本發(fā)明屬于數(shù)字孿生，涉及一種基于算測融合的智能蝶閥數(shù)字孿生系統(tǒng)及方法。
背景技術：
1、蝶閥是水電工程管網(wǎng)中流體控制系統(tǒng)的核心控制部件，其運行性能直接決定管網(wǎng)系統(tǒng)的運行安全性和可靠性。閥體兩端通過法蘭與管道相連形成完整流道，驅(qū)動裝置通過驅(qū)動閥桿帶動閥板進行旋轉(zhuǎn)至特定位置，實現(xiàn)對管道內(nèi)流體的精準調(diào)控，確保管網(wǎng)的功能。然而，在閥門設計與實際運行過程中，動水力矩系數(shù)存在不確定性，負載也在變化，導致閥門的驅(qū)動與控制過程受到顯著干擾，帶來極大的安全隱患。此外，隨著蝶閥啟閉循環(huán)次數(shù)的累積，閥桿作為核心傳力部件，長期受交變應力、機械沖擊及振動載荷的復合作用，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)疲勞損傷，進而引發(fā)斷裂、變形等失效問題。閥桿作為能量傳遞的關鍵路徑構(gòu)件，其服役可靠性直接關系到閥門整體系統(tǒng)能否實現(xiàn)安全可靠、精準可控的啟閉作業(yè)。
2、針對以上問題，國內(nèi)外學者進行了大量研究，并提出了一些解決方案，如中國發(fā)明專利（申請?zhí)?01910700513.6）提供一種基于閥桿扭矩變化蝶閥密封性能監(jiān)測裝置和監(jiān)測方法，使用若干個配套的閥桿扭矩傳感器和閥門開度傳感器對蝶閥運行參數(shù)進行采集，將獲數(shù)據(jù)經(jīng)交換機傳輸至計算機終端進行存儲，軟件系統(tǒng)通過判斷扭矩數(shù)據(jù)的變化趨勢決定是否發(fā)出警告提示。中國發(fā)明專利（申請?zhí)?02510099357.8）提供一種進水蝶閥實時異常監(jiān)測方法及系統(tǒng)，使用在水蝶閥中布置的傳感器獲得單位時間內(nèi)的流量、內(nèi)壁水壓和蝶閥開度等信息，通過對比標準規(guī)格數(shù)據(jù)判斷蝶閥的工作狀態(tài)是否正?！，F(xiàn)有技術方案雖然可以對蝶閥運行的安全健康狀態(tài)進行監(jiān)測，但依賴單一傳感器數(shù)據(jù)對蝶閥進行監(jiān)控，無法完成對蝶閥整體結(jié)構(gòu)性能的實時監(jiān)測和預警。
3、數(shù)字孿生技術是根據(jù)物理實體在虛擬空間中構(gòu)建數(shù)字模型，并與實時數(shù)據(jù)深度融合，借助虛擬仿真、分析預測等手段，動態(tài)更新數(shù)字孿生體的運動狀態(tài)、性能特性、可靠性等信息，從而實現(xiàn)虛擬世界與真實世界虛實交互，可以應用在產(chǎn)品的產(chǎn)品設計、制造運維、運維等全生命周期的各個階段。利用數(shù)字孿生技術可以對蝶閥的結(jié)構(gòu)性能與運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，同時對閥桿等關鍵部件進行可靠性分析，為蝶閥結(jié)構(gòu)的改進與優(yōu)化提供參考依據(jù)。此外，還可以獲得蝶閥運動的準確數(shù)據(jù)，為進一步的運動控制提供數(shù)據(jù)支持。
技術實現(xiàn)思路
1、針對現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明提供一種基于算測融合的智能蝶閥數(shù)字孿生系統(tǒng)及方法，將傳感器實時采集的運動狀態(tài)數(shù)據(jù)與基于機理和統(tǒng)計模型的結(jié)構(gòu)性能數(shù)據(jù)相融合，構(gòu)建多維數(shù)據(jù)協(xié)同體系，保證數(shù)字孿生體數(shù)據(jù)的完整性、時效性和高保真度，從而完成對蝶閥的結(jié)構(gòu)性能及運行參數(shù)的全方位監(jiān)測與精準映射。
