巨型人字闸门同步顶升数字孪生监测与预警方法与流程

本发明涉及巨型人字闸门同步顶升领域，尤其是涉及一种巨型人字闸门同步顶升数字孪生监测与预警方法。

背景技术：

1、巨型人字闸门是船闸等通航建筑物中的关键水工金属结构，长期承担挡水、通航分隔和启闭配合等作用。在对底枢、顶枢、密封部位及门体下部结构进行检修时，通常需要排干闸室内的水体，并通过布置于门体底部多个受力位置的顶升装置将门体同步顶起，使门体重量由门枢支承状态逐步转移至同步顶支承状态，以便开展后续检修作业。由于巨型人字闸门自身重量大、门体结构跨度大、底部支承面积有限且重心较高，顶升过程中受力路径、支承状态和门体姿态均会持续变化，任一顶升点发生位移不同步、受力异常、基础支承异常或机械保顶失效，均可能引起门体姿态偏移、局部附加载荷增大、结构卡阻甚至失稳风险。

2、现有的人字闸门顶升作业通常采用主顶策略、同步置零和垂线校验相结合的方式实施。顶升前，工作人员通过门体正面垂线、侧面垂线、高差测量或者倾角测量，获取门体在门枢支承状态下的实际初始姿态；随后选定一个顶升点对应的顶升装置作为主顶，对其余顶升点进行姿态找正，并将各顶升点的位移初始读数统一归零，再按照统一节奏实施同步顶升。该方式能够在一定程度上维持门体顶升过程中的姿态稳定，但门体经过长期运行后通常存在下垂、侧偏或局部变形，其初始状态并非理想水平状态。若在顶升过程中直接以理想水平状态作为控制基准，容易使各顶升点形成额外纠偏载荷；若始终以门枢支承状态下的初始姿态作为全过程固定基准，又难以适应门体由门枢支承向同步顶支承转换时因受力边界条件变化造成的构型变化。

3、垂线测量能够直接反映门体姿态是否发生偏移，是人字闸门顶升过程中的重要安全校验依据，但垂线测量主要反映门体已经产生姿态变化后的结果，难以及时揭示顶升点受力分配变化、基础支承不平、局部下沉、液压泄漏、顶升卡阻以及机械保顶跟随异常等早期风险。尤其是在部分顶升点出现位移增加而推力不足、推力持续增加而位移变化受限、推力突增或突降等情况时，门体垂线偏移可能尚不明显，单纯依赖人工观察垂线和经验调整，难以实现对风险来源、发展趋势及处置方式的提前判断。

4、现有技术cn118815787b公开了一种基于数字孪生的液压系统故障预警方法及装置，其通过液压系统物理结构和运行历史数据建立数字孪生模型，采集压力、流量、温度、振动及执行机构位置等监测数据，并基于工作循环、协同关系和监测拟合关系进行异常识别及故障预警。该现有技术主要面向一般液压系统的运行状态识别和故障预警，其监测对象侧重于液压系统内部参数及工作循环，难以对应巨型人字闸门由门枢支承向同步顶支承转换时的门体构型变化，也未形成以门体初始构型、支承转换修正量和顶升目标构型为主线的同步顶升监测依据。

5、现有技术cn122172579a公开了一种集成式智能顶升平台在井塔施工中的同步控制方法，其采用数字孪生体、多源信息感知、同步控制策略、液压执行反馈、云边协同和安全预警相结合的方式，对井塔施工中的顶升平台进行位移、压力、倾角和应变监测，并通过同步控制和分级预警提高顶升平台的运行安全性。该现有技术的应用对象为井塔施工顶升平台，其重点在于顶升平台的控制参数解算和液压缸协同控制，未针对巨型人字闸门门枢支承状态下的真实初始构型、支承转换阶段的构型修正、门体姿态与顶升点位移之间的投射关系、顶升点推力与支承状态之间的映射关系以及机械保顶状态与门体安全姿态之间的关联进行专门处理。

6、因此，现有技术中仍缺少一种适用于巨型人字闸门同步顶升过程的监测与预警方法，该方法能够在保持主顶策略、同步置零、垂线校验和机械保顶等现场成熟工艺的基础上，将各顶升点位移数据、液压压力数据、门体姿态数据和机械保顶状态数据进行关联分析，识别门体由门枢支承向同步顶支承转换过程中的构型变化，并在垂线出现明显偏移之前识别位移协同异常、推力分配异常、基础支承异常、液压异常及机械保顶异常等风险。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种巨型人字闸门同步顶升数字孪生监测与预警方法，本技术解决的技术问题是：如何在巨型人字闸门同步顶升过程中，针对门体支承状态转换引起的构型变化以及顶升点位移、推力、姿态和机械保顶状态之间的耦合关系，实现门体状态重构、早期风险识别、故障预演和分级预警。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种巨型人字闸门同步顶升数字孪生监测与预警方法，该方法包括：

