本發(fā)明屬于數(shù)字孿生，尤其涉及一種基于數(shù)字孿生技術(shù)的彎管漏磁場(chǎng)虛擬檢測(cè)及磁路優(yōu)化方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，以數(shù)字化的方式建立物理實(shí)體的多維、多時(shí)空尺度、多學(xué)科、多物理量的動(dòng)態(tài)虛擬模型來仿真和刻畫物理實(shí)體在真實(shí)環(huán)境中的屬性、行為、規(guī)則等，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程，即將現(xiàn)有的物理實(shí)體對(duì)象的數(shù)字模型，通過實(shí)測(cè)、仿真和數(shù)據(jù)分析來實(shí)時(shí)感知、診斷、預(yù)測(cè)物理實(shí)體對(duì)象的狀態(tài)，通過優(yōu)化和指令來調(diào)控物理實(shí)體對(duì)象的行為，通過相關(guān)數(shù)字模型間的相互學(xué)習(xí)來進(jìn)化自身，同時(shí)改進(jìn)利益相關(guān)方在物理實(shí)體對(duì)象生命周期內(nèi)的決策。

2、漏磁檢測(cè)是針對(duì)輸油管道這類高磁導(dǎo)率的鐵磁性材料進(jìn)行檢測(cè)的，當(dāng)管道被磁化后，缺陷處磁力線發(fā)生彎曲變形，并且有一部分磁力線泄露出缺陷表面，利用磁敏傳感器檢測(cè)該泄露磁場(chǎng)，從而判斷缺陷是否存在，而只要當(dāng)鐵磁性材料試件被磁化至飽和或接近飽和的條件下，檢測(cè)傳感器才能有效捕捉材料缺陷處的漏磁通并進(jìn)行后續(xù)信號(hào)分析工作。而內(nèi)檢測(cè)器往往在過彎時(shí)會(huì)因?yàn)楣鼙诖呕伙柡投嬖谌毕莶荒鼙缓芎玫貦z出的問題。

3、隨著智能化技術(shù)的不斷深入與數(shù)字孿生技術(shù)的不斷發(fā)展，以及全球物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等信息技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，在智慧管網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展的背景下，采用智能感知、數(shù)字孿生等技術(shù)，將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與內(nèi)檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，將漏磁內(nèi)檢測(cè)器過彎姿態(tài)與磁化效果有機(jī)結(jié)合，可視化出內(nèi)檢測(cè)器過彎時(shí)的磁化效果，對(duì)漏磁內(nèi)檢測(cè)器在油氣管道內(nèi)的漏磁信號(hào)曲線進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)磁化單元進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而便于工作人員對(duì)漏磁內(nèi)檢測(cè)器進(jìn)行相關(guān)關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)和更換等處理。數(shù)字孿生技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體在數(shù)字空間的忠實(shí)映射，可以貫穿于設(shè)備的全生命周期，開展智能管道建設(shè)將是油氣管道檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)。在數(shù)字孿生技術(shù)領(lǐng)域下尚未有類似的產(chǎn)品，相關(guān)的技術(shù)更多應(yīng)用在數(shù)字孿生車間、數(shù)字孿生城市、數(shù)字孿生衛(wèi)星等應(yīng)用里。為此，我們提出一種基于數(shù)字孿生技術(shù)的彎管漏磁場(chǎng)虛擬檢測(cè)及磁路優(yōu)化方法及系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的就在于為了解決上述問題而提供一種基于數(shù)字孿生技術(shù)的彎管漏磁場(chǎng)虛擬檢測(cè)及磁路優(yōu)化方法及系統(tǒng)。

2、本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)上述目的：

3、一種基于數(shù)字孿生技術(shù)的彎管漏磁場(chǎng)虛擬檢測(cè)及磁路優(yōu)化方法，包括以下步驟：

4、采集相關(guān)數(shù)據(jù)，所述相關(guān)數(shù)據(jù)包括實(shí)體數(shù)據(jù)、仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)；

5、基于數(shù)字孿生技術(shù)和所述相關(guān)數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)字孿生仿真平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)漏磁內(nèi)檢測(cè)器運(yùn)動(dòng)可視化；

6、基于所述相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到漏磁場(chǎng)數(shù)據(jù)；

7、基于所述漏磁場(chǎng)數(shù)據(jù)判斷管道被近飽和磁化的情況，并對(duì)所述漏磁場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，得到優(yōu)化后漏磁場(chǎng)數(shù)據(jù)；

8、所述數(shù)字孿生仿真平臺(tái)基于所述漏磁場(chǎng)數(shù)據(jù)和所述優(yōu)化后漏磁場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬仿真，使優(yōu)化前后的漏磁內(nèi)檢測(cè)器對(duì)管道的磁化效果可視化，并對(duì)漏磁內(nèi)檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

