Enhancing wind-farm operation with Asset Administration Shell-based digital twins
E. E. Ambarita, A. Karlsen, F. Scibilia, S. Sørenes and A. Hasan
a Department of ICT and Natural Sciences, Norwegian University of Science and Technology, Ålesund, Norway;
b Technology, Digital and Innovation (TDI), Equinor ASA, Stavanger, Norway
随着海上风电规模不断扩大，不同企业和系统之间的数据共享与互操作成为数字孪生落地的重要问题。本文基于真实的苏格兰海上风电项目数据，构建基于资产管理壳的风电场数字孪生，验证其在工程文档、技术参数、历史运行数据和实时监测等方面的应用。研究表明，该方法能够通过统一的数据访问方式连接不同来源的信息，为风电场全生命周期的数据管理与跨主体协作提供支持。
数字孪生与资产管理壳近年来逐渐结合，用于实现工业领域不同系统之间的数据互操作。对于风电场而言，设备在设计、制造、安装、运行和维护等阶段会产生大量数据，而这些数据通常来自不同企业和信息系统，格式和存储方式也存在差异。
如果不同参与方需要获取设备信息，往往需要了解数据的具体来源，并进行额外的数据转换和系统集成。因此，如何让不同用户通过统一方式访问不同来源的数据，是风电场数字孪生应用需要解决的问题。
资产管理壳可以为物理资产建立标准化的数字表示，并通过子模型组织资产不同方面的信息。已有研究主要集中于制造业领域，在风电场中的实际应用仍相对有限。
本文以苏格兰海上风电项目为案例，使用真实项目数据和弗劳恩霍夫研究所开发的资产管理壳服务框架，研究如何在风电场中实现基于资产管理壳的数字孪生，并重点验证三项功能：保存风电场文档和技术数据、访问历史时间序列数据，以及实现数字资产与物理资产之间的数据同步。
已有研究表明，资产管理壳能够通过标准化的信息模型提高不同数字孪生系统之间的互操作性。一些研究尝试将其他数字孪生标准转换为资产管理壳，也有研究将其应用于机器人制造、工业设备和过程工业等场景。
在实时设备通信方面，OPC UA等技术已经得到广泛应用；一些开源数字孪生平台也能够实现联网设备状态管理。这些技术主要侧重设备运行过程中的实时通信，而资产管理壳更加关注对资产进行标准化描述，并覆盖设备全生命周期的数据。
对于风电场而言，设备生命周期长、参与主体多，同时存在大量工程文档、技术参数和运行时间序列数据，因此需要一种能够跨数据源、跨组织进行信息组织的方法。本文据此选择资产管理壳作为实现风电场数字孪生数据互操作的基础。
值得注意的是，本文并未通过定量实验比较资产管理壳与其他技术的性能，而是通过真实风电项目案例验证其实际实现过程。
3.1 资产管理壳
资产管理壳是一种针对工业资产建立标准化数字表示的方法。它可以通过多个子模型描述资产的不同属性和功能，并以统一结构组织相关信息。
根据论文介绍，资产管理壳目前主要涉及三种信息交互类型。其中，第一类主要用于标准化文件交换；第二类通过应用程序接口实现数据访问；第三类则进一步面向资产之间的主动交互。本文主要实现前两类功能。
3.2 资产管理壳服务框架
研究采用弗劳恩霍夫研究所开发的资产管理壳服务框架，用于创建和管理数字孪生，并连接不同的数据来源。
该框架可以将资产管理壳中的数据与外部数据库、文件以及运行数据接口连接起来。因此，用户访问数据时，不必了解数据究竟存储在数字孪生内部、数据库还是外部文件中。
研究还采用了标准化的时间序列数据子模型，将风电场运行数据按照统一结构进行描述。
3.3 研究数据
研究使用苏格兰海上风电项目的真实数据，数据包括风机、塔架和浮体等设备的设计信息，以及发电机、叶片和传感器等设备资料。
同时，研究还使用了2017—2021年的运行数据，包括功率、风速、转子转速等变量，并结合工程报告和其他技术文档建立数字孪生。
