人工智能在电力需求侧仿真与预测中的若千应用 景锐 ( 副教授 ) 厦门大学能源学院 目录 1 在仿真中应用 2 在预测中应用 2 3 背景意义 全球变暖， 2024 年为有记录以来全球最热年，为舒适与健康不得不消耗大量能源 ! 《电力系统调节能力 优化专项行动实施方 案 (2025-2027 年 ) 》 目标：在需求侧建设相当于 5% 聚类生成典型概率场景 思路：基于气象、面向能源，降 尺度对齐天气数据的时空颗粒度 思路：实测电耗、数据驱动验证 ArcGIS 思路：基于 GIS 城市级建筑数据库， 耦合 EnergyPlus 单体建筑仿真， 自底向上、自动化、高通 量 g10 D000 m2s 0000 0M IT0000 Date/Time 达成目标：自动化、高可信的 UBEM 构建城市尺度建筑能耗模型 063001.00.0 12701:2000 ● 机械系统 ( 暖通 / 照明 ) 仿真 ● 运 行时 刻表 厦门市 4 类典型住 宅 Energy use(kWh/sqm) Energy use(kWh/sqm) 0101010000 40101000

90 年代 ) 萌芽阶段 (20 世纪 70 年代 ) 大数据、人工智能 数字孪生水利 业务融合 一张图 单业务应用 硬件信息化 数字孪生水利：以物理流域为单元、时空数据为底座、仿真模型为核心，水利知识为驱动，建立可测、 可感、可控、可用的数字水利业务场景。 水利感知网 水利信息网 水利云 江河湖泊 水利工程 保障 体 系 数字模拟仿真引擎 水利 专业模型 知识 平台 模 型 平台 可视化 模型 专家 经验 智能模型 智能决策能力 ( 大脑 ) 融合水文机理模型、人工智能模型实现孪生场景下的预测。 实时感知能力 ( 眼、手 ) 结合物联传感实现对现实观测数据的实时感知。 孪生转化能力 ( 躯干 ) 对现实世界物理模拟，提供一个真实的空间仿真本体。 数字孪生水利重点解决的三个问题 P8 对物理流域进行高精度数 字化表达和智能化操控的 虚拟空间模型 水利全景信息载体 实时渲染 高度仿真 动态模拟 真实场景 实时同步 动态反馈 水利全要素 数字化映射 受自然规律和社会 经济活动影响的 真实地理实体 孪生转化能力： 采集、治理、建模、可视化、仿真、交互 … 三维数据底座 统一汇聚 多源融合 系统治理 数据服务 基础数据 监测数据 地理空间

工厂三维仿真 物流仿真 三维工艺仿真 信息共享 发货管理 供应商平台 SRM 订单发布确认 发票管理 计划协同 销售管理 供应链管理 SCM 采购计划 仓储管理 产品数据 物流管理 制造执行系统 MES 目视化管理 数据采集 过程控制 在制品管理 质量追溯 物料管理 计划排程 生产派工 能源分析 能源调度 能源监控 智慧能源 规则管理 计划仿真 高级排程 注塑 阴模 弱化 原料 组装 集中供料、水路监控、自动换模 柔性化选择 人机协同 厂内物流及线边缓冲（ AGV 、线边 库） 设备互联 调度控制 信息集成 智能追踪 CAD 模型 CAE 仿真 CAPP 工艺 CAM 模具设计制造一体化 门 板 主工艺 02 解决方案 工厂功能区规划 ① 原 材 库 房 ② 注塑车间 1 ③ 注塑车间 2 ④ 后 处 理 设备数据实时 采集 仿真规划—系统仿真流程 问题定位 任务规划 系统定义 工艺流程图 系统绩效测量 输入数据准备 3D 建模 验证 确认 仿真实 验设计 仿真实验 实验结果分析 实施和落实文档 yes yes no no 批准 修 订 仿真规划—工厂布局仿真路线图 概念设计 设备建模 / 导入 工厂布局示意仿真 讨论 / 确认 工厂布局仿真修 订 / 细化 讨论

通过智能制造将精益制造优势提升到一个新的高度 单独的精益制造可能已接近其能力极限，但如果通过智能制造对其加以强化，精益制造的 优势似乎几近于无穷无尽。 原因何在？智能制造最初作为工业 4.01 的一个组成部分出现，它增加了将仿真、执行控制 和分析相结合所需的数字化，从而在不影响精益制造收益的情况下，持续优化无返工的高 良率制造流程。智能制造为企业提供需要的端到端连接，以便企业做出数据驱动型决策， 从而加快新产品推出 (NPI) 的全部潜力 资产效率 生产成本 质量 潜在优势 高达 30% 20% 10% 10% 高达 50% 高达 20% 传 统 精 益优 化曲 线 实时数据采集、规划、仿真和生产优化让半导体制造更智能 精益制造注重历史数据。精益制造使用过去的生产数据来确定和消除非增值 活动。 智能制造注重实时数据。智能制造使用实时生产数据来不断优化当前生产， 以实现高水平的初始质量。 息。用于半导体制造的 MES 可以利用生产的数字孪生来实时捕获性能数据，包括统计 过程控制 (SPC) 以及与制造执行、维护、测试和调度的偏差。数字孪生利用 MES 数据 不断进行更新，可以随时提供高度准确的仿真，帮助企业确定生产改进机会。 是什么让智能制造脱颖而出？ 生产线自动化规划 无缝协同 3 闭环制造 生产与质量执行 生产线调试 和运行 制造流程规划和验证 生产优化 2 1 虚拟规划

