一种基于数字孪生的海上升压站导管架基础腐蚀预测方法及系统与流程

1.发明涉及海上风电技术领域，尤其涉及一种基于数字孪生的海上升压站导管架基础腐蚀预测方法及系统。


背景技术：

2.目前，国内以及全球范围内海上风力发电技术发展迅速，海上风力发电已成为重要的发电方式之一。海上升压站作为海上风电场输变电的关键设施，是整个海上风电场稳定运行的基础。由于海上升压站导管架基础结构长期运行在高温、高湿、高盐雾、长日照和波浪侵蚀等恶劣腐蚀环境中，可靠的基础结构腐蚀状态预测是海上风电场安全稳定运行的关键。
3.目前海上升压站导管架基础腐蚀状态多采用传统人工检测方法，代价高昂且危险系数高，并且由于海上环境的不确定性难以固定检测周期，给准确评估海上升压站导管架基础结构腐蚀状态带来困难。
4.数字孪生是指通过数据融合的方法构建物理实体的虚拟数字模型，也称“数字孪生体”。数字孪生技术利用历史数据、实时数据及机器学习算法模型，实现物理实体的模拟、预测及控制。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的不足，本发明提出一种基于数字孪生的海上升压站导管架基础腐蚀预测方法及系统，通过传感器测量导管架基础的金属电阻值，建立导管架基础的金属腐蚀状态数学模型，在此基础上构建基于传感器实时数据驱动的腐蚀数字孪生体，建立腐蚀数字化仿真与实际金属腐蚀过程的联系。腐蚀数字孪生体通过从导管架基础采集数据来建立虚拟实体，并结合数学模型对物理实体的腐蚀状态进行描述、诊断和预测。
6.本发明所采用的技术方案如下：
7.一种基于数字孪生的海上升压站导管架基础腐蚀预测方法，包括如下步骤：
8.步骤(1)，通过金属腐蚀实验获得多组目标金属电阻值及目标金属电阻值对应腐蚀量，基于金属腐蚀实验所得到的数据采用非线性回归算法，建立腐蚀状态数学模型；
9.步骤(2)，测量得到海上升压站导管架基础上各测量点处金属电阻实时数据；
10.步骤(3)，将测量到的金属电阻值实时数据代入腐蚀状态数学模型，得到各测量点处金属腐蚀量的大小，并导入数据库；
11.步骤(4)，基于数据库和腐蚀状态数学模型，建立腐蚀数字孪生模型；
12.步骤(5)，利用腐蚀数字孪生模型评估导管架基础腐蚀等级。根据导管架基础腐蚀量，将导管架基础腐蚀程度划分为轻微腐蚀、中度腐蚀、重度腐蚀和严重腐蚀四个等级；
13.步骤(6)，及时输出导管架基础腐蚀等级，完成对海上升压站导管架基础腐蚀状况的评估和预测；根据监测点的定位找到腐蚀区域，按评估结果完成对该区域的维护保养或
者修复。
14.进一步，导管架基础上测量点的设定规则如下：
15.对于导管架基础处于全浸区的部位，自下往上相邻两测量点之间的距离成等差数列布置；
16.对于导管架基础处于海洋大气区、浪溅区、潮差区的部位，相邻测量点之间等间距布置。
17.进一步，采用非线性回归算法建立腐蚀状态数学模型的方法为：
18.s1，通过金属腐蚀实验获得多组实验数据，实验数据为目标金属电阻值及目标金属电阻值对应腐蚀量；
19.s2，对s1所得到的实验数据进行校正，消除系统误差；
20.s3，基于s2中校正处理后的数据，利用非线性回归算法构建拟合函数模型；采用牛顿迭代法进行求解，得到拟合函数曲线。
21.进一步，s3中采用牛顿迭代法进行求解的过程如下：
22.s3.1，基于遗传算法，对牛顿迭代法的初始值进行优化；先构造一个适应度函数f(xi)，在牛顿迭代法的计算中选取一组候选点参与迭代，计算结果误差最小的候选点作为牛顿迭代法的初始值；
23.s3.2，非线性回归模型表示为：
24.yi＝f(xi，r) ε
i i＝1，2，...n
ꢀꢀꢀꢀ
(1)
