Разработка цифровой модели цифрового двойника ветровой электростанции с использование онтологического моделирования

<jats:p>В статье рассматривается задача интеграции разнородных математических моделей, применяемых при формировании цифровой модели цифрового двойника ветровой электростанции. Актуальность исследования определяется тем, что ветровая электростанция представляет собой не один объект, а сложную техническую систему, включающую ряд взаимосвязанных подсистем: ветровую установку, аэродинамический контур, механическую передачу, силовую электронику, систему передачи энергии, дизельную электростанцию, аккумуляторные батареи и потребителей. Для каждой из указанных подсистем в научной литературе используются различные классы моделей, отличающиеся составом исходных данных, уровнем детализации, расчетным шагом, принятыми допущениями, ограничениями и областью применимости. При разработке цифрового двойника такие модели должны быть не только реализованы в одном программном комплексе, но и согласованы между собой по смыслу параметров, единицам измерения, временным характеристикам, граничным условиям и правилам передачи результатов расчетов. Цель работы состоит в обосновании целесообразности применения онтологического подхода к интеграции моделей в цифровой модели цифрового двойника ветровой электростанции. Показано, что при отсутствии явной формализации предметной области усложнение цифрового двойника сопровождается дублированием данных, появлением неявных зависимостей между расчетными модулями, затруднением сопровождения программной системы и ростом затрат на развитие новой функциональности. Предлагается использовать онтологическую модель, как средство ограничения этих эффектов, задающее общий слой терминов, связей, ограничений и требований к данным. Целесообразно применять такую модель на этапе проектирования новой функциональности цифрового двойника, включая внедрение новых расчетных моделей, изменение компонентов визуализации, расширение базы данных и уточнение связей между подсистемами. Новизна подхода заключается в рассмотрении онтологии не только как средства представления знаний о предметной области, но и как инструмента снижения организационных и программно-инженерных рисков при интеграции моделей цифрового двойника. Отдельное внимание уделено тому, что онтологическая модель позволяет фиксировать знания специалистов в формализованном виде и тем самым снижать зависимость проекта от ограниченного числа сотрудников, одновременно владеющих программной инженерией, математическим моделированием и спецификой энергетических объектов. В работе обосновывается, что использование онтологического подхода может способствовать повышению согласованности компонентов цифровой модели, снижению вероятности ошибок при обмене данными между расчетными модулями и упрощению последующего развития цифрового двойника ветровой электростанции.</jats:p> <jats:p>The paper addresses the problem of integrating heterogeneous mathematical models used in the formation of a digital model of a digital twin of a wind power plant. The relevance of the study is determined by the fact that a wind power plant is not a single computational object, but a complex technical system comprising a number of interrelated subsystems: a wind turbine, an aerodynamic circuit, a mechanical transmission, power electronics, an energy transmission system, a diesel power plant, battery energy storage systems, and consumers. For each of these subsystems, the scientific literature presents various classes of models that differ in terms of input data, level of detail, computational time step, adopted assumptions, constraints, and scope of applicability. In the development of a digital twin, such models should not only be implemented within a single software system, but also coordinated with one another in terms of parameter semantics, units of measurement, temporal characteristics, boundary conditions, and rules for transferring computational results. The aim of the study is to substantiate the feasibility of applying an ontological approach to model integration within the digital model of a digital twin of a wind power plant. It is shown that, in the absence of explicit formalization of the subject area, the increasing complexity of a digital twin is accompanied by data duplication, the emergence of implicit dependencies between computational modules, difficulties in maintaining the software system, and growing costs associated with the development of new functionality. An ontological model is proposed as a means of limiting these effects, defining a common layer of terms, relationships, constraints, and data requirements. It is advisable to apply such a model at the stage of designing new digital twin functionality, including the implementation of new computational models, modification of visualization components, database expansion, and refinement of relationships between subsystems. The novelty of the proposed approach lies in considering ontology not only as a means of representing knowledge about the subject area, but also as a tool for reducing organizational and software engineering risks in the integration of digital twin models. Particular attention is paid to the fact that an ontological model makes it possible to capture specialists’ knowledge in a formalized form and thereby reduce the project’s dependence on a limited number of employees who simultaneously possess expertise in software engineering, mathematical modeling, and the specific features of energy facilities. The paper substantiates that the use of an ontological approach can contribute to improving the consistency of digital model components, reducing the probability of errors in data exchange between computational modules, and simplifying the further development of the digital twin of a wind power plant.</jats:p>