CN109873185A - 基于数字孪生体的管理系统和方法及基于数字孪生体的燃料电池管理系统和方法 - Google Patents

基于数字孪生体的管理系统和方法及基于数字孪生体的燃料电池管理系统和方法 Download PDF

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Abstract

本说明书公开一种基于数字孪生体的管理系统和方法。该管理系统包括调试数字孪生体、调试控制器、操作数字孪生体和操作控制器。调试数字孪生体与物理系统相对应，并且在物理系统的调试期间基于调试输入数据和调试输出数据进行更新。调试控制器基于调试数字孪生体进行初始化，并且配置成在调试期间管理和控制物理系统。操作数字孪生体基于调试数字孪生体生成，并且在物理系统的操作期间基于操作输入和输出数据进行适配。操作控制器由调试控制器进行初始化，并且基于操作数字孪生体适配，并且配置成在操作期间管理和控制物理系统。本说明书还公开一种基于数字孪生体的燃料电池管理系统和方法。

Description

基于数字孪生体的管理系统和方法及基于数字孪生体的燃料 电池管理系统和方法
技术领域
本公开大体上涉及系统的管理和控制，并且更确切地说，涉及基于数字孪生体(digital twin)的管理系统和方法，以及基于数字孪生体的燃料电池管理系统和方法。
背景技术
物理系统通常需要在正常操作之前执行调试过程。物理系统的调试是确保物理系统中某个组成单元的所有子系统、单元和部件的设计、安装、测试和操作符合其设计意图、功能意图和操作要求的一种预测试过程。调试的目的是实现物理系统从惰行为态过渡到启动和操作状态的平稳安全过渡。
例如，燃料电池系统的调试将占总工程费用的2％和5％。调试过程可以生成大量有用数据集。但是在常规燃料电池系统中，有用调试数据集没有被很好地使用。因此，需要充分利用调试数据集，以便提供对于燃料电池系统检查、操作或维护的更多指导。
此外，所述调试通常需要由经过良好培训的人员完成。例如，燃料电池系统的调试将涉及多学科知识，包括化学、机械、电化学、电气、电子、仪器仪表和自动化工程，并且需要具有工厂工程经验的专家。燃料电池系统的常规调试通常使用手动操作，这种操作缺乏稳健性并且易于出错。需要以最少人为错误使调试过程自动化，从而将系统质量和寿命最大化。
发明内容
在本公开实施例的一个方面中，提供一种基于数字孪生体的管理系统。所述管理系统包括调试数字孪生体、调试控制器、操作数字孪生体和操作控制器。所述调试数字孪生体与物理系统相对应，并且在所述物理系统的调试期间基于所述物理系统的调试输入数据和调试输出数据进行更新。所述调试控制器基于所述调试数字孪生体进行初始化，并且配置成在所述调试期间管理和控制所述物理系统。所述操作数字孪生体基于所述调试数字孪生体生成，并且在所述物理系统的操作期间基于所述物理系统的操作输入数据和操作输出数据进行适配。所述操作输入数据覆盖与所述调试输入数据不同的数据范围。所述操作控制器由所述调试控制器进行初始化，并且基于所述操作数字孪生体适配，并且配置成在所述操作期间管理和控制所述物理系统。
在本公开实施例的另一个方面中，提供一种基于数字孪生体的管理方法。所述管理方法包括：生成与物理系统相对应的调试数字孪生体；基于所述调试数字孪生体对调试控制器进行初始化；测试所述物理系统，并且通过所述调试控制器管理和控制所述物理系统；接收所述物理系统的调试输入数据和调试输出数据；基于所述调试输入数据和所述调试输出数据更新所述调试数字孪生体；基于更新后的调试数字孪生体生成操作数字孪生体；通过所述调试控制器对操作控制器进行初始化；操作所述物理系统，并且通过所述操作控制器管理和控制所述物理系统；接收所述物理系统的操作输入数据和操作输出数据，其中所述操作输入数据覆盖与所述调试输入数据不同的数据范围；基于所述物理系统的所述操作输入数据和所述操作输出数据来适配所述操作数字孪生体；基于适配后的操作数字孪生体来适配所述操作控制器；以及通过适配后的操作控制器来管理和控制所述物理系统。
在本公开实施例的又一个方面中，提供一种基于数字孪生体的燃料电池管理系统。所述燃料电池管理系统包括与燃料电池系统相对应的调试数字孪生体、调试控制器、操作数字孪生体和操作控制器。所述燃料电池系统包括电堆热箱(stack hotbox)、用于向所述电堆热箱提供燃料的燃料处理单元、用于向所述电堆热箱提供空气的空气处理单元，以及用于调节从所述电堆热箱抽取的电流的功率调节单元。所述调试数字孪生体在所述燃料电池系统的调试期间基于所述燃料电池系统中的所述燃料处理单元、所述空气处理单元和所述功率调节单元的调试输入数据和调试输出数据来更新。所述调试控制器基于所述调试数字孪生体进行初始化，并且配置成在所述调试期间管理和控制所述燃料电池系统。所述操作数字孪生体基于所述调试数字孪生体生成，并且在所述燃料电池系统的操作期间基于所述燃料电池系统中的所述燃料处理单元、所述空气处理单元、所述功率调节单元和所述电堆热箱的操作输入数据和交互的操作输出数据来适配。所述操作控制器由所述调试控制器进行初始化，并且基于所述操作数字孪生体适配，并且配置成在所述操作期间管理和控制所述燃料电池系统。
