基于全要素数字孪生的燃气系统体检评估与调控方法与流程

本发明涉及燃气系统安全监测领域，具体涉及基于全要素数字孪生的燃气系统体检评估与调控方法。

背景技术：

1、燃气系统覆盖气源、管网、调压站、储气设施及终端用户等多个环节，其中埋地燃气管网作为燃气输送的核心载体，具有分布范围广、隐蔽性强、服役环境复杂等特点，是燃气系统安全运行的关键薄弱环节。管网一旦发生泄漏或破裂，极易引发火灾、爆炸等重大安全事故，严重威胁公共安全与城市运行秩序。

2、在燃气管网面临的多种风险类型中，腐蚀老化是最主要且最具隐蔽性的风险之一。腐蚀是导致管道壁厚减薄、结构强度下降乃至泄漏的主要诱因，且其发展过程具有慢性、渐进、不可逆的特征，不易被常规巡检手段察觉，容易被长期忽视。现有技术中，燃气管网腐蚀检测与评估主要依赖定期人工抽检或单一传感器监测，存在以下不足：

3、一方面，现有方法往往仅依靠单一检测数据或固定阈值判断异常，误报率高，且无法区分真实腐蚀加速与测量噪声或局部偶然波动。

4、另一方面，评估报告仅给出腐蚀状态描述，未与主动调控策略形成闭环联动，缺乏基于数字孪生模型预测的调控策略效果预评机制。

5、因此，亟需一种能够智能识别腐蚀异常管段并主动输出优化调控策略的燃气系统体检评估与调控方法。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提出了基于全要素数字孪生的燃气系统体检评估与调控方法，具体技术方案如下：基于全要素数字孪生的燃气系统体检评估与调控方法，包括如下步骤：

2、步骤s1、基于埋地燃气管网的多源异构数据，构建管道壁厚衰减动态孪生模型，并利用历史腐蚀检测数据对管道壁厚衰减动态孪生模型进行校准，依据校准后的管道壁厚衰减动态孪生模型预测当前时刻燃气管网的壁厚分布。

3、步骤s2、采用超声导波扫描燃气管网，识别腐蚀热点管段，并根据识别结果调整管段沿线监测节点的空间密度，检测各监测节点处的壁厚，获取燃气管网的实测壁厚分布。

4、步骤s3、对实测壁厚分布进行统计离群分析，初步识别腐蚀加速的可疑节点，并结合可疑节点处实测壁厚与预测壁厚的偏差进行验证，最终确定腐蚀加速的异常管段并评估其剩余寿命，生成体检报告。

5、步骤s4、通过优化强制电流阴极保护系统运行参数，制定减缓异常管段腐蚀的各调控策略，在管道壁厚衰减动态孪生模型中试运行调控策略并预测抑制腐蚀效果，按照效果降序输出各调控策略。

6、在上述实施例的基础上，构建管道壁厚衰减动态孪生模型并进行校准的方法包括：

7、采集埋地燃气管网的多源异构数据，包括管网的结构设计信息、动态运行信息及腐蚀环境信息。

8、对多源异构数据进行时空对齐与归一化处理，构建统一的数据融合框架，并建立以时间和空间为自变量的管道壁厚衰减函数。

9、基于电化学腐蚀动力学模型、结构力学衰减规律及机器学习回归算法，建立管道壁厚衰减的动态孪生模型，其中，管道壁厚衰减动态孪生模型融合腐蚀速率与运行工况、环境参数之间的映射关系，并引入时间衰减因子与空间异质性系数，用于表征不同管段因局部环境差异和运行载荷波动导致的壁厚非均匀衰减特性。

10、利用历史腐蚀检测数据对管道壁厚衰减动态孪生模型进行参数校准与误差反向修正，使管道壁厚衰减动态孪生模型输出的瞬时管道壁厚预测值在预设置信区间内逼近实际检测值。

11、在上述实施例的基础上，识别腐蚀热点管段的方法包括：

12、根据超声导波的有效传播距离，将燃气管网划分为若干管段。

13、在每一管段的检测起点处布置超声导波激励装置，并设定超声导波信号的频率、带宽及其沿管壁向前传播的模态。

14、沿管段长度方向，以设定的空间采样间隔逐点接收反射回波信号，并对接收的回波信号进行去噪增强处理，得到各采样点处的实测回波信号，并记录实测回波信号的幅值与相位。

15、根据预存的燃气管网各管段在健康状态下的正常回波信号，提取与各采样点相同位置处正常回波信号的幅值与相位。

16、比对各采样点处实测回波与正常回波的幅值与相位，计算回波的幅值偏差及相位偏差。

17、若某一采样点处回波幅值偏差或者相位偏差超出对应的预设阈值，则判定该采样点处回波异常。

18、统计所有回波异常的采样点，并进行空间聚类分析，将回波异常采样点所在的连续管段区域标记为腐蚀热点管段。

19、在上述实施例的基础上，调整管段沿线监测节点的空间密度的方法包括：

20、统计燃气管网中的腐蚀热点管段与非腐蚀热点管段，根据预设的腐蚀热点管段与非腐蚀热点管段对应的监测节点间距，自适应调整各管段沿线布设监测节点的空间密度，其中，腐蚀热点管段所对应的监测节点间距小于非腐蚀热点管段所对应的监测节点间距。

