一种数字孪生驱动的燃气加臭预测性控制系统和方法与流程

本发明涉及燃气加臭控制领域，具体为一种数字孪生驱动的燃气加臭预测性控制系统和方法。

背景技术：

1、燃气加臭是城市燃气管网安全运行中的基础环节。现有技术中，已有方案能够根据燃气瞬时流量实现自动加臭，例如cn204164669u公开的智能燃气加臭系统通过plc智能加臭控制器采集天然气瞬时流量信号，并根据燃气瞬时流量及预设加臭参数计算加臭量，再驱动计量泵向燃气管道加臭点注入加臭剂；cn203656580u也公开了利用流量计、控制器及加注机构调节臭味剂添加量的燃气自动加臭装置。上述技术能够实现基于燃气流量的加臭剂比例注入，但其控制依据主要集中在加臭点处的瞬时流量，未进一步结合管网压力、温度、注入质量流率及管网局部加臭剂浓度，对加臭剂在长距离输运过程中的管壁吸附损耗进行机理推演和前馈补偿。因此，当加臭剂在输运过程中被管道内壁动态吸附时，现有系统难以在其到达下游检测点前提前抵消该部分物理消耗，容易造成末端实测加臭剂浓度偏低，基础加臭计量精度不足。

2、为修正末端浓度偏差，现有技术中还存在利用色谱仪或加臭剂检测装置获取下游加臭剂浓度的方案。例如ep0445927a2公开了一种用于天然气加臭剂检测的分析系统，cn115479999a公开了基于热解析和气相色谱的无硫加臭剂检测系统。该类检测技术能够提供下游浓度反馈信息，但在长距离燃气管网中，下游检测设备当前采样得到的浓度数据实际对应上游历史时刻的注入状态。若常规控制系统直接将当前检测偏差用于当前加臭指令修正，则未能解耦燃气输运过程中的纯时延特性，容易使反馈动作与真实物理状态发生时间错位，并在长滞后工况下引起积分饱和、过度补偿或控制指令震荡，影响闭环控制稳定性。

3、同时，管网内影响加臭剂输运损耗的物理参数并非恒定不变。环境温度变化、管道长期服役、管壁老化、粗糙度变化或积液状态变化，均导致管壁吸附反应常数和解吸附常数发生漂移。现有加臭系统一般依赖预设参数、流量比例控制或被动浓度反馈进行修正，缺乏在不中断正常加臭作业的前提下主动获取管网流场演化实测特征数据的机制，也难以根据理论响应波形与实测响应波形的偏差对内部机理参数进行在线寻优更新。因此，当管网环境或管壁状态发生变化时，现有系统难以及时校准吸附相关参数，长期运行的加臭控制准确性难以维持。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种数字孪生驱动的燃气加臭预测性控制系统和方法，解决了长距离燃气管网加臭过程中，由于流体输运存在的纯滞后特性以及管壁吸附参数的动态漂移，导致浓度反馈控制出现时间错位与系统震荡发散的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、本发明第一方面提供一种数字孪生驱动的燃气加臭预测性控制系统，包括：

4、传感器网络采集燃气瞬时体积流量、燃气压力数据以及燃气温度数据；

5、加臭模块接收总控制指令并向燃气管网注入加臭剂，同时测量注入质量流率；

6、检测模块按固定的采样分析周期获取加臭剂浓度数据；

7、孪生服务器内部部署有数字孪生机理模型，利用获取的燃气瞬时体积流量、燃气压力数据、燃气温度数据以及注入质量流率执行燃气管网流场的数字孪生机理模型推演，并计算生成吸附补偿流率；

8、控制器内部预存有预设浓度目标，基于获取的加臭剂浓度数据与预设浓度目标的比对结果计算浓度反馈偏差并转化为反馈补偿流率，同时结合孪生服务器计算生成的吸附补偿流率以及反馈补偿流率进行代数运算生成总控制指令并控制加臭模块运行。

9、优选的，控制器为现场部署的硬件设备提供统一的硬件授时时钟信号进行系统级时间同步；控制器为获取的燃气瞬时体积流量、燃气压力数据、燃气温度数据以及注入质量流率分别附加对应当前接收物理时刻的时间戳；控制器接收加臭剂浓度数据时将色谱仪内部采样阀门开启的物理动作时刻作为加臭剂浓度数据的时间戳基准。

