一种基于数字孪生的泥水环流实验系统及方法技术方案

一种基于数字孪生的泥水环流实验系统，包括泥水环流物理实验平台、泥水环流虚拟实验平台、泥水环流数字孪生一体化系统和泥水盾构环流系统物理实体，泥水环流虚拟实验平台与泥水环流物理实验平台虚实交互连接，泥水环流数字孪生一体化系统分别与泥水环流物理实验平台、泥水环流虚拟实验平台和泥水盾构环流系统物理实体信号连接。本发明专利技术将数字孪生与盾构机泥水环流系统结合，不仅可以充分研究泥水环流系统内复杂多变难以观测的运行状态，为泥水环流系统升级优化提供理论支撑，还可以有效监测、预警、解决盾构机掘进过程中泥水环流系统出现的故障问题，提升泥水盾构运行效率与安全性，节约施工成本，对学术研究领域和实际工程问题均具有重要价值。均具有重要价值。均具有重要价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数字孪生的泥水环流实验系统及方法


[0001]本专利技术涉及大型装备数字孪生、多物理场耦合仿真及智能优化
，具体的说，涉及一种基于数字孪生的泥水环流实验系统及方法。

技术介绍

[0002]随着我国城市地铁、大型过江过河隧道工程及引水工程的大规模兴建，泥水盾构隧道技术的应用越来越广泛。由于我国幅员辽阔，各地地质条件差别较大，许多隧道遇到断面上同时存在岩石和土层、软土和卵石等复杂地质条件，加上施工中很多不可预知因素的影响，目前泥水盾构隧道施工中泥水环流系统遇到管道堵塞、磨损、失压等一些列问题，盾构机一旦发生故障停机，将严重影响施工进度，增加施工成本。
[0003]由于施工环境的局限性，泥水环流系统内部运行状态难以直接观测研究。
[0004]而数字孪生是建立物理世界与虚拟世界的桥梁，也是对物理系统的虚拟映射，通过将物理世界的产品装备与虚拟世界建立信息交互联系，将复杂的物理信息转而数字化投入虚拟世界并借助智能仿真优化等技术解决相应问题。
[0005]目前还没有将数字孪生与盾构机泥水环流系统结合的实验技术。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种基于数字孪生的泥水环流实验系统及方法，本专利技术将数字孪生与盾构机泥水环流系统结合，不仅可以充分研究泥水环流系统内复杂多变难以观测的运行状态，为泥水环流系统升级优化提供理论支撑，还可以有效监测、预警、解决盾构机掘进过程中泥水环流系统出现的故障问题，提升泥水盾构运行效率与安全性，节约施工成本，对学术研究领域和实际工程问题均具有重要价值。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于数字孪生的泥水环流实验系统，包括泥水环流物理实验平台、泥水环流虚拟实验平台、泥水环流数字孪生一体化系统和泥水盾构环流系统物理实体，泥水环流虚拟实验平台与泥水环流物理实验平台虚实交互连接，泥水环流数字孪生一体化系统分别与泥水环流物理实验平台、泥水环流虚拟实验平台和泥水盾构环流系统物理实体信号连接；泥水环流物理实验平台模拟泥水盾构环流系统物理实体的结构，并将实验参数实时传递给泥水环流数字孪生一体化系统；泥水环流数字孪生一体化系统汇总筛选泥水盾构环流系统物理实体的结构参数及实时运行参数信息，同时根据泥水环流物理实验平台的物理模型生成数字孪生模型并进行虚拟仿真优化；泥水环流虚拟实验平台系统是由泥水环流物理实验平台在虚拟空间中所映射的数字孪生体，泥水环流虚拟实验平台系统获取泥水环流数字孪生一体化系统的虚拟仿真优化后的泥水环流系统结构及运行参数，再对泥水环流在虚拟空间内进行运行模拟；泥水盾构环流系统物理实体中安装有用于实时监测收集真实工况下泥水盾构环
