Онтологический подход к построению цифровых двойников объектов и систем энергетики

Создание цифровых двойников – это один из современных трендов в развитии цифровых технологий. По данным института Гартнера 1 , «цифровой двойник» вошёл в десятку главных стратегических технологических трендов 2019 года. Актуальность построения цифровых двойников обусловлена проблемами развития энергетической отрасли в условиях реализации программы цифровизации экономики и задач, сформулированных в рамках стратегической программы исследований энергетики и проекта «Цифровая энергетика» [1].

Концепция цифровых двойников может быть использована для решения задач интеллектуального управления системами энергетики на разных уровнях и этапах их функционирования, в том числе мониторинга, оценки ситуаций и принятия решений, а также, проектирования и прогнозирования развития объектов и систем энергетики.

В статье рассматриваются возможности использования результатов научных исследований, выполняемых в Институте систем энергетики им. Л.А. Мелентьева (ИСЭМ) СО РАН на основе математического моделирования и семантических технологий, в частности, онтологического моделирования для разработки цифровых двойников объектов и систем энергетики [2].

Семантические технологии используются для обработки и интеграции данных и позволяют работать со смыслом информации, структурировать концептуализированные знания [3]. В статье рассматривается онтологический подход к построению цифровых двойников на примере систем теплоэнергетики.

1    Понятие цифровых двойников

Концепция цифровых двойников ( Digital Twin ) относится к числу базовых элементов высокотехнологичной и интеллектуальной системы управления в контексте четвёртой промышленной революции ( Industry 4.0) [4, 5]. Разработка цифровых двойников объектов энергетики расширит возможности решения задач проектирования, прогнозирования и управления в системах энергетики за счет моделирования структуры объектов и производственных процессов, имитации их деятельности с помощью разработанных моделей.

Стратегическая программа исследований технологической платформы «Интеллектуальная энергетическая система России» 2 , предусматривает ряд ключевых технологий для реализации в интеллектуальных системах управления развитием и функционированием энергетических систем [6-8]. К ним относятся технологии мониторинга и оценки ситуаций, в том числе оценки устойчивости состояния энергосистемы, выработки и принятия решений; технологии обмена данными на основе единого информационно-технологического пространства, включающие описание процессов управления, массивов характеристик объектов и нормативно-справочной информации; технологии создания приложений, обеспечивающих обработку и анализ данных, необходимые расчёты для принятия управленческих решений и др.

Создание цифровых двойников энергетических систем рассматривается как один из инструментов в интеллектуальных системах управления развитием и функционированием энергетических систем и комплексов. Строгого определения понятия «цифровой двойник» пока не существует [9-12], однако смысл появления такого термина состоит в том, чтобы создать виртуальную модель или прототип физического объекта, отображающие его компоненты и процесс функционирования с использованием реальных или виртуальных данных [13, 14]. Основные задачи такого моделирования – управление функционированием объекта, прогнозирование его поведения, проверка гипотез и проведение экспериментов, основываясь на реальных или экспериментальных данных [15, 16].

Рассматриваются следующие типы цифровых двойников [10, 11]:

• ■    двойник-прототип, как аналог реального объекта, содержащий информацию для описания его жизненного цикла от производства до утилизации;

• ■    двойник-экземпляр, основанный на информации о составе, материалах, комплектующих и данных о мониторинге конкретного реального объекта;

• ■    агрегированный двойник содержит информацию двойника-прототипа и двойника-экземпляра.

Выделяют цифровые двойники продукта, процесса и системы [10]. В [16] вводится понятие «цифровой образ», который, наряду с моделями и данными объекта техники, включает в себя поведенческие и когнитивные модели связанной с ним человеческой деятельности (например, операторов оборудования, административного персонала). Используется также понятие «цифровая тень», которое определяют как систему связей и зависимостей, описыва-

• 2    Технологическая платформа «Интеллектуальная электроэнергетическая система России» http://rosenergo.gov.ru/regulations_and_methodologies/tehnologicheskaya_platforma_tp_ies .