根据数据特点，研究将数据分别作为静态技术信息和动态时间序列数据进行管理。
3.4 数字孪生的构建
研究建立了工程文档、技术数据和时间序列数据等子模型。工程文档用于管理设计文件等资料；技术数据子模型用于结构化描述设备参数；时间序列数据子模型则用于管理历史运行数据，并支持从外部数据库和文件中读取数据。
此外，研究还建立了资产连接机制，使数字孪生能够获得与物理资产相关的运行状态数据。
研究主要使用两种工具完成数字孪生的构建。首先，通过资产管理壳软件建立工程文档和技术数据子模型，并将相关设计资料组织到数字孪生中。
其次，通过资产管理壳服务框架建立时间序列数据访问和资产连接功能。对于历史数据，可以从外部数据库或文件中读取；对于运行状态数据，则通过数据接口进行同步。
由于无法直接访问实际运行设备的传感器数据，研究采用历史数据回放的方式模拟运行数据接口，从而验证数字孪生与运行数据之间的连接机制。论文指出，这种方式能够模拟实时数据接口，但不能完全替代真实运行环境。
5.1 工程文档子模型
研究首先测试了工程文档的管理功能。设计数据以PDF文件形式上传到工程文档子模型中，测试结果表明相关文件能够成功存储和访问。
这说明资产管理壳可以将原有工程资料与设备数字表示关联起来，为后续数据使用提供统一入口。
5.2 技术数据子模型
随后，研究对技术数据子模型进行了测试。风电设备相关技术信息经过结构化处理后，可以按照资产管理壳规定的模型进行组织。
相比单纯保存原始文件，这种方式使设备技术参数能够以结构化数据形式被其他应用读取和使用。
5.3 时间序列数据子模型
研究进一步测试了历史运行数据的访问。部分数据可以直接保存在数字孪生内部；规模较大的数据则保存在外部数据库中，再通过数字孪生进行查询；对于已有文件形式的数据，也可以通过外部数据连接进行访问。
测试结果显示，这些不同来源的数据均可以通过统一的数字孪生访问方式获取。
5.4 资产同步
最后，研究测试了数字孪生与运行数据之间的同步。研究选择功率、风速、桨距角和转子转速等变量进行测试。通过历史数据回放，数字孪生能够获得相应的运行状态信息，从而验证资产连接机制在状态监测场景中的可行性。
论文同时指出，该测试并不是直接连接实际运行中的风机，而是使用历史测量数据模拟运行数据流，因此真实环境中的通信延迟、数据丢失和采样频率差异尚未得到验证。
研究结果表明，基于资产管理壳的数字孪生能够同时组织工程文档、技术数据和时间序列数据，并通过统一接口访问不同来源的信息。
对于用户而言，无论数据存储在数字孪生内部、外部数据库还是本地文件中，都可以采用相似的数据访问方式。这种数据源与应用之间的解耦，有助于减少不同系统之间重复的数据集成工作。
研究实现了资产管理壳第一类和第二类信息交互，但尚未实现第三类主动交互。第三类功能需要资产管理壳之间能够自主发现、通信和协作，目前相关标准和技术仍在发展中。
研究还发现，不同工具使用的资产管理壳标准版本存在差异，导致两个软件之间的数据文件无法完全实现无缝交换。这说明，要进一步提高互操作性，不仅需要统一数据模型，也需要解决不同软件版本之间的兼容问题。
此外，本研究只针对一个海上风电项目进行了验证，使用的数据主要覆盖2017—2021年。因此，研究并未声称该方法已经适用于所有类型和规模的风电场。未来还需要在陆上风电、固定式海上风电以及不同规模的数据环境中进一步验证。
本文基于苏格兰海上风电项目的真实数据，实现了基于资产管理壳的风电场数字孪生，并验证了其在不同类型数据互操作方面的应用。
研究建立了工程文档、技术数据和时间序列数据子模型，并实现了数字孪生与运行数据之间的连接。结果表明，不同来源的数据可以通过统一的数字孪生接口进行组织和访问，从而减少用户对底层数据来源和存储方式的依赖。
研究同时明确了当前方法的局限，包括实时数据测试尚未直接连接实际运行设备、不同软件之间存在标准版本兼容问题，以及尚未实现资产管理壳第三类主动交互。
总体而言，本研究通过真实风电项目案例展示了资产管理壳在风电场数字孪生中的实现路径，为标准化数字孪生从制造业向风电等其他领域拓展提供了实践参考。论文最终指出，这种方法还需要通过更多风电项目、不同数据规模和真实运行环境进行进一步验证。