25.其中，yi为线性回归模型的因变量，n是变量i的总数，r为待估回归系数，r＝(r0，r1，λ，r
p-1
)
′
，r0，r1，r
p-1
分别为矩阵的元素，λ为省略符号；误差项εi～n(0，σ2)，σ为标准差；设为待估回归系数的r初始值，将式f(xi，r)在g0点附近作泰勒展开，并略去非线性回归模型的二阶及二阶以上的偏导数项，得下式
[0026][0027]
其中，rk为第k个待估回归系数，k＝0、1、...、p-1；是rk对应的初始值。
[0028]
将(2)式代入(1)式，得到：
[0029][0030]
令：
[0031][0032][0033][0034]
其中，为残差；f(xi，g
(0)
)是f(xi，r)在g0点附近作泰勒展开；
[0035]
则：
[0036][0037]
用矩阵形式表示，上式则为：
[0038]y(0)
≈d
(0)b(0)
ε
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0039]
其中：y
(0)
为元素是的矩阵；d
(0)
为元素是的矩阵；b
(0)
为元素是的矩阵；为y
(0)
的矩阵形式，表示为为d
(0)
的矩阵形式，表示为为b
(0)
的矩阵形式，表示为
[0040]
s3.3，用最小平方法对式(3)估计修正因子b
(0)
，则：
[0041]b(0)
＝(d
(0)d(0)
)-1d(0)y(0)
ꢀꢀꢀ
(4)
[0042]
其中，b
(0)
为修正因子，设g
(1)
为第一次迭代值，则：g
(1)
＝g
(0)
b
(0)
；
[0043]
s3.4，精确度的检验，设残差平方和为：s为重复迭代次数，对于给定的允许误差率k,当时，则停止迭代；否则，对(4)式作下一次迭代；
[0044]
s3.5，重复迭代；重复(4)式，当重复迭代s次时，则有：
[0045]
修正因子：b
(s)
＝(d
(s)d(s)
)-1d(s)y(s)
[0046]
第(s 1)次迭代值：g
(s 1)
＝g
(s)
b
(s)
。
[0047]
一种海上升压站导管架基础腐蚀预测系统，该系统包括数据采集单元、信号收集处理装置以及陆上集控中心；
[0048]
所述数据采集单元采用直流电阻测试仪，直流电阻测试仪包括多个传感器、中央控制单元和程控恒流源；由程控恒流源向测量点处施加电流，传感器通过安装加固装置固定在测量点处，并采集测试电压及相应的测试电流；传感器的信号输出端连接中央控制单元，在中央控制单元内对所获得的数据进行预处理，得到实际电阻值；
[0049]
信号收集处理装置安装在海上升压站平台上，信号收集处理装置内置基于数字孪生的海上升压站导管架基础腐蚀预测方法；信号收集处理装置与数据采集单元、陆上集控中心之间通信连接，由信号收集处理装置将所测得的数据实时上传至陆上集控中心进行后续的分析评估。
[0050]
进一步，传感器的信号输出端依次连接程控前置放大器、a/d转换器和中央控制单元。
[0051]
进一步，传感器的安装加固装置包括抱箍体，抱箍体由两个半圆弧抱箍组成，且抱箍体的曲率半径与海上升压站导管架基础半径相同；抱箍体相邻的一端设置抱箍体连接装置，实现相邻抱箍体之间的固定连接；另一相邻两端设有抱箍紧锁机构；用于对抱箍体的锁紧；抱箍体上设有传感器的卡口，卡口的大小与传感器底座的卡块尺寸吻合，将传感器底座卡块与卡口镶嵌，从而将传感器与抱箍之间的固定连接。
[0052]
进一步，抱箍紧锁机构包括：设于抱箍两端相配合的夹紧块以及用于锁紧夹紧块的螺栓。夹紧块放置于抱箍的端口处，锁定抱箍时只需将抱箍截面对其并靠在一起，扭动锁紧夹紧块的螺栓，即可完成对抱箍的锁定。
