【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及海洋作业领域，具体涉及一种深海采矿数字孪生系统。
技术介绍
1、全球范围内向清洁能源转型引发的大量战略性矿产需求。清洁能源需要用到很多关键矿产资源，如电动车电池需要锂、镍、钴、锰，风力发电涡轮需要稀土，电力传输离不开铜。根据国际能源署2021年5月份发布的报告显示，为实现《巴黎气候协定》全球升温2摄氏度以内的目标，2040年全球清洁能源矿产需求至少翻番，电动车相关矿产需求将增长30倍，其中钴增长21倍，镍增长19倍，关键矿产资源供应紧张已现端倪。我国正处于工业化进程中，能源矿产就像一直以来的石油和煤炭，对未来国家安全发展重要性不言而喻，必须提高能源矿产自主供应能力和供应链、产业链韧性，保障能源和矿产资源安全。
2、深海矿产资源商业化开采进程不断加快。美、欧(德国、比利时等)、日、澳、加、印、韩等国先后加入深海矿产资源开发行列，并出台商业化开采和环境管理计划。
3、深海采矿系统由多个子系统构成，在整体联动过程中存在诸多不可控风险。
4、(1)母船与管道部分采用了硬管结合，由于海洋中风浪、海流等未知自然因素的作用，母船和下方的管道输送系统会出现整体偏移过大现象。当偏移量和偏移角度超过硬管和母船结合点的承载能力阈值，将会导致结合处断开、硬管断裂、船体结构发生破坏。
5、(2)提升泵作为深海矿物由海底输送到母船过程中的动力设备，具有不可替代的作用。在矿物开采和输送过程中，由于矿物颗粒粒径的不确定性，以及矿物和海水相互作用的复杂性，对提升泵具有极大的考验，可能会出现泵体堵塞、叶
6、(3)集矿车是海底表层矿物的富集和采集设备，是深海采矿系统中的前端技术。深海表层自然环境黑暗，车辆行走时产生的扬尘等，将会导致可见范围极小，这对集矿车行进十分不利。当出现车辆下陷、打滑，以及复杂地形行走造成的连接软管出现缠绕、拉扯等现象，都会影响深海采矿系统的正常工作，甚至发生破坏。
7、(4)当遇到台风等极端天气，工作人员和深海采矿系统将会面临极大的安全问题。需要针对极端条件下制定应急撤离策略，对采矿系统的布放回收或者其它处置方法做出预案。
8、(5)深海采矿作业会带来的沉积物扰动、水迁移、噪音、光照等因素会不可避免对生态环境造成影响。其中，扰动后再悬浮的沉积物会随着水流形成羽状流，其沉降后将造成数公里至数十公里海域数年至数十年的环境影响。绿色采矿需要探明采矿作业对环境影响，形成生态环境防控模型，从而通过指导作业方式和相关设备研发来减少环境扰动。
9、在远海条件下，受复杂海洋环境和高强度使用频率等因素影响，深海采矿系统作业环境恶劣、性能衰退显著、各类故障增加，对高水平健康管理和风险防控技术的需求更为迫切。对此，深海采矿系统数字孪生与健康管理和风险防控的有机融合，为实现深海采矿系统实时状态监测、故障诊断预警、远程运行决策支持、运行安全风险防控等功能需求提供了新的技术路径。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种深海采矿数字孪生系统。
2、本专利技术解决上述问题所采用的技术方案是：一种深海采矿数字孪生系统，包括以技术装备实体以及依附其布设的传感器网构成的物理空间层、进行数据存储的数据空间层、实现交互的中央监控系统以及将物理空间层实体与构建的数字模型进行连接和同步的孪生系统层，所述的物理空间层以孪生系统层为处理核心实现与中央监控系统的信息交互耦合，同时对交互的信息发送至中央监控系统进行前级处理并于数据空间层存储，并由中央监控系统中进行系统功能模块的调用，在应用孪生系统层的孪生算法模型，获得数据空间动态建模、物理模拟模拟仿真分析、状态检测、实时映射以及预防性维护功能。
3、优选的：所述的孪生系统层构建中首先进行孪生数字化模型建立，分别进行对对技术装备运行作业环境进行数字化建模构成应用场景数字化模型，对技术装备的结构进行数字化建模构成技术装备数字化模型，对技术装备的运行状态参数以及交互参数进行数字化建模构成用户界面及空间数字化模型，采用opengl对模型进行显示并采用使用occlusionculling进行渲染优化，剔除因被遮挡而无法看到的面或对象，其次对孪生系统进行动态模拟仿真，数字化模型建立完成后，完成对深海采矿全系统设备的各类数字化模型添加物理属性，选择unity3d自带物理引擎physx进行物理属性开发，获得一个反映技术装备物理实体物理属性的数字化空间，基于物理属性的技术装备数字化模型进行运动模拟功能；结合历史数据将物理空间层中获取的实时数据，通过阈值接口传递至获得的孪生数字化模型中，驱动数字化模型完成相应运动行为，实现数字化模型对物理空间动态行为的实时映射，通过现场调试对物理空间与孪生数字化模型映射准确性、流畅性进行验证，实现数字化模型之间物理模拟仿真交互效果。