ющих поведение реального объекта, и содержащихся в данных, получаемых с реального объекта при помощи сетевых технологий. Цифровая тень способна предсказать поведение реального объекта только в тех условиях, в которых осуществлялся сбор данных, но не позволяет моделировать другие ситуации [11].

Анализ исследований, выполняемых в области использования концепции цифровых двойников [12, 17], подтверждает актуальность построения цифровых двойников для применения в интеллектуальных системах управления развитием энергетических систем. При этом для энергетических систем и объектов разных уровней возможно применение разных типов цифровых двойников.

2    Интеграция моделей при построении цифровых двойников

Концепция цифровых двойников предполагает разработку моделей разных типов и направлений для решения различных задач моделирования структуры и процессов. Такими задачами могут быть снижение затрат и времени на проектирование, отработка перспективных технических решений на виртуальных моделях, выработка предложений по режимам эксплуатации с учётом особенностей объекта и другие [15].

На рисунке 1 представлена архитектура цифрового двойника энергетической системы, являющаяся обобщением схемы, предложенной для электроэнергетических систем в [17]. Архитектура отражает интеграцию математического, имитационного, информационного и онтологического моделирования. При этом предполагается обмен данными и передача информации с одного уровня моделей на другой.

Рисунок 1 – Архитектура цифрового двойника энергетической системы

Информационные модели в широком смысле представляют собой совокупность информации о наиболее существенных свойствах и параметрах объекта или процесса. В более узком смысле информационные (инфологические) модели в информатике используются при разработке баз данных и являются их основой, так как отражают набор данных об объектах, их наименования, структуру, взаимосвязи, ограничения и т.д. На современном этапе развития информационных технологий производственные и технологические процессы все более тесно интегрируются с информационными системами, в результате чего создаются киберфи-зические системы, в том числе и в энергетике. В исследованиях энергетики находят применение разнообразные информационные модели, как для разработки баз данных, так и для описания и представления структуры систем энергетики, исследуемых объектов и процессов.

Для решения задачи анализа, проектирования, прогнозирования, оптимизации объектов и систем энергетики широко используется математическое и имитационное моделирование топливно-энергетического комплекса в целом, отдельных систем энергетики, энергетических объектов и их элементов. Разрабатываются программные комплексы (ПК) на основе моделей, а знания о структуре систем, прикладных задачах и математических моделях представляются в виде онтологий [18].

Технология цифровых двойников предполагает междисциплинарное моделирование, т.е. интеграцию результатов численного моделирования структурных элементов и физических процессов в системе на основе обмена данными между компонентами системы.

3    Онтологический инжиниринг как этап проектированияцифровых двойников

Предложены следующие этапы перехода к цифровым двойникам в исследованиях энергетических систем [2]:

• 1)    Анализ существующих математических моделей и реализующих их ПК;

• 2)    Онтологический инжиниринг предметной области (ПрО) и построение онтологической модели;

• 3)    Определение исходных данных или потоков данных (состав, источники получения, возможность получения оперативных данных, базы данных и др.) и их взаимодействия с математическими моделями;

• 4)    Модификация математических моделей и реинжиниринг программ и ПК;

• 5)  Разработка web-приложений и web-сервисов для реализации цифровых двойников.

• 6)    Реализация цифровых двойников.

Использование семантических технологий, в частности онтологического моделирования, предусматривает работу не только с данными, но и со знаниями, т.е. со смыслом информации.

Онтологии дают возможность представлять знания в формализованном виде, удобном для автоматизированной обработки и решать следующие задачи:

• ■    интеграция и структурирование данных, знаний, задач и систем;

• ■    обеспечение доступности и восприятия информации и обмен знаниями;

• ■    структурирование знаний для поддержки имитационного моделирования;

• ■    описание взаимообмена данными и знаниями между семантическими и математическими моделями;

• ■    поддержка принятия решений и получение логических выводов.

Все эти задачи требуется решать при построении цифровых двойников.

Онтологическое описание моделей разных уровней, с учётом информационных взаимосвязей и обмена данными, даёт возможность интеграции их в единый моделирующий комплекс.

В структуре онтологических моделей для построения цифровых двойников в энергетике предлагается рассматривать разные уровни детализации.