在本公开实施例的再一个方面中，提供一种基于数字孪生体的燃料电池管理方法。所述燃料电池管理方法包括：生成与燃料电池系统相对应的调试数字孪生体，其中所述燃料电池系统包括电堆热箱、用于向所述电堆热箱提供燃料的燃料处理单元、用于向所述电堆热箱提供空气的空气处理单元，以及用于调节从所述电堆热箱抽取的电流的功率调节单元；基于所述调试数字孪生体对调试控制器进行初始化；测试所述燃料电池系统中的所述空气处理单元、所述燃料处理单元和所述功率调节单元，并且通过所述调试控制器进行管理和控制；接收所述燃料处理单元、所述空气处理单元和所述功率调节单元的调试输入数据和调试输出数据；基于所述燃料处理单元、所述空气处理单元和所述功率调节单元的所述调试输入数据和所述调试输出数据更新所述调试数字孪生体；基于更新后的调试数字孪生体生成操作数字孪生体；通过所述调试控制器对操作控制器进行初始化；操作所述燃料电池系统，并且通过所述操作控制器进行管理和控制；接收所述燃料电池系统中的所述燃料处理单元、所述空气处理单元、所述功率调节单元和所述电堆热箱的操作输入数据和交互的操作输出数据；基于所述燃料处理单元、所述空气处理单元、所述功率调节单元和所述电堆热箱的所述操作输入数据和所述交互的操作输出数据来适配所述操作数字孪生体；基于适配后的操作数字孪生体来适配所述操作控制器；以及通过适配后的操作控制器来管理和控制所述燃料电池系统。
技术方案1.一种基于数字孪生体的管理系统，包括：
调试数字孪生体，所述调试数字孪生体与物理系统相对应，并且在所述物理系统的调试期间基于所述物理系统的调试输入数据和调试输出数据进行更新；
调试控制器，所述调试控制器基于所述调试数字孪生体进行初始化，并且配置成在所述调试期间管理和控制所述物理系统；
操作数字孪生体，所述操作数字孪生体基于所述调试数字孪生体生成，并且在所述物理系统的操作期间基于所述物理系统的操作输入数据和操作输出数据进行适配，其中所述操作输入数据覆盖与所述调试输入数据不同的数据范围；以及
操作控制器，所述操作控制器由所述调试控制器进行初始化，并且基于所述操作数字孪生体适配，并且配置成在所述操作期间管理和控制所述物理系统。
技术方案2.根据技术方案1所述的系统，进一步包括母模型，其中所述调试数字孪生体基于用户输入和所述母模型生成。
技术方案3.根据技术方案2所述的系统，其中所述用户输入包括所述物理系统的上下文信息，并且所述物理系统的所述上下文信息包括所述物理系统的环境信息、地理空间信息和负载需求信息中的至少一者。
技术方案4.根据技术方案1所述的系统，进一步包括：
约束生成器，所述约束生成器用于基于所述调试数字孪生体生成所述物理系统的约束；以及
测试信号生成器，所述测试信号生成器用于基于所述约束生成所述物理系统的所述调试输入数据，并且将所述调试输入数据提供给所述物理系统。
技术方案5.根据技术方案1所述的系统，其中所述调试数字孪生体、所述调试控制器、所述操作数字孪生体和所述操作控制器经由接口彼此通信。
技术方案6.根据技术方案5所述的系统，进一步包括所述物理系统的一个或多个关联系统，其中所述一个或多个关联系统与所述接口通信并且包括修复系统和采购系统。
技术方案7.一种基于数字孪生体的管理方法，包括：
生成与物理系统相对应的调试数字孪生体；
基于所述调试数字孪生体对调试控制器进行初始化；
测试所述物理系统，并且通过所述调试控制器管理和控制所述物理系统；
接收所述物理系统的调试输入数据和调试输出数据；
基于所述调试输入数据和所述调试输出数据更新所述调试数字孪生体；
基于更新后的调试数字孪生体生成操作数字孪生体；
通过所述调试控制器对操作控制器进行初始化；
操作所述物理系统，并且通过所述操作控制器管理和控制所述物理系统；
接收所述物理系统的操作输入数据和操作输出数据，其中所述操作输入数据覆盖与所述调试输入数据不同的数据范围；
基于所述物理系统的所述操作输入数据和所述操作输出数据来适配所述操作数字孪生体；
基于适配后的操作数字孪生体来适配所述操作控制器；以及
通过适配后的操作控制器来管理和控制所述物理系统。
技术方案8.根据技术方案7所述的方法，其中生成所述调试数字孪生体包括：
基于用户输入和母模型生成所述调试数字孪生体。
技术方案9.根据技术方案8所述的方法，包括：
基于大量历史数据、第一原理方程或其组合预先建立所述母模型；以及
将所述母模型存储在云中，或者将所述母模型部署在靠近所述物理系统的边缘控制器处。
技术方案10.根据技术方案7所述的方法，进一步包括：
基于所述调试数字孪生体生成所述物理系统的约束；以及
基于所述约束生成所述物理系统的所述调试输入数据。
技术方案11.根据技术方案7所述的方法，进一步包括：
通过接口呈现所述调试数字孪生体的输出。
技术方案12.根据技术方案11所述的方法，进一步包括：
通过所述调试数字孪生体确定所述物理系统的所述调试输出数据是否可接受，其中当确定所述调试输出数据可接受时，更新所述调试数字孪生体。
