基于数字孪生技术的工业控制系统功能安全量化评估方法技术方案

一种基于数字孪生技术的工业控制系统功能安全量化评估方法，以工业生产设备为原型，建立数字孪生模型，并通过数字孪生技术的预测性维护功能，产生大量数据集用于故障诊断和预测，之后定义并计算工业场景中给定指标的偏移量，得到该工业生产设备的功能安全风险值，能够体现该设备可用性，并最终反馈到整个工业控制系统功能安全风险值，做到对整个工业控制系统功能安全的量化评估。统功能安全的量化评估。统功能安全的量化评估。

【技术实现步骤摘要】
基于数字孪生技术的工业控制系统功能安全量化评估方法


[0001]本专利技术涉及的是一种工业安全领域的技术，具体是一种基于数字孪生技术的工业控制系统功能安全量化评估方法。

技术介绍

[0002]现有工业控制系统的安全评估一般分为信息安全评估和功能安全评估2个方面，其中信息安全方面偏向于对网络安全进行评估，而功能安全偏向于物理设备的可用性进行评估。国内外的研究大多聚焦于信息安全，对于功能安全的研究还处于初步阶段，有大量的问题亟待解决。例如，目前的研究还停留在某一场景下的故障检测阶段，只能进行故障分类，无法对故障严重程度进行量化评估。

技术实现思路

[0003]本专利技术针对现有技术在数据量很少时无法进行故障识别且对工业控制系统功能安全进行动态的、量化的评估，提出一种基于数字孪生技术的工业控制系统功能安全量化评估方法，以工业生产设备为原型，建立数字孪生模型，并通过数字孪生技术的预测性维护功能，产生大量数据集用于故障诊断和预测，之后定义并计算工业场景中给定指标的偏移量，得到该工业生产设备的功能安全风险值，最终反馈到整个工业控制系统功能安本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生技术的工业控制系统功能安全量化评估方法，其特征在于，包括：步骤1、对工业作业设备建立数字孪生模型，并使得数字孪生模型与实际作业设备能够实时进行数据交互；步骤2、利用建立的数字孪生模型，通过修改模型的物理参数，大量模拟该作业设备在不同情形下的工况数据，利用产生的大量数据，使用人工智能方法训练故障识别模型，具体为为：对该类故障的产生原理进行分析，进而得到该类故障发生的根本原因与影响到的参数，通过修改这些参数去模拟故障发生的根本原因，便能够产生该类故障下的数据；例如某类故障发生的根本原因是某处的摩擦增加，通过修改该处的摩擦力参数，即可进行模拟；而另一类故障发生的根本原因是某处的电路发生了断路，通过修改该处的电阻参数，即可进行模拟；步骤3、计算作业设备的故障量化指标偏移量，在实时数据中，利用步骤2的模型检测故障，并实时计算该设备的偏移量，同时通过数字孪生模型预测未来偏移量的变化趋势；步骤4、通过实时偏移量和预测性偏移量最终计算得到该作业设备的功能安全风险值，所有作业设备的功能安全风险值加权后得到该工业控制系统的功能安全风险值。2.根据权利要求1所述的基于数字孪生技术的工业控制系统功能安全量化评估方法，其特征是，所述的计算功能安全风险值的方法，是将归一化后的实时偏移量和预测性偏移量进行加权运算，满足权值之和为1，归一化的偏移量是由偏移量的值除以发生作业事故的偏移量数值得到。3.根据权利要求1所述的基于数字孪生技术的工业控制系统功能安全量化评估方法，其特征是，所述的数字孪生模型为白盒模型或者是若干黑盒拼接的模型，通过数学物理方法、人工智能方法、或者两者相结合的方法建立，具体为：根据工业作业设备的核心工作参数，将该设备分为若干子模块，每个子模块有各自的输入和输出，每个子模块可以对应于该作业设备的一个子组件，依据子模块间的关联，即可构成完整的数字孪生模型，体现出的效果便是在相同模型输入X和子模块的物理参数输入M时，中间工作参数Y以及数字孪生模型输出Z与真实的作业设备相符合。4.根据权利要求1所述的基于数字孪生技术的工业控制系统功能安全量化评估方法，其特征是，直接根据数学和物理方法计算出该子模块的输出与输入的数学关系或将该子模块视为黑盒，使用该子模块的输入输出历史数据进行训练，利用人工智能的方法得到该子模块对应的模型。5.根据权利要求1所述的基于数字孪生技术的工业控制系统功能安全量化评估方法，其特征是，当在初始情况下无法得知物理参数的参数值时，先对这些未知参数赋予初始值进行计算，之后采用梯度下降法对未知参数值进行逐步的优化调整，最终使得子模块的仿真结果与实测结果相吻合。6.根据权利要求1所述的基于数字孪生技术的工业控制系统功能安全量化评估方法，其特征是，所述的故障包括：设备仍然处于正常的工况范畴，但有着即将发生故障的趋势。7.根据权利要求1所述的基于数字孪生技术的工业控制系统功能安全量化评估方法，其特征是，所述的故障量化指标偏移量，能够反映该设备工况与正常工况的差异情况，值越大，表示该设备工况越偏移正常情况。8.根据权利要求1～7中任一所述的基于数字孪生技术的工业控制系统功能安全量化
评估方法，其特征是，具体包括：步骤1)数字孪生模型构建：采用数学物理模型和数据优化相结合的手段建立抽油机模型，具体为：首先将抽油机模型分为四连杆模块、载荷模块和示功图模块，其中模型输入集X包括抽油机的工作频率、和当前的工作时间；M1为抽油机自身的结构参数；Y1和Y2分别为抽油机悬点的运动规律；M2为油井相关的结构参数；Y3为悬点载荷的变化规律；最终输出集Z为该抽油机的示功图；1.1)所述示功图的横坐标是光杆悬点的位移，纵坐标是光杆悬点的载荷，在驴头2上下运动一次往返后，便得到完整的示功图；1.2)使用数学物理方法对四连杆模块和载荷模块建立模型，需要计算得到悬点1的运动规律和悬点的相应载荷大小，即计算得到悬点的运动规律，包括：位移动规律和悬点的相应载荷大小，即计算得到悬点的运动规律，包括：位移其中：θ为曲柄转角，φ为K与水平方向的夹角；速度其中：ω为曲柄旋转角速度，α为R和P的夹角，β为P和C的夹角；加速度其中：ψ为C和K的夹角，θ
k
为R与K的...

【专利技术属性】
技术研发人员：谌仲威，李林森，杨航均，邹福泰，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：