面向腐蚀状态的管网寿命预测系统的制作方法

本发明涉及数字孪生领域，具体为面向腐蚀状态的管网寿命预测系统。

背景技术：

1、管网输送系统在工业领域中承担着物料传输的任务，其内部介质与外部环境常导致管壁发生腐蚀，进而引发泄漏风险。为了评估管网剩余寿命，数字孪生技术被引入腐蚀监测领域。现有的管网数字孪生寿命预测系统通常在物理感知层部署传感器采集管线运行数据，在虚拟空间建立管网的几何模型与物理场仿真模型。在这种常规架构下，仿真模型的边界条件通常基于历史平均数据或管线设计参数进行离线设定。系统运行时，物理感知层的数据主要用于触发仿真计算或作为显示输入，虚拟模型中的流场、应力场以及电化学场边界在计算周期内保持恒定不变，通过稳态求解方法获取管壁的腐蚀速率，并基于线性累积损伤规则推算管网的剩余服役时间。

2、在实际管网运行工况中，介质的流速波动与压力脉动属于常态现象，这些动态变化会实时改变管壁局部的应力分布状态以及界面电化学反应环境。现有的管网数字孪生寿命预测系统在处理上述瞬态工况时，依然沿用离线标定的静态边界条件驱动多物理场仿真模型。由于缺乏对实时工况变动的响应机制，仿真模型中的流场、应力场与电化学场之间的交互界面处于解耦或弱耦合状态，计算得到的物质传输通量与电荷转移速率无法随边界扰动进行动态再平衡。当管网运行工况发生剧烈变动时，静态边界条件下的仿真结果与物理实体的真实腐蚀演进状态产生偏移，随着仿真周期的延长，这种状态偏移不断累积。

3、现有的管网数字孪生寿命预测系统因采用离线设定的静态边界条件驱动多物理场仿真模型，导致数字孪生体无法跟随物理实体运行工况的瞬态变动。在复杂的管网输送环境中，多场交互界面的物质传输通量与电荷转移速率无法随边界扰动进行动态再平衡，使得仿真计算获取的腐蚀演进轨迹偏离物理实体的真实状态。这种由于边界固化引发的耦合失真，造成腐蚀状态演化过程失真，随着运行时间的延长，偏差在仿真计算中不断累加，进而导致长周期寿命预测产生累积偏差，这是当前管网数字孪生领域亟待解决的核心技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供面向腐蚀状态的管网寿命预测系统，可以有效解决上述背景技术中的问题。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

3、面向腐蚀状态的管网寿命预测系统，包括：物理感知组件，采集管网运行介质的流速信号、压力信号及管壁电位信号；

4、孪生映射组件，建立管网的流场-应力场-电化学场耦合仿真模型，提取所述流速信号、所述压力信号及所述管壁电位信号作为动态边界条件，计算当前时刻所述动态边界条件与上一时刻稳态边界条件的边界差值，将所述边界差值输入所述流场-应力场-电化学场耦合仿真模型，修正多场交互界面的物质传输通量与电荷转移速率，驱动数字孪生体状态同步更新；

5、演化预测组件，基于修正后的所述多场交互界面参数，求解腐蚀动力学方程，输出管网壁厚时空分布状态，依据壁厚减薄趋势计算管网的剩余寿命，构成面向腐蚀状态的管网寿命预测系统。

6、优选的，所述物理感知组件提取所述流速信号、所述压力信号及所述管壁电位信号作为所述动态边界条件时，引入时延补偿机制，基于所述流速信号、所述压力信号及所述管壁电位信号在管网介质中的传输距离与介质声速计算时间偏移量，依据所述时间偏移量对齐不同空间位置的所述动态边界条件至统一时间基准，消除信号传输迟延导致的边界不同步。

7、优选的，所述孪生映射组件建立所述流场-应力场-电化学场耦合仿真模型时，采用交错迭代求解架构，将所述流场与所述应力场设置为外循环变量，将所述电化学场设置为内循环变量，设定多场交互界面的收敛判据，在所述外循环变量更新后交替更新所述内循环变量直至满足所述收敛判据，输出多场耦合平衡状态。

8、优选的，所述孪生映射组件修正多场交互界面的所述物质传输通量与所述电荷转移速率时，引入自适应权重分配机制，计算所述边界差值的梯度变化率，依据所述梯度变化率动态分配所述物质传输通量计算中对流项与扩散项的权重系数，以及所述电荷转移速率计算中阳极反应与阴极反应的权重系数。