技术方案13.根据技术方案12所述的方法，进一步包括：
当所述调试输出数据确定为不可接受时，通过所述调试数字孪生体在所述接口上生成指示。
技术方案14.根据技术方案13所述的方法，进一步包括：
通过所述接口将所述指示提供给所述物理系统的一个或多个关联系统。
技术方案15.一种基于数字孪生体的燃料电池管理系统，包括：
与燃料电池系统相对应的调试数字孪生体，其中所述燃料电池系统包括电堆热箱、用于向所述电堆热箱提供燃料的燃料处理单元、用于向所述电堆热箱提供空气的空气处理单元、以及用于调节从所述电堆热箱抽取的电流的功率调节单元，并且所述调试数字孪生体在所述燃料电池系统的调试期间基于所述燃料电池系统中的所述燃料处理单元、所述空气处理单元和所述功率调节单元的调试输入数据和调试输出数据来更新；
调试控制器，所述调试控制器基于所述调试数字孪生体进行初始化，并且配置成在所述调试期间管理和控制所述燃料电池系统；
操作数字孪生体，所述操作数字孪生体基于所述调试数字孪生体生成，并且在所述燃料电池系统的操作期间基于所述燃料电池系统中的所述燃料处理单元、所述空气处理单元、所述功率调节单元和所述电堆热箱的操作输入数据和交互的操作输出数据来适配；以及
操作控制器，所述操作控制器由所述调试控制器进行初始化，并且基于所述操作数字孪生体适配，并且配置成在所述操作期间管理和控制所述燃料电池系统。
技术方案16.根据技术方案15所述的系统，进一步包括：
母模型，所述母模型包括所述燃料电池系统中每个资产的时间相关第一原理方程，所述时间相关第一原理方程表示材料、热、电子、动量和化学反应的物理传递过程，其中所述调试数字孪生体基于用户输入和所述母模型生成。
技术方案17.根据技术方案16所述的系统，其中所述用户输入包括所述燃料电池系统的上下文信息，并且所述燃料电池系统的所述上下文信息包括所述燃料电池系统的环境信息、地理空间信息和负载需求信息中的至少一者。
技术方案18.根据技术方案15所述的系统，进一步包括：
约束生成器，所述约束生成器用于基于所述调试数字孪生体生成所述燃料电池系统的约束；以及
测试信号生成器，所述测试信号生成器用于基于所述约束生成所述燃料电池系统的所述调试输入数据，并且将所述调试输入数据提供给所述燃料电池系统。
技术方案19.根据技术方案18所述的系统，其中所述约束包括对所述燃料电池系统中的压力、压差、温度、温差、燃料利用率和水碳比、低爆炸水平、碳氧化物浓度和氧气浓度的限制。
技术方案20.一种基于数字孪生体的燃料电池管理方法，包括：
生成与燃料电池系统相对应的调试数字孪生体，其中所述燃料电池系统包括电堆热箱、用于向所述电堆热箱提供燃料的燃料处理单元、用于向所述电堆热箱提供空气的空气处理单元，以及用于调节从所述电堆热箱抽取的电流的功率调节单元；
基于所述调试数字孪生体对调试控制器进行初始化；
测试所述燃料电池系统中的所述空气处理单元、所述燃料处理单元和所述功率调节单元，并且通过所述调试控制器进行管理和控制；
接收所述燃料处理单元、所述空气处理单元和所述功率调节单元的调试输入数据和调试输出数据；
基于所述燃料处理单元、所述空气处理单元和所述功率调节单元的所述调试输入数据和所述调试输出数据更新所述调试数字孪生体；
基于更新后的调试数字孪生体生成操作数字孪生体；
通过所述调试控制器对操作控制器进行初始化；
操作所述燃料电池系统，并且通过所述操作控制器进行管理和控制；
接收所述燃料电池系统中的所述燃料处理单元、所述空气处理单元、所述功率调节单元和所述电堆热箱的操作输入数据和交互的操作输出数据；
基于所述燃料处理单元、所述空气处理单元、所述功率调节单元和所述电堆热箱的所述操作输入数据和所述交互的操作输出数据适配所述操作数字孪生体；
基于适配后的操作数字孪生体来适配所述操作控制器；以及
通过适配后的操作控制器来管理和控制所述燃料电池系统。
附图说明
参照附图阅读以下具体实施方式将更好地理解本公开的这些和其他特征、方面及优势，其中各附图中的相似字符表示相似部分，其中：
图1是根据本发明一个实施例的基于数字孪生体的管理系统的示意图；
图2是处于调试阶段的图1所示基于数字孪生体的管理系统的方框图；
图3是示出如何在图1所示的基于数字孪生体的管理系统中生成调试数字孪生体的示意图；
图4是经由接口图1所示基于数字孪生体的管理系统的相互通信的示意图；
图5是根据本发明另一个实施例的基于数字孪生体的燃料电池管理系统的示意图；以及
图6和图7是根据本发明一个实施例的基于数字孪生体的管理方法的流程图。
具体实施方式
下文将参照附图描述本公开的实施例。以下说明中对公知的功能或构造不进行详细描述，以避免在不必要的细节上模糊本公开。
除非另行规定，否则本说明书中所使用的技术和科学术语与本公开所属领域的普通技术人员所公知的意义相同。本说明书所用术语“第一”、“第二”等并不表示任何次序、数量或重要性，而是用于区别一个元件与另一个元件。此外，术语“一个“和“一种”并不限定数量，而是表示存在至少一个所引用的对象。术语“或者”为包括性含义，并且表示所列对象中的任一个或者全部。本说明书使用“包括”、“包含”或者“具有”及其变体表示包括其后列出的对象及其等效物以及其他对象。术语“连接”和“耦合”并不限于物理或机械连接或耦合，并且可以包括直接或间接电气连接或耦合。此外，指示特定位置的术语例如“顶部”、“底部”、“左”和“右”是参照具体附图的描述。本公开中所公开的实施例可以以与图中所示方式不同的方式设置。因此，本说明书中所使用的位置术语不应限于特定实施例中所描述的位置。
