一种支持数字孪生的配电网仿真场景生成系统与方法与流程

1.本发明属于软件定义网络和配电网仿真领域，具体涉及一种支持数字孪生的配电网仿真场景生成系统与方法。


背景技术：

2.电力通信网作为电力系统重要的组成部分，是电网调度自动化，电网运营市场化和电网管理信息化的基础，是确保电网安全、稳定、经济运行的重要手段。近年来数字孪生技术与配电网相结合并蓬勃发展，然而传统架构中的电力通信网，根据业务需求部署上线以后，如果业务场景发生变化或新增了些业务场景，重新修改相应网络设备上的配置是一件非常繁琐的事情。
3.现有的配电网仿真系统种类颇多，但大多数仿真系统存在针对性不强、用户难以实验和无法自动生成场景等问题，难以满足电力通信相关工作者的实验需求。如此一来，不能很好的满足配电网与数字孪生技术的发展需要。


技术实现要素：

4.为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种支持数字孪生的配电网仿真场景生成系统，包括：场景域模块、场景管理模块和存储管理模块；
5.所述场景域模块，用于按照用户需求，根据系统中已创建的仿真数据，自动生成用户所需的配电网场景；
6.所述场景管理模块，用于按照用户需求，创建与配电网对应的物件、物件之间的关系和物件相应的场景，并对创建的场景进行配置；
7.所述存储管理模块，用于实现仿真数据的存储和导入。
8.优选的，所述场景域模块，包括：场景关系抽取单元、场景模式分析单元和场景自动生成单元；
9.所述场景关系抽取单元，用于根据用户需求，抽取系统中已创建场景中的物件及场景中物件间的关系；
10.所述场景模式分析单元，用于对场景关系抽取单元抽取的场景关系进行分析与学习；
11.所述场景自动生成单元，用于根据场景模式分析单元分析的结果，自动选择相应的场景生成算法生成用户所需的配电网场景。
12.优选的，所述场景管理模块，包括：物件支持单元、关系支持单元、场景创建单元和场景配置单元；
13.所述物件支持单元，用于根据用户需求，对配电网中的物件进行仿真；
14.所述关系支持单元，用于根据用户需求和物件支持单元仿真的物件，对配电网中物件间的关系进行仿真；
15.所述场景创建单元，用于根据用户需求创建配电网对应的仿真场景；
16.所述场景配置单元，用于根据用户需求，对创建的场景中的物件属性进行配置与编辑。
17.优选的，所述存储管理模块，包括：场景导入单元、场景数据查询单元和存储适配单元；
18.所述场景导入单元，用于导入用户需要查询的场景，和根据场景数据查询单元查询到的场景信息导入系统中相应的场景；
19.所述场景数据查询单元，用于根据用户需求查询对应的场景，并将查询到的场景信息反馈至场景导入单元；
20.所述存储适配单元，用于实现仿真数据的持久化。
21.基于同一发明构思，本发明还提供了一种支持数字孪生的配电网仿真场景生成方法，包括：
22.通过调用存储管理模块，导入系统中相应的配电网场景信息；
23.或通过调用场景管理模块，创建与配电网对应的物件、物件之间的关系和物件相应的场景，并对创建的场景进行配置；
24.或通过调用场景域模块，根据已创建的仿真数据自动生成仿真场景。
25.优选的，所述通过调用场景域模块，根据已创建的仿真数据自动生成仿真场景，包括：
26.通过调用场景关系抽取单元，根据用户需求抽取已创建场景中的物件及物件之间的关系；
27.通过调用场景模式分析单元，根据抽取的场景关系进行场景模式分析与学习；
28.通过调用场景自动生成单元，根据场景模式分析单元分析的结果，自动选择相应的场景生成算法生成用户所需的配电网场景。
29.优选的，所述通过调用场景模式分析单元，根据抽取的场景关系进行场景模式分析与学习，包括：
30.通过调用场景模式分析单元，抽取所有已创建的场景关系；
31.通过所述场景模式分析单元自动学习所有已创建的场景关系中的模式与特点，并对各已创建的场景关系进行分析，生成与各已创建的场景关系相应的第一有向图网络。
32.优选的，所述通过调用场景自动生成单元，根据场景模式分析单元分析的结果，自动选择相应的场景生成算法生成用户所需的配电网场景，包括：
33.通过调用场景自动生成单元，根据分析生成的第一有向图网络，自动选择相应的场景生成算法；
34.通过场景自动生成单元利用所述场景生成算法，得到第二有向图网络；
35.通过场景自动生成单元，根据所述第二有向图网络创建相应的配电网场景。
36.优选的，所述利用所述场景生成算法，得到第二有向图网络，包括：
37.根据随机游走算法，得到第二有向图网络；
38.或通过计算有向图网络权重最大的边，得到第二有向图网络；
