shè)計(jì)

基于數(shù)字孿生的管網(wǎng)設(shè)計(jì)主要包括需求分析、設(shè)計(jì)仿真和施工交互3個(gè)步驟，數(shù)字孿生技術(shù)可實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)需求分析與預(yù)測(cè)、設(shè)計(jì)方案仿真驗(yàn)證、施工輔助等，使物理設(shè)計(jì)與數(shù)字孿生設(shè)計(jì)同步，如圖3所示。

(1)需求分析

在物理過程中，對(duì)歷史需求、市場(chǎng)情況等需求信息進(jìn)行收集或調(diào)研并進(jìn)行用戶建檔，如用戶數(shù)量、類型、地理分布、城市規(guī)劃建設(shè)、其他管網(wǎng)建設(shè)等數(shù)據(jù)?；诘玫降臄?shù)據(jù)并參考已有用戶需求管理模型，虛擬模型可進(jìn)行用戶需求分析與預(yù)測(cè)、市場(chǎng)策略制定、工程概算等工作，如計(jì)算用戶規(guī)模、預(yù)測(cè)用氣量分布等。

(2)設(shè)計(jì)仿真

設(shè)計(jì)仿真主要包括總體設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)及方案評(píng)價(jià)3項(xiàng)工作。規(guī)劃設(shè)計(jì)人員在物理世界進(jìn)行管網(wǎng)設(shè)計(jì)的同時(shí)，利用虛擬模型進(jìn)行可視化交互，并對(duì)設(shè)計(jì)方案全壽命周期內(nèi)的輸配調(diào)度、完整性管理、應(yīng)急響應(yīng)等各項(xiàng)燃?xì)鈶?yīng)用進(jìn)行仿真，驗(yàn)證方案的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)。經(jīng)過迭代優(yōu)化，確定最終方案，即管網(wǎng)設(shè)計(jì)階段的數(shù)字孿生模型。

(3)施工交互

施工交互主要包括施工數(shù)據(jù)采集、施工協(xié)同、施工輔助3項(xiàng)工作。在施工過程中，利用傳感器、三維掃描儀、人工測(cè)量等方式采集管網(wǎng)施工數(shù)據(jù)。同時(shí)，對(duì)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)方案，核驗(yàn)施工過程并及時(shí)調(diào)整。在施工過程中，利用虛擬模型輔助操作預(yù)演、參數(shù)確定、進(jìn)度預(yù)測(cè)等作業(yè)，提高施工效果和效率。

3.2 基于數(shù)字孿生的管網(wǎng)完整性管理

數(shù)字孿生技術(shù)貫穿于燃?xì)馔暾怨芾砣^程，與物理實(shí)體中完整性管理相互促進(jìn)，如圖4所示。

(1)完整性數(shù)據(jù)整合

收集并整理完整性相關(guān)數(shù)據(jù)，包括物理管網(wǎng)完整性數(shù)據(jù)，如管網(wǎng)測(cè)量、運(yùn)行監(jiān)測(cè)、巡檢維修數(shù)據(jù)等；虛擬模型完整性數(shù)據(jù)，如管網(wǎng)三維模型、運(yùn)行仿真、評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)等。對(duì)數(shù)據(jù)電子化、標(biāo)準(zhǔn)化，經(jīng)過集成與融合后，導(dǎo)入管網(wǎng)完整性數(shù)據(jù)庫中。

(2)高后果區(qū)識(shí)別

對(duì)物理實(shí)體主要采用等級(jí)復(fù)核與實(shí)地調(diào)研方法進(jìn)行高后果區(qū)識(shí)別，同時(shí)結(jié)合虛擬模型進(jìn)行可視化分析，全方位呈現(xiàn)管網(wǎng)設(shè)備設(shè)施及周圍環(huán)境情況，精準(zhǔn)確定高后果區(qū)類別、位置、等級(jí)等信息。

(3)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行識(shí)別，并導(dǎo)入虛擬模型進(jìn)行仿真模擬，確定風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性、嚴(yán)重性、可能的損失等結(jié)果，從而判定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

(4)完整性評(píng)價(jià)

通過內(nèi)檢測(cè)法、壓力試驗(yàn)法、直接評(píng)價(jià)法等技術(shù)，對(duì)物理管網(wǎng)進(jìn)行缺陷檢測(cè)。將檢測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入虛擬模型，使用人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)對(duì)管網(wǎng)的剩余壽命、損失速率等狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，并將結(jié)果進(jìn)行可視化呈現(xiàn)。

