基于数字孪生的关键参数实时检测方法和系统与流程

1.本技术涉及关键参数检测技术领域，具体涉及一种基于数字孪生的关键参数实时检测方法和系统。


背景技术：

2.传统的结构温度场等健康参数的检测是通过传感器来获取相关数据，然而传统的结构数据检测因无法在目标上全部布置传感器而无法完全检测。例如在变压器结构内部温度场等特殊检测时，因过高的温度以及密封环境等因素而不能布置传感器，从而很可能失去了对关键位置检测，特别是内部铁芯温度变化检测。
3.相关技术中，目前传统方法采用有限元分析软件对目标结构进行数值仿真来实现全方位检测，但是由于有限元分析是采用离线形式而无法提供实时性检测，此时可能补捉不到异常值。此外，面对大量的监测数据，通过传统算法去检测异常值或者最大值往往很耗时。


技术实现要素：

4.为至少在一定程度上克服相关技术中存在的有限元分析采用离线形式而无法提供实时性检测，导致可能补捉不到异常值的问题，本技术提供一种基于数字孪生的关键参数实时检测方法和系统。
5.根据本技术实施例的第一方面，提供一种基于数字孪生的关键参数实时检测方法，包括：
6.通过传感器采集数据，作为目标结构数值仿真的输入数据；
7.基于有限元分析软件的二次开发，建立程序语言与有限元模型的联合仿真系统；
8.通过所述联合仿真系统对输入数据进行数值仿真，获取目标结构的实时全方位数据；
9.基于二进制的改进哈希算法对数值仿真结果数据进行检测，并返回异常值及其对应位置。
10.进一步地，所述输入数据为物理信息的健康参数；所述输入数据包括：应力、温度和/或磁场强度。
11.进一步地，通过所述联合仿真系统对输入数据进行数值仿真，包括如下步骤：
12.利用联合仿真系统通过传感器采集到的数据对变压器进行参数化建模与数值仿真，参数化建模的仿真模型1：1建立，从而获取目标结构的实时全方位数据。
13.进一步地，基于二进制的改进哈希算法对数值仿真结果数据进行检测，包括如下步骤：
14.将数值仿真结果数据分为两组数据：数值仿真数据与节点坐标信息，并分别转化为两组二进制数据；其中数值仿真数据与节点坐标信息一一对应；
15.基于汉明距离剔除高重复度数据；
16.将数值仿真结果数据通过哈希函数映射到一个表格中，再进行对比排序；
17.从表格中直接获取最大值，或进行阈值对比从而判断是否有异常值。
18.进一步地，将数值仿真结果数据分为两组数据，并分别转化为两组二进制数据，包括如下步骤：
19.数值仿真结果数据为c＝{a；b}，其中a代表数值仿真数据，b代表节点坐标信息；
20.将a、b两组数据分别转化为两组二进制数据，建立同等维度的汉明空间，即c
bin
＝{a
bin
；b
bin
}；其中下标bin表示该数据为二进制数据。
21.进一步地，基于汉明距离剔除高重复度数据，包括如下步骤：
22.对于任意两个数据ci＝{ai；bi}和cj＝{aj；bj}，如果ai与aj的汉明距离、bi与bj的汉明距离同时小于等于1，则ci与cj为高度复度的数据。
23.进一步地，将数值仿真结果数据通过哈希函数映射到一个表格中，再进行对比排序，包括如下步骤：
24.将c
bin
通过哈希函数映射到一个表格中；
25.定义一族哈希函数h，将每个哈希表分为多个哈希桶，用哈希函数将序列划分到对应的哈希桶内；
26.仅对哈希桶中的a
bin
进行对比排序，并将各个哈希桶中排序后的数据有序合并，同时保证b
bin
随a
bin
变动顺序。
27.根据本技术实施例的第二方面，提供一种基于数字孪生的关键参数实时检测系统，包括：
28.数据采集模块，用于通过传感器采集数据，作为目标结构数值仿真的输入数据；
29.模型搭建模块，用于基于有限元分析软件的二次开发，建立程序语言与有限元模型的联合仿真系统；
30.数值仿真模块，用于通过所述联合仿真系统对输入数据进行数值仿真，获取目标结构的实时全方位数据；
31.数据检测模块，用于基于二进制的改进哈希算法对数值仿真结果数据进行检测，并返回异常值及其对应位置。
32.根据本技术实施例的第三方面，提供一种计算机设备，包括：存储器和处理器；所述存储器用于存储计算机程序；所述处理器用于执行所述存储器中的计算机程序，以实现如上任意一种实施例所述方法的操作步骤。
33.根据本技术实施例的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任意一种实施例所述方法的操作步骤。
34.本技术的实施例提供的技术方案具备以下有益效果：
35.本技术的技术方案基于数字孪生技术，通过现实与虚拟之间的数据交互来实现对目标结构进行全方位检测，不仅解决了传统算法无法达到的全方位数据检测，而且实现了对重要数据参数的实时反馈；同时通过基于二进制的改进哈希算法对仿真结果数据进行全方位的检测，并能返回异常值及其所在位置，为目标结构的健康检测提供了一个更便利、更全面的选择，能够有效避免事故发生。
36.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。
附图说明
37.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本技术的实施例，并与说明书一起用于解释本技术的原理。