2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為：
3、一種基于算測融合的智能蝶閥數(shù)字孿生系統(tǒng)，所述智能蝶閥數(shù)字孿生系統(tǒng)包括物理實體模塊、信息交互模塊、孿生體構(gòu)建模塊、可視化模塊；具體的：
4、所述物理實體模塊由蝶閥物理實體、部署在蝶閥的閥桿關鍵部位的扭矩傳感器和壓力傳感器組成。通過蝶閥物理實體構(gòu)建高保真的蝶閥三維幾何模型，并對蝶閥三維幾何模型進行流固耦合仿真，得到基于機理和統(tǒng)計模型的結(jié)構(gòu)性能數(shù)據(jù)。
5、所述信息交互模塊是通過部署在蝶閥的閥桿等關鍵部位的扭矩傳感器和壓力傳感器實時采集蝶閥真實狀態(tài)信息。通過modbus?tcp和modbus?rtu通訊協(xié)議將采集到的蝶閥真實狀態(tài)信息實時傳輸至智能蝶閥數(shù)字孿生系統(tǒng)，并對真實狀態(tài)信息進行數(shù)據(jù)處理得到蝶閥的運動狀態(tài)數(shù)據(jù)。
6、所述孿生體構(gòu)建模塊由流場預測代理模型、結(jié)構(gòu)應力預測代理模型、結(jié)構(gòu)變形預測代理模型和閥桿動水力矩預測代理模型組成。通過將物理實體模塊中基于機理和統(tǒng)計模型的結(jié)構(gòu)性能數(shù)據(jù)中的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、流場數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)應力、結(jié)構(gòu)變形和閥桿動水力矩數(shù)據(jù)與實時采集處理得到的運動狀態(tài)數(shù)據(jù)相融合，分別構(gòu)建流場預測代理模型、結(jié)構(gòu)應力預測代理模型、結(jié)構(gòu)變形預測代理模型和閥桿動水力矩預測代理模型。
7、所述可視化模塊由高保真蝶閥虛擬模型與智能蝶閥數(shù)字孿生系統(tǒng)的關鍵參數(shù)組成。
8、一種基于算測融合的智能蝶閥數(shù)字孿生方法，基于上述智能蝶閥數(shù)字孿生系統(tǒng)實現(xiàn)，具體包括以下步驟：
9、第一步，根據(jù)蝶閥物理實體構(gòu)建高保真的蝶閥三維幾何模型，并對蝶閥三維幾何模型進行流固耦合仿真
10、第二步，在蝶閥的閥桿等關鍵部位部署扭矩傳感器和壓力傳感器、通過modbustcp和modbus?rtu通訊協(xié)議將傳感器采集到的蝶閥真實狀態(tài)信息實時傳輸至智能蝶閥數(shù)字孿生系統(tǒng)，并對真實狀態(tài)信息進行數(shù)據(jù)處理得到蝶閥的運動狀態(tài)數(shù)據(jù)。
11、第三步，基于步驟1.2的基于機理和統(tǒng)計模型的結(jié)構(gòu)性能數(shù)據(jù)構(gòu)建流場預測代理模型、結(jié)構(gòu)應力預測代理模型、結(jié)構(gòu)變形預測代理模型和閥桿動水力矩預測代理模型。
12、第四步，第四步，在可視化模塊中，通過基于unity?3d引擎構(gòu)建“點-面-體”融合的三維可視化建模技術，構(gòu)建基于蝶閥物理實體的高保真蝶閥虛擬模型，并應用計算機圖形學技術將第三步所建立的流場預測代理模型、結(jié)構(gòu)應力預測代理模型、結(jié)構(gòu)變形預測代理模型和閥桿動水力矩預測代理模型在高保真蝶閥虛擬模型上進行可視化。最后，通過將步驟2.2中得到的實時的蝶閥的運動狀態(tài)數(shù)據(jù)作為輸入，驅(qū)動高保真蝶閥虛擬模型，同時將蝶閥運動狀態(tài)數(shù)據(jù)在智能蝶閥數(shù)字孿生系統(tǒng)上可視化呈現(xiàn)，完成智能蝶閥數(shù)字孿生系統(tǒng)的可視化。
13、本發(fā)明的有益效果在于：