21、在上述实施例的基础上，初步识别腐蚀加速的可疑节点的方法包括：

22、根据燃气管网的实测壁厚分布，将同一管段上所有监测节点处的实测壁厚值构成空间维度的壁厚数据集，得到多个壁厚数据集。

23、针对每一壁厚数据集，将该壁厚数据集中的元素按数值从小到大排序，得到有序序列，确定有序序列的第一四分位数与第三四分位数，并计算二者的差值作为四分位距，根据第一四分位数与四分位距，结合预设的离群系数，计算低离群下界阈值。

24、将该壁厚数据集中各监测节点的实测壁厚值逐一与低离群下界阈值进行比对，将实测壁厚值小于低离群下界阈值的监测节点标记为壁厚低离群点。

25、汇总所有壁厚数据集中的壁厚低离群点，作为腐蚀加速的可疑节点。

26、在上述实施例的基础上，对腐蚀加速的可疑节点进行验证的方法包括：

27、根据燃气管网的预测壁厚分布，获取可疑节点处的预测壁厚。

28、将可疑节点处的实测壁厚与预测壁厚进行比对，若可疑节点的实测壁厚低于预测壁厚，且由实测壁厚与预测壁厚计算所得的壁厚偏离度大于预设的偏离度阈值，则确定可疑节点为腐蚀加速节点，否则，解除可疑节点的标记。

29、在上述实施例的基础上，确定腐蚀加速的异常管段的方法包括：

30、识别燃气管网中所有腐蚀加速节点的位置，将连续出现腐蚀加速节点且其密度大于预设密度阈值的管段，标记为腐蚀加速的异常管段。

31、在上述实施例的基础上，评估腐蚀加速异常管段的剩余寿命的方法包括：

32、根据腐蚀加速异常管段上各腐蚀加速节点的实测壁厚，结合燃气管道的初始壁厚和服役时长，计算异常管段上各腐蚀加速节点的腐蚀速率。

33、取异常管段上所有腐蚀加速节点的腐蚀速率中的最大值作为异常管段的腐蚀速率，并取所有腐蚀加速节点的实测壁厚中的最小值作为异常管段的当前壁厚。

34、基于异常管段的当前壁厚、腐蚀速率及燃气管道壁厚的安全阈值，计算腐蚀加速异常管段的剩余寿命。

35、在上述实施例的基础上，制定减缓异常管段腐蚀的各调控策略的方法包括：

36、通过燃气管网的强制电流阴极保护系统在各管段装设的多个极化探头及智能测试桩，检测管段当前的极化电位数据，并提取异常管段的极化电位数据。

37、根据异常管段的极化电位数据，得到异常管段的极化电位区间，将检测所得的极化电位区间与预存的保护电位安全区间进行比对，确定异常管段极化电位的可调节区间。

38、在可调节区间内按照预设步长选取若干电位值，得到各候选极化电位。

39、通过调节阴极保护系统中恒电位仪的输出电流，使异常管段的极化电位依次偏移至各候选极化电位，得到用于减缓异常管段腐蚀的各调控策略。

40、在上述实施例的基础上，预测调控策略抑制腐蚀效果的方法包括：

41、在管道壁厚衰减动态孪生模型中试运行调控策略，预测调控后异常管段的腐蚀速率，并与调控前异常管段的腐蚀速率进行比对，得到腐蚀速率降幅。

42、计算腐蚀速率降幅与调控前腐蚀速率的比值，确定调控策略抑制腐蚀的效果。

43、相对于现有技术，本发明所述的基于全要素数字孪生的燃气系统体检评估与调控方法有以下有益效果：

44、1.本发明通过超声导波扫描识别腐蚀热点管段，并据此差异化布设监测节点。基于各监测节点处检测的壁厚数据生成燃气管网的实测壁厚分布，进而对该分布进行统计离群分析，以初步识别腐蚀加速的可疑节点。在此基础上，结合可疑节点处实测壁厚与预测壁厚之间的偏差进行双重验证，最终确定腐蚀加速的异常管段。上述方式能够显著提高腐蚀热点及异常管段的识别准确性与鲁棒性，有效降低误报率和漏检风险。

45、2.本发明根据腐蚀热点管段与非腐蚀热点管段的不同需求，自适应调整监测节点的空间密度，实现差异化的节点布设策略：对高风险区域加密布设，对低风险区域稀疏布设。该策略在保障关键区域数据完整性的同时，有效减少了冗余检测工作量，提升了检测效率与数据质量。

46、3.本发明基于异常管段的极化电位实测数据及保护电位安全区间，生成多种候选调控策略，并在数字孪生模型中对各策略进行试运行，预测其对腐蚀的抑制效果，最终按照效果优劣降序输出策略。由此，建立了从体检评估到调控策略执行的闭环联动机制。