流系统物理实体运行参数信息的压力传感器、流量传感器、黏度传感器和密度传感器。
[0008]泥水环流物理实验平台包括第一水泥台座、第二水泥台座、立式碳钢蓄浆罐、渣浆泵、透明有机玻璃实验模块管道和变频控制柜，第一水泥台座位于第二水泥台座的右后侧，立式碳钢蓄浆罐的底部通过支架固定在第一水泥台座上，渣浆泵固定在第二水泥台座上，透明有机玻璃实验模块管道前低后高倾斜设置在立式碳钢蓄浆罐的右侧，透明有机玻璃实验模块管道的后端高于立式碳钢蓄浆罐的顶部，立式碳钢蓄浆罐的底部出水口与渣浆泵的抽水口通过第一泥水管路连接，渣浆泵的出水口与透明有机玻璃实验模块管道的前端通过第二泥水管道连接，透明有机玻璃实验模块管道的后端与立式碳钢蓄浆罐的顶部进水口通过第三泥水管道连接，立式碳钢蓄浆罐、渣浆泵、第一泥水管路、第二泥水管道、透明有机玻璃实验模块管道和第三泥水管道首尾连接形成闭环流道，第二泥水管道在临近透明有机玻璃实验模块管道的前端的位置沿流体流动方向依次设置有第一电磁压力计、第一电子流量计和进料管道，进料管道竖直连接在第二泥水管道的上部，进料管道上安装有两个上下间隔设置的电动蝶阀，第三泥水管道在临近透明有机玻璃实验模块管道的后端的位置沿流体流动方向依次设置有第二电磁压力计和第二电子流量计，透明有机玻璃实验模块管道上安装有用于拍摄其内部流动情况的高速流场摄像机，泥水环流数字孪生一体化系统分别与第一电磁压力计、第一电子流量计、第二电磁压力计、第二电子流量计和高速流场摄像机信号连接，变频控制柜与渣浆泵信号连接。
[0009]第一泥水管路、第二泥水管路和第三泥水管路均采用钢衬聚酯氨材料制成。
[0010]泥水环流虚拟实验平台系统包含数字体模块、数据模块和第一知识模块：数字体模块是根据泥水环流物理实验平台的实体皮肤模型所对应在虚拟空间中的数字存储，数字体模块在虚拟空间内拥有与物理实体相同的物理属性；数据模块为物理实验与仿真历史数据存储模块，数据模块通过云存储形式上传云端，便于随时调用；第一知识模块包含专家知识以及泥水环流物理实验平台所有设备零件的物理信息。
[0011]泥水环流数字孪生一体化系统包含第二知识模块、仿真模块和优化模块：第二知识模块包括专家知识、物理信息、云端存储、故障收集、辅助决策的功能信息；仿真模块利用前沿仿真技术，基于数字体模块与泥水环流物理实验平台进行实时虚拟仿真；优化模块采用智能优化算法对实验数据以及仿真数据进行优化处理并加以分析验证，指导泥水环流物理实验平台下一步实验或泥水盾构环流系统物理实体的参数设置。
[0012]一种基于数字孪生的泥水环流实验方法，采用上述的基于数字孪生的泥水环流实验系统进行实验，按以下步骤进行：S1、在泥水盾构环流系统物理实体中安装压力传感器、流量传感器、黏度传感器和密度传感器，压力传感器、流量传感器、黏度传感器和密度传感器实时监测收集真实工况下泥水盾构环流系统物理实体运行参数信息，通过泥水环流数字孪生一体化系统汇总筛选泥水盾构环流系统物理实体的结构参数及实时运行参数信息S2、搭建泥水环流物理实验平台，并进行泥水环流实验；
