数字孪生智慧燃气系统是将数字孪生技术应用于燃气运营中,与燃气系统物理实体、数据中心、信息系统等相结合,从而完成辅助管网设计、管网完整性管理、智慧巡检、智能应急、精准输配调度、用户服务等应用服务的新一代燃气系统。天然气 数字孪生应用场景如下：

1.  基于数字孪生的管网设计

基于数字孪生的管网设计主要包括需求分析、虚拟仿真设计和施工交互 3 个步骤,数字孪生技术可实现市场需求分析与预测、设计方案仿真验证、施工辅助等,使物理设计与数字孪生设计同步。

1.1 需求分析

在物理过程中,对历史需求、市场情况等需求信息进行收集或调研并进行用户建档,如用户数量、类型、地理分布、城市规划建设、其他管网建设等数据。基于得到的数据并参考已有用户需求管理模型,虚拟仿真模型可进行用户需求分析与预测、市场策略制定、工程概算等工作,如计算用户规模、预测用气量分布等。

1.2 虚拟仿真设计

设计仿真主要包括总体设计、详细设计及方案评价 3 项工作。规划设计人员在物理世界进行管网设计的同时,利用虚拟仿真模型进行可视化交互,并对设计方案全寿命周期内的输配调度、完整性管理、应急响应等各项燃气应用进行虚拟仿真,验证方案的安全性、可靠性、经济性等指标。经过迭代优化,确定最终方案,即管网设计阶段的数字孪生模型。

1.3 施工交互

施工交互主要包括施工数据采集、施工协同、施工辅助 3 项工作。在施工过程中,利用传感器、三维扫描仪、人工测量等方式采集管网施工数据。同时,对比实测数据与设计方案,核验施工过程并及时调整。在施工过程中,利用虚拟仿真模型辅助操作预演、参数确定、进度预测等作业,提高施工效果和效率。

2. 基于数字孪生的管网完整性管理

数字孪生技术贯穿于燃气完整性管理全过程,与物理实体中完整性管理相互促进。

2.1 完整性数据整合

收集并整理完整性相关数据,包括物理管网完整性数据,如管网测量、运行监测、巡检维修数据等;虚拟仿真模型完整性数据,如管网三维模型、运行仿真、评价指标数据等。对数据电子化、标准化,经过集成与融合后,导入管网完整性数据库中。

2.2 高后果区识别

对物理实体主要采用等级复核与实地调研方法进行高后果区识别,同时结合虚拟仿真模型进行可视化分析,全方位呈现管网设备设施及周围环境情况,精准确定高后果区类别、位置、等级等信息。

2.3 风险评价

对风险因素进行识别,并导入虚拟仿真模型进行仿真模拟,确定风险发生的可能性、严重性、可能的损失等结果,从而判定风险等级。

2.4 完整性评价

通过内检测法、压力试验法、直接评价法等技术,对物理管网进行缺陷检测。将检测数据导入虚拟仿真模型,使用人工智能、大数据等技术对管网的剩余寿命、损失速率等状态进行评价分析,并将结果进行可视化呈现。

2.5 维护维修

基于完整性评价结果,利用虚拟仿真模型仿真来确定维护策略,结合虚拟现实/增强现实、北斗定位等技术进行维护维修辅助,实现路线指引、操作预演、信息呈现等功能。

2.6 效能评价

维护维修后,将完整性管理全流程数据导入完整性数据库中,对此次完整性管理过程的效能进行评价,确定下一步的完整性管理时间、对象等信息,保证管网始终处于安全、完整、可靠的运行状态。

2.7 完整性管理提升燃气输配安全

管网完整性管理是提升燃气输配安全的重要组成部分。对管网基础设备设施的监测、控制、维护维修等是保证燃气运营的重要步骤,完整性管理在数据采集与处理、风险分析等方面成为提升燃气运营安全的重要手段。

