一种管道数字孪生体系的设计方法技术

本发明专利技术属于管道安全和生命周期管理领域，具体涉及一种管道数字孪生体系的设计方法，该体系由管道数字孪生体、管道监测系统、管道内/外无损检测数据库、管道设计/运营维护数据库、管道数据挖掘分析系统组成，其中管道数字孪生体通过与地质灾害孪生体的信息互换，组成更高层次的共智孪生体。管道数字孪生体的建模采用全局‑局部方法，以管道监测系统的实时位移采集值作为位移边界条件，以探测光纤的应变/温度值作为校验、修正数据。应用管道数据挖掘分析系统促进管道数字孪生体的进化。管道数字孪生体系可实时显示管道高危区域，提出内检测需求，建议增补监测点，识别探测光纤脱落的位置，评估管道安全裕度，建议补强方法，预测补强效果。

A design method of pipeline digital twin system

【技术实现步骤摘要】
一种管道数字孪生体系的设计方法
本专利技术属于管道安全和生命周期管理领域，具体涉及一种管道数字孪生体系的设计方法。
技术介绍
油气管道担负着国家能源供应的重任，管道的生命周期包括制管、敷设、连头焊接、运营、地质灾害治理、缺陷补强、换管、报废等阶段。管道在生命周期内的本质安全与管道材料、制管质量、缺陷的类型、数量、严重程度、地理环境、埋深、运营年限、维修方式、运营压力等均相关。在管道的整个生命周期内，会定期开展漏磁内检测、超声内检测，并对开挖的埋地管道开展缺陷无损外检测，但无法实时显示管道整体的应力状态和变形位移量。本专利技术基于管道数字孪生体(基于计算机辅助工程软件分析系统开发)、管道监测系统、管道内/外无损检测数据库、管道设计运营维护数据库、管道数据挖掘分析系统，构建一种管道数字孪生体系，其中的管道数字孪生体与地质灾害孪生体组成更高层次的共智孪生体。管道数字孪生体系具有实时显示全线管道的应力状态和变形量，标识管道高危区域，主动提出内检测需求，建议增补应力位移/温度监测点，识别探测光纤的脱落位置，评估管道的安全裕度，建议缺陷补强方法，预测补强效果等功能。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出管道数字孪生体系的设计方法。管道数字孪生体系由(1)管道数字孪生体(基于计算机辅助工程软件分析系统开发)、(2)管道监测系统、(3)管道内/外无损检测数据库、(4)管道设计/运营维护数据库、(5)管道数据挖掘分析系统组成，其中(1)管道数字孪生体与(6)地质灾害孪生体组成更高层次的共智孪生体。下面详细说明管道数字孪生体系的组成、功能以及相互之间的关系：(1)管道数字孪生体的力学模型采用全局-局部建模方法，全局模型基于两个阀室之间的物理管道建立，与物理管道具有同样的材料性能、几何尺寸形状、空间走势、埋地深度、缺陷补强位置、土体滑坡沉降/塌陷治埋方位等；局部模型则考虑管体缺陷、管道补强结构、管体与土体的接触应力分布，以及土体滑坡/沉降/塌陷治理结构对管体和土体的约束作用等。管道数字孪生体的全局模型可包含多个阀室之间连续或间断的多段管道，通常以两个阀室之间的物理管道作为一个单位段。进一步地，全局模型采用管道监测系统实时采集的位移值作为位移边界条件，采用探测光纤实时采集的连续应变、温度值(米级空间分辨率)，校验模拟结果，修正全局模型。再进一步地，根据管道缺陷应力场的影响范围，选择适当长度的管道和土体，建立管道数字孪生体的局部模型。局部模型需导入制管残余应力，其两端的力学边界条件来自于全局模型的模拟结果，缺陷的类型、位置、几何尺寸信息来自于管道内/外无损检测的数据信息。再进一步地，根据管道数字孪生体模拟的管道应力和随时间变化的应力幅，预测缺陷萌生点；并结合管道内/外无损检测数据库的缺陷信息，预测缺陷发展速度。(2)管道监测系统由一系列传感器、数据采集模块、探测光纤(应变、温度、振动)、光纤信号收发器、无线信号收发模块、太阳能供电系统(野外)、电源及防雷模块、监测系统软件组成。传感器包括应变计、位移计、水准仪。能够实时监测管道离散监测点的应变、位移和温度(毫米级空间分辨率)，以及管道沿线连续的应变、温度、振动加速度值(米级空间分辨率)。数字孪生体模拟的管道高位移、高应力区，为监测系统新增传感器的安装位置提供依据；数字孪生体模拟的管道温度、轴向应变分布结果，为识别探测光纤的脱落位置提供依据；反之，管道监测系统新增传感器的采集信息，进一步修正管道数字孪生体的预测准确度，提高管道数字孪生体的进化程度。(3)管道内/外无损检测数据库包括漏磁缺陷内检测、超声缺陷内检测、应力内检测等数据信息，同时包括埋地管道局部开挖后的X射线无损缺陷检测、超声无损缺陷检测、磁粉探伤等数据信息。依据检测的缺陷类型、尺寸、位置以及应力信息，保持管道数字孪生体力学模型的持续更新。(4)管道设计运营维护数据库包含管道设计信息、运营压力/温度、维修信息、土体滑坡/沉降/塌陷治理信息、第三方施工信息等，为管道数字孪生体的力学模型、约束方式、外载荷的更新提供基础数据。(5)管道数据挖掘分析系统依据管道内/外无损检测数据库、离散的应力/位移/温度监测信息(毫米级空间分辨率)、连续的应变/温度/振动信息(米级空间分辨率)、管道缺陷补强信息、土体滑坡/沉降/塌陷治理信息、第三方施工信息，以及管道地质灾害孪生体的共享信息，建立管道缺陷萌生/发展因素的关联规则集，形成管道缺陷成因的模式识别模型，促进管道数字孪生体的进化。具体地，管道数据挖掘分析系统所采用以上样本信息分为前期数据信息、中期数据信息和后期数据信息三种类型。其中，前期样本数据作为数据挖掘的训练数据，以此建立数据挖掘预测模型；中期样本数据作为数据挖掘模型的修正数据；后期样本数据作为数据挖掘模型的验证数据。三类数据随时间增长依次更新，保持管道缺陷成因模式识别模型的持续进化。(6)管道数字孪生体与地质灾害孪生体组成更高层次的共智孪生体。地质灾害孪生体包括地理信息系统、地层应力/位移监测系统、摄像头安防监控系统、无人机巡检系统。具体地，管道数字孪生体为地质灾害孪生体提供监测的管道应力/位移/温度/振动信息，地质灾害孪生体为管道数字孪生体提供管道沿线的地面沉降/滑移/塌陷监测信息、地应力监测信息、土壤含水率、地理信息、摄像头监视信息、无人机巡视信息等，两个孪生体的信息保持互换。通过共享管道数字孪生体模拟的管道应力场、位移场信息，以及地质灾害孪生体预测的地层应力场、位移场信息，实现两个孪生体的共智。根据管道数字孪生体系的缺陷萌生和发展预测结果，主动提出管道内检测需求；根据管道数字孪生体系的缺陷安全裕度评估结果，提出缺陷补强方法，并预测补强效果。附图说明图1为本专利技术一种管道数字孪生体系的构架图。具体实施方式为了使本专利技术的技术方案和优点更加清楚，下面结合本专利技术的附图，详细说明本专利技术的具体实施方式。如图1所示，一种管道数字孪生体系的设计方法，其包括以下步骤：对于新建管道，根据管道设计信息和地理信息，采用计算机辅助工程软件分析系统，模拟获得管道的高危区段；对于在役管道，根据管道内/外无损检测数据库的缺陷类型、数量、严重程度，确定管道的高危区段。高危区段的确定也可参考管道业主和专家的意见。在管道的高危区段，选择两阀室之间的管道作为数字孪生体的物理管道单位段，布置管道监测系统，包括一系列传感器、数据采集模块、探测光纤(温度、振动、应变)、光纤信号收发器、无线信号收发模块、太阳能供电系统(野外)、电源及防雷模块、监测系统软件组成。传感器包括应变计、位移计、水准仪。能够实时监测管道离散监测点的应变、位移和温度(毫米级空间分辨率)，以及管道沿线连续的应变、温度、振动加速度值(米级空间分辨率)。数字孪生体可包含多个连续的或间断的物理管道单位段。对于已投入运营的管道，其对应的数字孪生体称之为数字克隆体，两者具有同等的内在含义。根据管道设计的几何尺寸、空间走势、埋地深度建立管道数字孪生体全局管道-土体几何模型，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种管道数字孪生体系的设计方法，其特征在于，管道数字孪生体系由管道数字孪生体(基于计算机辅助工程软件分析系统开发)、管道监测系统、管道内/外无损检测数据库、管道设计/运营维护数据库、管道数据挖掘分析系统组成，其中管道数字孪生体与地质灾害孪生体组成更高层次的共智孪生体。/n