本说明书中所描述的数字孪生体(DT)是资产或工艺的高保真度数字复制品或动态模型，此数字复制品或动态模型用于连续收集数据和增强洞察力，从而帮助管理大规模工业资产并且优化企业运营。数字孪生体使用来自传感器的数据来表示资产或工艺的近实时状态和操作条件。数字孪生体具备许多优势。例如，首先，所述数字孪生体具有自学习能力，并且可以不断从新数据中学习以改善运营成果。其次，所述数字孪生体可以是可缩放的，因而能够运行数百万个孪生体。第三，所述数字孪生体可以适配其他部分或资产类别、新情景或因素。
本公开可以将数字孪生体应用于物理系统的生命周期管理。此外，在本公开的管理系统和方法中，所述数字孪生体不仅用在物理系统的操作过程中，同时还用在物理系统的调试过程中。此外，公开了调试数字孪生体与操作数字孪生体之间的关系。下文中将参照附图来详细描述本公开的基于数字孪生体的管理系统或方法。
基于数字孪生体的管理系统
图1是根据本发明一个实施例的用于物理系统300的基于数字孪生体的管理系统100的示意图。如图1所示，管理系统100包括调试数字孪生体11、调试控制器12、操作数字孪生体21和操作控制器22。调试数字孪生体11与物理系统300相对应，并且可以在物理系统300的调试期间基于物理系统300的调试输入数据Dci和调试输出数据Dco进行更新。调试控制器12可以基于调试数字孪生体11进行初始化，并且配置成在调试期间管理和控制物理系统300。操作数字孪生体21可以基于调试数字孪生体11生成，并且在物理系统300的操作期间基于物理系统300的操作输入数据Doi和操作输出数据Doo进行适配。操作输入数据覆盖与调试输入数据不同的数据范围。操作控制器22可以由调试控制器12进行初始化，并且基于操作数字孪生体21适配，并且配置成在操作期间管理和控制物理系统300。
本公开的管理系统100提出两个数字孪生体，即调试数字孪生体11和操作数字孪生体21，并且因此具有两个控制器，即调试控制器12和操作控制器22。调试数字孪生体11可以覆盖足够的调试范围。操作数字孪生体21可以由调试数字孪生体11生成，并且知识可以从调试数字孪生体11传送到操作数字孪生体21。因此，由于调试数字孪生体11，早在物理系统300开始操作时就可以获得操作数字孪生体21。调试数字孪生体11可以初始化调试控制器12的参数，进而可以初始化操作控制器22的参数。在通过使用操作数据进行一些必要参数识别之后，可以基于调试数字孪生体11快速生成操作数字孪生体21。操作数字孪生体21可以精调并且适配操作控制器22的参数。
本公开的管理系统100可以显著提高物理系统300的操作效率并且降低成本。
继续参照图1，管理系统100可以包括数据收集系统3。数据收集系统3可以在调试阶段收集物理系统300的调试输入数据Dci和调试输出数据Dco，并且在操作阶段收集物理系统300的操作输入数据Doi和操作输出数据Doo。数据收集系统3可以进一步包括用于保存所收集数据的数据库(未示出)。
图2是处于调试阶段的图1所示管理系统100的方框图。参照图2，管理系统100可以进一步包括约束生成器(constraint generator)41和测试信号生成器42。约束生成器41可以基于调试数字孪生体11生成物理系统300的约束。测试信号生成器42可以基于物理系统300的约束来生成物理系统300的调试输入数据Dci，并且将调试输入数据Dci提供给物理系统300。数据收集系统3可以收集由测试信号生成器42生成的调试输入数据Dci以及从物理系统300输出的调试输出数据Dco，并且将调试输入数据Dci和调试输出数据Dco提供给调试数字孪生体11。调试控制器12可以在调试期间管理和控制物理系统300，以确保调试过程的安全可靠。
本公开的管理系统100可以实现物理系统300的自动调试，并且以自动方式严格系统地实施调试可以将人为导致的操作和记录错误最小化。
图3示出如何在图1所示管理系统100中生成调试数字孪生体11。管理系统100可以进一步包括母模型5。可以基于大量历史数据、第一原理方程或其组合来预先建立母模型5。在一个实施例中，母模型5可以存储在云500中，如图3所示。在另一个实施例中，母模型5还可以部署在靠近物理系统300，例如GE和Mark工业控制系统的边缘控制器处。可以基于用户输入和母模型5生成调试数字孪生体11。母模型5可以与接口400通信，并且可以经由接口400接收用户输入。接口400可以是人机接口400(HMI)。例如，接口400可以是图形用户界面(GUI)。用户输入可以包括物理系统300的上下文信息。物理系统300的上下文信息可以包括例如物理系统300的环境信息、地理空间信息、负载需求信息和/或其他信息。
