一种基于数字孪生的泵机组优化运行调节系统及方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于数字孪生的泵机组优化运行调节系统及方法，包括由物理本体、数字孪生、物理本体的数字孪生体以及数字空间组成，数字空间驱动数字孪生实现虚拟空间泵机组优化调节系统与物理空间泵机组优化调节系统的数据镜像、映射重构、信息交互反馈、仿真模拟；以数字孪生为框架，模型为基底，数字空间为驱动，构建仿真模型及虚拟孪生体；本发明专利技术基于数字孪生构建泵系统物理本体的虚拟孪生体，实现物理本体与虚拟孪生体之间的数据镜像与信息交互和物理空间物理实体与虚拟空间数字孪生体的物理对象孪生、运行过程孪生和控制性能孪生；通过数字空间的优化算法、机器学习等模块实现泵机组运行的状态监测、优化调节、仿真模拟、健康预测等。健康预测等。健康预测等。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数字孪生的泵机组优化运行调节系统及方法


[0001]本专利技术涉及泵组优化调节
，尤其涉及一种基于数字孪生的泵机组优化运行调节系统及方法。

技术介绍

[0002]我国工业的能源消耗占全国能源消耗总量的70％左右，泵类产品的耗电量占到全国发电量20％以上，巨大能耗的背景下也代表着巨大的节能优化空间。目前和国外相比，我国泵的效率平均比国外低2％-5％，而在泵系统运行效率上低20％左右。关于水泵结构优化的相关研究基本已经成熟，而现有供水系统在选型、系统设计和运行控制方面等存在不足，使节能降耗的研究重心被放置在优化水泵控制方式上。在泵实际运行中，由于泵阀系统设计不合理导致的能耗浪费严重。泵送系统的能耗浪费主要在于泵运行过程中低效率和短寿命，而其根本原因又在于离心泵设计的最佳工况与工艺和管路系统需求不匹配，同时又缺少智能化的工况调节手段；
[0003]数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统，但是真实世界的真实事件具有不确定性，并不完全按照期望的顺序出现。因此，当数字孪生系统捕捉到一组真实事件后，如何以不同顺序对这些真实事件进行仿真是数字孪生仿真系统落地面临的关键问题之一，因此，本专利技术提出一种基于数字孪生的泵机组优化运行调节系统及方法以解决现有技术中存在的问题。

