关于数字孪生设备健康诊断平台的设计探讨

王贵海 罗中 芮立雪

摘要：数字孪生设备健康诊断平台基于数字孪生、三维可视化、物联网、设备运行机理等技术融合应用的设备状态监测模块，通过对重要设备全量数据的感知，从而辅助设备管理人员实现基于设备运行全量数据的健康评估，是智慧电厂应用的深度体现。基于此，本文对其设计展开了详细探讨，以供参考。

关键词：数字孪生；智慧电厂；平台设计

DOI：10.12433/zgkjtz.20241319

设备状态监控及设备可靠性评估是电厂机组安全生产的重要保障，因此，在设备的全寿命周期中，通过对设备的状态监控及状态评估来实现机组可靠性和经济性的优化平衡，对电厂的生产经营具有重要意义。近年来，随着智能电厂建设越来越广泛，以数字孪生技术为基础，设备状态监测、状态评估为核心的设备管理在我国发电行业得到了积极推广。

一、总体结构和模块外部设计

平台架构采用低耦合的B/S开发架构，采用二三维交互、前后端分离、模块化设计方式。无需在固定环境安装客户端，直接通过浏览器网页端或移动端登录，避免了采用C/S模式所带来的安装繁琐和对硬件性能的严苛要求。平台架构如图1。

二、主要功能及技术特点

（一）驾驶舱

通过多维图表展示设备健康状况及预警情况，可帮助管理人员快速了解电厂设备情况，包括重大预警列表、未解决预警列表、未检修列表、健康设备占比、电厂整体设备健康评估等信息。

（二）模型中心

模型中心列出系统中所有的模型文件信息。可对三维模型进行管理，可进行模型上传、下载、修改信息等操作。

查询：可以通过选择模型类型、选择/输入模型名称、上传时间查询对应三维模型。

上传：上传三维模型及模型信息，包括模型名册、缩略图、模型类型、版本等信息。

删除：输入正确操作密码可删除对应模型。

（三）数据采集

将机组DCS系统或者已有的SIS系统实时数据进行接入，并对采集到的数据进行校验，可根据机组名称进行查询。

（四）设备实时监控

基于三维模型进行测点信息展示，可根据选择机组、设备类型、选择/输入设备名称查询对应设备，点击设备测点按钮可查看实时测点数据。

当设备有预警时，该设备将在机组设备画面中呈现红色闪烁，提醒相关人员进行关注和检查。

（五）模型详情

可查看模型相关信息。

操作：三维模型浏览器提供常用的基本操作，主要包含点平移、旋转、缩放、点选、隐藏/显示。

平移：鼠标中键平移模型。

旋转：鼠标左键旋转，单击修改锚点（旋转中心点），右键默认旋转。

缩放：中键滚轮滚动放大或缩小模型。

点选：点击点选按钮，左键切换为点击模型对象。

隐藏：左键点击对象后，点击隐藏按钮则当前对象被隐藏，一般模型存在遮挡物影响查看时，可使用此功能。

显示上一个：点击按钮，逐个恢复被隐藏的对象。

显示全部：点击按钮，恢复全部被隐藏的对象。

查看信息：展开模型树列表，可以查看模型对象信息，包括属性、关联位号、上下级。点击关联文档，可以查看有关联的图纸资料，并实现二三维联动，系统图中带KKS编码，则会自动居中。

用户通过模型文件进行资产对象快速检索、定位和查阅相关信息，结合实地快速解决问题。模型文件同时也可以模拟项目工程施工进度情况，在接入第三方系统进行集成时，会有更广泛的应用。

（六）设备信息库

设备信息库是设备管理的基础，可对设备信息、文件进行管理，并可自动解析文件，自动与三维模型进行关联，可支持模型中心点击模型部件查看。

查询：可根据选择机组、设备类型、选择/输入设备名称查询对应设备信息。

增加：可增加设备及设备信息、文件，包括全厂设备全生命周期的规格型号、设备图纸、说明书、运行检修规程、行业标准、检修记录（包含技改记录）、备品备件等相关信息，支持对设备投运前信息、运行信息、检修试验信息、运行环境信息、家族缺陷信息等进行全方位收集和展示。

编辑：对设备及设备信息、文件进行修改。

删除：输入操作密码可删除对应设备信息。

（七）设备故障库

设备故障库以设备的实时数据和标准算法为基础，搭建结合电厂各专业工程师设备故障经验，实现电厂每一台设备建立独立的故障库。

查询：可以通过机组、区域以及设备类型等进行分类形成设备列表，方便用户找寻所需信息；同时支持设备名称的模糊查询，以及按照专业检索相关的信息。

增加：针对设备不同故障类型增加故障经验。

删除：输入操作密码可删除对应设备信息。

编辑：对故障经验进行修改。

（八）设备预警

故障库平台中实时数据满足故障库设置条件时，平台将在预警模块中将故障信息进行展示，信息内容包括预警时间、机组、设备名称、预警名称、预警类型等相关信息，同时支持在线完成业务流程操作，实现预警功能的闭环管理；同时平台可通过机组或者类型实现预警数量的统计，并通过图形的方式进行展示。