3、s1、构建数字孪生模型，数字孪生模型包括几何模型、门枢支承状态下的初始构型模型、支承转换修正模型以及故障模式库；

4、s2、在同步顶升过程中采集多源监测数据，多源监测数据包括各顶升点位移数据、液压压力数据、门体姿态数据以及机械保顶状态数据；

5、s3、基于多源监测数据进行权重融合与一致性校验，计算得到门体实时状态；

6、s4、在门体由门枢支承向同步顶支承转换的阶段，依据支承转换边界条件计算修正量，并利用修正量将初始构型模型更新为顶升目标构型；

7、s5、对比门体实时状态与顶升目标构型，获得构型偏差、受力偏差及其变化趋势，并据此确定初始风险等级；

8、s6、在初始风险等级或者变化趋势表征出早期异常时，从故障模式库筛选候选故障模式，在数字孪生模型中对门体实时状态进行故障注入并执行短时演化预测，基于预测结果修正初始风险等级，生成分级预警并输出设备处置动作。

9、优选方案中，在步骤s1中，建立门体坐标系和闸室底部基准坐标系，将门体外形轮廓、门体设计重心、门枢参考点位置、各顶升点空间坐标以及姿态观测点空间位置录入几何模型；

10、根据门体处于门枢支承状态时获得的正面垂线偏移数据、侧面垂线偏移数据、高差数据和倾角数据中的至少一种建立初始构型模型，使初始构型模型表征门体在真实受力状态下的参考点高度及两个方向的姿态参数；

11、支承转换修正模型用于表征门体由门枢支承向同步顶支承转换时因受力边界条件变化产生的构型变化；故障模式库包括可观测残差模式和与可观测残差模式对应的可注入扰动参数。

12、优选方案中，在步骤s2开始前，选定一个顶升点对应的顶升装置作为主顶，根据初始构型模型对其余顶升点进行姿态找正，使门体恢复至门枢支承状态下的初始姿态；

13、在完成姿态找正后，将各顶升点位移传感器的初始读数统一归零，建立顶升零位基准；在顶升零位基准建立后，各顶升点按照统一节奏同步顶升，使各顶升点之间的位移关系满足门体构型保持要求。

14、优选方案中，在步骤s2中，各顶升点位移数据由与顶升装置行程对应设置的位移传感器采集；

15、液压压力数据由设置于各液压缸高压腔的压力变送器采集，并结合液压缸有效受压面积、回油压力或背压以及通过静载试顶获得的效率修正参数换算为各顶升点推力数据；门体姿态数据包括垂线偏移数据、高差数据、激光测距数据和倾角数据中的至少一种；

16、机械保顶状态数据包括锁紧螺母或齿轮机构的位移数据、间隙数据、限位开关状态、锁定到位信号和保顶电机编码数据中的至少一种；

17、各类监测数据按照统一时间戳采集和存储。

18、优选方案中，在步骤s3中，基于各顶升点空间坐标和各顶升点位移数据建立位移至姿态的投射关系，将各顶升点位移变化投射为门体参考点升高量及两个方向的姿态参数；

19、基于各顶升点推力数据建立受力至支承状态的映射关系，计算顶升系统承担门体重量的载荷分担比、各顶升点推力分配关系、推力离散状态、单点失载状态、单点超载状态和局部等效刚度；

20、将门体参考点升高量、姿态参数、载荷分担比、推力分配关系和机械保顶状态作为门体实时状态。

21、优选方案中，在步骤s3中，按照传感器精度、安装可靠性、数据采集时效性和当前一致性残差对位移数据、推力数据、门体姿态数据和机械保顶状态数据分配融合权重，以顶升点位移数据作为高频运动观测数据，以垂线偏移数据或倾角数据作为姿态基准观测数据，以推力数据作为支承状态和异常趋势观测数据，获得门体实时状态；当融合结果与任一数据源之间的偏差超过预设一致性阈值时，对对应数据源进行传感器复核、降低融合权重或剔除处理；