技术实现思路

[0004]针对上述问题，本专利技术的目的在于提出一种基于数字孪生的泵机组优化运行调节系统及方法，该基于数字孪生的泵机组优化运行调节系统及方法基于机器学习算法，通过构建三维物理模型、逻辑模型、过程模型、控制模型、仿真模型和数据模型，描述数字孪生体演化过程及实现方法；还在于当用户需求工况改变时，能够通过优化算法和机器学习对新工况的调节提供新方案，对提供的多个方案进行评估后进入数字孪生体进行仿真计算，对仿真结果决策后输送给泵机组控制中心，控制中心会根据优化方案调节相关变量，使其在一定可靠性下满足需求工况，使得系统最为节能，从而实现优化调节，同时还可解决现有泵站或泵机组在运行过程中效率低、可靠性低的问题，解决泵机组在运行过程中监测的问题，可以对设备健康诊断，从而改善泵运行的过程中的健康状态。
[0005]为实现本专利技术的目的，本专利技术通过以下技术方案实现：一种基于数字孪生的泵机组优化运行调节系统及方法，包括物理本体、虚拟孪生体、数字孪生和数字空间，所述物理本体包括泵机组、泵机组数据采集中心和泵机组控制中心，所述数字空间由信息门户模块、数据存储库模块、知识库模块、优化算法模块、机器学习模块、评估模块和决策模块相互耦合演化架构而成，由此驱动数字孪生实现虚拟空间泵机组优化调节系统与物理空间泵机组优化调节系统的数据镜像、信息交互反馈、优化调节、设备健康诊断和仿真模拟，所述数字孪生包括物理对象孪生、运行过程孪生和控制性能孪生。
[0006]进一步改进在于：所述泵机组、泵机组数据采集中心和泵机组控制中心作为一个整体，构成基于数字孪生的泵机组优化运行调节系统对应的物理实体，所述泵机组包括水泵、流量计、电动阀门、止回阀、旁通管路、压力表和连接管路，所述泵机组数据采集中心包括各管路流量的采集、各泵启停状态的采集、各管路水压的采集、电动阀门开度的采集、各泵转速的采集、各泵功率的采集以及其它数据的采集，所述泵组控制中心包括泵转速的控制、电动阀门开度的控制和泵启停的控制。
[0007]进一步改进在于：所述信息门户模块提供人机交互平台，所述数据存储库模块用于存储来自于泵机组监测的运行数据，以及数字空间中所有必要的数据及方案信息，所述知识库模块提供知识模型，所述优化算法模块用于对需求工况进行寻优并提供调节方案，所述机器学习模块用于对历史决策方案进行学习、对仿真模型进行训练和优化、对优化算法中的模型进行学习修正、对监测数据进行学习，所述评估模块用于对方案进行筛选以及对仿真结果进行评估，所述决策模块用于对评估后的方案进行决策。
[0008]进一步改进在于：一种基于数字孪生的泵机组优化运行调节方法为基于数字孪生模型实现数字孪生及仿真模拟，所述数字孪生的数据模型包括运行感知监测层、网络传输层、数据交融层和交互控制层，所述感知监测层为数字孪生的对象孪生提供监测信息流，所述网络传输层为数字孪生的运行过程孪生提供控制信息流，所述数据交融层为数字孪生的控制性能孪生提供数据信息流，所述交互控制层为数字孪生提供决策控制流。
[0009]一种基于数字孪生的泵机组优化运行调节方法，所述数字孪生实现的虚拟空间泵机组优化调节系统的优化运行机理包括如下步骤：
[0010]步骤1需求工况，用户通过信息门户将需求工况输入到系统；
[0011]步骤2优化方案计算，用户需求工况传入到优化模块和机器学习模块进行方案计算并给出多个优化方案；
[0012]步骤3方案评估，多个优化方案进入评估模块进行方案的评估，筛选出多个较优的方案；
[0013]步骤4仿真计算，多个较优的方案进入数字孪生体进行仿真计算并将结果输出；
[0014]步骤5性能评估，评估模块对仿真完的结果进行性能评估；
[0015]步骤6方案决策，性能评估后，进入决策机模块进行决策，判断是否满足要求，若满足要求则将最优方案输出到泵机组控制中心，若不满足需求则调整参数，重新进行新方案的计算，直到满足决策机要求；
[0016]步骤7泵组控制，控制中心会根据最终方案调节相关变量，使其在一定可靠性下满足需求工况，使得系统最为节能，从而实现优化调节。
[0017]进一步改进在于：所述泵机组优化调节是基于机器学习和优化算法计算方案实现的，通过优化算法和机器学习对新工况的调节提供新方案，对提供的多个方案进行评估后进入数字孪生体进行仿真计算，对仿真结果决策后输送给泵机组控制中心，控制中心会根据优化方案调节相关变量，使其在一定可靠性下满足需求工况使得系统最为节能，从而实现优化调节。
[0018]一种基于数字孪生的泵机组优化运行调节方法，所述数字孪生的数据模型的建立包括物理对象孪生、运行过程孪生和控制性能孪生及仿真模型的建立，具体包括如下步骤：