9、优选的，所述演化预测组件求解所述腐蚀动力学方程时，引入蒙特卡洛仿真机制，基于修正后的所述多场交互界面参数生成符合正态分布的参数随机样本集，将所述参数随机样本集输入所述腐蚀动力学方程进行多次迭代求解，统计管壁厚度达到临界失效阈值的时间概率分布，输出所述管网的剩余寿命置信区间。

10、优选的，引入所述时延补偿机制计算所述时间偏移量时，构建管网拓扑图模型，采用最短路径搜索算法确定所述物理感知组件至所述孪生映射组件的信号传输路径，结合所述信号传输路径上的管径变径比例折算等效介质声速，基于所述等效介质声速与所述信号传输路径的长度计算精确的信号传播时延作为所述时间偏移量。

11、优选的，在所述交错迭代求解架构的所述内循环变量交替更新过程中，引入应力相关极化修正因子，提取所述外循环变量更新的所述应力场的等效应力参数，依据所述等效应力参数动态修正所述电化学场中的电化学动力学方程的阳极塔菲尔斜率与阴极塔菲尔斜率，将修正后的所述电化学动力学方程应用于所述内循环变量的迭代求解过程。

12、优选的，依据所述梯度变化率动态分配所述权重系数时，引入阻尼平滑机制，计算当前迭代周期的实时权重系数与上一迭代周期的历史权重系数的系数差值，对所述系数差值施加非线性阻尼因子生成平滑补偿量，将所述平滑补偿量叠加至所述实时权重系数输出最终权重系数，抑制所述边界差值梯度突变引发的权重系数震荡现象。

13、优选的，所述孪生映射组件运行前，对所述流场-应力场-电化学场耦合仿真模型执行基于本征正交分解的模型降阶操作，提取多场耦合仿真结果的全局正交基向量，将高维偏微分方程组投影至由所述全局正交基向量张成的低维子空间，生成降阶耦合计算模型，将所述降阶耦合计算模型替代原高维模型用于所述边界差值的输入与所述数字孪生体状态的更新。

14、优选的，所述物理感知组件采集所述流速信号、所述压力信号及所述管壁电位信号后，引入基于时空相关性的异常数据重构机制，计算管网相邻空间节点与相邻时间节点的信号相关性矩阵，识别偏离所述信号相关性矩阵的异常信号位置，利用所述信号相关性矩阵对所述异常信号位置进行插值填补与平滑滤波处理，将处理后的信号传输至所述孪生映射组件。

15、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

16、1.本发明提取管网运行介质的流速信号、压力信号及管壁电位信号作为动态边界条件，计算当前时刻动态边界条件与上一时刻稳态边界条件的边界差值，将边界差值输入流场-应力场-电化学场耦合仿真模型，修正多场交互界面的物质传输通量与电荷转移速率。该机制使数字孪生体能够响应管网运行工况的瞬态变动，克服了静态边界条件导致的孪生体状态偏移缺陷。当介质流速与压力发生脉动时，边界差值实时驱动耦合仿真模型中的物质传输与电荷转移过程进行再平衡计算，消除了稳态假设引入的累积误差，保障了管网长周期运行下腐蚀状态映射的保真度与剩余寿命预测结果的可靠性。通过动态边界补偿，系统无需在每次工况变动时重启全量仿真计算，在保持模型运算连贯性的同时实现了对物理实体腐蚀演进趋势的跟踪，解决了长期寿命预测的累积漂移问题。

17、2.本发明引入时延补偿机制，基于流速信号、压力信号与管壁电位信号的传输距离与介质声速计算时间偏移量，对齐不同空间位置的动态边界条件，消除了信号传输迟延导致的多场计算边界不同步现象。通过计算信号传输路径并结合管径变径比例折算等效介质声速，提升了时间偏移量的计算精度。采用交错迭代求解架构与应力相关极化修正因子，将流场与应力场作为外循环变量，电化学场作为内循环变量，依据等效应力参数修正阳极塔菲尔斜率与阴极塔菲尔斜率，实现了多物理场交互过程中的应力与电化学耦合求解。引入自适应权重分配机制与阻尼平滑机制，依据边界差值的梯度变化率分配对流项与扩散项及阴阳极反应的权重系数，并通过非线性阻尼因子抑制权重系数震荡，保障了动态修正过程的数值稳定性。基于本征正交分解对高维模型执行降阶操作并替代原模型参与更新，降低了动态边界补偿过程的计算资源开销。利用时空相关性对异常信号进行插值填补与平滑滤波，避免了异常数据对仿真模型的冲击。结合正态分布参数随机样本集与蒙特卡洛仿真机制，输出剩余寿命置信区间，量化了动态边界扰动下的寿命预测不确定性。