如图4所示，调试数字孪生体11、调试控制器12、操作数字孪生体21和操作控制器22经由接口400彼此通信。数据收集系统3与接口400通信，因此调试数字孪生体11可以经由接口400从数据收集系统3接收调试输入数据Dci和调试输出数据Dco，并且操作数字孪生体21可以经由接口400从数据收集系统3接收操作输入数据Doi和操作输出数据Doo。
在可选实施例中，管理系统100可以进一步包括物理系统300的一个或多个关联系统。一个或多个关联系统可以包括例如修复系统6、采购系统(sourcing system)7等。修复系统6和采购系统7可以与接口400通信。
调试数字孪生体11和操作数字孪生体21可以提供预警、预防性维护和故障诊断功能。可以经由接口400呈现调试数字孪生体11和操作数字孪生体21的输出。
例如，当物理系统300处于调试阶段时，调试数字孪生体11可以确定物理系统300的调试输出数据Dco是否可接受。当确定调试输出数据Dco可接受时，更新调试数字孪生体11。当确定调试输出数据Dco不可接受时，调试数字孪生体11可以在接口400上生成指示。在管理系统100包括一个或多个关联系统例如修复系统6和采购系统7的情况下，指示可以经由接口400提供给修复系统6和/或采购系统7，并且可以用于通知修复系统6和/或采购系统7执行相应处理。
类似地，当物理系统300处于操作阶段时，操作数字孪生体21也可以确定物理系统300的操作输出数据Doo是否可接受。当确定操作输出数据Doo可接受时，更新操作数字孪生体21。当确定操作输出数据Doo不可接受时，操作数字孪生体21可以在接口400上生成另一指示，或者可以经由接口400通知修复系统6和/或采购系统7执行相应处理。
在调试和操作阶段生成的指示可以是警告信号例如声音和光，或者可以是通知消息。
本公开的管理系统100可以集成物理系统300的调试数据集，并且提供调试、采购、检查和维护工程师之间的清晰、透明信息流。
基于数字孪生体的燃料电池管理系统
作为一个示例，物理系统300可以是燃料电池系统。例如，图5示出根据本发明另一个实施例的基于数字孪生体的燃料电池管理系统200的示意图。如图5所示，在燃料电池管理系统200中，调试数字孪生体11与燃料电池系统300相对应。燃料电池系统300包括电堆热箱301、燃料处理单元302、空气处理单元303和功率调节单元304。电堆热箱301可以包括堆叠在一起的多个燃料电池，并且包括阳极、阴极以及设置在阳极与阴极之间的离子交换膜。阳极具有与其相关联的催化剂，用于通过富氢燃料流产生电子和质子。阴极具有与其相关的催化剂以及与阴极相关的阴极排气口，其中催化剂用于促使氧与质子和电子反应形成水和热，并且阴极排气口用于排出包括来自阴极的残余氧的阴极排气流。电堆热箱301可以适用于高温燃料电池例如固体氧化物燃料电池(SOFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)等，以及低温燃料电池例如质子交换膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)等这两者。燃料处理单元302可以向电堆热箱301提供燃料。确切地说，燃料处理单元可以将入口燃料流转换成富氢燃料流，并且将富氢燃料流引导到阳极。空气处理单元303可以向电堆热箱301提供空气。确切地说，空气处理单元303可以对入口氧化剂流加压并且将加压氧化剂流引导到阴极。功率调节单元304可以调节从电堆热箱301抽取的电流。例如，功率调节单元304可以包括直流到直流(DC-DC)转换器、直流到交流(DC-AC)逆变器，或者直流到直流转换器与直流到交流逆变器的组合。
在燃料电池系统300的调试阶段，可以仅测试燃料电池系统300中的燃料处理单元302、空气处理单元303和功率调节单元304，并且电堆热箱301可以被隔开或被旁路而可以不测试。例如，对于SOFC，这可能是因为密封材料在低温下不密封，而将导致气体泄漏。因此，在调试期间将仅获得燃料处理单元302、空气处理单元303和功率调节单元304的调试输入数据Dci和调试输出数据Dco。在燃料电池管理系统200中，调试数字孪生体11可以在燃料电池系统300的调试期间基于燃料处理单元302、空气处理单元303和功率调节单元304的调试输入数据Dci和调试输出数据Dco来更新。调试数字孪生体11是更多地涉及部件级、单元级的模型，而不是系统级模型。调试控制器12可以基于调试数字孪生体11进行初始化，并且可以在调试期间管理和控制燃料电池系统300。
在燃料电池系统300的操作阶段，电堆热箱301将工作，并且燃料电池系统300中的燃料处理单元302、空气处理单元303、功率调节单元304和电堆热箱301全部共同工作以实现业务目标，例如特定电力负载曲线、排放目标和/或经济增益。因此，在操作期间将获得燃料处理单元302、空气处理单元303、功率调节单元304和电堆热箱301的操作输入数据Doi和操作输出数据Doo。在燃料电池管理系统200中，操作数字孪生体21可以基于调试数字孪生体11生成，并且在燃料电池系统300的操作期间基于燃料处理单元302、空气处理单元303、功率调节单元304和电堆热箱301的操作输入数据Doi和交互的操作输出数据Doo来适配。操作数字孪生体21是系统级模型。操作控制器22可以由调试控制器12进行初始化，并且基于操作数字孪生体21适配，并且操作控制器22可以在操作期间管理和控制燃料电池系统300。
