一种基于数字孪生的水工金属结构设备智能管理构建方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于数字孪生的水工金属结构设备智能管理构建方法及系统，所述方法包括：构建包括水利工程物理环境和水工金属结构物理实体的物理空间，同时构建包括水利工程孪生环境和水工金属结构数字孪生体的信息空间，物理空间与信息空间通过包括历史数据、在线数据、预测数据在内的孪生数据进行交互。本发明专利技术通过构建水工金属结构设备极其运行环境的数字孪生体，可以实现水工金属结构设备全生命期的状态监测、运行维护和安全评估，形成的水工金属结构设备智能管理系统具备条理化、数字化、集成化、可视化的特点，可以一定程度上降低水工金属结构设备在运行服役期间的安全监控不到位、信息整合不全面、资源调控效率低、风险预警不及时的问题。预警不及时的问题。预警不及时的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数字孪生的水工金属结构设备智能管理构建方法及系统


[0001]本专利技术涉及水工金属结构设备管理领域，尤其是涉及一种基于数字孪生的水工金属结构设备智能管理构建方法及系统。
技术背景
[0002]水工金属结构设备，如闸门、启闭机、压力钢管等，作为水利水电工程中水流调节控制的关键设备，其安全性极其重要。相较于土建工程结构，水工金属结构设备故障率高、故障状态变化快，对监测和应急处理的实时性要求高，能否高效进行金属结构的运维和管理将直接影响水利水电工程的稳定运行。
[0003]对于水工金属结构设备的检测评估管理，行业内已形成相关规范，如《SL105
‑
2016水工金属结构防腐蚀规范》、《SL101
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2014水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程》、《JTS304
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2019水运工程水工建筑物检测与评估技术规范》、《JTS153
‑3‑
2007海港工程钢结构防腐蚀技术规范》等，但这些规范标准对于安全管理没有形成统一的综合体系，各种检测评估手段也以人工定期检查为主，信息交互不及时，对于水工金属结构的运行状态、腐蚀状态等也缺少综合的评估。在安全管理方面，更没有形成系统性的体系，缺少针对水工金属结构设备的安全信息化智能管理方法。
[0004]因此，为了更好地实现水工金属结构设备全寿命期的状态监管，并综合评估水工金属结构设备的健康安全，亟需改变传统的管理模式，对各项工作业务进行信息化整合，搭建水工金属结构设备智能管理系统，实现对各个金属结构设备的全面运维管理。