[0019]步骤1三维物理模型建立，建立与物理空间的物理实体相同的三维物理模型，即将
泵组及其附属管件附件架构成与实体相同的结构，定义物理实体的几何属性、运动属性和功能属性、材料属性，以及几何外形和机械结构等，从而实现物理对象孪生；
[0020]步骤2逻辑模型建立，将三维物理模型映射到逻辑模型，通过图形化、形式化描述逻辑模型的组成要素、组织结构和运行机理，通过逻辑模型将各要素属性和行为反馈到物理模型，实现对物理模型的优化；
[0021]步骤3过程模型建立，根据步骤1和步骤2，将实际流体的运行过程映射到数字空间，建立与实际运行过程相同的数值模拟过程，从而实现过程孪生；
[0022]步骤4控制模型建立，建立与物理实体相同的控制过程映射，能够使数字孪生体能模仿其相控制过程，实现相关参数的调整，从而实现性能孪生；
[0023]步骤5仿真模型建立，基于步骤1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泵机组优化运行调节系统，其特征在于：包括物理本体、虚拟孪生体、数字孪生和数字空间，所述物理本体包括泵机组、泵机组数据采集中心和泵机组控制中心，所述数字空间由信息门户模块、数据存储库模块、知识库模块、优化算法模块、机器学习模块、评估模块和决策模块相互耦合演化架构而成，由此驱动数字孪生实现虚拟空间泵机组优化调节系统与物理空间泵机组优化调节系统的数据镜像、信息交互反馈、优化调节、设备健康诊断和仿真模拟，所述数字孪生包括物理对象孪生、运行过程孪生和控制性能孪生。2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的泵机组优化运行调节系统，其特征在于：所述泵机组、泵机组数据采集中心和泵机组控制中心作为一个整体，构成基于数字孪生的泵机组优化运行调节系统对应的物理实体，所述泵机组包括水泵、流量计、电动阀门、止回阀、旁通管路、压力表和连接管路，所述泵机组数据采集中心包括各管路流量的采集、各泵启停状态的采集、各管路水压的采集、电动阀门开度的采集、各泵转速的采集、各泵功率的采集以及其它数据的采集，所述泵组控制中心包括泵转速的控制、电动阀门开度的控制和泵启停的控制。3.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的泵机组优化运行调节系统，其特征在于：所述信息门户模块提供人机交互平台，所述数据存储库模块用于存储来自于泵机组监测的运行数据，以及数字空间中所有必要的数据及方案信息，所述知识库模块提供知识模型，所述优化算法模块用于对需求工况进行寻优并提供调节方案，所述机器学习模块用于对历史决策方案进行学习、对仿真模型进行训练和优化、对优化算法中的模型进行学习修正、对监测数据进行学习，所述评估模块用于对方案进行筛选以及对仿真结果进行评估，所述决策模块用于对评估后的方案进行决策。4.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的泵机组优化运行调节方法，其特征在于：是以基于数字孪生模型实现数字孪生及仿真模拟，所述数字孪生的数据模型包括运行感知监测层、网络传输层、数据交融层和交互控制层，所述感知监测层为数字孪生的对象孪生提供监测信息流，所述网络传输层为数字孪生的运行过程孪生提供控制信息流，所述数据交融层为数字孪生的控制性能孪生提供数据信息流，所述交互控制层为数字孪生提供决策控制流。5.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的泵机组优化运行调节方法，其特征在于所述数字孪生实现的虚拟空间泵机组优化调节系统的优化运行机理包括如下步骤：步骤1需求工况，用户通过信息门户将需求工况输入到系统；步骤2优化方案计算，用户需求工况传入到优化模块和机器学习模块进行方案计算并给出多个优化方案；步骤3方案评估，多个优化方案进入评估模块进行方案的评估，筛选出多个较优的方案；步骤4仿真计算，多个较优的方案进入数字孪生体进行仿真计算并将结果输出；步骤5性能评估，评估模块对仿真完的结果进行性能评估；步骤6方案决策，性能评估后，进入决策机模块进行决策，判断是否满足要求，若满足要求则将最优方案输出到泵机组控制中心，若不满足需求则调整参数，重新进行新方案的计算，直到满足决策机要求；

【专利技术属性】
技术研发人员：裴吉，龚小波，王文杰，袁建平，袁寿其，张金凤，李彦军，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：