• ■    Онтология верхнего уровня (метаонтология исследований) - базовые концепты, относящиеся к исследованиям, моделированию и функционированию объектов (рисунок 2). Эти понятия являются общими для разных ПрО.

• ■    Онтология ПрО - описывает базовые понятия ПрО с точки зрения их формулирования, согласования, группировки и классификации (пример онтологии теплоэнергетики приведен на рисунке 3). Представленная онтология теплоэнергетики отражает классификацию основных базовых понятий, связанных с теплоэнергетикой. Она включает такие

классы как Объект, Установка, Топливо, Теплоноситель, Система теплоснабжения и другие. Каждый из этих классов имеет подклассы, а на более детальном уровне включает индивиды, характеризующиеся набором соответствующих свойств. Данная онтология является основой при разработке прикладных онтологий.

Рисунок 2 – Метаонтология исследований

• ■    Описания концептуальной модели задачи, приложения, ПК и других компонентов моделируемой системы. В качестве примера представлена онтология ПК (рисунок 4).

Рисунок 4 – Онтология программного комплекса

Применение онтологий при построении ПК, представленное в [18, 19], может быть использовано при построении цифровых двойников.

Онтологическое моделирование состоит из следующих этапов:

• 1)    декомпозиция моделируемого фрагмента реальности на отдельные элементы (объекты), которые являются базовыми элементами модели. Глубина такой декомпозиции зависит от практического назначения модели.

• 2)    идентификация объектов, результатом которой является их однозначное обозначение.

• 3)   классификация , необходимая для того, чтобы формулировать знания и делать логические

выводы. Классы, как правило, образуют таксономию, иерархию. Основания классификации зависят от целей моделирования и области применения.

• 4)    выделение свойств объектов, их типов и ограничений.

• 5)    дополнение онтологии набором правил для получения логических выводов.

  
  
  

  Рисунок 3– Онтология теплоэнергетики

  
  

Помимо структурирования знания, онтология выполняет важную коммуникационную роль, являясь своеобразным интерфейсом между ИТ-специалистами и специалистами ПрО. Использование онтологий при разработке цифровых двойников позволяет осуществить интеграцию информационных, математических и имитационных моделей, согласование структуры данных на этапе обмена данными при переходе с одного уровня моделирования на другой и автоматизировать процесс информационного обмена между моделями.

4    Пример разработки ПК на основе онтологии

На рисунке 5 показан пример описания фрагмента онтологии на языке XML для схемы ТЭЦ ВАЗа 3 . Онтология сформирована с помощью авторских программных средств на основе подготовленного описания структуры исследуемого или проектируемого объекта энергетики и решаемых задач, а затем использована для автоматизированной генерации компонентов ПК и формирования его интерфейса.

На рисунке 6 приведена копия экрана ПК, содержащая общую схему ТЭЦ ВАЗа. Разработка ПК выполнялась с использованием принципов технологии ODA (Ontology Driven Architectures) [20] на основе онтологического описания требуемых компонентов – графических схем, расчётных модулей, списка решаемых задач, числовых данных, подготовленных на основе информационного обследования энергетического объекта.

Рисунок 5 - Пример описания фрагмента онтологии на языке XML

• 3    Теплоэлектроцентраль Волжского автозавода.

Рисунок 6 – Копия экрана ПК, содержащая общую схему ТЭЦ ВАЗа

Заключение

Предложено использовать онтологический подход при моделировании цифровых двойников энергетических систем. Рассмотрен онтологический инжиниринг, как необходимый этап при построении цифровых двойников. Показано использование онтологических моделей для описания структуры объектов энергетики, их основных компонентов и взаимосвязей. Основным назначением онтологий при разработке цифровых двойников является формальное описание и интеграция всех компонентов: моделей, баз данных, баз знаний и их взаимосвязей. Приведены примеры онтологий, как инструмента коммуникации, и пример описания онтологии на языке XML для одного из энергетических объектов.

Результаты получены в рамках выполнения проекта по госзаданию ИСЭМ СО РАН АААА-А17-117030310444-2 (проект №349-2016-0005) и при частичной финансовой поддержке грантов РФФИ № 19-07-00351, № 20-07-00195.