38.图1是本发明实施例的一种基于数字孪生的关键参数实时检测方法的流程图。
39.图2是本发明实施例的一种关键参数实时检测方法的具体流程图。
40.图3是本发明实施例的一种基于二进制的改进哈希算法的流程图。
41.图4是本发明实施例的一种基于数字孪生的关键参数实时检测系统的框图。
具体实施方式
42.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的方法和系统的例子。
43.传统的结构温度场等健康参数的检测通过传感器来获取相关数据，如果对某些位置参数进行实时检测，则仅仅采用有限元数值方法是无法实现的。针对以上问题，本专利搭建数字孪生平台，基于程序语言与有限元分析软件联合仿真系统，将传感器采集到的数据实时传递到该联合仿真系统进行数值仿真，最后对数值仿真结构通过改进哈希算法迅速找到最大值或异常值并标定对应的位置。
44.图1是根据一示例性实施例示出的一种基于数字孪生的关键参数实时检测方法的流程图。该方法可以包括以下步骤：
45.步骤s1、通过传感器采集数据，作为目标结构数值仿真的输入数据。所述输入数据为物理信息的健康参数；所述输入数据包括：应力、温度和/或磁场强度。
46.很多情况下无法在目标设备上的所有待监测点位都布置传感器；例如在变压器结构内部温度场等特殊检测时，因过高的温度以及密封环境等因素，无法在变压器内部布置传感器，从而很可能失去了对关键位置检测，特别是内部铁芯温度变化检测。
47.本技术的方案也只需要在常规点位布置传感器即可，比如变压器监测，只需要在外部监测点位上设置相关传感器，从而实时采集到外部监测点位的实测数据，将实测数据作为目标结构数值仿真的输入数据。
48.步骤s2、基于有限元分析软件的二次开发，建立程序语言与有限元模型的联合仿真系统。
49.本方案基于数字孪生技术，利用有限元分析软件的二次开发建立联合仿真系统；比如变压器监测，就可以建立变压器的1：1仿真模型，作为建立联合仿真系统进行数值仿真的基础。
50.步骤s3、通过所述联合仿真系统对输入数据进行数值仿真，获取目标结构的实时全方位数据。
51.基于预先建立的仿真模型，利用实时采集的部分点位的实测数据进行数值仿真，从而获取目标结构的实时全方位数据；由于实测数据是实时采集的，数值仿真也是实时进行，因此获取的全方位数据也是实时数据。比如变压器监测，就可以仅仅采集外部的一些监测点的实测数据，通过仿真获取变压器内部的一些关键点位的实时数据。
52.步骤s4、基于二进制的改进哈希算法对数值仿真结果数据进行检测，并返回异常值及其对应位置。
53.本技术的技术方案基于数字孪生技术，通过现实与虚拟之间的数据交互来实现对目标结构进行全方位检测，不仅解决了传统算法无法达到的全方位数据检测，而且实现了对重要数据参数的实时反馈；同时通过基于二进制的改进哈希算法对仿真结果数据进行全方位的检测，并能返回异常值及其所在位置，为目标结构的健康检测提供了一个更便利、更全面的选择，能够有效避免事故发生。
54.应当理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
55.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
56.本实施例利用上述关键参数实时检测方法对变压器关键参数进行实时检测，具体的实施流程如图2所示。
57.(1)搭建数字孪生平台，通过传感器采集变压器外观及内部铁心绕组等结构、材料参数和应力、温度、电磁(电流、电压、此处强度等)这些物理信息的健康参数，作为目标结构数值仿真的输入数据。
58.(2)基于有限元分析软件的二次开发，实现程序语言与有限元模型的联合仿真；由于变压器结构比较复杂，需要在建立模型时做适当简化，简化后主要包括这几部分：三柱式铁芯、铁芯上的高中低压绕组、油箱及三者之间的变压器油，仿真模型1：1建立；将联合仿真系统嵌入数字孪生平台，实现变压器数据全方位的实时检测。
59.(3)如图3所示，步骤s4基于二进制的改进哈希算法对数值仿真结果数据进行检测，具体包括如下步骤：将数值仿真结果数据分为两组数据：数值仿真数据与节点坐标信息，并分别转化为两组二进制数据；其中数值仿真数据与节点坐标信息一一对应；基于汉明距离剔除高重复度数据；将数值仿真结果数据通过哈希函数映射到一个表格中，再进行对比排序；从表格中直接获取最大值，或进行阈值对比从而判断是否有异常值。
60.首先，对数据集进行预处理，将数值仿真数据与节点坐标信息分为两组数据a与b，即数据c＝{a；b}，每个数据对应一个节点坐标信息，坐标信息按照xyz顺序转化。
61.将数据a与b分别转化为两组不同二进制数据，建立同等维度的汉明空间，即c
bin
＝{a
bin
；b
bin
}，其中下标bin表示该数据为二进制数据，通过汉明距离剔除高重复度数据，从而优化数据存储空间。如果物理信息和坐标信息的汉明距离同时小于等于1，那么就以此标准来剔除高重复度的数据。比如，对于任意两个数据ci＝{ai；bi}和cj＝{aj；bj}，如果ai与aj的汉明距离、bi与bj的汉明距离同时小于等于1，则ci与cj为高度复度的数据；此时可以剔除ci和cj中的任意一个数据。