9、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述實(shí)體數(shù)據(jù)包括油氣管道的基本數(shù)據(jù)、漏磁內(nèi)檢測(cè)器的基本數(shù)據(jù)和輸送介質(zhì)的基本數(shù)據(jù)。

10、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述油氣管道的基本數(shù)據(jù)包括不同彎管的曲率半徑數(shù)據(jù)，不同管段的管徑數(shù)據(jù)以及不同管段之間的組合數(shù)據(jù)；

11、所述漏磁內(nèi)檢測(cè)器的基本數(shù)據(jù)包括檢測(cè)節(jié)的基本數(shù)據(jù)和漏磁內(nèi)檢測(cè)器其他各節(jié)數(shù)據(jù)；檢測(cè)節(jié)的基本數(shù)據(jù)包括磁鐵長(zhǎng)度數(shù)據(jù)、磁鐵軸向截面積數(shù)據(jù)和銜鐵截面積等；

12、輸送介質(zhì)的基本數(shù)據(jù)包括流體的物性參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，所述物理參數(shù)包括密度、黏度和體積模量；所述流體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)包括速度、雷諾數(shù)、粘性系數(shù)。

13、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真數(shù)據(jù)和流體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

14、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真數(shù)據(jù)包括漏磁內(nèi)檢測(cè)器的運(yùn)行速度數(shù)據(jù)和位置姿態(tài)數(shù)據(jù)；

15、所述流體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)包括漏磁內(nèi)檢測(cè)器通過性能數(shù)據(jù)、運(yùn)動(dòng)速度數(shù)據(jù)及位置信息數(shù)據(jù)。

16、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，構(gòu)建所述數(shù)字孿生仿真平臺(tái)的具體過程如下：

17、通過數(shù)字化恢復(fù)技術(shù)對(duì)所述實(shí)體數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)及對(duì)齊，進(jìn)而建立基于表現(xiàn)層、邏輯層、數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，在所述表現(xiàn)層構(gòu)建物理實(shí)體的三維虛擬模型，在所述數(shù)據(jù)層構(gòu)建離線數(shù)據(jù)庫，在所述邏輯層通過腳本控制將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖憩F(xiàn)層的三維模型中實(shí)現(xiàn)物理空間到虛擬模型的映射，從而建立油氣管道-漏磁內(nèi)檢測(cè)器孿生體平臺(tái)。

18、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，通過軟件構(gòu)建所述數(shù)字孿生仿真平臺(tái)的具體過程如下：

19、通過solidworks軟件對(duì)油氣管道和漏磁內(nèi)檢測(cè)器分別進(jìn)行三維建模，構(gòu)建油氣管道和漏磁內(nèi)檢測(cè)器的三維模型；

20、在3dmax軟件中增強(qiáng)所述三維模型中零件模型的質(zhì)感，并對(duì)所述三維模型進(jìn)行輕量化處理，得到輕量化模型；

21、通過利用所述漏磁內(nèi)檢測(cè)器的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)得到離線數(shù)據(jù)庫，從所述離線數(shù)據(jù)庫中提取數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)優(yōu)化處理，再將所述輕量化模型集成在unity3d軟件中，通過添加unity3d軟件中的物理屬性組件，使用腳本調(diào)用數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)輕量化模型運(yùn)動(dòng)，在unity3d平臺(tái)中構(gòu)建管道-漏磁內(nèi)檢測(cè)器孿生體的動(dòng)態(tài)仿真模型，基于管道-漏磁內(nèi)檢測(cè)器孿生體的動(dòng)態(tài)仿真模型構(gòu)建得到數(shù)字孿生仿真平臺(tái)。

22、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，對(duì)所述三維模型進(jìn)行輕量化處理，得到輕量化模型的具體過程如下：

23、對(duì)所述三維模型進(jìn)行分析，判斷是否存在冗余的頂點(diǎn)和線條，若不存在，則對(duì)所述三維模型模型進(jìn)行精簡(jiǎn)面片處理，得到輕量化模型；若存在，則刪除多余的頂和線條，再進(jìn)行精簡(jiǎn)面片處理，得到輕量化模型。

24、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述零件模型具有行為特性，所述行為特性包括各零件模型之間的相互關(guān)系，包括平行關(guān)系、垂直關(guān)系和“父子”關(guān)系。

25、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，基于所述相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到漏磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，包括以下步驟：

26、創(chuàng)建有限元模型，對(duì)所述有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到節(jié)點(diǎn)和單元，包括磁鐵單元、空氣單元、管道單元、極靴單元、銜鐵單元和鋼刷單元；

27、定義各單元的材料屬性；

28、施加邊界條件，利用麥克斯韋方程組對(duì)所述節(jié)點(diǎn)求解；

29、沿預(yù)設(shè)的路徑提取磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度的結(jié)果值，得到漏磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。