10、优选的，孪生服务器接收带有时间戳的燃气瞬时体积流量、燃气压力数据、燃气温度数据以及注入质量流率后建立计算边界条件，并将带有时间戳的燃气瞬时体积流量、带有时间戳的燃气压力数据以及燃气温度数据输入数字孪生机理模型构建流场与温度场求解域；孪生服务器依据带有时间戳的注入质量流率在数字孪生机理模型内建立动态分布函数，并计算当前采样时刻加臭注入点的管网局部加臭剂浓度；其中当前采样时刻加臭注入点的管网局部加臭剂浓度等于当前采样时刻注入质量流率除以当前采样时刻燃气瞬时体积流量；孪生服务器将计算得出的管网局部加臭剂浓度设定为后续组分输运求解器运行的基准参数。

11、优选的，数字孪生机理模型包含一维非恒定流方程求解器与组分输运求解器并内置有管壁吸附反应常数以及管壁解吸附常数；孪生服务器依据燃气瞬时体积流量、燃气压力数据和燃气温度数据建立时域边界条件，利用一维非恒定流方程求解器依据时域边界条件求解并输出瞬态截面平均流速场，从瞬态截面平均流速场中提取燃气流体质点在运动轨迹中的局部瞬态流速，依据局部瞬态流速对过程时间变量的微分进行空间积分的数值等于燃气管网的有效管长的物理约束关系，并求解空间积分方程建立时间戳映射字典；

12、孪生服务器利用组分输运求解器输出的管网局部加臭剂浓度计算管壁吸附速率，管壁吸附速率等于两项的差值：第一项为管壁吸附反应常数、管网局部加臭剂浓度与单位管壁面积剩余可吸附容量三者的连乘积，第二项为管壁解吸附常数与动态单位管壁面积瞬时吸附量的乘积；孪生服务器将管壁吸附速率沿燃气管网全长进行内壁表面积的空间积分得出总吸附消耗质量速率，并引入饱和限幅函数生成吸附补偿流率。

13、优选的，控制器同步计算基础比例加臭指令，且该基础比例加臭指令等于燃气瞬时体积流量与预设浓度目标的乘积；控制器依据时间戳映射字典查找与下游检测时刻对应的上游注入时刻，将计算得出的浓度反馈偏差映射至内部维护的历史状态队列中对应的上游注入时刻处，并生成根据时间戳映射字典修正的反馈补偿流率；

14、根据时间戳映射字典修正的反馈补偿流率等于燃气瞬时体积流量与修正系数项的乘积，修正系数项包含预设的比例增益常数与映射的浓度反馈偏差的乘积项，以及预设的积分增益系数与时间序列中的浓度反馈偏差对时间进行积分运算所得累加数值的乘积项，预设的积分增益系数等于预设的比例增益常数除以预设的积分时间常数；控制器执行的代数运算为将基础比例加臭指令、吸附补偿流率以及根据时间戳映射字典修正的反馈补偿流率三者相加得出总控制指令。

15、优选的，控制器持续监测燃气瞬时体积流量的波动状态并计算燃气流量波动率，并在确认燃气流量波动率处于预设流量稳态窗口内时驱动加臭泵执行脉冲叠加指令向燃气管网内注入特征质量团；孪生服务器截取微小流量计记录的脉冲阶段的注入质量流率作为模型输入边界，模拟特征质量团在燃气管网流场中的物理过程演化生成理论响应波形。

16、优选的，孪生服务器内嵌数据处理单元；数据处理单元基于获取的加臭剂浓度数据构建实测响应波形；数据处理单元比对理论响应波形与实测响应波形，并提取理论与实测双通道的峰值滞后时间、峰值幅值、波形半峰全宽以及波形积分面积；数据处理单元针对峰值滞后时间、峰值幅值、波形半峰全宽和波形积分面积，依次计算其在实测响应波形下的数值与在理论响应波形下的数值之间差值的绝对值并除以在理论响应波形下的数值获得各维度的归一化相对偏差，计算生成特征偏差矩阵。

17、优选的，孪生服务器为特征偏差矩阵中的各项归一化相对偏差配置对应的流场特征权重系数与吸附特征权重系数，分别计算流场与拓扑失配置信度以及吸附参数漂移置信度，并组合生成故障评价矩阵；流场与拓扑失配置信度等于峰值滞后时间的归一化相对偏差与对应流场特征权重系数的乘积加上波形积分面积的归一化相对偏差与对应流场特征权重系数的乘积；吸附参数漂移置信度等于峰值幅值的归一化相对偏差与对应吸附特征权重系数的乘积加上波形半峰全宽的归一化相对偏差与对应吸附特征权重系数的乘积；当吸附参数漂移置信度超过预设吸附漂移阈值时，孪生服务器启动约束优化辨识算法构建包含惩罚项的目标函数；