(5)維護(hù)維修

基于完整性評(píng)價(jià)結(jié)果，利用虛擬模型仿真來確定維護(hù)策略，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality/Augmented Reality,VR/AR)、北斗定位等技術(shù)進(jìn)行維護(hù)維修輔助，實(shí)現(xiàn)路線指引、操作預(yù)演、信息呈現(xiàn)等功能。

(6)效能評(píng)價(jià)

維護(hù)維修后，將完整性管理全流程數(shù)據(jù)導(dǎo)入完整性數(shù)據(jù)庫中，對(duì)此次完整性管理過程的效能進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定下一步的完整性管理時(shí)間、對(duì)象等信息，保證管網(wǎng)始終處于安全、完整、可靠的運(yùn)行狀態(tài)。

(7)完整性管理提升燃?xì)廨斉浒踩?/p>

管網(wǎng)完整性管理是提升燃?xì)廨斉浒踩闹匾M成部分。對(duì)管網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施的監(jiān)測(cè)、控制、維護(hù)維修等是保證燃?xì)膺\(yùn)營的重要步驟，完整性管理在數(shù)據(jù)采集與處理、風(fēng)險(xiǎn)分析等方面成為提升燃?xì)膺\(yùn)營安全的重要手段。

3.3 基于數(shù)字孿生的燃?xì)庋矙z

數(shù)字孿生技術(shù)在巡檢方案制定、巡檢人員管理、巡檢數(shù)據(jù)記錄及氣體泄漏分析等方面發(fā)揮著重要作用。將燃?xì)庀到y(tǒng)物理實(shí)體的數(shù)據(jù)采集傳輸至虛擬模型，虛擬模型通過數(shù)據(jù)分析、仿真驗(yàn)證等方法獲得巡檢相關(guān)結(jié)果并反饋至物理實(shí)體，最終實(shí)現(xiàn)虛實(shí)一體的全空間、自適應(yīng)的智能巡檢，如圖5所示。

(1)巡檢方案按需制定

設(shè)定巡檢目標(biāo)、巡檢項(xiàng)目、巡檢路線、巡檢時(shí)間等參數(shù)，將這些參數(shù)導(dǎo)入孿生數(shù)據(jù)與虛擬模型中，分析管網(wǎng)狀態(tài)、衡量巡檢必要性與巡檢成本，模擬仿真按需巡檢的巡檢方案，確定巡檢項(xiàng)目、巡檢路線、巡檢頻率等參數(shù)。

(2)巡檢人員管理

結(jié)合精確定位技術(shù)、設(shè)備及數(shù)字孿生可視化技術(shù)，可對(duì)巡檢人員進(jìn)行更精確的管理，實(shí)現(xiàn)巡檢到位監(jiān)督、巡檢軌跡回放、巡檢排班等功能，從而提高巡檢人員的巡檢效率。

(3)巡檢操作輔助

結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)與VR/AR、北斗定位等技術(shù)，輔助巡檢操作，如利用無人機(jī)、無人巡檢車實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡檢，對(duì)巡檢人員進(jìn)行埋地管網(wǎng)可視化指示、巡檢項(xiàng)目提示等。

(4)巡檢數(shù)據(jù)采集與傳輸

采集并記錄巡檢數(shù)據(jù)，如巡檢到位情況、巡檢目標(biāo)狀態(tài)、巡檢時(shí)刻等數(shù)據(jù)，將巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理后上傳到智慧燃?xì)鈱\生數(shù)據(jù)中心，可用于新一輪巡檢方案的制定。

(5)氣體泄漏分析

氣體泄漏情況是燃?xì)庋矙z工作的重點(diǎn)，利用無人巡檢車、甲烷遙測(cè)儀等設(shè)備，可以精確探測(cè)燃?xì)庑孤┣闆r。同時(shí)，將測(cè)得數(shù)據(jù)與虛擬模型結(jié)合，可模擬燃?xì)庑孤┶厔?shì)，繪制燃?xì)庑孤┰茍D。

3.4 基于數(shù)字孿生的燃?xì)鈶?yīng)急

基于數(shù)字孿生的應(yīng)急響應(yīng)主要包括警情上報(bào)、緊急處置自動(dòng)化和應(yīng)急策略增強(qiáng)3部分，數(shù)字孿生技術(shù)主要可應(yīng)用于自動(dòng)化接警處置及對(duì)應(yīng)急策略的仿真驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)同步的智能應(yīng)急，如圖6所示。