S3、泥水环流虚拟实验平台系统在虚拟空间内根据泥水环流物理实验平台的物理模型，生成与泥水环流物理实验平台的物理空间实际尺寸结构对应的虚拟空间三维模型，即数字孪生模型；S4、泥水环流数字孪生一体化系统对数字孪生模型进行虚拟仿真和优化，得到仿真智能优化后的泥水环流结构以及运行参数；S5、在泥水环流虚拟实验平台系统中输入仿真智能优化后的泥水环流结构以及运行参数，再一次对泥水环流在虚拟空间内进行运行模拟，实时监控运行状态并预警故障，依照虚拟实验平台优化数据通过泥水环流物理实验平台再次进行泥水环流实验，将实验数据与预测数据进行对比，如若达到预期则输出泥水环流物理实验平台运行参数指导泥水盾构环流系统物理实体下一环运行，并且第一知识模块通过数据融合建立泥水环流一体化系统运行参数知识库；如若未达到预期，则重复步骤S2～S4；综合当前优化参数与历史知识模块得到泥水环流运行最优参数指导泥水盾构环流系统物理实体运行，辅助工程师排除泥水盾构环流系统物理实体运行故障，保障盾构机安全、高效掘进。
[0013]步骤S2具体为：S2.1、根据设计图纸搭建泥水环流物理实验平台；S2.2、配置所需的泥浆，将配置完成的泥浆加入立式碳钢蓄浆罐内；S2.3、打开变频控制柜电源，并本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生的泥水环流实验系统，其特征在于：包括泥水环流物理实验平台、泥水环流虚拟实验平台、泥水环流数字孪生一体化系统和泥水盾构环流系统物理实体，泥水环流虚拟实验平台与泥水环流物理实验平台虚实交互连接，泥水环流数字孪生一体化系统分别与泥水环流物理实验平台、泥水环流虚拟实验平台和泥水盾构环流系统物理实体信号连接；泥水环流物理实验平台模拟泥水盾构环流系统物理实体的结构，并将实验参数实时传递给泥水环流数字孪生一体化系统；泥水环流数字孪生一体化系统汇总筛选泥水盾构环流系统物理实体的结构参数及实时运行参数信息，同时根据泥水环流物理实验平台的物理模型生成数字孪生模型并进行虚拟仿真优化；泥水环流虚拟实验平台系统是由泥水环流物理实验平台在虚拟空间中所映射的数字孪生体，泥水环流虚拟实验平台系统获取泥水环流数字孪生一体化系统的虚拟仿真优化后的泥水环流系统结构及运行参数，再对泥水环流在虚拟空间内进行运行模拟；泥水盾构环流系统物理实体中安装有用于实时监测收集真实工况下泥水盾构环流系统物理实体运行参数信息的压力传感器、流量传感器、黏度传感器和密度传感器。2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的泥水环流实验系统，其特征在于：泥水环流物理实验平台包括第一水泥台座、第二水泥台座、立式碳钢蓄浆罐、渣浆泵、透明有机玻璃实验模块管道和变频控制柜，第一水泥台座位于第二水泥台座的右后侧，立式碳钢蓄浆罐的底部通过支架固定在第一水泥台座上，渣浆泵固定在第二水泥台座上，透明有机玻璃实验模块管道前低后高倾斜设置在立式碳钢蓄浆罐的右侧，透明有机玻璃实验模块管道的后端高于立式碳钢蓄浆罐的顶部，立式碳钢蓄浆罐的底部出水口与渣浆泵的抽水口通过第一泥水管路连接，渣浆泵的出水口与透明有机玻璃实验模块管道的前端通过第二泥水管道连接，透明有机玻璃实验模块管道的后端与立式碳钢蓄浆罐的顶部进水口通过第三泥水管道连接，立式碳钢蓄浆罐、渣浆泵、第一泥水管路、第二泥水管道、透明有机玻璃实验模块管道和第三泥水管道首尾连接形成闭环流道，第二泥水管道在临近透明有机玻璃实验模块管道的前端的位置沿流体流动方向依次设置有第一电磁压力计、第一电子流量计和进料管道，进料管道竖直连接在第二泥水管道的上部，进料管道上安装有两个上下间隔设置的电动蝶阀，第三泥水管道在临近透明有机玻璃实验模块管道的后端的位置沿流体流动方向依次设置有第二电磁压力计和第二电子流量计，透明有机玻璃实验模块管道上安装有用于拍摄其内部流动情况的高速流场摄像机，泥水环流数字孪生一体化系统分别与第一电磁压力计、第一电子流量计、第二电磁压力计、第二电子流量计和高速流场摄像机信号连接，变频控制柜与渣浆泵信号连接。