【技术特征摘要】
1.一种管道数字孪生体系的设计方法，其特征在于，管道数字孪生体系由管道数字孪生体(基于计算机辅助工程软件分析系统开发)、管道监测系统、管道内/外无损检测数据库、管道设计/运营维护数据库、管道数据挖掘分析系统组成，其中管道数字孪生体与地质灾害孪生体组成更高层次的共智孪生体。


2.根据权利要求1所述的管道数字孪生体系的设计方法，其特征在于：管道数字孪生体的力学模型采用全局-局部建模方法，全局模型基于两个阀室之间的物理管道建立；局部模型则考虑管体缺陷、管道补强结构等局部细节，局部模型管道两端的力学边界条件来自于全局模型的模拟结果。


3.根据权利要求1所述的管道数字孪生体系的设计方法，其特征在于：全局模型采用管道监测系统的实时位移采集值作为位移边界条件；采用探测光纤实时采集的应变/温度值，校验应力模拟结果，修正全局模型。


4.根据权利要求1所述的管道数字孪生体系的设计方法，其特征在于：局部模型需导入制管残余应力，缺陷的类型、位置、几何尺寸来自于管道内/外无损检测的数据。


5.根据权利要求1所述的管道数字孪生体系的设计方法，其特征在于：管道数字孪生体模拟的高位移、高应力区，可为管道监测系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：不公告发明人，
申请(专利权)人：成都管力安科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51