一种导管架平台数字孪生方法及装置

本发明涉及海洋平台监测，特别涉及一种导管架平台数字孪生方法及装置。

背景技术：

1、海洋环境复杂多变，海洋导管架平台结构在实际运营中面临着大量不确定因素和破坏风险。由于长期受到外部环境和工作载荷的影响，导管架平台结构可能会出现疲劳、腐蚀、变形等问题，一旦出现结构问题，可能会导致严重的人员事故和经济损失。因此，对处于运营阶段的海洋导管架平台的健康状况运用有效的监测方法有利于为海洋导管架平台的维修与更换和风险预警提供科学指导。

2、发明人在日常实践中，发现现有的技术方案具有如下问题：

3、现有技术主要采用导管架结构部分节点损伤检测方法,并根据检测结果修改导管架原设计有限元模型进行强度核算。由于测点有限，所以不能准确真实地反映平台结构的实际情况。如果水下结构全部杆件和节点都进行检测,则费用将会大幅度上涨，并且其结果也仅反映检测时的状态。

4、有鉴于此，实有必要提供一种新的技术方案以解决上述问题。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本技术提供一种导管架平台数字孪生方法及装置，能够通过对导管架平台以数字孪生的方式进行有效监测，准确真实地反映平台结构的实际情况，为海洋导管架平台的维修与更换和风险预警提供有效监测数据。

2、一种导管架平台数字孪生方法，包括：

3、在导管架平台沿高度方向选取若干个监测点位，获取导管架平台实际运行过程中每个监测点位的应变时程；

4、对每个监测点位的应变时程进行滤波分解，获得风载荷引起的实测应变时程分量和波浪载荷引起的实测应变时程分量；

5、建立导管架平台有限元分析模型，分别施加单位风载荷和单位波浪载荷，提取对应监测点位的风载荷应变和波浪载荷应变；

6、根据提取到的对应监测点位的风载荷应变和波浪载荷应变以及导管架平台结构响应线性映射关系，求解导管架平台风载荷传递矩阵和波浪载荷传递矩阵；

7、根据导管架平台风载荷传递矩阵和波浪载荷传递矩阵以及风载荷引起的实测应变时程分量和波浪载荷引起的实测应变时程分量，反演导管架平台运行过程中承受的风载荷时程和波浪载荷时程；

8、将反演获得的导管架平台风载荷时程和波浪载荷时程施加到导管架平台有限元模型，求解导管架平台结构各位置处的应力应变、位移和加速度的时程响应，实现导管架平台应力场和位移场的实时重构；

9、构建数字孪生平台，将重构的导管架平台应力场和位移场数据传输至导管架平台数字孪生平台构建出导管架平台数字模型，实现导管架平台物理模型与数字模型的高精度实时映射。

10、优选的，所述对每个监测点位的应变时程进行滤波分解，获得风载荷引起的实测应变时程分量和波浪载荷引起的实测应变时程分量时，利用卡尔曼滤波方法进行分解，包括：

11、根据上一时刻的状态和控制量，预测当前时刻的状态，表达式为：

12、；

13、根据当前时刻的观测值和预测值，计算当前时刻的状态估计值，表达式为；

14、；

15、式中，表示k时刻的状态转移矩阵；表示k时刻的控制矩阵；表示k时刻的过程激励噪声协方差矩阵；表示k时刻的观测矩阵；表示k时刻的观测噪声协方差矩阵；上标表示矩阵的转置；表示根据k-1时刻的状态对k时刻状态的预测；表示k-1时刻的状态值；表示k时刻的控制输入；表示在k时刻对状态估计的误差协方差矩阵；表示根据k-1时刻预测的k时刻误差协方差矩阵；表示在k-1时刻对状态估计的误差协方差矩阵；表示k时刻的卡尔曼增益矩阵；表示基于k时刻的观测值和预测值等对k时刻状态值的最优估计；表示单位矩阵；表示k时刻的观测值。

16、优选的，在所述根据提取到的对应监测点位的风载荷应变和波浪载荷应变以及导管架平台结构响应线性映射关系，求解导管架平台风载荷传递矩阵和波浪载荷传递矩阵中，导管架平台结构响应线性映射关系的表达式为：

17、；

18、；

19、；

20、；

21、式中，为施加的单位风载荷；为施加的单位波浪载荷；为风载荷传递矩阵；为波浪载荷传递矩阵；为有限元分析模型中提取到的对应监测点位的风载荷应变；为有限元分析模型中提取到的对应监测点位的波浪载荷应变。

22、优选的，反演导管架平台运行过程中承受的风载荷时程和波浪载荷时程的表达式分别为：

23、；

24、；

25、式中，为反演导管架平台运行过程中承受的风载荷时程； 为反演导管架平台运行过程中承受的波浪载荷时程；为风载荷引起的实测应变时程分量；为波浪载荷引起的实测应变时程分量。

26、优选的，在所述在导管架平台沿高度方向选取若干个监测测点，在相应监测测点上布置监测传感单元中，监测传感单元为光纤光栅应力应变传感器。

27、优选的，在所述构建导管架平台数字孪生平台中，导管架平台数字孪生平台采用unity引擎进行开发，且集成载荷反演与应力场重构算法。

28、根据本技术的另一方面，还提供一种导管架平台数字孪生装置，用于所述的导管架平台数字孪生方法，包括：

29、数据采集模块；所述数据采集模块用于监测采集导管架平台运行过程中的应变情况，并输出信号数据；所述数据采集模块包括安装在待监测的导管架平台上的若干监测传感单元；

30、信号转换模块；所述信号转换模块与所述数据采集模块通信连接，用于将所述监测传感单元监测得到的信号数据转换为应变时程数据；

31、数据处理模块；所述数据处理模块用于监测数据的存储以及基于监测数据进行风载荷时程反演、波浪载荷时程反演以及导管架平台应力场和位移场的实时重构；

32、可视化与报警模块；所述可视化与报警模块用于实现导管架平台物理模型与数字模型之间的实时高精度孪生映射，并基于导管架平台结构安全阈值，对导管架平台结构安全状态进行预警；

33、数据传输模块；所述数据传输模块用于所述数据采集模块、所述信号转换模块、所述数据处理模块以及所述可视化与报警模块之间的数据传输。

34、优选的，所述数据处理模块中存储有反演与应力场重构算法，能够通过反演与应力场重构算法进行风载荷时程反演、波浪载荷时程反演以及导管架平台应力场和位移场的实时重构；

35、优选的，所述数据传输模块在进行数据传输时，采用统一的信息传输协议，以有线传输和/或无线传输的方式进行数据传输。

36、优选的，所述监测传感单元采用光纤光栅应变计作为传感器。

37、与现有技术相比，本技术至少具有以下有益效果：

38、1、本发明能够通过对导管架平台以数字孪生的方式进行有效监测，准确真实地反映平台结构的实际情况，为海洋导管架平台的维修与更换和风险预警提供有效监测数据。

39、2、本发明通过结合导管架平台结构的载荷反演结果，结合由传感器获取的应变数据，采用应力场重构的方法，构建导管架平台的数字孪生平台，从而实时监测导管架平台实际遭受的外部荷载作用的情况，实现对导管架平台监测结构实际遭受的外部载荷的快速、准确识别。

40、3、在本发明导管架平台数字孪生过程中，采用统一的通讯传输协议进行实时传输，能够对于导管架平台实际遭受的实时外部载荷进行精准、迅速的识别，提高导管架平台监测的时效性和准确性。