[0053]
进一步，所述抱箍体采用树脂材料制成。
[0054]
进一步，传感器连接的信号线采用综合电缆，综合电缆内包含电力线芯及数据传输线芯，电力线芯负责对传感器装置进行供电，数据传输线芯负责将传感器收集的数据传输到数据收集装置；将电力线芯，数据传输线芯，内挤压式填充高阻值水硫化天然橡胶，外面再包裹耐腐蚀橡胶防护外套。
[0055]
本发明的有益效果：
[0056]
1、本技术所涉及的海上升压站导管架基础腐蚀预测方法及系统，避免定期人工检测，降低腐蚀状态检测难度，减少成本，提高腐蚀状态评估效果。
[0057]
2、本发明提出的海上升压站导管架基础腐蚀预测方法及系统原理简单，可操作性强。
[0058]
3、由于影响金属电阻值的因素较为单一，本发明所构建的腐蚀状态-金属电阻值拟合曲线评估标准将可能影响评估准确性的影响因素降到最低。
[0059]
4、本技术所涉及的基于数字孪生的海上升压站导管架基础腐蚀预测方法及系统，通过分析导管架基础腐蚀状态及其金属电阻值变化程度之间的非线性关系，构建腐蚀状态-金属电阻值的最优拟合函数曲线，建立基于数字孪生的导管架基础腐蚀预测模型，准确全面地反映海上升压站导管架基础的腐蚀状态及其变化趋势。
附图说明
[0060]
图1是海上升压站导管架基础结构整体示意图；
[0061]
图2是海上升压站导管架基础结构腐蚀参数测量方案示意图；
[0062]
图3是基于数字孪生的海上升压站导管架基础腐蚀预测模型流程图；
[0063]
图4本技术海上升压站导管架基础腐蚀检测系统；
[0064]
图5是数据采集单元电路图；
[0065]
图6是安装加固装置示意图；
[0066]
图7是综合电缆剖面示意图。
具体实施方式
[0067]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
[0068]
基于数字孪生的海上升压站导管架基础腐蚀预测方法，通过传感器测量导管架基础的金属电阻值，建立导管架基础的金属腐蚀状态数学模型，在此基础上构建基于传感器实时数据驱动的腐蚀数字孪生体，建立腐蚀数字化仿真与实际金属腐蚀过程的联系。腐蚀数字孪生体通过从导管架基础采集数据来建立虚拟实体，并结合数学模型对物理实体的腐蚀状态进行描述、诊断和预测。
[0069]
金属腐蚀会导致金属电阻值发生改变。本发明通过所构建的金属腐蚀拟合函数数
学模型完成对导管架基础金属腐蚀状态的评估，其前提是通过测量得到准确的数据。根据海上升压站导管架基础结构在海洋环境中的不同位置，可将海洋腐蚀环境分为海洋大气区、浪溅区、潮差区、全浸区和海泥区等五个腐蚀区域。海上升压站导管架基础结构在不同腐蚀区域的腐蚀状态不同。本发明按每个区域腐蚀状态差异性进行针对性布点。本发明以一种典型的导管架基础结构为例进行解释说明。
[0070]
本发明提出一种基于数字孪生的海上升压站导管架基础腐蚀预测方法，包含了采集、传输、储存腐蚀数据的硬件部分以及基于实时数据的腐蚀数字孪生模型两部分。具体步骤包括：
[0071]
步骤(1)，根据金属腐蚀实验数据，采用非线性回归算法，建立腐蚀状态数学模型；
[0072]
步骤(2)，通过传感器测量得到海上升压站导管架基础金属电阻实时数据，并实时反馈给数据终端；
[0073]
步骤(3)，将测量的导管架基础金属电阻值实时数据代入腐蚀状态数学模型，得到金属腐蚀量的大小并导入数据库；
[0074]
步骤(4)，根据前述数据库和腐蚀状态数学模型，建立腐蚀数字孪生模型；
[0075]
步骤(5)，根据腐蚀数字孪生模型，评估导管架基础腐蚀等级。本方法将导管架基础腐蚀程度划分为轻微腐蚀、中度腐蚀、重度腐蚀和严重腐蚀四个等级；
[0076]