62.其次，将c
bin
通过哈希函数映射到一个表格中，定义一族哈希函数h，将每个哈希表分为多个哈希桶，用哈希函数将序列划分到对应的哈希桶内，仅对哈希桶中的a
bin
进行对比
排序并将各个哈希桶中排序后的数据有序合并，同时保证b
bin
随a
bin
变动，从而获取了关于a
bin
的排列顺序表格且并未丢失对应的b
bin
的信息。
63.最后，该表格中直接获取最大值，同时也可以进行阈值对比从而判断出是否有异常值以及对应的位置，将最大值或异常值作为查询数据，通过哈希函数得到相应哈希桶，并集获得候选结果。
64.(4)将返回的最大值或者异常值对应c
bin
转为浮点型数据，获取坐标信息；通过坐标信息的对比寻找异常变化，或者直接通过异常值返回数据及坐标信息，从而实现了全方位检测。
65.如果出现异常值，直接返回此数据及其坐标信息并发出警告，或者将输出最大值对应位置进行对比，计算候选结果集数据的坐标信息之间的相似度，判断最大值坐标信息是否发生超出正常范围的变化，如果属于正常工况，近似数据点所处位置基本不发生变化，如果发生变化，可以及时发现故障风险并发出警告。
66.图4是根据一示例性实施例示出的一种基于数字孪生的关键参数实时检测系统的框图。参照图4，该系统包括数据采集模块401、模型搭建模块402、数值仿真模块403和数据检测模块404。
67.数据采集模块401用于通过传感器采集数据，作为目标结构数值仿真的输入数据。模型搭建模块402用于基于有限元分析软件的二次开发，建立程序语言与有限元模型的联合仿真系统。数值仿真模块403用于通过所述联合仿真系统对输入数据进行数值仿真，获取目标结构的实时全方位数据。数据检测模块404用于基于二进制的改进哈希算法对数值仿真结果数据进行检测，并返回异常值及其对应位置。
68.关于上述实施例中的系统，其中各个模块执行操作的具体步骤已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处不再详细阐述说明。上述基于数字孪生的关键参数实时检测系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
69.在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器和存储器。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机程序被处理器执行时以实现一种基于数字孪生的关键参数实时检测方法：通过传感器采集数据，作为目标结构数值仿真的输入数据；基于有限元分析软件的二次开发，建立程序语言与有限元模型的联合仿真系统；通过所述联合仿真系统对输入数据进行数值仿真，获取目标结构的实时全方位数据；基于二进制的改进哈希算法对数值仿真结果数据进行检测，并返回异常值及其对应位置。
70.在一个实施例中，还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现一种基于数字孪生的关键参数实时检测方法：通过传感器采集数据，作为目标结构数值仿真的输入数据；基于有限元分析软件的二次开发，建立程序语言与有限元模型的联合仿真系统；通过所述联合仿真系统对输入数据进行数值仿真，获取目标结构的实时全方位数据；基于二进制的改进哈希算法对数值仿真结果数据进行检
测，并返回异常值及其对应位置。
71.可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
72.需要说明的是，在本技术的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
73.流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本技术的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本技术的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
74.应当理解，本技术的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
75.本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
76.此外，在本技术各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
77.上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
78.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
79.尽管上面已经示出和描述了本技术的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本技术的限制，本领域的普通技术人员在本技术的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。