一种管道运输系统数字孪生模型及其构建方法与流程

1.本发明涉及管道运输系统领域，尤其涉及一种管道运输系统数字孪生模型及其构建方法。


背景技术：

2.管道运输不仅运输量大、连续、迅速、经济、安全、可靠、平稳以及投资少、占地少、费用低，并可实现自动控制。除广泛用于石油、天然气的长距离运输外，还可运输矿石、煤炭、建材、化学品和粮食等。管道运输可省去水运或陆运的中转坏节，缩短运输周期，降低运输成本，提高运输效率。当前管道运输的发展趋势是：管道的口径不断增大，运输能力大幅度提高；管道的运距迅速增加；运输物资由石油、天然气、化工产品等流体逐渐扩展到煤炭、矿石等非流体。
3.在五大运输方式中，管道运输有着独特的优势。在建设上，与铁路、公路、航空相比，投资要省得多。在油气运输上，管道运输有其独特的优势，首先在于它的平稳、不间断输送，对于现代化大生产来说，油田不停地生产，管道可以做到不停地运输，炼油化工工业可以不停地生产成品，满足国民经济需要；二是实现了安全运输，对于油气来说，汽车、火车运输均有很大的危险，国外称之为“活动炸弹”，而管道在地下密闭输送，具有极高的安全性；三是保质，管道在密闭状态下运输，油品不挥发，质量不受影响；四是经济，管道运输损耗少、运费低、占地少、污染低。
4.目前用于管道运输的运输系统会受到各方面的因素影响，比如，环境因素、管道本体因素和设备因素等等，在长输管道复杂环境的影响以及管道工业设备维护机制不健全及多源数据难管控。并且在管道系统运行周期中，无法集成各个阶段运行数据，无法应对对外界的实时感知产生的自动反应机制，无法实现实体管道系统和虚拟管道系统的精准映射，为此，我们需要一种管道运输系统数字孪生模型及其构建方法。