步骤(6)，及时作出反馈，对海上升压站导管架基础腐蚀状况进行评估和预测。
[0077]
以下对给步骤做详细的说明。
[0078]
一、建立海上升压站导管架基础腐蚀参数测量方案。
[0079]
根据海上升压站导管架基础的适用场合，导管架基础一般高度在25至50米之间。由于导管架基础结构各区域的腐蚀程度随垂直方向位置变化，本发明将导管架基础简化为线性模型，仅考虑垂直方向位置对腐蚀参数测量的影响。
[0080]
导管架基础大部分区域位于全浸区。由于全浸区的腐蚀受到海水中溶解氧气，盐浓度，流速，水温，海生物，ph值和流砂的影响，故腐蚀速率和深度成反比关系，即深度越大腐蚀速率越低。因此导管架基础结构在全浸区采取等差间距布点的方法，即全浸区内自下往上相邻两测量点之间的距离成等差数列。结合附图1假设泥沙线处第一个监测点和第二个监测点之间的距离为x1，第二个监测点和第三个监测点之间距离为x2，依次类推。x1，x2，x3……
成等差递减数列。x1，x2，x3……
的大小根据海上升压站导管架基础在全浸区的深度而定。
[0081]
除此之外，由于导管架基础结构在海洋大气区、浪溅区、潮差区的腐蚀速率大大增加，所以海洋大气区、浪溅区、潮差区应增加测量点点，这些区域内的测量点之间按照固定间距进行布置，故相邻测量点之间的间距取h，h要小于全浸区最小的距离x
min
。
[0082]
在本发明中，采用数据采集单元测量导管架基础结构的金属电阻值。所述数据采集单元采用直流电阻测试仪采用典型的四线制测量法，以提高测量电阻(尤其是低阻)的准确度。直流电阻测试仪由中央控制单元、程控恒流源、程控前置放大器、a/d转换器、探针(传感器)等构成。其中，中央控制单元通过控制恒流源给待测负载(即导管架基础结构相应的测量点位置)施加一个恒定、高精度的电流；利用安装在测量点处的探针(传感器)采集金属电阻值；探针(传感器)的信号输出端依次连接程控前置放大器、a/d转换器和中央控制单元，在中央控制单元内对所获得的数据(包括测试电压、当前的测试电流等)进行预处理，得
到实际电阻值。在海上升压站平台上安装信号收集处理装置，信号收集处理装置与数据采集单元之间通过光纤通信连接，再由信号收集处理装置将所测得的数据实时上传至陆上集控中心进行后续的分析评估。
[0083]
二、建立海上升压站导管架基础腐蚀状态数学模型：
[0084]
(1)非线性回归分析是在掌握大量观测数据的基础上,利用数理统计方法建立因变量与自变量之间的回归关系函数表达式。非线性回归分析的前提是有足够的数据，因此在构建腐蚀状态数学模型之前需通过实验测量获得目标金属电阻值及其对应腐蚀量的多组数据。
[0085]
(2)消除系统误差：本发明测量数据时由于各种环境因素制约，存在系统误差。系统误差具有重现性、单向性和可测性等特点，本发明采用校正法消除误差。其处理方法如下：在重复测量条件下对同一被测量进行尽可能多的测量，对所有测量结果取平均值。平均值与真值的差即为校正值；观测数据、实际测得的数据都需要进行校正。将观测数据、实际测得的数据减去或加上校正值作为自变量，并代入所拟合的标准函数曲线得到去误差后的因变量；更具体地，如果实际测量值与理想状态的理论值相比较小，就应加上校正值，如果相比较大，就应减去校正值。
[0086]
(3)非线性回归分析构建拟合函数模型：非线性回归算法属于有监督的回归学习算法。回归算法通过建立变量之间的回归模型，利用学习(训练)过程得到变量与因变量之间的相关关系，回归分析可以用于预测模型。针对导管架基础腐蚀，线性模型无法很好的拟合目标数据曲线，需要引入非线性回归算法。
[0087]