3. 基于数字孪生的燃气巡检

数字孪生技术在巡检方案制定、巡检人员管理、巡检数据记录及气体泄漏分析等方面发挥着重要作用。将燃气系统物理实体的数据采集传输至虚拟仿真模型,虚拟仿真模型通过数据分析、仿真验证等方法获得巡检相关结果并反馈至物理实体,最终实现虚实一体的全空间、自适应的智能巡检。

3.1 巡检方案按需制定

设定巡检目标、巡检项目、巡检路线、巡检时间等参数,将这些参数导入孪生数据与虚拟仿真模型中,分析管网状态、衡量巡检必要性与巡检成本,模拟仿真按需巡检的巡检方案,确定巡检项目、巡检路线、巡检频率等参数。

3.2 巡检人员管理

结合精确定位技术、设备及数字孪生可视化技术,可对巡检人员进行更精确的管理,实现巡检到位监督、巡检轨迹回放、巡检排班等功能,从而提高巡检人员的巡检效率。

3.3 巡检操作辅助

结合数字孪生技术与 VR / AR 、北斗定位等技术,辅助巡检操作,如利用无人机、无人巡检车实现自动巡检,对巡检人员进行埋地管网可视化指示、巡检项目提示等。

3.4 巡检数据采集与传输

采集并记录巡检数据,如巡检到位情况、巡检目标状态、巡检时刻等数据,将巡检数据进行初步处理后上传到智慧燃气孪生数据中心,可用于新一轮巡检方案的制定。

3.5 气体泄漏分析

气体泄漏情况是燃气巡检工作的重点,利用无人巡检车、甲烷遥测仪等设备,可以精确探测燃气泄漏情况。同时,将测得数据与虚拟仿真模型结合,可模拟燃气泄漏趋势,绘制燃气泄漏云图。

4. 基于数字孪生的燃气应急

基于数字孪生的应急响应主要包括警情上报、紧急处置自动化和应急策略增强 3 部分,数字孪生技术主要可应用于自动化接警处置及对应急策略的仿真验证,实现虚实同步的智能应急。

4.1 主动报警

1 )险情预测。基于实时监控数据,虚拟仿真模型可对燃气系统物理实体进行险情预测,针对高危险级别的故障进行险情提示。2 )警情自动上报。事故发生时,将事故类型、事故地点、管网参数等警情信息自动上报,并远程自动传输到数字孪生数据中心。

4.2 接警处置

1 )紧急处理。接警后,通过虚拟仿真模型确定紧急处置方式,并利用数字孪生虚实交互功能,从虚拟仿真模型对物理实体进行远程控制,如向周围民众发出警报、远程隔断、放散等操作。

2 )及时出警。在紧急处置的同时,基于虚拟仿真模型对企业资源进行监视,确定如应急物资储备地点、应急人员所处状态等信号,实现应急资源的实时管理;根据应急资源与事故地点间的交通情况,结合GIS 、北斗定位等系统,利用虚拟仿真模型规划最优路径,减少应急反应时间。

4.3 现场应急

1 )数据综合。融合警情上报数据、智能 SCADA 系统实时监测数据、事故现场采集数据及燃气网虚拟仿真模型实时仿真数据,获得应急响应相关的综 合 数 据,并 将 数 据 传 输 到 数 字 孪 生 数 据中心。

2 )应急策略仿真。基于当前及历史应急响应相关数据,对应急策略进行仿真验证,确定最优应急策略;应急操作时,虚拟仿真模型结合 VR / AR 等技术,实现可视化、虚实交互、操作指引等功能,辅助现场人员进行应急操作。

3 )远程指挥。在现场应急时,通过远程数据传输,将现场数据、画面、音频等信息传输到指挥中心,便于指挥中心决策,实现应急现场与指挥中心的协同。

5. 基于数字孪生的输配调度

基于数字孪生的燃气输配调度重点在于对供给侧、需求侧及输配侧进行虚拟仿真,并将仿真策略应用到物理实体中,数字孪生技术可用于需求预测、供给预测及调度方案的计算和仿真。