14、（1）本發(fā)明針對現(xiàn)有蝶閥安全健康檢測方法存在的單一傳感器依賴性強、無法實時監(jiān)測結(jié)構(gòu)性能及預警的問題，提出一種基于算測融合的智能蝶閥數(shù)字孿生系統(tǒng)及方法。本發(fā)明通過多源數(shù)據(jù)融合實現(xiàn)蝶閥運動狀態(tài)數(shù)據(jù)實時解算，建立可以動態(tài)更新并可視化蝶閥結(jié)構(gòu)應力、結(jié)構(gòu)變形與閥桿動水力矩等結(jié)構(gòu)性能數(shù)據(jù)的數(shù)字孿生系統(tǒng)，突破傳統(tǒng)監(jiān)測方法的局限性。
15、（2）本發(fā)明在流固耦合仿真中使用穩(wěn)態(tài)近似的計算流體力學定常計算模型分析蝶閥系統(tǒng)在不同工況下流體域的變化與閥體的結(jié)構(gòu)性能，同時確保了網(wǎng)格劃分時不同工況狀態(tài)下的節(jié)點構(gòu)建順序不變，為使用結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)構(gòu)建基于蝶閥物理實體的高保真蝶閥虛擬模型提供了數(shù)據(jù)基礎。將通過蝶閥的閥桿等關鍵部位的扭矩傳感器和壓力傳感器獲得的蝶閥的實時運動狀態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動已建立的流場預測代理模型、結(jié)構(gòu)應力預測代理模型、結(jié)構(gòu)變形預測代理模型和閥桿動水力矩預測代理模型進行融合，不僅可以對整個閥門的結(jié)構(gòu)性能數(shù)據(jù)進行實時計算與可視化展示，傳感器獲得的數(shù)據(jù)也可以對閥門的可靠性分析進行預測，對閥門整體的性能進行監(jiān)測與預警。
1.一種基于算測融合的智能蝶閥數(shù)字孿生系統(tǒng)，其特征在于，所述智能蝶閥數(shù)字孿生系統(tǒng)包括物理實體模塊、信息交互模塊、孿生體構(gòu)建模塊、可視化模塊；具體的：
2.一種基于算測融合的智能蝶閥數(shù)字孿生方法，其特征在于，所述智能蝶閥數(shù)字孿生方法基于權利要求1所述的智能蝶閥數(shù)字孿生系統(tǒng)實現(xiàn)，包括以下步驟：
3.根據(jù)權利要求2所述的一種基于算測融合的智能蝶閥數(shù)字孿生方法，其特征在于，所述步驟1.2中，在流固耦合仿真求解過程中，湍流模型選擇模型，選擇標準壁面函數(shù)；設置邊界條件后，將樣本空間中的蝶閥開度與閥瓣前后壓力作為輸入?yún)?shù)進行參數(shù)化仿真，得到基于機理和統(tǒng)計模型的結(jié)構(gòu)性能數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種基于算測融合的智能蝶閥數(shù)字孿生方法，其特征在于，結(jié)構(gòu)性能數(shù)據(jù)包括閥門幾何模型的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、流場數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)應力、結(jié)構(gòu)變形和閥桿動水力矩的數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種基于算測融合的智能蝶閥數(shù)字孿生方法，其特征在于，所述第三步具體為：
6.根據(jù)權利要求5所述的一種基于算測融合的智能蝶閥數(shù)字孿生方法，其特征在于，所述步驟3.1中，本征正交分解pod的降階方法具體為：
7.根據(jù)權利要求6所述的一種基于算測融合的智能蝶閥數(shù)字孿生方法，其特征在于，所述能量占比準則為：
8.根據(jù)權利要求5所述的一種基于算測融合的智能蝶閥數(shù)字孿生方法，其特征在于，所述第四步具體為：