非线性回归算法就是将非线性回归转化为线性回归，再按照线性回归求解。线性回归通常采用给定的函数值与模型预测值之差的平方和最小为损失函数,并使用最小二乘法和梯度下降法来计算最终的拟合参数。
[0088]
本发明采用牛顿迭代法进行处理求解，得到拟合函数曲线。通过拟合函数曲线，输入自变量得到相应的因变量。本发明中的自变量为去误差后的海上升压站导管架基础结构所测得的实际电阻数据，因变量为海上升压站导管架基础结构的腐蚀量。
[0089]
牛顿迭代法的基本思想是使用泰勒级数展开式去近似地代替非线性回归模型，然后通过多次迭代，多次修正回归系数，使回归系数不断逼近非线性回归模型的最佳回归系数，最后使原模型的残差平方和达到最小。具体求解步骤为：
[0090]
①
初始值的选择。用牛顿迭代法解非线性方程时初始值选取很重要,因为它的选取不同,产生的迭代序可能收敛,也可能不收敛,即使收敛也存在收敛速度的问题。本发明基于遗传算法的思想，对牛顿迭代法的初始值进行优化。本发明首先构造一个适应度函数f(xi)，在牛顿迭代法的计算中选取一组候选点参与迭代。候选点根据以往经验选择，计算结果误差最小的候选点可作为牛顿迭代法的初始值。
[0091]
②
泰勒级数展开。设非线性回归模型为：
[0092]
yi＝f(xi，r) εii＝1，2，...n
ꢀꢀꢀ
(1)
[0093]
其中r为待估回归系数，误差项εi～n(0，σ2)，设为待估回归系数r＝(r0，r1，λ，r
p-1
)
′
的初始值，将式f(xi，r)在g0点附近作泰勒展开，并略去非线性回归模型的二阶及二阶以上的偏导数项，得
[0094][0095]
将(2)式代入(1)式，则
[0096][0097]
令：
[0098][0099][0100][0101]
则：
[0102]
用矩阵形式表示，上式则为：
[0103]
γ
(0)
≈d
(0)b(0)
ε
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0104]
其中：
[0105][0106][0107]
③
估计修正因子。用最小平方法对(3)式估计修正因子b
(0)
，则：
[0108]b(0)
＝(d
(0)d(0)
)-1d(0)y(0)
ꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0109]
设g
(1)
为第一次迭代值，则：g
(1)
＝g
(0)
b
(0)
[0110]
④
精确度的检验。设残差平方和为：s为重复迭代次数，对于给定的允许误差率k,当时，则停止迭代；否则，对(4)式作下一次迭代。
[0111]
⑤
重复迭代。重复(4)式，当重复迭代s次时，则有：
[0112]
修正因子：b
(s)
＝(d
(s)d(s)
)-1d(s)y(s)
[0113]
第(s 1)次迭代值：g
(s 1)
＝g
(s)
b
(s)
[0114]
三、基于数据库和腐蚀状态数学模型，建立腐蚀数字孪生模型。
[0115]
数字孪生模型的建立是实现数字孪生技术的关键。本发明根据导管架基础物理模型，构建对应的腐蚀数字孪生模型。同时本发明通过虚拟交互关联来解决导管架基础物理
模型与腐蚀数字孪生模型之间的数据实时传输问题，即将腐蚀监测系统所采集的数据导入至虚拟数字模型中，对虚拟数字模型进行实时数据更新。
[0116]
为了实现上述预测方法，本技术还设计了一种海上升压站导管架基础腐蚀预测系统，该系统包括数据采集单元、信号收集处理装置以及陆上集控中心。
[0117]