(1)主動(dòng)報(bào)警

1)險(xiǎn)情預(yù)測(cè)。基于實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，虛擬模型可對(duì)燃?xì)庀到y(tǒng)物理實(shí)體進(jìn)行險(xiǎn)情預(yù)測(cè)，針對(duì)高危險(xiǎn)級(jí)別的故障進(jìn)行險(xiǎn)情提示。

2)警情自動(dòng)上報(bào)。事故發(fā)生時(shí)，將事故類型、事故地點(diǎn)、管網(wǎng)參數(shù)等警情信息自動(dòng)上報(bào)，并遠(yuǎn)程自動(dòng)傳輸?shù)綌?shù)字孿生數(shù)據(jù)中心。

(2)接警處置

1)緊急處理。接警后，通過虛擬模型確定緊急處置方式，并利用數(shù)字孿生虛實(shí)交互功能，從虛擬模型對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，如向周圍民眾發(fā)出警報(bào)、遠(yuǎn)程隔斷、放散等操作。

2)及時(shí)出警。在緊急處置的同時(shí)，基于虛擬模型對(duì)企業(yè)資源進(jìn)行監(jiān)視，確定如應(yīng)急物資儲(chǔ)備地點(diǎn)、應(yīng)急人員所處狀態(tài)等信號(hào)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急資源的實(shí)時(shí)管理；根據(jù)應(yīng)急資源與事故地點(diǎn)間的交通情況，結(jié)合GIS、北斗定位等系統(tǒng)，利用虛擬模型規(guī)劃最優(yōu)路徑，減少應(yīng)急反應(yīng)時(shí)間。

(3)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急

1)數(shù)據(jù)綜合。融合警情上報(bào)數(shù)據(jù)、智能SCADA系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、事故現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)及燃?xì)饩W(wǎng)虛擬模型實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)，獲得應(yīng)急響應(yīng)相關(guān)的綜合數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)字孿生數(shù)據(jù)中心。

2)應(yīng)急策略仿真。基于當(dāng)前及歷史應(yīng)急響應(yīng)相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)急策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證，確定最優(yōu)應(yīng)急策略；應(yīng)急操作時(shí)，虛擬模型結(jié)合VR/AR等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)可視化、虛實(shí)交互、操作指引等功能，輔助現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行應(yīng)急操作。

3)遠(yuǎn)程指揮。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急時(shí)，通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、畫面、音頻等信息傳輸?shù)街笓]中心，便于指揮中心決策，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)與指揮中心的協(xié)同。

3.5 基于數(shù)字孿生的輸配調(diào)度

基于數(shù)字孿生的燃?xì)廨斉湔{(diào)度重點(diǎn)在于對(duì)供給側(cè)、需求側(cè)及輸配側(cè)進(jìn)行仿真，并將仿真策略應(yīng)用到物理實(shí)體中，數(shù)字孿生技術(shù)可用于需求預(yù)測(cè)、供給預(yù)測(cè)及調(diào)度方案的計(jì)算和仿真，如圖7所示。

(1)數(shù)據(jù)采集

綜合與輸配調(diào)度相關(guān)的數(shù)據(jù)，包括燃?xì)庀到y(tǒng)物理實(shí)體在供給側(cè)、輸配側(cè)、需求側(cè)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，如供給側(cè)的氣源類型、數(shù)量、地理位置等數(shù)據(jù)；輸配側(cè)的管網(wǎng)壓力限制、管徑、管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)；需求側(cè)的用戶類型、用戶數(shù)量、大用戶用氣申報(bào)等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)教摂M模型當(dāng)中。

(2)調(diào)度仿真

1)供給預(yù)測(cè)與需求預(yù)測(cè)?；诠┙o側(cè)、需求側(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)，利用虛擬模型進(jìn)行多氣源/多壓力級(jí)制/多時(shí)段/多地區(qū)等不同條件下的供給預(yù)測(cè)與需求預(yù)測(cè)。在供給預(yù)測(cè)時(shí)，結(jié)合燃?xì)鈿庠?，如生物質(zhì)氣、煤質(zhì)氣、LNG等多種氣源，保證供氣的多樣性與安全性。