39.或通过计算需求相似性，得到第二有向图网络。
40.优选的，所述通过调用存储管理模块，导入系统中相应的配电网场景信息，包括：
41.通过调用场景导入单元，导入用户需要查询的场景；
42.通过场景导入单元调用场景数据查询单元，查询用户需要查询的场景的相关信息，并将查询到的场景信息反馈至场景导入单元；
43.通过调用场景导入单元，根据场景数据查询单元查询到的场景信息导入相应的场景。
44.优选的，所述通过调用场景管理模块，创建与配电网对应的物件、物件之间的关系和物件相应的场景，并对创建的场景进行配置，包括：
45.通过调用物件支持单元，根据用户需求对配电网中的物件进行仿真；
46.物件仿真完成后，通过调用关系支持单元，根据用户提供的关系信息和已创建的物件对配电网中物件间的关系进行仿真；
47.关系仿真完成后，通过调用场景创建单元，根据用户需求创建配电网相应的场景，并向用户反馈场景创建完成的信息；
48.场景仿真完成后，通过调用场景配置单元，根据用户需求对场景进行配置与编辑。
49.优选的，所述方法还包括：通过存储管理模块保障仿真数据的持久化。
50.与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：
51.本发明提供了一种支持数字孪生的配电网仿真场景生成系统与方法，包括：场景域模块、场景管理模块和存储管理模块；所述场景域模块，用于按照用户需求，根据系统中已创建的仿真数据，自动生成用户所需的配电网场景；所述场景管理模块，用于按照用户需求，创建与配电网对应的物件、物件之间的关系和物件相应的场景，并对创建的场景进行配置；所述存储管理模块，用于实现仿真数据的存储和导入；本发明可以自动学习已有的场景的模式与特点，分析各个场景之间的关系，抽取出数据，动态的构建一个新的场景，并以可视化的形式将结果返回给用户，以实现用户对自动生成的场景进行编辑、修改和导入导出。
52.本发明提供的系统和方法无需重新修改相应网络设备上的配置，针对性强、向用户提供互操作性强、可实验性强和可以提供可视化的实时仿真结果，极大程度地简化了配电网仿真过程中的场景构建环节，提高配电网仿真的效率。
附图说明
53.图1为本发明提供的一种支持数字孪生的配电网仿真场景生成系统架构图；
54.图2为本发明提供的一种支持数字孪生的配电网仿真场景生成方法的流程示意图；
55.图3为本发明提供的一种支持数字孪生的配电网仿真场景生成方法的场景导入交互示意图；
56.图4为本发明提供的一种支持数字孪生的配电网仿真场景生成方法的场景创建交互示意图；
57.图5为本发明提供的一种支持数字孪生的配电网仿真场景生成方法的场景生成交互示意图；
58.图6为本发明提供的一种支持数字孪生的配电网仿真场景生成方法的场景生成流程图；
59.图7为本发明提供的一种支持数字孪生的配电网仿真场景生成方法实施例的用户场景创建流程图；
60.图8为本发明提供的一种支持数字孪生的配电网仿真场景生成方法实施例的用户场景生成流程图。
具体实施方式
61.下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
62.实施例1：
63.本发明提供的一种支持数字孪生的配电网仿真场景生成系统，其系统架构图如图1所示，包括：场景域模块、场景管理模块和存储管理模块；
64.所述场景域模块，用于按照用户需求，根据系统中已创建的仿真数据，自动生成用户所需的配电网场景；
65.所述场景管理模块，用于按照用户需求，创建与配电网对应的物件、物件之间的关系和物件相应的场景，并对创建的场景进行配置；
66.所述存储管理模块，用于实现仿真数据的存储和导入。
67.本发明提出的支持数字孪生的配电网仿真场景生成系统主要为了实现配电网仿真场景中的不同物件、配电网仿真场景元素的动态构建并通过对数据分析进行配电网络仿真场景的构建，并将实时的仿真结果以可视化的方式呈现给用户，从而为配电网相关工作者提供互操作性强的、可实验性强的和可视化的配电网仿真场景生成平台。
68.根据图1可以看出，支持数字孪生的配电网仿真场景生成系统由三个主体构成，分别为：场景域模块、场景管理模块和存储管理模块；
69.场景域模块，是整个系统架构中司职算法的核心模块，配电网仿真场景生成过程中关键的分析算法、抽取算法和生成算法均由该主体裁决；
70.场景管理模块，是直接面向用户侧的模块，用户的创建、导入、导出和编辑等操作都直接与该主体对接；
71.存储管理模块，可以持久保存用户数据与算法数据，是整个架构中的底层支持。
72.每个模块具体来说：
73.最上层的场景域模块由场景关系抽取单元、场景模式分析单元和场景自动生成单元组成；
