關于數字孿生設備健康診斷平臺的設計探討

摘要：數字孿生設備健康診斷平臺基于數字孿生、三維可視化、物聯網、設備運行機理等技術融合應用的設備狀態(tài)監(jiān)測模塊，通過對重要設備全量數據的感知，從而輔助設備管理人員實現基于設備運行全量數據的健康評估，是智慧電廠應用的深度體現。基于此，本文對其設計展開了詳細探討，以供參考。

關鍵詞：數字孿生；智慧電廠；平臺設計

DOI：10.12433/zgkjtz.20241319

設備狀態(tài)監(jiān)控及設備可靠性評估是電廠機組安全生產的重要保障，因此，在設備的全壽命周期中，通過對設備的狀態(tài)監(jiān)控及狀態(tài)評估來實現機組可靠性和經濟性的優(yōu)化平衡，對電廠的生產經營具有重要意義。近年來，隨著智能電廠建設越來越廣泛，以數字孿生技術為基礎，設備狀態(tài)監(jiān)測、狀態(tài)評估為核心的設備管理在我國發(fā)電行業(yè)得到了積極推廣。

一、總體結構和模塊外部設計

平臺架構采用低耦合的B/S開發(fā)架構，采用二三維交互、前后端分離、模塊化設計方式。無需在固定環(huán)境安裝客戶端，直接通過瀏覽器網頁端或移動端登錄，避免了采用C/S模式所帶來的安裝繁瑣和對硬件性能的嚴苛要求。平臺架構如圖1。

二、主要功能及技術特點

（一）駕駛艙

通過多維圖表展示設備健康狀況及預警情況，可幫助管理人員快速了解電廠設備情況，包括重大預警列表、未解決預警列表、未檢修列表、健康設備占比、電廠整體設備健康評估等信息。

（二）模型中心

模型中心列出系統(tǒng)中所有的模型文件信息。可對三維模型進行管理，可進行模型上傳、下載、修改信息等操作。

查詢：可以通過選擇模型類型、選擇/輸入模型名稱、上傳時間查詢對應三維模型。

上傳：上傳三維模型及模型信息，包括模型名冊、縮略圖、模型類型、版本等信息。

刪除：輸入正確操作密碼可刪除對應模型。

（三）數據采集

將機組DCS系統(tǒng)或者已有的SIS系統(tǒng)實時數據進行接入，并對采集到的數據進行校驗，可根據機組名稱進行查詢。

（四）設備實時監(jiān)控

基于三維模型進行測點信息展示，可根據選擇機組、設備類型、選擇/輸入設備名稱查詢對應設備，點擊設備測點按鈕可查看實時測點數據。

當設備有預警時，該設備將在機組設備畫面中呈現紅色閃爍，提醒相關人員進行關注和檢查。

（五）模型詳情

可查看模型相關信息。

操作：三維模型瀏覽器提供常用的基本操作，主要包含點平移、旋轉、縮放、點選、隱藏/顯示。

平移：鼠標中鍵平移模型。

旋轉：鼠標左鍵旋轉，單擊修改錨點（旋轉中心點），右鍵默認旋轉。

縮放：中鍵滾輪滾動放大或縮小模型。

點選：點擊點選按鈕，左鍵切換為點擊模型對象。

隱藏：左鍵點擊對象后，點擊隱藏按鈕則當前對象被隱藏，一般模型存在遮擋物影響查看時，可使用此功能。

顯示上一個：點擊按鈕，逐個恢復被隱藏的對象。

顯示全部：點擊按鈕，恢復全部被隱藏的對象。

查看信息：展開模型樹列表，可以查看模型對象信息，包括屬性、關聯位號、上下級。點擊關聯文檔，可以查看有關聯的圖紙資料，并實現二三維聯動，系統(tǒng)圖中帶KKS編碼，則會自動居中。

用戶通過模型文件進行資產對象快速檢索、定位和查閱相關信息，結合實地快速解決問題。模型文件同時也可以模擬項目工程施工進度情況，在接入第三方系統(tǒng)進行集成時，會有更廣泛的應用。

（六）設備信息庫

設備信息庫是設備管理的基礎，可對設備信息、文件進行管理，并可自動解析文件，自動與三維模型進行關聯，可支持模型中心點擊模型部件查看。

查詢：可根據選擇機組、設備類型、選擇/輸入設備名稱查詢對應設備信息。

增加：可增加設備及設備信息、文件，包括全廠設備全生命周期的規(guī)格型號、設備圖紙、說明書、運行檢修規(guī)程、行業(yè)標準、檢修記錄（包含技改記錄）、備品備件等相關信息，支持對設備投運前信息、運行信息、檢修試驗信息、運行環(huán)境信息、家族缺陷信息等進行全方位收集和展示。

編輯：對設備及設備信息、文件進行修改。

刪除：輸入操作密碼可刪除對應設備信息。

（七）設備故障庫

設備故障庫以設備的實時數據和標準算法為基礎，搭建結合電廠各專業(yè)工程師設備故障經驗，實現電廠每一臺設備建立獨立的故障庫。

查詢：可以通過機組、區(qū)域以及設備類型等進行分類形成設備列表，方便用戶找尋所需信息；同時支持設備名稱的模糊查詢，以及按照專業(yè)檢索相關的信息。

增加：針對設備不同故障類型增加故障經驗。

刪除：輸入操作密碼可刪除對應設備信息。

編輯：對故障經驗進行修改。

（八）設備預警

故障庫平臺中實時數據滿足故障庫設置條件時，平臺將在預警模塊中將故障信息進行展示，信息內容包括預警時間、機組、設備名稱、預警名稱、預警類型等相關信息，同時支持在線完成業(yè)務流程操作，實現預警功能的閉環(huán)管理；同時平臺可通過機組或者類型實現預警數量的統(tǒng)計，并通過圖形的方式進行展示。