2)輸配方案仿真?；谌?xì)庀到y(tǒng)物理實(shí)體輸配側(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合供給預(yù)測(cè)與需求預(yù)測(cè)，對(duì)輸配方案進(jìn)行仿真。確定輸配調(diào)度優(yōu)化目標(biāo)，如壓力均勻程度、供氣穩(wěn)定程度、設(shè)備磨損要求等；確定約束條件，主要包括氣源供氣壓力與管網(wǎng)壓力界限；利用虛擬模型仿真不同參數(shù)下的輸配調(diào)度策略，確定最優(yōu)壓力、流量、閥門開合角度等參數(shù)。

(3)方案應(yīng)用

將調(diào)度方案應(yīng)用到燃?xì)庀到y(tǒng)物理實(shí)體中，實(shí)現(xiàn)多氣源/多壓力級(jí)制/多時(shí)段/多地區(qū)的精細(xì)化調(diào)度。在供給側(cè)完成氣源協(xié)調(diào)工作；在輸配側(cè)將調(diào)度方案導(dǎo)入智能SCADA系統(tǒng)，對(duì)管網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行控制，用于指示現(xiàn)場(chǎng)操作人員手動(dòng)調(diào)控設(shè)備，向企業(yè)調(diào)度中心提供決策依據(jù)等。對(duì)輸配調(diào)度結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，持續(xù)執(zhí)行以上步驟，迭代優(yōu)化輸配調(diào)度過程。

3.6 基于數(shù)字孿生的用戶服務(wù)

基于數(shù)字孿生的燃?xì)庥脩舴?wù)主要包括主動(dòng)捕捉用戶需求、提供增值服務(wù)及提升用戶服務(wù)質(zhì)量3個(gè)步驟，數(shù)字孿生技術(shù)可用于分析用戶需求、預(yù)測(cè)增值服務(wù)效果、提升服務(wù)便捷性等方面，如圖8所示。

(1)需求分析

在物理燃?xì)庀到y(tǒng)的需求側(cè)，對(duì)各類用戶用氣數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并傳輸?shù)教摂M模型中，對(duì)用戶需求進(jìn)行明確、分類、收集與整理，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘等方法，對(duì)用戶需求，如用氣量、用氣安全、設(shè)備狀態(tài)等進(jìn)行主動(dòng)分析。

(2)增值服務(wù)

1)提供燃?xì)忸愋驮鲋捣?wù)。當(dāng)前燃?xì)膺\(yùn)營商主要業(yè)務(wù)為單一的接駁、售氣服務(wù)，可基于燃?xì)馔卣乖鲋捣?wù)，如發(fā)展燃?xì)庠?、燃?xì)饩?、燃?xì)忮仩t等燃?xì)庵苯酉掠萎a(chǎn)品，以及如燃?xì)饪照{(diào)、燃?xì)飧梢聶C(jī)等新型燃?xì)庠O(shè)備的市場(chǎng)。

2)提供綜合能源增值服務(wù)。隨著燃?xì)馀c其他能源的融合以及能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，燃?xì)膺\(yùn)營商可以提供綜合能源服務(wù)，如提供氣、電、熱、冷等多種能源，并提供如綜合用能分析、用能切換、節(jié)能減排方案制定等配套服務(wù)。

3)個(gè)性化服務(wù)。根據(jù)用戶需求，為用戶提供定制化服務(wù)，如燃?xì)饩叨ㄖ?、設(shè)備定時(shí)維修、燃?xì)獗ｋU(xiǎn)等服務(wù)。

4)服務(wù)模擬。根據(jù)用戶需求分析結(jié)果及已有增值服務(wù)積累數(shù)據(jù)，利用虛擬模型對(duì)提供增值服務(wù)的面向用戶人群、定價(jià)、推廣策略等進(jìn)行模擬，據(jù)此向用戶提供相適應(yīng)的服務(wù)。

(3)便捷服務(wù)

1)轉(zhuǎn)變服務(wù)方式。升級(jí)基礎(chǔ)設(shè)施、完善信息系統(tǒng)、提升服務(wù)流程透明度，結(jié)合虛擬模型中用戶服務(wù)功能與新一化信息技術(shù)，借助網(wǎng)頁、微信、移動(dòng)應(yīng)用等工具，將如抄表、繳費(fèi)、開戶、銷戶等服務(wù)從線下轉(zhuǎn)移至線上，或形成線上為主、線下為輔的服務(wù)方式，提升服務(wù)便捷性。

2)提升服務(wù)質(zhì)量?；谛枨蟛蹲?、增值服務(wù)、線上服務(wù)等功能，提高如用戶需求響應(yīng)速度、服務(wù)準(zhǔn)確度、用戶滿意度等服務(wù)的質(zhì)量。