30、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，在基于所述相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到漏磁場(chǎng)數(shù)據(jù)之前，基于實(shí)體數(shù)據(jù)進(jìn)行三次漏磁檢測(cè)試驗(yàn)，通過試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證進(jìn)行數(shù)據(jù)分析所使用的模型和計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。

31、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，基于所述漏磁場(chǎng)數(shù)據(jù)判斷管道被近飽和磁化的情況，并對(duì)所述漏磁場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，得到優(yōu)化后漏磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，具體步驟如下：

32、基于所述漏磁場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)彎管處所得到的漏磁信號(hào)曲線與能使管道被磁化到近飽和或飽和狀態(tài)的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行判斷對(duì)比，根據(jù)預(yù)設(shè)的管道的b-h曲線，得知管道是否達(dá)到磁飽和狀態(tài)或近飽和狀態(tài)，其中，以磁飽和狀態(tài)對(duì)應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的80％作為近飽和狀態(tài)；

33、當(dāng)達(dá)到近飽和狀態(tài)時(shí)，將所述漏磁場(chǎng)數(shù)據(jù)輸出；

34、若未達(dá)到近飽和狀態(tài)，對(duì)所述漏磁場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，得到優(yōu)化后漏磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。

35、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，對(duì)所述漏磁場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，得到優(yōu)化后漏磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，具體步驟如下：

36、一、確立設(shè)計(jì)變量，所述設(shè)計(jì)變量包括磁鐵高度、磁鐵軸向截面積、銜鐵截面積；

37、二、建立目標(biāo)函數(shù)：根據(jù)線性加權(quán)法的數(shù)學(xué)模型，如下式所示：

38、

39、其中，wj是fj()的加權(quán)系數(shù)，wj≥0，j＝1,2,…,k，

40、以磁鐵體積最大，沿提取的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大為目標(biāo)，以銜鐵截面積大于等于管道截面積、管道軸向變形量為15％d、檢測(cè)節(jié)幾何上滿足通過性能為約束條件，構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)：

41、max{f1,2,}即f＝w1f1+2f2；

42、其中，f1表示磁鐵體積，f2表示磁感應(yīng)強(qiáng)度，w表示加權(quán)系數(shù)；

43、三、確立約束條件：以銜鐵截面積大于等于管道截面積、管道軸向變形量為15％d、檢測(cè)節(jié)幾何上滿足通過性能為約束條件；

44、四、定義材料屬性：確立各組件的材料屬性；

45、五、工況的選取及載荷處理：以實(shí)際工況或設(shè)計(jì)工況為依據(jù)，主要集中在內(nèi)檢測(cè)器過彎這一具體工況；根據(jù)油氣管道輸送介質(zhì)的物性參數(shù)、速度參數(shù)確立載荷；

46、六、多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的建立和求解：

47、

48、其中，hr(x)、gi(x)為約束條件；

49、通過優(yōu)化解集，改變相應(yīng)參數(shù)，重新進(jìn)行數(shù)字孿生以及磁場(chǎng)分析，再進(jìn)行判斷對(duì)比，確定優(yōu)化完成，得到優(yōu)化后漏磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。

50、一種基于數(shù)字孿生技術(shù)的彎管漏磁場(chǎng)虛擬檢測(cè)及磁路優(yōu)化系統(tǒng)，包括：

51、相關(guān)數(shù)據(jù)采集模塊，用于采集相關(guān)數(shù)據(jù)，所述相關(guān)數(shù)據(jù)包括實(shí)體數(shù)據(jù)、仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)；

52、數(shù)字孿生模塊，用于基于數(shù)字孿生技術(shù)和所述相關(guān)數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)字孿生仿真平臺(tái)；

53、數(shù)字孿生仿真平臺(tái)，用于實(shí)現(xiàn)漏磁內(nèi)檢測(cè)器運(yùn)動(dòng)可視化；

54、磁場(chǎng)分析模塊，用于基于所述相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到漏磁場(chǎng)數(shù)據(jù)；

55、處理模塊，用于基于所述漏磁場(chǎng)數(shù)據(jù)判斷管道被近飽和磁化的情況，并對(duì)所述漏磁場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，得到優(yōu)化后漏磁場(chǎng)數(shù)據(jù)；

56、人機(jī)交互模塊，用于對(duì)漏磁內(nèi)檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

57、一種基于數(shù)字孿生技術(shù)的彎管漏磁場(chǎng)虛擬檢測(cè)及磁路優(yōu)化系統(tǒng)，所述相關(guān)數(shù)據(jù)采集模塊包括：

58、實(shí)體數(shù)據(jù)采集模塊，用于采集實(shí)體數(shù)據(jù)；

59、仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集模塊，用于采集仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