5.1 数据采集

综合与输配调度相关的数据,包括燃气系统物理实体在供给侧、输配侧、需求侧的实测数据,如供给侧的气源类型、数量、地理位置等数据;输配侧的管网压力限制、管径、管网拓扑结构等数据;需求侧的用户类型、用户数量、大用户用气申报等数据,并将数据传输到虚拟仿真模型当中。

5.2 调度仿真

1 )供给预测与需求预测。基于供给侧、需求侧相关数据,利用虚拟仿真模型进行多气源/多压力级制/多时段/多地区等不同条件下的供给预测与需求预

测。在供给预测时,结合燃气气源,如生物质气、煤质气、 LNG 等多种气源,保证供气的多样性与安全性。

2 )输配方案仿真。基于燃气系统物理实体输配侧相关数据,结合供给预测与需求预测,对输配方案进行仿真。确定输配调度优化目标,如压力均匀程度、供气稳定程度、设备磨损要求等;确定约束条件,主要包括气源供气压力与管网压力界限;利用虚拟仿真模型仿真不同参数下的输配调度策略,确定最优压力、流量、阀门开合角度等参数。

5.3 方案应用

将调度方案应用到燃气系统物理实体中,实现多气源/多压力级制/多时段/多地区的精细化调度。在供给侧完成气源协调工作;在输配侧将调度方案导入智能 SCADA 系统,对管网设备进行控制,用于指示现场操作人员手动调控设备,向企业调度中心提供决策依据等。对输配调度结果进行实时监测,持续执行以上步骤,迭代优化输配调度过程。

6. 基于数字孪生的用户服务

基于数字孪生的燃气用户服务主要包括主动捕捉用户需求、提供增值服务及提升用户服务质量 3 个步骤,数字孪生技术可用于分析用户需求、预测增值服务效果、提升服务便捷性等方面。

6.1 需求分析

在物理燃气系统的需求侧,对各类用户用气数据进行采集,并传输到虚拟仿真模型中,对用户需求进行明确、分类、收集与整理,结合大数据分析、数据挖掘等方法,对用户需求,如用气量、用气安全、设备状态等进行主动分析。

6.2 增值服务

1 )提供燃气类型增值服务。当前燃气运营商主要业务为单一的接驳、售气服务,可基于燃气拓展增值服务,如发展燃气灶、燃气具、燃气锅炉等燃气直接下游产品,以及如燃气空调、燃气干衣机等新型燃气设备的市场。

2 )提供综合能源增值服务。随着燃气与其他能源的融合以及能源互联网的发展,燃气运营商可以提供综合能源服务,如提供气、电、热、冷等多种能

源,并提供如综合用能分析、用能切换、节能减排方案制定等配套服务。

3 )个性化服务。根据用户需求,为用户提供定制化服务,如燃气具定制、设备定时维修、燃气保险等服务。

4 )服务模拟。根据用户需求分析结果及已有增值服务积累数据,利用虚拟仿真模型对提供增值服务的面向用户人群、定价、推广策略等进行模拟,据此向用户提供相适应的服务。

6.3 便捷服务

1 )转变服务方式。升级基础设施、完善信息系统、提升服务流程透明度,结合虚拟仿真模型中用户服务功能与新一化信息技术,借助网页、微信、移动应用等工具,将如抄表、缴费、开户、销户等服务从线下转移至线上,或形成线上为主、线下为辅的服务方式,提升服务便捷性。

2 )提升服务质量。基于需求捕捉、增值服务、线上服务等功能,提高如用户需求响应速度、服务准确度、用户满意度等服务的质量。

6.4 户内安全提升

1 )户内安全监测。基于安全型燃气表、智能燃气泄漏检测装置等设备的更新与使用,可对用户室内燃气用气数据、设备状态等进行实时采集,通过虚拟仿真模型进行数据分析,监测用气安全。

2 )户内安全控制。基于远程控制阀、切断阀等设备,当用户室内发生燃气泄漏时,虚拟仿真模型可紧急采取及时报警、切断阀门、放散燃气等操作,最大限度降低用户损失。