當設備有預警時，該設備將在機組設備畫面中呈現紅色閃爍，提醒相關人員進行關注和檢查。

（九）專家診斷庫

對故障預警信息相關檢修內容的預設，當預警發(fā)生時系統(tǒng)可自動彈出對應設備檢修信息，幫助檢修人員高效快捷地完成相關檢修任務。

查詢：可以通過選擇故障類型、故障時間、設備類型、選擇/輸入設備名稱，查詢對應專家診斷信息。

增加：對故障預警增加指導檢修內容，包括工作票、所需工器具及消耗品、工作風險及預防措施、檢修方案以及所需人員和預計工期等。

刪除：輸入操作密碼可刪除對應專家指導信息。

編輯：對指導內容進行修改。

（十）設備檢修管理

設備檢修管理可對檢修信息進行增刪改查操作。

查詢：可以通過選擇設備類型、檢修時間、選擇/輸入設備名稱，查詢對應檢修信息。

檢修詳情：可查看設備檢修詳情，包括工作票、所需工器具及消耗品、工作風險及預防措施、檢修方案以及所需人員和預計工期等信息。

刪除：輸入操作密碼可刪除對應檢修信息。

編輯：可對檢修信息進行修改。

三、接口設計

（一）接口設計原則

使用簡單、快捷，通用性好，可靠性強；

充分考慮接口所涉及的各個系統(tǒng)的應用擴展情況，能靈活地支撐需求變化；

保證接口數據在接口所涉及的各個系統(tǒng)間的一致性；

接口數據能夠自動導出和導入。

（二）外部接口

對外接口設計是確保不同系統(tǒng)或應用之間能夠進行有效數據交互和通信的關鍵環(huán)節(jié)。

對外接口包括從DCS、SIS系統(tǒng)等獲取數據，接口設計原則包括：

接口需求分析：在開始設計接口之前，首先要明確接口的需求，包括輸入輸出格式、參數、異常處理等。這有助于確保接口的功能性和可用性。

接口標準化：采用標準的接口規(guī)范，例如RESTful API或SOAP等，以實現跨平臺的數據交互。這有助于提高接口的兼容性和可擴展性。

接口安全性：確保接口的安全性，例如，進行身份驗證和訪問權限控制，以免未經授權的訪問和數據泄露。同時，應考慮加密傳輸數據，以增強數據的安全性。

接口文檔：提供詳細的接口文檔，以幫助使用方了解和掌握接口的使用方法、參數、返回值等。這有助于提高接口的易用性和可維護性。

接口性能優(yōu)化：通過優(yōu)化接口性能，例如，采用緩存技術、負載均衡等措施，以提高接口的響應速度和并發(fā)能力。同時，應定期監(jiān)控接口的性能指標，及時發(fā)現和解決問題。

接口擴展性：在設計接口時，要考慮到未來的擴展需求，例如，添加新的參數、功能等。這有助于保持接口的可擴展性和靈活性。

接口穩(wěn)定性：確保接口的穩(wěn)定性，例如，采取容錯機制、備份方案等措施，以保證接口的可用性和可靠性。同時，應定期對接口進行測試，以確保其功能正常、性能達標。

對外接口設計通過標準化、文檔化、優(yōu)化和測試等方面的努力，可以打造高效、可靠的對外接口，為不同系統(tǒng)或應用之間的交互和通信提供有力支持。

（三）內部接口

內部接口設計主要指系統(tǒng)內部各模塊之間的交互和通信方式。在軟件工程中，內部接口設計是實現軟件模塊化、提高軟件可維護性和可重用性的關鍵。內部接口設計需要考慮到模塊之間的數據傳輸、函數調用、事件觸發(fā)等交互方式。

定義明確的接口規(guī)范：制定接口的訪問級別、參數要求、返回值等規(guī)范，使得各模塊之間的交互有章可循。

采用標準化的接口：采用業(yè)界標準的接口，如RESTful API、SOAP等，可以提高軟件的可重用性和易用性。

接口參數校驗：對傳遞的參數進行校驗，確保數據的有效性和安全性。

接口文檔編寫：編寫接口文檔，詳細說明接口的用途、參數、返回值等信息，方便開發(fā)人員使用和維護。

接口測試：對接口進行測試，確保接口的穩(wěn)定性和可靠性。

內部接口設計是軟件開發(fā)中的重要環(huán)節(jié)，需要考慮到軟件的模塊化、可維護性、可重用性和可擴展性等因素，以提高軟件的整體質量和性能。

四、結語

總之，數字孿生技術憑借自身多項優(yōu)勢，能夠對電力產業(yè)數字化、網絡化和智能化發(fā)展起到有力推動作用。將其應用于設備狀態(tài)監(jiān)控及設備可靠性評估等方面，能夠讓設備運行的可靠性和經濟性得到顯著提升，并降低總體經營成本。通過結合數字孿生技術、“互聯網+”、大數據以及工業(yè)互聯網等手段，能夠進一步提高電廠生產效率。

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