(4)戶內(nèi)安全提升

1)戶內(nèi)安全監(jiān)測(cè)?；诎踩腿?xì)獗怼⒅悄苋細(xì)庑孤z測(cè)裝置等設(shè)備的更新與使用，可對(duì)用戶室內(nèi)燃?xì)庥脷鈹?shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)等進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，通過虛擬模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，監(jiān)測(cè)用氣安全。

2)戶內(nèi)安全控制。基于遠(yuǎn)程控制閥、切斷閥等設(shè)備，當(dāng)用戶室內(nèi)發(fā)生燃?xì)庑孤r(shí)，虛擬模型可緊急采取及時(shí)報(bào)警、切斷閥門、放散燃?xì)獾炔僮?，最大限度降低用戶損失。

4 相關(guān)實(shí)踐工作

4.1 數(shù)字孿生燃?xì)夤芫W(wǎng)綜合調(diào)度指揮系統(tǒng)研究及實(shí)踐

為解決現(xiàn)有燃?xì)夤芫W(wǎng)調(diào)度指揮系統(tǒng)在運(yùn)行調(diào)度、應(yīng)急指揮、決策支持等方面信息化、智能化水平不足的問題，筆者團(tuán)隊(duì)結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)[39]，在燃?xì)夤艿罃?shù)字化構(gòu)建、燃?xì)庑畔⑾到y(tǒng)整合方面進(jìn)行了相關(guān)研究。

在燃?xì)夤艿罃?shù)字化構(gòu)建上，以燃?xì)夤芫W(wǎng)地理信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過數(shù)字孿生技術(shù)，集成管網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控、調(diào)度管理、應(yīng)急指揮、管道完整性管理、設(shè)備管理等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，構(gòu)建基于數(shù)字孿生體的數(shù)字化燃?xì)夤芫W(wǎng)，實(shí)現(xiàn)集輸配調(diào)度、應(yīng)急指揮、搶維修、完整性管理、知識(shí)庫管理、人員培訓(xùn)等功能于一體的燃?xì)夤芫W(wǎng)綜合調(diào)度指揮系統(tǒng)。如在多個(gè)場(chǎng)站之間應(yīng)用協(xié)同控制策略，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓、調(diào)流的區(qū)域協(xié)同；在應(yīng)急時(shí)可視化事故情況，規(guī)劃應(yīng)急路線及資源，并進(jìn)行三維虛擬方案仿真；通過視頻、地圖等方式指導(dǎo)搶維修作業(yè)；將不同部門、不同系統(tǒng)、不同業(yè)務(wù)的文檔統(tǒng)一管理并共享，完成閉環(huán)管理，如圖9所示。

在燃?xì)庑畔⑾到y(tǒng)整合上，燃?xì)夤芫W(wǎng)數(shù)字孿生體融合了SCADA、GIS、管道完整性管理等系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)整合、共享與可視化展現(xiàn)，以“一張圖”的方式實(shí)現(xiàn)集成展示、綜合分析，以及統(tǒng)一化移動(dòng)APP等服務(wù)，如圖10所示，通過移動(dòng)APP可實(shí)時(shí)查看燃?xì)庹{(diào)度信息。

4.2 數(shù)字孿生燃?xì)庀到y(tǒng)輸配調(diào)度研究及實(shí)踐

為解決現(xiàn)有燃?xì)夤芫W(wǎng)調(diào)度服務(wù)系統(tǒng)在智能調(diào)控、應(yīng)急災(zāi)備、智慧服務(wù)等方面安全性、便捷性、智能性不足的問題，筆者團(tuán)隊(duì)基于數(shù)字孿生智慧燃?xì)怅P(guān)鍵技術(shù)，對(duì)燃?xì)廨斉湔{(diào)度進(jìn)行了相關(guān)研究。