一方面，由于在燃料电池系统300的调试阶段，调试过程可以覆盖足够的调试范围，并且在燃料电池系统300的操作阶段，操作过程由于一些关键装置的操作约束而无法覆盖足够的操作范围，因此对于燃料处理单元302、空气处理单元303和功率调节单元304，它们各自的调试输入数据可以覆盖比它们各自的操作输入数据更宽的数据范围。调试数字孪生体11可以基于测试数据集，测试数据集的操作范围比用于操作数字孪生体21的数据集更宽。例如，空气处理单元303通常包括鼓风机、流量控制阀和空气预热器。调试数字孪生体11应能够表征每个部件以及单元级别的行为(部件之间的集体相互作用，例如，空气温度对鼓风机速度和流量控制阀打开位置的依赖性)。在调试阶段期间，对于空气处理单元303的温度、压力和流速可以在额定负载的0％到150％的范围内进行测试，而由于其他单元的约束或者系统可靠性限制，在正常操作期间的数据范围可能限制在额定负载的60％到120％。因此，相对于仅使用操作数据的操作数字孪生体而言，调试数字孪生体11可以以更宽操作范围来表征部件和单元级。
另一方面，由于电堆热箱301在燃料电池系统300的调试阶段可能不工作，因此在调试期间获得的调试输出数据是燃料处理单元302、空气处理单元303和功率调节单元304的个体数据。调试数据可能无法覆盖每个单元之间，例如燃料处理单元302与电堆热箱301之间，空气处理单元303与电堆热箱301之间的交互行为。但是，由于电堆热箱301将在燃料电池系统300的操作阶段与其他单元共同工作，因此在操作期间获得的操作输出数据是包括电堆热箱301在内的所有单元之间的交互数据。在燃料电池系统300完全投入操作之后，操作数据可以很好地捕获每个单元之间的交互行为。
总之，调试数字孪生体11可以在更宽操作范围内更好地表征部件和单元行为，并且在燃料电池系统300的操作期间的操作数据可以提供每个单元之间的交互行为。因此，通过将调试数字孪生体11与操作数据相结合，操作数字孪生体21趋于以完整和开阔视角来表征部件和系统行为。
在可选实施例中，燃料电池系统300可以进一步包括水处理单元305和环境单元306。对于带有内部重整和/或外部重整的燃料电池系统，水处理单元305可以将外部水源供应到电堆热箱301，从而控制燃料电池系统300的水碳比。对于具有水冷却单元的燃料电池系统，水处理单元305可以供应外部水源以从电堆热箱301移除热。环境单元306可以包括环境检测单元(未示出)和废气排放和处理单元(未示出)。环境检测单元可以用于检测外部环境，例如温度、压力、湿度、颗粒物质等。废气排放和处理单元可以监测和/或处理从燃料电池系统300排出的废气，以便确保安全和环保。
在燃料电池系统300除燃料处理单元302、空气处理单元303和功率调节单元304之外还包括其他可选单元的实施例中，在燃料电池系统300的调试阶段，可以对电堆热箱301之外的所有单元进行测试，从而获得这些单元的调试输入数据和调试输出数据。在燃料电池系统300的操作中，可以操作包括电堆热箱301在内的所有单元，以便获得所有单元的操作输入数据和交互的输出数据。
返回图2，可以基于调试数字孪生体11生成燃料电池系统300的约束。燃料电池系统300的约束可以包括例如对燃料电池系统300中的压力、压差、温度、温差、燃料利用率(FU)和水碳比(SCR)、低爆炸水平(Low Explosive Level，LEL)、碳氧化物(CO)浓度和氧气(O2)浓度的限制。可以基于燃料电池系统300的约束来生成调试输入数据Dci。
在燃料电池管理系统200中，还可以基于如图3所示的存储在云500中的母模型5以及用户输入来生成调试数字孪生体11。母模型5可以包括燃料电池系统300中每个资产的时间相关第一原理方程，此时间相关第一原理方程表示材料、热、电子、动量和化学反应的物理传递过程。
用户输入包括燃料电池系统300的上下文信息。例如，燃料电池系统300的上下文信息可以包括燃料电池系统的环境信息例如温度、压力、湿度、颗粒物质等；地理空间信息；以及负载需求信息。或者，燃料电池系统300的上下文信息可以进一步包括与燃料电池系统300相关的市场信息，例如天然气价格、电价等。
本公开的燃料电池管理系统200可以提高燃料电池系统300的操作可靠性、效率并且降低成本。
基于数字孪生体的管理方法
图6和图7示出根据本公开一个实施例的用于物理系统300的基于数字孪生体的管理方法的流程图。下文中将参照图6和图7来详细描述根据本公开一个实施例的管理方法的步骤。