数据采集单元采用直流电阻测试仪，采用直流电阻测试仪如图4、5所示包括多个探针(即传感器)、中央控制单元和程控恒流源。其中，探针安装在导管架基础结构相应的测量点位置。中央控制单元信号连接程控恒流源，通过控制恒流源给待测负载(即导管架基础结构相应的测量点位置)施加一个恒定、高精度的电流；利用安装在测量点处的探针(传感器)采集金属电阻值；探针(传感器)的信号输出端依次连接程控前置放大器、a/d转换器和中央控制单元，在中央控制单元内对所获得的数据(包括测试电压、当前的测试电流等)进行预处理，得到实际电阻值。在海上升压站平台上安装信号收集处理装置，信号收集处理装置内置基于数字孪生的海上升压站导管架基础腐蚀预测方法；信号收集处理装置与数据采集单元、陆上集控中心之间通过有线通信连接，再由信号收集处理装置将所测得的数据实时上传至陆上集控中心进行后续的分析评估。在本技术中，针对如图1所示的导管架基础，测量点如图2所示。
[0118]
本技术还设计了一种传感器安装加固装置，如图6所示。本发明设计的抱箍装置包括：抱箍体，抱箍体连接装置和一个抱箍紧锁机构。抱箍体由两个半圆弧抱箍组成，其对应的曲率半径和海上升压站导管架基础半径相同。半圆弧抱箍在1-2，3-4处形成专门安放传感器的卡口，卡口为正方形。卡口的大小与传感器底座的卡块尺寸吻合，可以将传感器底座卡块与卡口镶嵌，从而将传感器固定在抱箍上。抱箍体的截面可以是圆形、方形、椭圆形等各种形状。本发明中，抱箍截面采用等腰梯形截面，外表面为梯形的短边，内表面为梯形的长边。梯形截面可提高两段抱箍体的连接稳定性。抱箍体材料采用树脂材料。树脂材料抗形变能力强，可以适应一定程度的形变而不会断裂。同时树脂材料不易腐蚀，能够大大延长抱箍装置的使用寿命。
[0119]
抱箍连接装置起到连接两段抱箍体的作用。连接装置由两个螺栓，一块树脂板和伸缩槽组成。本发明在连接装置处设置伸缩槽。伸缩槽可以各自绕着螺栓转动，增加了抱箍的灵活度。半圆弧抱箍与伸缩槽相连接。通常情况下，半圆弧抱箍缩在伸缩槽中。在抱箍体长度不够时，可以抽出半圆弧抱箍增加抱箍整体的长度。
[0120]
抱箍紧锁机构包括：设于抱箍两端相配合的夹紧块以及用于锁紧夹紧块的螺栓。夹紧块放置于抱箍的端口处，锁定抱箍时只需将抱箍截面对其并靠在一起，扭动锁紧夹紧块的螺栓，即可完成对抱箍的锁定。
[0121]
抱箍连接装置和抱箍紧锁机构不局限于上述两种形式，例如抱箍连接装置可以直接连接销等部件直接将相邻两抱箍体的末端铰接；抱箍紧锁机构可以直接通过连接件连接，也可以采用现有卡箍的设计形式。
[0122]
本发明采用一种综合电缆与各个传感器连接。如图7所示，综合电缆设置两种线芯：电力线芯及数据传输线芯。电力线芯负责对传感器装置进行供电，数据传输线芯负责将传感器收集的数据传输到数据收集装置。将电力线芯，数据传输线芯，内挤压式填充高阻值水硫化天然橡胶，外面再包裹耐腐蚀橡胶防护外套，即可构成一种综合电缆。本发明采用综合电缆大大减少布线的复杂程度。
[0123]
本发明在抱箍体内侧设置凹槽，凹槽的大小刚好能够容纳电缆。对抱箍体进行固定，使得凹槽与导管架表面形成一个狭窄的通道，该通道刚好能够通过电缆。将电缆与传感器连接后通过通道与下一个监测点处的传感器连接，然后再通过下一个传感器处的通道，依次类推。凹槽与导管架表面形成的通道空间狭小，能够很好的对电缆形成固定。各个监测点处的数据可以通过电缆传输到数据收集器。
[0124]
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理，设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
[0125]
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。