系统相对封闭 运量大、要求 高 资源调配效率低 下 车辆运维困难 客户需求不断提 高 研发设计数字化 生产制造柔性化 产业链管理一体化 车辆运维智能化 研发仿真 协同制造 产业链管理 设备健康管理 中车四方、中 车株机、中车 浦镇 工程 机械 设备产品多样 化 生产过程离散 化 供应链复杂 资源调配效率低 下 机械设备运维困 ...................... 47 7.1 轨道交通行业数字化转型趋势分析............................ 47 7.1.1 研发设计从实验验证向平台仿真转变................. 47 7.1.2 生产制造从大批量向柔性化转变......................... 47 7.1.3 业务管理从以人为主向精益化转变.. .. 48 7.1.4 设备运维从定时维修向按需维修转变................. 48 7.2 工程机械行业工业互联网平台应用场景及实践........ 49 7.2.1 虚拟仿真 ................................................................. 49 7.2.2 协同制造 ................

（一）加快核心数智技术攻关应用 1.推进关键核心技术攻关。推动研究电子信息制造业数 字化转型关键技术创新路线图。采用“揭榜挂帅”机制加强 转型关键技术研发，重点突破高精度高速工业控制、智能设 备集成、复杂系统仿真推演、无损检测、可靠性管理等关键 共性技术，提升设备自动化编程（EAP）、电子设计自动化、 PCB 设计、产品生命周期管理、制造执行、质量管理、智能 不良根因分析等系统及软件水平。研制智能工控计算机、工 拟现实、智能可穿戴设备、 智慧家庭等细分领域，培育推广自动化装配组装、AOI 质检、基于渲染技术的 沉浸式体验、精准主动客服、用户体验优化等解决方案。 新型显示：研发推广面板生产主计划、光电设计仿真一体化平台、面板实 时排程管理系统、设备综合效率管理平台、工艺设备参数自动调优系统、制造 执行系统、高效良率管理系统、品质管理系统、基于人工智能的视觉外观缺陷 检测、智能仓储和精准配送等解决方案。 除信息孤岛，提高研发效率。通过统一计算协作平台，根据 需求动态调整计算资源，为设计、仿真、测试提供高性能的 计算资源，降低设备购置和维护成本，缩短研发周期。 重点适用行业：新型显示行业、先进计算行业、消费电 子行业。 典型场景 2：产品设计 12 痛点：电子产品结构复杂度和功能性能要求不断提升， 部分企业在仿真验证方面的建设滞后，机理模型构建不全 面，仿真分析与测试数据无法有效关联，企业在产品设计和 试生产过

强链，开放协作的基础上加速⽣态化。核⼼模块与基础⽀撑系统，包括电机与减速 器、传感器与感知模组、伺服电机、灵巧⼿、操作系统、⼤⼩脑系统-基础模型-功能 模型、芯⽚与算⼒平台、软件与仿真平台等⽅⾯，均取得⻓⾜进步。在此基础上，部 分企业通过操作系统、专业模型、训练仿真、算⼒系统、数据 API 等⽅⾯的开放⽣态 搭建，实现从“卖机器⼈”转向输出“平台+⽣态”，通过开放平台构建开发者⽣态，有⼒ 加速了该领域技术的产业化、⽣态化进程。 ⼈形机器⼈核⼼零部件与基础⽀撑 在⼈形机器⼈与具⾝智能产业链的核⼼零部件与基础⽀撑环节，包括电机与减速 器、传感器与感知模组、伺服电机、灵巧⼿、⼤⼩脑系统-基础模型-功能模型、芯⽚ 与算⼒平台、软件与仿真平台等⽅⾯。其中⼤脑⼩脑为形象描述，实际指机器⼈⾼层 AI 决策与低层运动控制的协同与分层。 2.3.1 电机与减速器 电机与减速器是构成机器⼈关节驱动系统的核⼼机电组件，包括⽆框⼒矩电机、 型的训 练和应⽤。 7 2.3.7 软件与仿真平台 软件与仿真平台是⽤于开发、训练和验证机器⼈⾏为策略的虚拟⼯具链，涵盖控 制算法、仿真数据和具⾝模型训练等。该平台通过物理精确的数字环境模拟真实交 互，使算法可在⽆需实物的情况下完成迭代优化，⼤幅缩短研发周期并提升系统鲁棒 性。 2025 年具⾝智能软件与仿真平台领域呈现多元化发展态势，腾讯、华为、智元机 器⼈、逐际