18、目标函数值等于峰值幅值的归一化相对偏差的平方项与对应惩罚权重系数的乘积加上波形半峰全宽的归一化相对偏差的平方项与对应惩罚权重系数的乘积；

19、孪生服务器通过迭代寻优获取使目标函数值达到收敛条件的最优管壁吸附反应常数与最优管壁解吸附常数完成数字孪生机理模型的闭环更新。

20、优选的，控制器监测流量计、色谱仪以及孪生服务器的在线运行状态；当发生通信链路中断时控制器启动安全降级逻辑，控制器内部的逻辑运算单元强制将吸附补偿流率与根据时间戳映射字典修正的反馈补偿流率的数值清零，并控制运行模式回退至基础开环比例控制模式；当流量计的通信信号丢失时，控制器提取发生故障前固定时间窗口内的燃气瞬时体积流量的算术平均值作为移动平均燃气体积流量并结合预设浓度目标输出控制指令。

21、优选的，数据处理单元将微小流量计测量的瞬态加臭剂质量流率扣除基础比例加臭指令对应的基准流率后进行时间积分运算获取实际注入增量积分；若实际注入增量积分未处于设定的注入容限区间内，数据处理单元判定执行机构故障置信度为完全故障状态并中止波形比对与参数校准过程。

22、优选的，当约束优化辨识算法寻优失效导致计算出的最优管壁吸附反应常数或最优管壁解吸附常数连续多个校准周期触及设定的物理合理约束区间的极值边界时，孪生服务器判定内部数字孪生机理模型发生计算发散状态；发生计算发散状态时孪生服务器触发模型重置保护机制，从非易失性存储区维护的参数快照栈中调取历史稳定参数快照，并将调取的管壁吸附反应常数与管壁解吸附常数重新覆写至当前的运行内存中强制恢复内部数字孪生机理模型至健康运行基准线。

23、优选的，若在预设通信等待周期内未接收到色谱仪的采样触发信号，控制器将当前周期的加臭剂浓度数据标记为无效数据防止乱序数据参与预测性控制闭环计算；预设通信等待周期的对应数值等于色谱仪的固定的采样分析周期与工业网络总线的最大通信延迟时长之和。

24、优选的，脉冲叠加指令对应的流率数值直接叠加于当前控制器计算输出的总控制指令之上，并且脉冲叠加指令受到物理边界限制：脉冲叠加指令对应的流量幅值与当前总控制指令的流率数值之和不大于最高加臭浓度对应的质量流率上限，脉冲叠加指令持续的时间宽度不小于色谱仪固定的采样分析周期的三倍。

25、本发明第二方面提供一种数字孪生驱动的燃气加臭预测性控制方法，包含：

26、采集燃气瞬时体积流量、燃气压力数据以及燃气温度数据，同时按固定的采样分析周期获取加臭剂浓度数据；

27、在向燃气管网注入加臭剂的过程中，测量当前的注入质量流率；

28、利用获取的所述燃气瞬时体积流量、所述燃气压力数据、所述燃气温度数据以及所述注入质量流率执行燃气管网流场的数字孪生机理模型推演，并计算生成吸附补偿流率；

29、基于获取的所述加臭剂浓度数据与预设浓度目标的比对结果计算浓度反馈偏差并转化为反馈补偿流率，同时结合计算生成的所述吸附补偿流率以及所述反馈补偿流率进行代数运算生成总控制指令以控制加臭操作。

30、本发明提供的一种数字孪生驱动的燃气加臭预测性控制系统和方法，具备以下有益效果：

31、本发明通过孪生服务器内嵌的数字孪生机理模型，依据管网局部加臭剂浓度计算管壁吸附速率并生成吸附补偿流率，实现了对管网沿程吸附损耗的前馈补偿。该机制在流体输运至下游检测点之前，预先在总控制指令中叠加了用于抵消物理消耗的流率，解决了长输管网中因管壁动态吸附造成的末端加臭剂浓度偏低问题，提升了基础的加臭计量精度。

32、本发明通过追踪燃气流体质点空间轨迹建立物理滞后的时间戳映射字典，将基于当前检测数据得出的浓度反馈偏差，映射至内部维护的历史状态队列中对应的上游注入时刻处进行解算。这种跨时域的反馈修正方式，解耦了长距离管道流体输运过程中的纯时延特性，防止了常规比例积分控制在长滞后系统下容易引发的积分饱和与控制指令发散，保障了闭环逻辑的运行稳定性。

33、本发明通过在流量稳态窗口内驱动加臭模块执行受限的脉冲叠加指令，并比对理论与实测响应波形的特征偏差矩阵来启动约束优化辨识算法，完成了管壁吸附反应常数与解吸附常数的在线寻优更新。该机制允许系统在不中断正常加臭作业的前提下，主动获取流场演化的实测特征数据并校准内部数字孪生机理模型，克服了因环境温度更迭或管道老化导致的物理参数漂移。