60、一種基于數(shù)字孿生技術(shù)的彎管漏磁場(chǎng)虛擬檢測(cè)及磁路優(yōu)化系統(tǒng)，還包括漏磁檢測(cè)試驗(yàn)?zāi)K，用于基于所述實(shí)體數(shù)據(jù)進(jìn)行三次漏磁檢測(cè)試驗(yàn)通過試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證所述磁場(chǎng)分析模塊所使用模型和計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。

61、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述處理模塊包括：

62、判斷對(duì)比模塊，用于基于所述漏磁場(chǎng)數(shù)據(jù)判斷管道被近飽和磁化的情況，是否需要對(duì)所述漏磁場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化；

63、優(yōu)化模塊，用于對(duì)所述所述漏磁場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，得到優(yōu)化后漏磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。

64、一種基于數(shù)字孿生技術(shù)的彎管漏磁場(chǎng)虛擬檢測(cè)及磁路優(yōu)化系統(tǒng)，還包括數(shù)據(jù)傳輸模塊，用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。

65、一種電子設(shè)備，包括處理器、通信接口、存儲(chǔ)器和通信總線，其中，處理器、通信接口和存儲(chǔ)器通過通信總線完成相互間的通信；

66、存儲(chǔ)器，用于存放計(jì)算機(jī)程序；

67、處理器，用于執(zhí)行存儲(chǔ)器上所存放的程序時(shí)，實(shí)現(xiàn)所述的基于數(shù)字孿生技術(shù)的彎管漏磁場(chǎng)虛擬檢測(cè)及磁路優(yōu)化方法。

68、一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)所述的基于數(shù)字孿生技術(shù)的彎管漏磁場(chǎng)虛擬檢測(cè)及磁路優(yōu)化方法。

69、本發(fā)明的有益效果在于：

70、本發(fā)明基于內(nèi)檢測(cè)器在過彎時(shí)因?yàn)楣鼙诖呕伙柡投斐扇毕莶荒鼙缓芎玫貦z出的問題，漏磁內(nèi)檢測(cè)器檢測(cè)精度不達(dá)標(biāo)的問題，在永磁鐵的幾何參數(shù)、工作點(diǎn)的設(shè)計(jì)投產(chǎn)后，無法調(diào)節(jié)磁化效果的問題，利用數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)管道與漏磁內(nèi)檢測(cè)器的基本數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模后，通過對(duì)油氣管道-漏磁內(nèi)檢測(cè)器數(shù)字孿生仿真平臺(tái)進(jìn)行虛擬仿真，將漏磁內(nèi)檢測(cè)器在管道中的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真數(shù)據(jù)以及內(nèi)檢測(cè)器檢測(cè)節(jié)關(guān)鍵尺寸、管道數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱艌?chǎng)分析模塊中，分析得到內(nèi)檢測(cè)器在彎管中的漏磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，再以磁場(chǎng)分析模塊中內(nèi)檢測(cè)器檢測(cè)節(jié)初始關(guān)鍵尺寸、初始管道數(shù)據(jù)傳輸?shù)铰┐艡z測(cè)試驗(yàn)?zāi)K，以可重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證磁場(chǎng)分析模塊模型和計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，最終將磁場(chǎng)分析模塊得到的內(nèi)檢測(cè)器在彎管中的漏磁場(chǎng)結(jié)果數(shù)據(jù)導(dǎo)入判斷對(duì)比模塊，通過判斷對(duì)比優(yōu)化前和優(yōu)化后的數(shù)據(jù)是否滿足管道被近飽和磁化的磁感應(yīng)強(qiáng)度后，對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化或者輸出，使優(yōu)化前和優(yōu)化后的漏磁內(nèi)檢測(cè)器在彎管中的漏磁感應(yīng)強(qiáng)度可視化，對(duì)其運(yùn)行過程進(jìn)行完整復(fù)現(xiàn)，可視化出漏磁內(nèi)檢測(cè)器在通過彎管時(shí)的磁化效果，工作人員根據(jù)優(yōu)化結(jié)果對(duì)漏磁內(nèi)檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)作相應(yīng)調(diào)整或重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。本發(fā)明考慮了運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與磁化效果的關(guān)系，更符合實(shí)際情況，建立了虛擬與現(xiàn)實(shí)的聯(lián)系。對(duì)于在役的漏磁內(nèi)檢測(cè)器而言，可以通過更換磁化單元的尺寸使其磁化性能更優(yōu)，提高檢測(cè)效率及經(jīng)濟(jì)效益；對(duì)于針對(duì)某管道而尚在設(shè)計(jì)階段的漏磁內(nèi)檢測(cè)器而言，可以為設(shè)計(jì)工作提供支撐，提高設(shè)計(jì)精度及降低設(shè)計(jì)成本，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)間。為管道無損檢測(cè)行業(yè)向信息化、智能化轉(zhuǎn)型提供了支持。