如图6中的步骤B61所示，生成与物理系统300例如燃料电池系统相对应的调试数字孪生体11。在一个实施例中，生成调试数字孪生体11可以包括基于用户输入和母模型5生成调试数字孪生体11。生成调试数字孪生体11可以进一步包括基于大量历史数据、第一原理方程或其组合预先建立母模型5，并且将母模型5存储在云500中或者将母模型5部署在靠近物理系统300的边缘控制器处。
在步骤B62中，基于调试数字孪生体11对调试控制器12进行初始化。
在步骤B63中，测试物理系统300，并且通过调试控制器12管理和控制物理系统300。例如，对于作为物理系统300的燃料电池系统，可以测试燃料电池系统300中的燃料处理单元302、空气处理单元303、功率调节单元304以及除电堆热箱301之外的其他可选单元。
在步骤B64中，接收物理系统300的调试输入数据Dci和调试输出数据Dco。如何获得物理系统300的调试输入数据Dci可以包括基于调试数字孪生体11生成物理系统300的约束，并且基于约束生成物理系统300的调试输入数据Dci。
在一个实施例中，调试数字孪生体11可以具有故障诊断功能。因此，在此情况下，过程可以在步骤B64之后进入到步骤B65。在步骤B65中，当物理系统300处于调试阶段时，调试数字孪生体11可以确定物理系统300的调试输出数据Dco是否可接受。如果确定结果为“是”，则过程可以继续进入到步骤B66。在步骤B66中，当确定调试输出数据Dco可接受时，基于调试输入数据Dci和调试输出数据Dco更新调试数字孪生体11，然后此过程可以继续进入到图7的步骤B71。但是，如果确定结果为“否”，则此过程可以转到步骤B67。在步骤B67中，当确定调试输出数据Dco不可接受时，调试数字孪生体11可以在接口400上生成指示。此外，此过程可以从步骤B67进入到步骤B68。在步骤B68中，指示可以经由接口400提供给一个或多个关联系统，并且用于通知一个或多个关联系统以执行相应处理或采取相应动作。因此，通过调试数字孪生体11，可以在调试期间确保调试输出数据Dco的准确性。
如图7中的步骤B71所示，基于更新后的调试数字孪生体生成操作数字孪生体21。
在步骤B72中，通过调试控制器12对操作控制器22进行初始化。
在步骤B73中，操作物理系统300，并且通过操作控制器22管理和控制物理系统300。
在步骤B74中，接收物理系统300的操作输入数据Doi和操作输出数据Doo。可以根据用户指定的对实现预期发电、发电效率、工作温度等的操作要求生成操作输入数据Doi。操作输入数据覆盖与调试输入数据不同的数据范围。
在一个实施例中，操作数字孪生体21可以具有故障诊断功能，因此在此情况下，此过程可以在步骤B74之后进入到步骤B75。在步骤B75中，当物理系统300处于操作阶段时，操作数字孪生体21可以确定物理系统300的操作输出数据Doo是否可接受。如果确定结果为“是”，则此过程可以继续进入到步骤B76。但是，如果确定结果为“否”，则此过程可以转到步骤B81。
在步骤B76中，当确定操作输出数据Doo可接受时，基于物理系统300的操作输入数据Doi和操作输出数据Doo适配操作数字孪生体21，然后此过程可以进入到步骤B77。
在步骤B77中，基于适配后的操作数字孪生体来适配操作控制器22。
在步骤B78中，通过适配后的操作控制器来管理和控制物理系统300。
在步骤B81中，当确定操作输出数据Doo不可接受时，操作数字孪生体21可以在接口400上生成另一指示。此外，此过程可以从步骤B81进入到步骤B82。在步骤B82中，指示可以经由接口400提供给一个或多个关联系统，并且用于通知一个或多个关联系统以执行相应处理或采取相应动作。因此，通过操作数字孪生体21，可以确保操作期间的操作输出数据Doo的准确性。
本公开的管理方法可以集成物理系统300的调试数据集，并且提供调试、采购、检查和维护工程师之间的清晰、透明信息流。本公开的管理方法可以提高物理系统300的运行效率并且降低成本。
尽管根据本公开实施例的基于数字孪生体的管理方法的步骤图示成功能方框，但是图6和图7中所示的各个方框之间的方框顺序和步骤分隔并非旨在限制。例如，所述方框可以以不同顺序执行，并且与一个方框相关联的步骤可以与一个或多个其他方框组合，或者可以细分成若干个方框。
尽管已经在典型实施例中说明和描述本公开，但是本公开并不旨在限于所示的细节，因为可以在不背离本公开精神的前提下做出各种修改和替换。因此，使用不超过常规的实验，所属领域中的技术人员可以得出本说明书中所公开的本公开的进一步修改和等效物，并且所有这些修改和等效物视作在随附权利要求书中所限定的本公开的精神和范围内。

Claims (10)

1.一种基于数字孪生体的管理系统，包括：
调试数字孪生体，所述调试数字孪生体与物理系统相对应，并且在所述物理系统的调试期间基于所述物理系统的调试输入数据和调试输出数据进行更新；
调试控制器，所述调试控制器基于所述调试数字孪生体进行初始化，并且配置成在所述调试期间管理和控制所述物理系统；
操作数字孪生体，所述操作数字孪生体基于所述调试数字孪生体生成，并且在所述物理系统的操作期间基于所述物理系统的操作输入数据和操作输出数据进行适配，其中所述操作输入数据覆盖与所述调试输入数据不同的数据范围；以及