当设备有预警时，该设备将在机组设备画面中呈现红色闪烁，提醒相关人员进行关注和检查。

（九）专家诊断库

对故障预警信息相关检修内容的预设，当预警发生时系统可自动弹出对应设备检修信息，帮助检修人员高效快捷地完成相关检修任务。

查询：可以通过选择故障类型、故障时间、设备类型、选择/输入设备名称，查询对应专家诊断信息。

增加：对故障预警增加指导检修内容，包括工作票、所需工器具及消耗品、工作风险及预防措施、检修方案以及所需人员和预计工期等。

删除：输入操作密码可删除对应专家指导信息。

编辑：对指导内容进行修改。

（十）设备检修管理

设备检修管理可对检修信息进行增删改查操作。

查询：可以通过选择设备类型、检修时间、选择/输入设备名称，查询对应检修信息。

检修详情：可查看设备检修详情，包括工作票、所需工器具及消耗品、工作风险及预防措施、检修方案以及所需人员和预计工期等信息。

删除：输入操作密码可删除对应检修信息。

编辑：可对检修信息进行修改。

三、接口设计

（一）接口设计原则

使用简单、快捷，通用性好，可靠性强；

充分考虑接口所涉及的各个系统的应用扩展情况，能灵活地支撑需求变化；

保证接口数据在接口所涉及的各个系统间的一致性；

接口数据能够自动导出和导入。

（二）外部接口

对外接口设计是确保不同系统或应用之间能够进行有效数据交互和通信的关键环节。

对外接口包括从DCS、SIS系统等获取数据，接口设计原则包括：

接口需求分析：在开始设计接口之前，首先要明确接口的需求，包括输入输出格式、参数、异常处理等。这有助于确保接口的功能性和可用性。

接口标准化：采用标准的接口规范，例如RESTful API或SOAP等，以实现跨平台的数据交互。这有助于提高接口的兼容性和可扩展性。

接口安全性：确保接口的安全性，例如，进行身份验证和访问权限控制，以免未经授权的访问和数据泄露。同时，应考虑加密传输数据，以增强数据的安全性。

接口文档：提供详细的接口文档，以帮助使用方了解和掌握接口的使用方法、参数、返回值等。这有助于提高接口的易用性和可维护性。

接口性能优化：通过优化接口性能，例如，采用缓存技术、负载均衡等措施，以提高接口的响应速度和并发能力。同时，应定期监控接口的性能指标，及时发现和解决问题。

接口扩展性：在设计接口时，要考虑到未来的扩展需求，例如，添加新的参数、功能等。这有助于保持接口的可扩展性和灵活性。

接口稳定性：确保接口的稳定性，例如，采取容错机制、备份方案等措施，以保证接口的可用性和可靠性。同时，应定期对接口进行测试，以确保其功能正常、性能达标。

对外接口设计通过标准化、文档化、优化和测试等方面的努力，可以打造高效、可靠的对外接口，为不同系统或应用之间的交互和通信提供有力支持。

（三）内部接口

内部接口设计主要指系统内部各模块之间的交互和通信方式。在软件工程中，内部接口设计是实现软件模块化、提高软件可维护性和可重用性的关键。内部接口设计需要考虑到模块之间的数据传输、函数调用、事件触发等交互方式。

定义明确的接口规范：制定接口的访问级别、参数要求、返回值等规范，使得各模块之间的交互有章可循。

采用标准化的接口：采用业界标准的接口，如RESTful API、SOAP等，可以提高软件的可重用性和易用性。

接口参数校验：对传递的参数进行校验，确保数据的有效性和安全性。

接口文档编写：编写接口文档，详细说明接口的用途、参数、返回值等信息，方便开发人员使用和维护。

接口测试：对接口进行测试，确保接口的稳定性和可靠性。

内部接口设计是软件开发中的重要环节，需要考虑到软件的模块化、可维护性、可重用性和可扩展性等因素，以提高软件的整体质量和性能。

四、结语

总之，数字孪生技术凭借自身多项优势，能够对电力产业数字化、网络化和智能化发展起到有力推动作用。将其应用于设备状态监控及设备可靠性评估等方面，能够让设备运行的可靠性和经济性得到显著提升，并降低总体经营成本。通过结合数字孪生技术、“互联网+”、大数据以及工业互联网等手段，能够进一步提高电厂生产效率。

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