技术实现要素：

5.(一)发明目的
6.有鉴于此，本发明的目的在于提出一种管道运输系统数字孪生模型及其构建方法，以实现对管道运输更好的管理。
7.(二)技术方案
8.为达到上述技术目的，一方面，我们提供一种管道运输系统数字孪生模型的构建方法，
9.其包括以下步骤：
10.步骤1，管道运输系统数字孪生体需求分析；通过对实体管道运输系统进行需求分析，明确各设备数字孪生对生产流程各阶段的指导意义，并明确已有数据、新增数据需求等，完成需求分析与策略研究；
11.步骤2，管道运输系统数字孪生体的构建；获取管道运输系统的几何结构、空间结
构、设备属性等建立3d模型，结合实体对象的空间运动规律，对运行效果进行渲染，进行虚拟模型的匹配构建，实现实体模型到虚拟模型的数字化精准复刻；
12.步骤3，管道运输系统多时空尺度建模；结合数据感知信息，多种数据处理方法及模型融合等相关知识，建立多模型融合与多尺度多维度的数字孪生体模型；
13.步骤4，数字孪生模型测试验证；通过建立模型精度及可信度评测算法与融合客观检测数据及先验知识，构建孪生体模型评估验证平台，对孪生体的精度与稳定性进行测试。
14.优选的，所述步骤1中的分析具体为对管道运输系统智能感知需求做出分析，并针对智能感知需求建立智能感知系统；
15.通过智能感知系统结合管道运输现实需求，基于获取的智能感知数据，建立管道周围环境时空数据库、管道本体时空数据库以及管道设备时空数据库。
16.优选的，所述管道运输智能感知系统包括感模块和知模块，所述感模块包括环境、本体和设备，所述知模块包括概率分析、可靠性评估、安全评价、设备管理和智能决策。
17.优选的，所述环境包括第三方活动、自然环境，所述本体包括金属腐蚀、焊缝缺陷、应力应变，所述设备包括泵站和高压隔膜泵。
18.优选的，所述步骤2中管道运输系统数字孪生体构建具体包括对相互映射和反馈的实体管道运输系统和虚拟管道运输系统的构建，所述实体管道运输系统是通过scada系统及设备电子仪表传输电压、温度、压力、流量等信号，实现对管道运输运行状态的实时监控。
19.优选的，所述实体管道运输系统包括但不限于管道本体、泵站、输送介质和周边环境。
20.优选的，所述虚拟管道运输系统是集成管道本体、输送介质、输送设备、周边环境等要素建立的管道运输系统数字化模型。
21.优选的，所述虚拟管道运输系统包括但不限于管道本体模型、周边环境模型、阀门模型、泵机组模型。
22.优选的，所述步骤3中的数据包括但不限于管道运输系统设备数据、管道运输系统本体数据、管道运输系统环境数据和虚拟管道运输系统仿真数据。
23.另一方面，我们提供一种管道运输系统数字孪生模型，其利用上述的一种管道运输系统数字孪生模型的构建方法来建立孪生模型。
24.从以上技术方案可以看出，本技术具有以下有益效果：
25.本发明能够应对长输管道复杂环境的影响以及管道工业设备维护机制不健全及多源数据难管控的问题，针对智能感知需求，结合管道运输实际情况，制定管道智能感知系统，同时，结合管道运输现实需求，基于获取的智能感知数据，建立管道周围环境时空数据库、管道本体时空数据库以及管道设备时空数据库等，为管道运行控制协同优化及设备健康管理提供数据支撑。
26.本发明能够基于实体管道运输系统及管道运输系统孪生体，二者实时交互与信息融合，能够在时间尺度和空间尺度上全方位精确描述管道运输主要设备的实时运行状态，实现时空上的完整建模，相互牵引映射，形成“实体-数据-虚拟”的完整闭环。
27.本发明能够将实体管道运行实时数据上传至虚拟管道运输系统，对实体管道运行数据进行转换、处理及封装等处理，实现管道运行数据的融合。在实体管道系统运行全生命
周期过程中，集成各个阶段运行数据，对外界的实时感知产生自动反应机制，另外，还能够实现实体管道系统和虚拟管道系统的精准映射。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
29.图1为本发明提供的管道运输系统智能感知系统示意图。
30.图2为本发明提供的管道运输数字孪生体示意图。
具体实施方式
31.下文的描述本质上仅是示例性的而并非意图限制本公开、应用及用途。
32.实施例一
33.参照图1-2，一种管道运输系统数字孪生模型的构建方法，包括以下步骤：
34.步骤1，管道运输系统数字孪生体需求分析；通过对实体管道运输系统进行需求分析，明确各设备数字孪生对生产流程各阶段的指导意义，并明确已有数据、新增数据需求等，完成需求分析与策略研究；
