智慧燃气数字孪生解决方案将数字孪生技术与燃气供给侧、输配侧和需求侧的关键场景、关键对象、关键服务紧密结合，从而构建数字孪生智慧燃气系统，可实现辅助管网设计、完整性管理、燃气巡检、应急响应、精准输配调度及用户服务等功能。
1. 智慧燃气数字孪生解决方案系统架构
数字孪生智慧燃气系统主要由物理实体、虚拟模型、数字孪生数据中心、信息系统和应用服务5大模块组成。
1.1 物理实体
物理实体是数字孪生智慧燃气系统的物理承载,包括所有可连入燃气系统的终端,如供给侧的燃气门站、储气罐等,输配侧的管线、阀井等，需求侧的燃气表、燃气具等相关设备设施,以及人员、车辆等企业资源。物理实体通过传感器、人工测量等方式实现对燃气系统的感知;通过控制器实现不同部件的协同调控。物理实体与虚拟模型实时同步、交互,在迭代中不断优化。
1.2 虚拟模型
虚拟模型是实体燃气系统在计算机中的精准虚拟映射，是数字孪生智慧燃气系统的基础。在构建虚拟模型时，需要考虑以下重点：（1）在建模对象上,与物理实体相对应,从供给侧、输配侧及需求侧对燃气系统建立对应的虚拟模型;（2）在建模内容上,建立包括燃气系统的几何(如管网口径、走向、埋深等)、物理(如管网材料、气质组分等)、行为(如阀门开合、气体放散等)及规则(管网对气体的承载能力、土壤环境对管道的腐蚀等)模型;（3）在模建立过程中,分别从单元级、系统级与复杂系统级上逐步构建、组装、验证虚拟模型,最终在各方面、各层级上均实现精准建模。
虚拟模型接收来自物理实体的数据和更新状态,同时根据相应的理论与方法进行仿真、优化、决策等操作,并将结果传递到物理实体,与物理实体保持实时同步和交互。
1.3 数字孪生数据中心
数字孪生数据中心是数字孪生智慧燃气系统的数据集散地。一方面,数据中心集成了数字孪生智慧燃气系统物理实体、虚拟模型、信息系统以及应用服务所产生的全生命周期数据;另一方面,数据中心向燃气系统的各部分提供数据,是控制物理实体、更新虚拟模型、驱动信息系统、实现各项应用服务的数据基础。通过数字孪生数据中心,数据在燃气系统内流通与共享。
1.4 信息系统
信息系统是承载数字孪生智慧燃气系统中各个应用服务的主体,将相关的信息系统集成到数字孪生智慧燃气系统平台上,实现统一管理和协调运行。燃气系统中信息系统主要分为生产运营类、市场营销类及企业管理类,不同类型的智能系统各司其责,共同支撑数字孪生智慧燃气系统各应用服务的执行。
（1）生产运营类
生产运营类信息系统指与燃气生产运营相关的信息系统,主要包括SCADA系统（数据采集与监视控制）和 GIS 。前者可实现实时监测、数据采集、远程控制等功能;后者是燃气运营中管网位置、周围环境指示、移动巡检地图等功能的重要载体。其他如智能巡检系统将巡检过程中路线规划、数据采集、到位监督等功能综合为一体,应急响应系统可结合GIS 与视频,将应急现场与指挥中心实时连接。
（2）市场营销类
市场营销类信息系统主要与燃气市场营销活动相关,如用户管理系统主要处理与用户直接相关的业务,如抄表、计费、报修等;用户发展管理系统与发展用户、管理项目相关,如报装、规划、设计、施工、验收等。
（3）企业管理类
企业管理类系统主要涉及企业的资产管理及企业办公相关工作,如企业资产管理系统用于提高资产运营效率、降低维护成本;协同办公管理系统连通各办公环境,提高企业内部信息流畅度。
2. 数字孪生智慧燃气系统功能
数字孪生智慧燃气系统的功能主要包括管网设计、完整性管理、燃气巡检、应急响应、智能输配调度、用户服务等。
2.1 管网设计
数字孪生数据中心集成管网规划设计相关的多源数据,提供全面的数据基础;规划设计时,通过虚拟模型进行可视化交互设计和仿真验证,确定最优方案;施工时,对比设计方案与施工结果,两者交互并及时修正。
2.2 完整性管理
在进行风险评价和完整性评价时,可利用虚拟模型进行评价结果量化,提高风险与故障预警的准确性;在进行维修维护前,通过对维护维修方案进行仿真验证,提高维修维护的效果与效率。
2.3 燃气巡检
利用虚拟模型进行巡检方案制定,实现按需巡检、精准巡检;利用虚拟模型的可视化功能向巡检人员提供虚实一体的巡检辅助,如定位辅助、操作引导、埋地管线指示等。
2.4 应急响应
基于实时监控,利用虚拟模型对管网状态进行评估,及时、主动预报燃气事故;结合报警综合信息、GIS 、虚拟模型仿真,及时规划应急路线、调配应急资源;现场处置时,通过虚拟模型实时仿真事故状况和应急方案,辅助现场人员及指挥中心进行决策。
2.5 智能输配调度
根据用户用气数据及其影响因素进行需求预测,根据供气数据进行供应预测并进行气源协调,在管网压力、温度、流量等约束条件下,利用虚拟模型仿真燃气输配调度方案,确定调度剖面、各参数设置等。
2.6 用户服务
通过对用户用气数据的分析与预测,可提前捕捉用户需求,实现主动服务;结合数字孪生数据、云平台、移动互联网等,实现线上 + 线下的服务方式,提供便捷服务;除燃气分销外,根据用户不同需求提供如燃气保险、节能减排分析等增值服务。
智慧燃气数字孪生解决方案将数字孪生与燃气运营全周期、全流程、全业务相结合,从虚拟模型、数据中心、信息系统、应用服务等方面发挥数字孪生在燃气运营管理中的重要作用,实现管网设计交互化、应急智能一体化、输配调度精细化等智慧化目标。
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