4、优选的：所述的应用场景数字化模型包括
5、海底地形数字化建模：在确定深海采矿及水下作业海域后，使用auv机器人对海底高程数据以限定的单位距离为间隔距离进行采样，记录每个采样点经纬度坐标以及深度值，建立海底地形数据集，选择双调和样条插值的方法生成海底地形的三维数字化模型；
6、海面波浪数字化建模：将海面划分为多个不规则的网格，并拼接在一起，对每个网格进行贴图；使用逆向傅里叶变换更改每个贴图的顶点坐标，实现海面波浪波动效果；对贴图添加高光、反射、折射及纹理扰动使得海面波浪产生扭曲的反射效果，利用网格顶点坐标与船舶数字化模型刚体组件，模拟船舶漂浮海面的效果，实现场景与模型的交互；
7、天空层数字化建模：对于不同天气的模拟可通过改变unity3d内置组件中的天空盒的材质贴图实现。
8、优选的：所述的技术装备数字化模型包括刚体件的数字化建模以及软管件数字化建模，所述的刚体件的数字化建模中通过将装备进行几何尺寸进行获取或者测量，记录表面材质与材料属性，确定各部件位置信息与装配关系采用三维软件生成各零件三维模型，并对零部件进行装配，生成具有完整装配关系的技术装备装配体三维模型，将装配体模型导入有限元分析软件abaqus中，设置各零部件物理属性、连接关系、受力信息，进行有限元分析，对技术装备力学性能进行评估；将模型转为3dsmax兼容的文件格式并导入3dsmax中；在3dsmax中设置各零件中心位置，减少多余线面，对部分结构进行组合，降低模型复杂程度，设置零部件坐标轴原点位置及坐标轴方向；对部分模型关节及部件的运动行为进行设计并生成动画片段，用于在用户界面及空间数字化模型中的可视化展示，所述的软管件数字化建模采用unity3d中选用在“obirope”插件的基础上对输送软管进行数字化建模，通过约束条件将一系列粒子连接起来，在粒子之间进行渲染贴图或添加预制件，生成输送输送软管数字化模型。
9、优选的：用户图形界面及控件数字化建模采用unity3d中ugui系统进行图形本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种深海采矿数字孪生系统，其特征在于：包括以技术装备实体以及依附其布设的传感器网构成的物理空间层、进行数据存储的数据空间层、实现交互的中央监控系统以及将物理空间层实体与构建的数字模型进行连接和同步的孪生系统层，所述的物理空间层以孪生系统层为处理核心实现与中央监控系统的信息交互耦合，同时对交互的信息发送至中央监控系统进行前级处理并于数据空间层存储，并由中央监控系统中进行系统功能模块的调用，在应用孪生系统层的孪生算法模型，获得数据空间动态建模、物理模拟模拟仿真分析、状态检测、实时映射以及预防性维护功能。
2.根据权利要求1所述的一种深海采矿数字孪生系统，其特征在于：所述的孪生系统层构建中首先进行孪生数字化模型建立，分别进行对对技术装备运行作业环境进行数字化建模构成应用场景数字化模型，对技术装备的结构进行数字化建模构成技术装备数字化模型，对技术装备的运行状态参数以及交互参数进行数字化建模构成用户界面及空间数字化模型，采用OpenGL对模型进行显示并采用使用OcclusionCulling进行渲染优化，剔除因被遮挡而无法看到的面或对象，其次对孪生系统进行动态模拟仿真，数字
3.根据权利要求2所述的一种深海采矿数字孪生系统，其特征在于：所述的应用场景数字化模型包括
4.根据权利要求3所述的一种深海采矿数字孪生系统，其特征在于：所述的技术装备数字化模型包括刚体件的数字化建模以及软管件数字化建模，所述的刚体件的数字化建模中通过将装备进行几何尺寸进行获取或者测量，记录表面材质与材料属性，确定各部件位置信息与装配关系采用三维软件生成各零件三维模型，并对零部件进行装配，生成具有完整装配关系的技术装备装配体三维模型，将装配体模型导入有限元分析软件Abaqus中，设置各零部件物理属性、连接关系、受力信息，进行有限元分析，对技术装备力学性能进行评估；将模型转为3DSMax兼容的文件格式并导入3DSMax中；在3DSMax中设置各零件中心位置，减少多余线面，对部分结构进行组合，降低模型复杂程度，设置零部件坐标轴原点位置及坐标轴方向；对部分模型关节及部件的运动行为进行设计并生成动画片段，用于在用户界面及空间数字化模型中的可视化展示，所述的软管件数字化建模采用Unity3D中选用在“ObiRope”插件的基础上对输送软管进行数字化建模，通过约束条件将一系列粒子连接起来，在粒子之间进行渲染贴图或添加预制件，生成输送输送软管数字化模型。