35.步骤2，管道运输系统数字孪生体的构建；获取管道运输系统的几何结构、空间结构、设备属性等建立3d模型，结合实体对象的空间运动规律，对运行效果进行渲染，进行虚拟模型的匹配构建，实现实体模型到虚拟模型的数字化精准复刻；
36.步骤3，管道运输系统多时空尺度建模；结合数据感知信息，多种数据处理方法及模型融合等相关知识，建立多模型融合与多尺度多维度的数字孪生体模型。数据包括但不限于管道运输系统设备数据、管道运输系统本体数据、管道运输系统环境数据和虚拟管道运输系统仿真数据。
37.步骤4，数字孪生模型测试验证；通过建立模型精度及可信度评测算法与融合客观检测数据及先验知识，构建孪生体模型评估验证平台，对孪生体的精度与稳定性进行测试。
38.数字孪生模型的验证主要从两个方面进行：
①
模型通过有限元分析、应力应变测试等验证，使其符合物理规律，然后建立模型精度及可信度评测算法，对管道运输系统孪生模型的运行效果进行验证；
②
通过融合实际检测数据及先验知识，构建孪生体模型评估验证平台，实现孪生体构建过程全方位多角度交叉验证。
39.需要说明的是，步骤1中的分析具体为对管道运输系统智能感知需求做出分析，并针对智能感知需求建立智能感知系统。具体的，对管道运输系统智能感知需求做出分析，分析如下：
40.①
长输管道沿线地质复杂、服役环境苛刻，将加剧管道构件表面和内部的腐蚀、裂纹、磨损等缺陷的演化，影响整个管道系统的性能、服役行为及整体对载荷的响应。
41.②
管道工业设备在高压、高负载工况下运行，设备性能退化加剧。由于缺乏有效的设备预测性维护机制，易导致设备过维护或欠维护，影响设备使用效率。
42.③
管控的数据多且杂，数据来源多样，导致监控数据多源且异构，加之数据监控业
务不完善，使得管道数据难以管理。
43.另外，通过智能感知系统结合管道运输现实需求，基于获取的智能感知数据，建立管道周围环境时空数据库、管道本体时空数据库以及管道设备时空数据库。为管道运行控制协同优化及设备健康管理提供数据支撑。需要说明的是，管道运输智能感知系统包括感模块和知模块，感模块包括环境、本体和设备，知模块包括概率分析、可靠性评估、安全评价、设备管理和智能决策。
44.具体的，环境包括第三方活动、自然环境，本体包括金属腐蚀、焊缝缺陷、应力应变，设备包括泵站和高压隔膜泵。
45.进一步的，步骤2中管道运输系统数字孪生体构建具体包括对相互映射和反馈的实体管道运输系统和虚拟管道运输系统的构建，实体管道运输系统是通过scada系统及设备电子仪表传输电压、温度、压力、流量等信号，实现对管道运输运行状态的实时监控。
46.需要说明的是，实体管道运输系统包括但不限于管道本体、泵站、输送介质和周边环境。虚拟管道运输系统是集成管道本体、输送介质、输送设备、周边环境等要素建立的管道运输系统数字化模型。进一步的，虚拟管道运输系统包括但不限于管道本体模型、周边环境模型、阀门模型、泵机组模型。
47.虚拟管道运输系统融合实体管道运输系统机理知识及运行参数，完成管道数字化模型的修正，实现实体管道系统和虚拟管道系统的精准映射。
48.实施例二
49.一种管道运输系统数字孪生模型，其利用实施例一中的一种管道运输系统数字孪生模型的构建方法来建立孪生模型。
50.本发明能够应对长输管道复杂环境的影响以及管道工业设备维护机制不健全及多源数据难管控的问题，针对智能感知需求，结合管道运输实际情况，制定管道智能感知系统，同时，结合管道运输现实需求，基于获取的智能感知数据，建立管道周围环境时空数据库、管道本体时空数据库以及管道设备时空数据库等，为管道运行控制协同优化及设备健康管理提供数据支撑。
51.本发明能够基于实体管道运输系统及管道运输系统孪生体，二者实时交互与信息融合，能够在时间尺度和空间尺度上全方位精确描述管道运输主要设备的实时运行状态，实现时空上的完整建模，相互牵引映射，形成“实体-数据-虚拟”的完整闭环。
52.本发明能够将实体管道运行实时数据上传至虚拟管道运输系统，对实体管道运行数据进行转换、处理及封装等处理，实现管道运行数据的融合。在实体管道系统运行全生命周期过程中，集成各个阶段运行数据，对外界的实时感知产生自动反应机制，另外，还能够实现实体管道系统和虚拟管道系统的精准映射。
53.上文中参照优选的实施例详细描述了本公开所提出的方案的示范性实施方式，然而本领域技术人员可理解的是，在不背离本公开理念的前提下，可以对上述具体实施例做出多种变型和改型，且可以对本公开提出的各种技术特征、结构进行多种组合，而不超出本公开的保护范围，本公开的保护范围由所附的权利要求确定。