技术实现思路

[0005]本专利技术第一个目的在于，提供一种基于数字孪生的水工金属结构设备智能管理构建方法，形成具有数据管理、动态监测、全局显示、状态诊断、风险评估、综合调控功能的水工金属结构设备智能管理系统。
[0006]为此，本专利技术的上述目的通过如下技术方案实现：
[0007]一种基于数字孪生的水工金属结构设备智能管理构建方法，其特征在于：所述构建方法包括如下步骤：
[0008]S1、构建物理空间，所述物理空间包括水利工程物理环境和水工金属结构物理实体；所述水工金属结构物理实体包括闸门、启闭机、钢管、机组蜗壳中的至少一种；
[0009]S2、构建信息空间，所述信息空间包括水利工程孪生环境和水工金属结构数字孪生体；
[0010]S3、形成孪生数据，以进行物理空间与信息空间的交互，所述孪生数据包括历史数据、在线数据、预测数据。
[0011]在采用上述技术方案的同时，本专利技术还可以采用或者组合采用如下技术方案：
[0012]作为本专利技术的优选技术方案：步骤S2中，信息空间的构建，包括环境模型、几何模
型、物理模型和规则模型的构建；所述环境模型参数包括水位、雨量、温度、湿度、pH值、介质流速和溶液电导率；所述几何模型包括几何尺寸、组成材料、组合结构和装配逻辑。
[0013]作为本专利技术的优选技术方案：所述规则模型的构建基于管理制度、规范标准、标准图库、专家经验以及智能比对。
[0014]作为本专利技术的优选技术方案：步骤S3中，水利工程物理环境和水工金属结构物理实体形成的实时信息，与信息空间的输出信息进行即时比对；
[0015]当比对结果不满足规则模型时，进行数据分析，一方面，当分析结果为信息空间存在模型缺陷时，则进行模型修正；另一方面，当分析结果为水工金属结构物理实体异常时，则进行行为控制。
[0016]作为本专利技术的优选技术方案：所述数据分析包括历史故障分析、安全状态评估以及风险事故预测。
[0017]作为本专利技术的优选技术方案：所述安全状态评估基于工况历史和故障历史，进行水工金属结构设备的故障类型及原因挖掘和推导，并结合实时数据，进行评价分析，最终形成水工金属结构设备的安全状态评估。
[0018]作为本专利技术的优选技术方案：所述风险事故预测针对信息空间中的水工金属结构数字孪生体，依托人工神经网络技术，输入参数为环境模型中的环境数据和物理模型中的金属结构设备在线监测数据，基于工况历史和故障历史，开展不同闸门开度、不同启闭力、不同振动类型、不同结构应力状态、不同结构腐蚀程度、不同零部件动作的多场景训练，形成故障概率模型，并依据实时数据形成孪生数据，与故障概率模型融合，得到风险事故的概率预测。
[0019]上述安全状态评估和风险事故预测依托人工神经网络技术，输入参数为环境模型中的环境数据和物理模型中的金属结构设备在线监测数据。
[0020]在上述方案实现过程中，首先针对选定的水工金属结构设备，获取实时数据；并将获取的参数作为输入参数生成数字孪生模拟数据；并通过对照物理空间进行环境模型、几何模型、物理模型和规则模型的构建；形成模型后，利用孪生数据进行训练，进而开展数据分析，包括历史故障分析、安全状态评估和风险事故预测；基于数据分析结果，比对规则模型，进行模型修正和行为控制；其中，行为控制包括故障预警、反馈控制、故障运行、停机报错和信息回传。
[0021]基于风险事故预测，形成故障早期预警，识别和定位劣化单元，并通过主动行为控制，及时排除故障风险；特别的，对于闸门结构，通过“水位
‑
开度
‑
振动”分析，形成共振避险运动区间，开展安全运行；对于启闭机结构，通过“水位
‑
启闭力”分析，形成当量下启闭机容量预测，避免启闭不足或过载。
[0022]经过人工神经网络技术分析后，可以在数据孪生物理模型上形成精准故障点定位、状态检修和维护提醒；并通过全面监测和孪生场景实现可视化精准调度。
[0023]作为本专利技术的优选技术方案：风险事故预测，基于多维度多参数准则，其中多维度体现为“工程
‑
结构/设备
‑
参量”三级金字塔模式，顶层为“工程”安全维度，中层为“结构/设备”安全维度，底层为“参量”安全维度。“工程”的总体安全度可以表示为：
[0024]Γ＝F{f1,f2,f3,f4,f5}
[0025]其中f
i
(i＝1，2，3，4，5)代表金字塔中层的“结构/设备”，即包括闸门、启闭机、阀
门、钢管、升船机。其中，顶层“工程”的总体安全度与中层“结构/设备”的权重赋值优先级有关，高频动态的“结构/设备”优先级高于低频静态的“结构/设备”，即闸门和启闭机具有权重赋值优先级。权重赋值后的“工程”的总体安全度可以按下式计算：
[0026][0027]其中p
i
(i＝1，2，3，4，5)代表各“结构/设备”的权重赋值，并满足：
[0028][0029]作为本专利技术的优选技术方案：多参数体现为底层“参量”中包括“确定参量”和“不定参量”，因而中层的“结构/设备”的安全度可以表示为：
[0030]p
i
＝P{Q1,Q2}
[0031]其中Q1代表“确定参量”，即包括基于监测、检测、观测等获取的即时确定参数信息，而Q2代表本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生的水工金属结构设备智能管理构建方法，其特征在于：所述构建方法包括如下步骤：S1、构建物理空间，所述物理空间包括水利工程物理环境和水工金属结构物理实体；所述水工金属结构物理实体包括闸门、启闭机、钢管、机组蜗壳中的至少一种；S2、构建信息空间，所述信息空间包括水利工程孪生环境和水工金属结构数字孪生体；S3、形成孪生数据，以进行物理空间与信息空间的交互，所述孪生数据包括历史数据、在线数据、预测数据。2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的水工金属结构设备智能管理构建方法，其特征在于：步骤S2中，信息空间的构建，包括环境模型、几何模型、物理模型和规则模型的构建；所述环境模型参数包括水位、雨量、温度、湿度、pH值、介质流速和溶液电导率；所述几何模型包括几何尺寸、组成材料、组合结构和装配逻辑。3.根据权利要求2所述的基于数字孪生的水工金属结构设备智能管理构建方法，其特征在于：所述规则模型的构建基于管理制度、规范标准、标准图库、专家经验以及智能比对。4.根据权利要求1所述的基于数字孪生的水工金属结构设备智能管理构建方法，其特征在于：步骤S3中，水利工程物理环境和水工金属结构物理实体形成的实时信息，与信息空间的输出信息进行即时比对；当比对结果不满足规则模型时，进行数据分析，一方面，当分析结果为信息空间存在模型缺陷时，则进行模型修正；另一方面，当分析结果为水工金属结构物理实体异常时，则进行行为控制。5.根据权利要求4所述的基于数字孪生的水工金属结构设备智能管理构建方法，其特征在于：所述数据分析包括历史故障分析、安全状态评估以及风险事故预测；所述行为控制包括故障警示、故障运行、停机报错、反馈控制和信息回传。6.根据权利要求5所述的基于数字孪生的水工金属结构设备智能管理构建方法，其特征在于：基于数字孪生的安全评估遵循三种处理模式，分别为：即时数据判断、基于数据的裕度分析和模拟、基于神经网络模型的安全评估；其中，神经网络模型的训练基于工况历史、故障历史和实时数据。7.根据权利要求5所述的基于数字孪生的水工金属结构设备智能管...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏云秋，时雷鸣，朱烨森，胡涛勇，金晓华，秦方，
申请(专利权)人：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：