操作控制器，所述操作控制器由所述调试控制器进行初始化，并且基于所述操作数字孪生体适配，并且配置成在所述操作期间管理和控制所述物理系统。
2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括母模型，其中所述调试数字孪生体基于用户输入和所述母模型生成。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述用户输入包括所述物理系统的上下文信息，并且所述物理系统的所述上下文信息包括所述物理系统的环境信息、地理空间信息和负载需求信息中的至少一者。
4.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：
约束生成器，所述约束生成器用于基于所述调试数字孪生体生成所述物理系统的约束；以及
测试信号生成器，所述测试信号生成器用于基于所述约束生成所述物理系统的所述调试输入数据，并且将所述调试输入数据提供给所述物理系统。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述调试数字孪生体、所述调试控制器、所述操作数字孪生体和所述操作控制器经由接口彼此通信。
6.一种基于数字孪生体的管理方法，包括：
生成与物理系统相对应的调试数字孪生体；
基于所述调试数字孪生体对调试控制器进行初始化；
测试所述物理系统，并且通过所述调试控制器管理和控制所述物理系统；
接收所述物理系统的调试输入数据和调试输出数据；
基于所述调试输入数据和所述调试输出数据更新所述调试数字孪生体；
基于更新后的调试数字孪生体生成操作数字孪生体；
通过所述调试控制器对操作控制器进行初始化；
操作所述物理系统，并且通过所述操作控制器管理和控制所述物理系统；
接收所述物理系统的操作输入数据和操作输出数据，其中所述操作输入数据覆盖与所述调试输入数据不同的数据范围；
基于所述物理系统的所述操作输入数据和所述操作输出数据来适配所述操作数字孪生体；
基于适配后的操作数字孪生体来适配所述操作控制器；以及
通过适配后的操作控制器来管理和控制所述物理系统。
7.根据权利要求6所述的方法，其中生成所述调试数字孪生体包括：
基于用户输入和母模型生成所述调试数字孪生体。
8.根据权利要求7所述的方法，包括：
基于大量历史数据、第一原理方程或其组合预先建立所述母模型；以及
将所述母模型存储在云中，或者将所述母模型部署在靠近所述物理系统的边缘控制器处。
9.一种基于数字孪生体的燃料电池管理系统，包括：
与燃料电池系统相对应的调试数字孪生体，其中所述燃料电池系统包括电堆热箱、用于向所述电堆热箱提供燃料的燃料处理单元、用于向所述电堆热箱提供空气的空气处理单元、以及用于调节从所述电堆热箱抽取的电流的功率调节单元，并且所述调试数字孪生体在所述燃料电池系统的调试期间基于所述燃料电池系统中的所述燃料处理单元、所述空气处理单元和所述功率调节单元的调试输入数据和调试输出数据来更新；
调试控制器，所述调试控制器基于所述调试数字孪生体进行初始化，并且配置成在所述调试期间管理和控制所述燃料电池系统；
操作数字孪生体，所述操作数字孪生体基于所述调试数字孪生体生成，并且在所述燃料电池系统的操作期间基于所述燃料电池系统中的所述燃料处理单元、所述空气处理单元、所述功率调节单元和所述电堆热箱的操作输入数据和交互的操作输出数据来适配；以及
操作控制器，所述操作控制器由所述调试控制器进行初始化，并且基于所述操作数字孪生体适配，并且配置成在所述操作期间管理和控制所述燃料电池系统。
10.一种基于数字孪生体的燃料电池管理方法，包括：
生成与燃料电池系统相对应的调试数字孪生体，其中所述燃料电池系统包括电堆热箱、用于向所述电堆热箱提供燃料的燃料处理单元、用于向所述电堆热箱提供空气的空气处理单元，以及用于调节从所述电堆热箱抽取的电流的功率调节单元；
基于所述调试数字孪生体对调试控制器进行初始化；
测试所述燃料电池系统中的所述空气处理单元、所述燃料处理单元和所述功率调节单元，并且通过所述调试控制器进行管理和控制；
接收所述燃料处理单元、所述空气处理单元和所述功率调节单元的调试输入数据和调试输出数据；
基于所述燃料处理单元、所述空气处理单元和所述功率调节单元的所述调试输入数据和所述调试输出数据更新所述调试数字孪生体；
基于更新后的调试数字孪生体生成操作数字孪生体；
通过所述调试控制器对操作控制器进行初始化；
操作所述燃料电池系统，并且通过所述操作控制器进行管理和控制；
接收所述燃料电池系统中的所述燃料处理单元、所述空气处理单元、所述功率调节单元和所述电堆热箱的操作输入数据和交互的操作输出数据；
基于所述燃料处理单元、所述空气处理单元、所述功率调节单元和所述电堆热箱的所述操作输入数据和所述交互的操作输出数据适配所述操作数字孪生体；
基于适配后的操作数字孪生体来适配所述操作控制器；以及
通过适配后的操作控制器来管理和控制所述燃料电池系统。
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