如圖11所示，基于北斗短報(bào)文、4G/5G等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了燃?xì)庀到y(tǒng)物理實(shí)體與調(diào)度平臺(tái)間的數(shù)據(jù)通信，提高了通信的可靠度；通過分布式控制、協(xié)同控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從調(diào)度平臺(tái)到場(chǎng)站的實(shí)時(shí)控制，最終實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)站與平臺(tái)間的數(shù)據(jù)雙向傳輸。如圖12所示，筆者團(tuán)隊(duì)已開發(fā)數(shù)字孿生燃?xì)庵悄軋?chǎng)站系統(tǒng)，可對(duì)各個(gè)場(chǎng)站壓力、流量等狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。如圖13所示，基于構(gòu)建的燃?xì)夤芫W(wǎng)數(shù)字孿生體，實(shí)現(xiàn)了輸配調(diào)度方案生成與迭代優(yōu)化。首先，通過實(shí)時(shí)感知、氣體泄漏檢測(cè)、分布式控制等技術(shù)感知，構(gòu)建燃?xì)庀到y(tǒng)物理實(shí)體；從幾何、物理、行為、規(guī)則4方面分別對(duì)供給側(cè)、輸配側(cè)及需求側(cè)的燃?xì)庀到y(tǒng)進(jìn)行管網(wǎng)、流程、業(yè)務(wù)等方面構(gòu)建虛擬模型，并依次進(jìn)行單元級(jí)、系統(tǒng)級(jí)與復(fù)雜系統(tǒng)級(jí)的模型組裝和驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)各級(jí)虛擬模型的邏輯融洽，構(gòu)建燃?xì)庀到y(tǒng)虛擬模型；數(shù)據(jù)中心通過北斗、4G/5G等通信方法連接物理實(shí)體數(shù)據(jù)，并接收虛擬模型運(yùn)行后的結(jié)果數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)清洗、歸一、融合等方法進(jìn)行數(shù)據(jù)的整合。然后，調(diào)度服務(wù)平臺(tái)基于整合后的數(shù)據(jù)生成初步調(diào)度方案，通過數(shù)字孿生體進(jìn)行仿真驗(yàn)證且通過人工審核后，轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行調(diào)度方案并下發(fā)至燃?xì)庀到y(tǒng)物理實(shí)體執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)站之間的協(xié)同調(diào)度。最后，通過實(shí)時(shí)監(jiān)控反饋結(jié)果，作為燃?xì)庀到y(tǒng)數(shù)字孿生體新的數(shù)據(jù)輸入，迭代優(yōu)化調(diào)度方案。

5 結(jié)束語

近年來，燃?xì)庑袠I(yè)呈現(xiàn)出市場(chǎng)下沉化、多能綜合化、運(yùn)營一體化、數(shù)據(jù)采集傳輸自動(dòng)化、設(shè)計(jì)交互化、巡檢在線化、應(yīng)急一體化等趨勢(shì)，逐步向燃?xì)庵腔刍较虬l(fā)展。同時(shí)，如物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等多種新技術(shù)被探討，并應(yīng)用到燃?xì)庑袠I(yè)中，為智慧燃?xì)獾慕ㄔO(shè)提供了新的技術(shù)手段與發(fā)展機(jī)遇。但是，燃?xì)庑袠I(yè)仍面臨著如數(shù)據(jù)獲取不全面、數(shù)據(jù)中心不規(guī)范、信息系統(tǒng)不兼容、運(yùn)維管理不智能等難題和挑戰(zhàn)。為順應(yīng)發(fā)展趨勢(shì)、把握新技術(shù)紅利、解決難題、應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，本文分析了燃?xì)庑袠I(yè)現(xiàn)狀并結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，探討提出了數(shù)字孿生智慧燃?xì)庀到y(tǒng)的概念。

數(shù)字孿生智慧燃?xì)庀到y(tǒng)是將數(shù)字孿生與燃?xì)膺\(yùn)營全周期、全流程、全業(yè)務(wù)相結(jié)合，從虛擬模型、數(shù)據(jù)中心、信息系統(tǒng)、應(yīng)用服務(wù)等方面發(fā)揮數(shù)字孿生在燃?xì)膺\(yùn)營管理中的重要作用，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)設(shè)計(jì)交互化、應(yīng)急智能一體化、輸配調(diào)度精細(xì)化等智慧化目標(biāo)的新一代燃?xì)庀到y(tǒng)。在分析闡述數(shù)字孿生智慧燃?xì)庀到y(tǒng)體系架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用服務(wù)后，本文還對(duì)當(dāng)前的相關(guān)實(shí)踐工作進(jìn)行了介紹。

未來將進(jìn)一步完善數(shù)字孿生智慧燃?xì)庀到y(tǒng)理論基礎(chǔ)，研究相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)，進(jìn)一步開發(fā)、部署及完善數(shù)字孿生智慧燃?xì)庀到y(tǒng)的各項(xiàng)應(yīng)用服務(wù)子系統(tǒng)。燃?xì)庀到y(tǒng)龐大、運(yùn)營過程復(fù)雜，本文的不足及疏漏之處，望專家同行批評(píng)指正。