74.场景关系抽取单元，主要抽取现有的场景中的物件及其关系；
75.场景模式分析单元，主要对抽取的场景关系进行分析与学习；
76.场景自动生成单元，主要根据模式分析后的结果选择相应的场景生成算法来生成用户所需场景。
77.中间层的场景管理模块由物件支持单元、关系支持单元、场景创建单元以及场景配置单元组成；
78.物件支持单元，主要实现对配电网中物件的仿真，能够在仿真平台中创建对应的物件；
79.关系支持单元，主要实现物件之间关系的仿真；
80.场景创建单元，主要根据用户需求来创建对应的仿真场景；
81.场景配置单元，主要实现对场景中物件的属性的配置与编辑。
82.存储管理模块主要由场景导入单元、场景数据查询单元和存储适配单元组成；
83.场景导入单元，主要从外部导入场景信息；
84.场景数据查询单元，主要实现按照用户的需求查询场景；
85.存储适配单元，主要实现数据的持久化。
86.实施例2：
87.基于同一发明构思，本发明还提供了一种支持数字孪生的配电网仿真场景生成方法，如图2所示，包括：
88.步骤1：通过调用存储管理模块，导入系统中相应的配电网场景信息；
89.步骤2：或通过调用场景管理模块，创建与配电网对应的物件、物件之间的关系和物件相应的场景，并对创建的场景进行配置；
90.步骤3：或通过调用场景域模块，根据已创建的仿真数据自动生成仿真场景。
91.下述为步骤1-3中所涵盖的系统交互的具体步骤：
92.步骤1具体包括：
93.步骤1又称为场景导入操作，当用户执行场景导入操作时，可能是想要导入一个已有场景的编辑后结果，也可能是导入一个刚创建好的场景结果，所以需要先获取场景相关信息。图3描述了场景导入时，各系统单元间动态交互的时序：
94.(1)用户调用系统的场景导入单元来导入场景；
95.(2)场景导入单元调用场景数据查询单元来查询目标场景的相关信息；
96.(3)场景数据查询单元根据将查询到的场景信息返回给场景导入单元；
97.(4)场景导入单元根据场景数据查询单元查到的场景信息导入相应的场景，并将操作结果返回给用户。
98.步骤2具体包括：
99.步骤2又称为场景创建操作，用户执行场景创建操作时，需要依次建立好各个物件和彼此间的关系，最后创建整个场景。图4描绘了场景创建时各系统单元间动态交互的时序：
100.(1)用户调用系统的物件支持单元来创建物件，并向用户返回创建完成信息；
101.(2)物件创建完成后，用户调用系统的关系支持单元，关系支持单元根据已有的物件以及用户提供的关系信息来创建物件之间的关系，并向用户返回创建完成信息；
102.(3)关系创建完成后，用户调用系统的场景创建单元来创建相应的场景，并向用户返回创建完成信息；
103.(4)场景创建完成后，用户调用场景配置单元按照自己的需求来对场景进行配置，场景配置完成后向用户返回配置完成信息。
104.步骤3具体包括：
105.步骤3又称为场景自动生成操作，用户执行场景自动生成操作时，系统会通过各种算法，根据已有的场景图数据自动生成一份场景。图5描绘了场景生成时各系统单元间动态交互的时序：
106.(1)用户调用系统的场景关系抽取单元来抽取现有的场景中的物件及物件之间的关系，关系抽取完成后向用户返回完成信息；
107.(2)关系抽取完成后，用户调用系统的场景模式分析单元根据场景关系来分析场景模式，模式分析完成后向用户返回分析结果；
108.(3)用户获得模式分析的结果后，调用系统的场景自动生成单元，场景自动生成单元根据分析结果选择不同的场景生成算法来生成场景。
109.下面详细介绍场景自动生成的流程：
110.场景自动生成分为三个步骤，首先在已有的场景数据(存储为有向图结构)中自动获取一条有向路径，然后对该有向路径中的场景以及场景内部的物件及关系进行信息抽取，最后根据抽取出来的信息进行场景创建。场景自动生成流程如下：
111.(1)通过调用场景模式分析单元，抽取所有已创建的场景关系；通过所述场景模式分析单元自动学习所有已创建的场景关系中的模式与特点，并对各已创建的场景关系进行分析，生成与各已创建的场景关系相应的第一有向图网络。然后将它们存储下来。有向图可以用g＝(v,e)来表示，其中v表示图g中顶点的集合，e是图g中顶点之间边的集合。用邻接矩阵来保存两点i,j之间的权重，定义为：
[0112][0113]
(2)通过调用场景自动生成单元，根据分析生成的第一有向图网络，自动选择相应的场景生成算法；通过场景自动生成单元利用所述场景生成算法，得到第二有向图网络。具体为分析所有有向图组成的综合网络，根据分析结果选择(3)-(5)中的场景生成算法；
[0114]