22、当液压压力数据异常且无法获得可靠推力数据时，保留位移数据和门体姿态数据进行同步状态监测，并提升风险等级、降低顶升速度和输出人工确认指令。

23、优选方案中，在步骤s4中，根据各顶升点推力数据和门体自重，按照公式计算支承转换载荷分担比；

24、当并持续时，确定门体进入支承转换阶段；

25、当、并持续时，确定门体完成支承转换；

26、按照公式计算进入支承转换阶段的姿态均值，按照公式计算完成支承转换阶段的姿态均值，按照公式获得支承转换修正量，并按照公式确定顶升目标构型；

27、其中，为第个顶升点在时刻的推力，为顶升点数量，为门体自重，为转换进入载荷分担阈值，为转换完成载荷分担阈值，为进入支承转换阶段的时刻，为完成支承转换的时刻。

28、优选方案中，在步骤s5中，按照公式计算位移同步偏差，按照公式计算门体实时姿态与顶升目标构型之间的姿态偏差，按照公式计算各顶升点推力离散系数，并根据、和分别获得位移偏差增长率、推力突变率和姿态漂移率；

29、当任一顶升点出现位移增加而推力不增或局部等效刚度下降时，判定该顶升点存在基础不平或局部下沉风险；

30、当任一顶升点出现位移变化受限且推力持续增加时，判定该顶升点存在不同步或卡阻风险。

31、优选方案中，在步骤s5中，初始风险等级包括提示等级、预警等级和危险等级；

32、提示等级对应自动降低顶升速度、调整非主顶跟随量、复核垂线和执行微量纠偏的设备处置动作；预警等级对应暂停顶升、液压保压、姿态纠偏、复核基础支承状态和启动机械保顶贴近保护的设备处置动作；

33、危险等级对应停止顶升、液压保压、机械保顶锁定和人工复核的设备处置动作；当任一顶升点发生超载、失载、机械保顶锁定失败、姿态快速恶化或数据一致性严重破坏时，确定为危险等级。

34、优选方案中，在步骤s6中，按照公式构建观测残差特征向量，并将观测残差特征向量与故障模式库中的残差特征模板进行相似度计算，筛选候选故障模式；

35、针对卡阻故障模式，按照公式实施故障注入；

36、针对液压泄漏故障模式，按照公式实施故障注入；

37、针对基础不平或局部下沉故障模式，按照公式实施故障注入，并使在线性预测过程中增长；

38、针对传感器漂移故障模式，按照公式实施故障注入；

39、针对各候选故障模式，按照公式进行短时演化预测，并按照公式获得推力变化；

40、按照公式计算预测风险指数，当预测风险指数跨越当前风险等级边界时，提升初始风险等级并输出与候选故障模式匹配的设备处置动作。

41、本发明提供了一种巨型人字闸门同步顶升数字孪生监测与预警方法，本技术通过建立包括几何模型、初始构型模型、支承转换修正模型和故障模式库的数字孪生模型，将门体处于门枢支承状态下的实际初始姿态作为建模基础，并在门体由门枢支承向同步顶支承转换时，根据支承转换边界条件计算修正量，将初始构型模型更新为顶升目标构型。由此能够避免将理想水平状态直接作为顶升控制基准，也能够避免将门枢支承状态下的初始构型机械地作为全过程固定目标，从而使顶升过程中的姿态判断更贴合门体实际受力状态。

42、本技术通过采集各顶升点位移数据、液压压力数据、门体姿态数据和机械保顶状态数据，并对多源监测数据进行权重融合与一致性校验，使顶升点位移变化能够反映门体姿态变化，液压压力变化能够反映顶升点受力分配和支承状态变化，机械保顶状态能够反映顶升系统的后备承载能力。由此能够在垂线偏移尚未明显时，识别位移不同步、推力分配异常、基础不平、局部下沉、液压异常和机械保顶异常等风险苗头，提高监测结果的完整性和可信度。

43、本技术通过对门体实时状态与顶升目标构型进行对比，获得构型偏差、受力偏差及其变化趋势，并按照风险等级输出降低顶升速度、调整非主顶跟随量、暂停顶升、液压保压、姿态纠偏、机械保顶贴近保护、机械保顶锁定和停止顶升等设备处置动作，使预警结果能够直接对应顶升现场的可执行操作，减少仅报警而缺少明确处置依据的情况。

44、本技术通过故障模式库筛选候选故障模式，并在数字孪生模型中以门体实时状态作为预测初始状态进行故障注入和短时演化预测，能够对不同步或卡阻、受力异常、基础不平或局部下沉、液压异常、机械保顶异常和传感器异常等情形进行提前预演；当预测结果表明风险可能扩大时，能够提前修正风险等级并输出针对性处置动作，从而增强同步顶升过程对早期异常和突发异常的应对能力。

45、本技术将液压顶升与机械保顶的组合安全机制纳入监测与预警过程，通过监测机械保顶机构的间隙、位置和锁定状态，使机械保顶机构在正常顶升过程中保持跟随状态，并在停机或者危险等级预警时进入锁定保顶状态，为巨型人字闸门同步顶升作业提供持续的安全支撑。