3.根据权利要求2所述的基于数字孪生的泥水环流实验系统，其特征在于：第一泥水管路、第二泥水管路和第三泥水管路均采用钢衬聚酯氨材料制成。4.根据权利要求3所述的基于数字孪生的泥水环流实验系统，其特征在于：泥水环流虚拟实验平台系统包含数字体模块、数据模块和第一知识模块：数字体模块是根据泥水环流物理实验平台的实体皮肤模型所对应在虚拟空间中的数字存储，数字体模块在虚拟空间内拥有与物理实体相同的物理属性；数据模块为物理实验与仿真历史数据存储模块，数据模块通过云存储形式上传云端，
便于随时调用；第一知识模块包含专家知识以及泥水环流物理实验平台所有设备零件的物理信息。5.根据权利要求4所述的基于数字孪生的泥水环流实验系统，其特征在于：泥水环流数字孪生一体化系统包含第二知识模块、仿真模块和优化模块：第二知识模块包括专家知识、物理信息、云端存储、故障收集、辅助决策的功能信息；仿真模块利用前沿仿真技术，基于数字体模块与泥水环流物理实验平台进行实时虚拟仿真；优化模块采用智能优化算法对实验数据以及仿真数据进行优化处理并加以分析验证，指导泥水环流物理实验平台下一步实验或泥水盾构环流系统物理实体的参数设置。6.一种基于数字孪生的泥水环流实验方法，其特征在于：采用如权利要求5所述的基于数字孪生的泥水环流实验系统进行实验，按以下步骤进行：S1、在泥水盾构环流系统物理实体中安装压力传感器、流量传感器、黏度传感器和密度传感器，压力传感器、流量传感器、黏度传感器和密度传感器实时监测收集真实工况下泥水盾构环流系统物理实体运行参数信息，通过泥水环流数字孪生一体化系统汇总筛选泥水盾构环流系统物理实体的结构参数及实时运行参数信息S2、搭建泥水环流物理实验平台，并进行泥水环流实验；S3、泥水环流虚拟实验平台系统在虚拟空间内根据泥水环流物理实验平台的物理模型，生成与泥水环流物理实验平台的物理空间实际尺寸结构对应的虚拟空间三维模型，即数字孪生模型；S4、泥水环流数字孪生一体化系统对数字孪生模型进行虚拟仿真和优化，得到仿真智能优化后的泥水环流结构以及运行参数；S5、在泥水环流虚拟实验平台系统中输入仿真智能优化后的泥水环流结构以及运行参数，再一次对泥水环流在虚拟空间内进行运行模拟，实时监控运行状态并预警故障，依照虚拟实验平台优化数据通过泥水环流物理实验平台再次进行泥水环流实验，将实验数据与预测数据进行对比，如若达到预期则输出泥水环流物理实验平台运行参数指导泥水盾构环流系统物理实体下一环运行，并且第一知识模块通过数据融合建立泥水环流一体化系统运行参数知识库；如若未达到预期，则重复步骤S2～S4；综合当前优化参数与历史知识模块得到泥水环流运行最优参数指导泥水盾构环流系统物理实体运行，辅助工程师排除泥水盾构环流系统物理实体运行故障，保...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖艳秋，蔡一洲，孙春亚，崔光珍，王鹏鹏，贺振东，张旭帮，张伟利，路华，禹建坤，
申请(专利权)人：郑州轻工业大学，
类型：发明
国别省市：