5.根据权利要求4所述的一种深海采矿数字孪生系统，其特征在于：用户图形界面及控件数字化建模采用Unity3D中UGUI系统进行图形界面开发，界面功能包括显示各类技术装备当前运行状态信息、显示各类装备运行状态预警信息、场景漫游与镜头切换、选择作业装备型号、装备初始状态设置、控制模式。
6.根据权利要求5所述的一种深海采矿数字孪生系统，其特征在于：所述的动态模拟仿真还包括粒子特效、拖尾特效以及镜头特效，
7.根据权利要求6所述的一种深海采矿数字孪生系统，其特征在于：所述的物理空间层以孪生系统层为处理核心实现与中央监控系统的信息交互耦合基于OPCUA架构进行数据传输、存储，具体步骤包括：
8.根据权利要求7所述的一种深海采矿数字孪生系统，其特征在于：对数据空间层的历史数据建立数据集，建立深海采矿安全运行风险因素分析策略，分析内容包括风险安全来源、风险安全指标和风险安全规律，基于历史数据和实时数据挖掘分析其动态变化规律和关键影响因素，基于安全运行风险因素分析策略，对数据的预处理、特征的提取、特征的选择和特征的融合算法并分别构建场景历史数据库和场景特征数据库，为数字孪生多领域模型的更新、数据驱动算法的训练和预测、以及融合型风险预测算法的求解提供有效信息，同时通过融合型风险预测算法的构建故障预测模型，利用场景感知的特征进行模型的训练和验证，将技术装备实体实时数据应用于故障预测模型进行故障风险预测，同时针对不同的场景，分别利用迁移学习算法和滤波算法实现数字孪生模型仿真和数据驱动算法的有效融合，通过预警水平以及预设预警策略，建立自主风险防控实时策略并应用于中央监控系...
【技术特征摘要】
1.一种深海采矿数字孪生系统，其特征在于：包括以技术装备实体以及依附其布设的传感器网构成的物理空间层、进行数据存储的数据空间层、实现交互的中央监控系统以及将物理空间层实体与构建的数字模型进行连接和同步的孪生系统层，所述的物理空间层以孪生系统层为处理核心实现与中央监控系统的信息交互耦合，同时对交互的信息发送至中央监控系统进行前级处理并于数据空间层存储，并由中央监控系统中进行系统功能模块的调用，在应用孪生系统层的孪生算法模型，获得数据空间动态建模、物理模拟模拟仿真分析、状态检测、实时映射以及预防性维护功能。
2.根据权利要求1所述的一种深海采矿数字孪生系统，其特征在于：所述的孪生系统层构建中首先进行孪生数字化模型建立，分别进行对对技术装备运行作业环境进行数字化建模构成应用场景数字化模型，对技术装备的结构进行数字化建模构成技术装备数字化模型，对技术装备的运行状态参数以及交互参数进行数字化建模构成用户界面及空间数字化模型，采用opengl对模型进行显示并采用使用occlusionculling进行渲染优化，剔除因被遮挡而无法看到的面或对象，其次对孪生系统进行动态模拟仿真，数字化模型建立完成后，完成对深海采矿全系统设备的各类数字化模型添加物理属性，选择unity3d自带物理引擎physx进行物理属性开发，获得一个反映技术装备物理实体物理属性的数字化空间，基于物理属性的技术装备数字化模型进行运动模拟功能；结合历史数据将物理空间层中获取的实时数据，通过阈值接口传递至获得的孪生数字化模型中，驱动数字化模型完成相应运动行为，实现数字化模型对物理空间动态行为的实时映射，通过现场调试对物理空间与孪生数字化模型映射准确性、流畅性进行验证，实现数字化模型之间物理模拟仿真交互效果。
3.根据权利要求2所述的一种深海采矿数字孪生系统，其特征在于：所述的应用场景数字化模型包括
4.根据权利要求3所述的一种深海采矿数字孪生系统，其特征在于：所述的技术装备数字化模型包括刚体件的数字化建模以及软管件数字化建模，所述的刚体件的数字化建模中通过将装备进行几何尺寸进行获取或者测量，记录表面材质与材料属性，确定各部件位置信息与装配关系采用三维软件生成各零件三维模型，并对零部件进行装配，生成具有完整装配关系的技术装备装配体三维模型，将装配体模型导入有限元分析软件abaqus中，设置各零部件物理属性、连接关系、受力信息，进行有限元分析，对技术装备力学性能进行评估；将模型转为3dsmax兼容的文件格式并导入3dsmax中；在3dsmax中设置各零件中心位置，减少多余线面，对部分结构进行组合，降低模型复杂程度，设置零部件坐标轴原点位置及坐标轴方向；对部分模型...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡琼，邓立文，刘少军，朱静妍，罗岚，秦宇，欧雨佳，黄俊强，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。