(3)利用随机游走算法，生成新的可能路径，即有向图网络，随机游走的思想如下：
[0115]
①
给定一个出发点，计算其邻接节点的个数n；
[0116]
②
假设当前节点移向其邻接节点的概率为p，则到达每个邻接节点的概率p/n，停在该节点的概率为1-p；
[0117]
③
如果移动到了邻接节点上，则把当前节点作为出发点，重复以上过程；
[0118]
④
如果停在了当前节点，那些被随机选出的结点序列就构成了一个新的有向图；
[0119]
(4)在有向图中，边的权重代表该边被使用的次数。可以利用有向图组合成的综合网络边的权重，选择权重最大的边，生成常用的有向图网络，计算过程如下：
[0120]
①
初始化dist[]＝{ninf,ninf,...},dist(s)＝0。s是源点，ninf表示负无穷。dist(v)表示以点v结尾的最长距离；
[0121]
②
遍历所有的边集，计算当前边出发点的路径长度与其到邻接节点长度的和，如果计算得到的路径长度比邻接节点原有的长度长，就更新该邻接顶点的路径长度，计算公式如下：
[0122]
dist(v)＝max
《u,v》∈e
(dist(u) w(u,v))
[0123]
③
不断重复上述操作n-1次，n为顶点数目；
[0124]
④
选择dist中最大值所对应的路径作为生成有向图网络；
[0125]
(5)利用需求的相似性，直接推荐可能的有向图网络，需求相似性可以用杰卡德系数来表示，杰卡德系数就是两个样本的交集除以并集得到的数值，对于用户的需求可以将其转化为词频矩阵w，然后与已有的词频矩阵集合ws中的值进行计算，计算公式如下：
[0126][0127]
选择计算的杰卡德系数最大词频矩阵所对应的有向图网络；
[0128]
(6)通过场景自动生成单元，根据所述第二有向图网络创建相应的配电网场景，场景生成流程图如图6所示。
[0129]
用户基于场景对配电网环境进行仿真模拟，首先需要创建特定的场景信息和数据。例如用户打算进行配电网环境下网络攻防仿真，那么他首先需要创建一套网络拓扑结构和攻击方法与防御策略。此时用户通过支持数字孪生的配电网仿真场景生成系统的图形化操作平台点击创建场景，选择导入场景，然后对该场景进行编辑操作，此时系统会检索存储管理模块，找到用户想要导入的场景，然后以可视化的方式将数据返回给用户操作平台。接下来用户便可以对该场景进行编辑和拓展，比如创建一些新的物件和关系，本例中物件为网络交换机与设备，关系为彼此之间的拓扑关系。当用户完成编辑操作后，通过图形化按钮保存场景并导出。上述实施例中用户场景创建流程如图7所示，用户场景生成流程如图8所示。
[0130]
用户每一次仿真模拟，都需要创建新的场景，反复的做很多物件创建和关系创建操作，非常繁琐。此时系统中已经存储了许多用户创建的场景了，系统可以自动学习已有的场景的模式与特点，分析各个场景之间的关系，将他们的数据抽取出来动态的构建一个新的场景。于是用户可以通过图形化界面中的自动生成按钮，让系统为用户自动生成新的仿真场景，将用户从繁琐的操作中解放出来，让用户更好的专注于仿真策略的升级和迭代。
[0131]
支持数字孪生的配电网仿真场景生成系统大大简化了配电网仿真过程中的场景构建环节。配电网仿真场景包含了许多物件仿真以及各个物件之间的相互作用关系，用户需要对场景构建中的每一个环节进行编程来达到配电场景仿真的目的，即便有场景导入导出功能，但是一一构建的过程依然琐碎繁杂。支持数字孪生的配电网仿真场景生成系统通过算法动态的根据已有的场景数据及其联系，自动对他们进行分析与抽取，从而构建出新的场景，并以可视化的形式将结果返回给用户，用户可以对自动生成的场景进行编辑、修改和导入导出。
[0132]
本发明将场景构建过程自动化，可以大大提高配电网仿真的效率。
[0133]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0134]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0135]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0136]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0137]
最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本发明后依然可对发明的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在发明待批的权利要求保护范围之内。