系统仿真学报 系统仿真学报© Journal of System Simulation 第 35 卷第 5 期 2023 年 5 月 Vol. 35 No. 5 May 2023 热电联产虚拟电厂两阶段分布鲁棒优化调度 热电联产虚拟电厂两阶段分布鲁棒优化调度 范雅倩 1，于松源 1，房方 1, 2* (1. 华北电力大学 控制与计算机工程学院，北京 102206；2. 电站能量传递转化与系统教育部重点实验室，北京 -13 DOI: 10.16182/j.issn1004731x.joss.22-0059 引用格式 引用格式: 范雅倩, 于松源, 房方. 热电联产虚拟电厂两阶段分布鲁棒优化调度[J]. 系统仿真学报, 2023, 35(5): 1046- 1058. Reference format: Fan Yaqian, Yu Songyuan, Fang Fang. Two-Stage Distributed 各出力单元的预调度；实时阶段对电热 出力进行优化调整。主要贡献为：①建立了一种 • 1047 • 第 35 卷第 5 期 2023 年 5 月 Vol. 35 No. 5 May 2023 系统仿真学报 Journal of System Simulation http: // www.china-simulation.com 考虑热网特性的 CHP-VPP 模型，并引入 HOMIE

度高，多传感器融合算法验证需满足 ISO 21448 SOTIF 预期 功能安全要求，依赖海量路测数据，标注与仿真成本占研发 预算比例高。跨部门数据孤岛阻碍协同设计，仿真/数字孪生 技术应用能力薄弱。 应用场景： 一级：车载智能传感和控制产品机械结构和电子电路的 CAD/CAE 设计仿真。企业通过 CAD/CAE 工具完成机械结 构/电子电路独立设计；使用试验台架进行物理样机测试，人 工 工记录相关测试数据，使用研发部门本地服务器存储设计数 据。 二级：基于 PDM 的车载智能传感和控制产品研发数据 规范管理。企业可引入基础多体动力学仿真（如 CarSim 车 辆模型库等），构建硬件在环测试（HIL）环境实现软硬件 初步验证。部署 PDM 系统管理产品数据，形成图纸、设计 BOM、技术变更等完整的产品设计资料管理标准，建立标准 化设计参数模板库。 三级：基于 PLM 的车载智能传感和控制产品组件的参 的车载智能传感和控制产品组件的参 数化、模块化和协同化设计。企业可建立基于模型的系统工 程架构，实现需求-设计-验证链贯通集成多物理场协同仿真 平台。部署 PLM/专用协同平台，设计阶段与工艺部门对材 料、公差和装配性等关键要素进行协同评审与优化，实现产 - 7 - 品设计与工艺设计的有效协同。核心部件能够基于产品组件 的标准库、产品设计知识库，实现产品参数化、模块化设计。 四级：基于数字孪生和

的应用仍处于起步且分散的阶段，虽涌现出了多个单点应用案例，但尚未形成规 模化、系统化的效应。与此同时，工程领域普遍面临着将人工智能的巨大潜力转 化为实际生产力的挑战，例如，工程仿真平台 SimScale 在 2025 年发布的报告中 指出，高达 93%的工程领导者预期人工智能能在设计和仿真工作流程中带来生产 力提升，但仅有 3%的受访者表示已实现显著收益。这种预期与实际之间的差距， 以及数据孤岛、对传统工具的依赖等障碍，凸显了对一个更具系统性、针对性的 岗位，但同时也将创造更多与工程智能紧密结合的新岗位，这种变化在人工智能 发展所新兴的职业中已经初见端倪，包括人工智能伦理学家、提示词工程师以及 人机交互设计师等。其次，工程智能还将革新工程教育形式，通过个性化学习、 高保真仿真实践等，显著提升人才培养的质量和效率。更进一步地，人类与智能 的协作将逐步演化为“共生智能”的新模式，在此模式下，人工智能的目标不再 是完全替代人类的“完美机器”，而是作为“灵魂搭档”激发人类创造力和智慧， 确功能需求、性能指标、法规约束和商业目标，回答项目“是什么”和“为什么” 的核心问题；“设计”则聚焦于将策划蓝图转化为具体可行的技术方案，包括概 念生成、结构与系统建模、材料与工艺选择、性能仿真与多目标优化，解决“如 何实现”的关键路径。人工智能（AI）正在深刻重塑这一阶段，推动其从依赖人 类经验的、线性的、迭代式的传统模式，向数据驱动的、并发的、生成式的智能 新范式演进。 人工智