基于數字孿生的三維電力管道系統①

2022-09-20 04:10:44王洛笛郭延軍徐衛仙張東亮

計算機系統應用 2022年9期

王洛笛, 郭延軍, 白佳, 徐衛仙, 王進, 張東亮

1(浙江大學計算機科學與技術學院, 杭州 310027)

2(華電電力科學研究院有限公司, 杭州 310030)

3(浙江大學機械工程學院, 杭州 310027)

2015年, 國務院出臺的《中國制造2025》戰略文件將電力工業列入十大重點發展領域, 旨在通過信息化和工業化的深度融合, 加速行業向智能制造轉型. 我國目前主要的發電方式仍是火力發電, 管道設備的安全問題是重中之重. 歷史上發生過的多起管道事故[1-3],均造成了人員傷亡和經濟損失, 其根本原因是相關人員無法及時準確地了解管道的服役狀態[4,5]. 面對管道的全生命周期中出現各種數據, 電廠亟需借助合理有效的數字化手段對其進行維護管理, 在能夠存儲大量信息和計算整合能力更強的虛擬世界重構物理信息,在安全和效率上滿足更高的生產需求.

針對這一問題, 數字孿生技術可以給出解決方案.數字孿生, 最早由美國航空航天局(NASA)提出[6], 后被美國空軍研究所實驗室應用于飛機全壽命周期計算機模型, 監測、評估、預測飛機的狀態. 2015年, 美國通用公司首次將其作為工業數字化的有效工具; 2019年,全球權威的Gartner公司將其列為十大戰略科技發展趨勢之一. 近年來, 大量國內的專家學者也在相關領域展開了研究. 陶飛等學者認為數字孿生以數字化方式創建物理實體的虛擬模型, 借助數據模擬物理實體在現實環境中的行為, 通過虛實交互反饋、數據融合分析、決策迭代優化等手段, 能為物理實體增加或擴展新的能力[7], 并進一步完善其定義框架[8-11], 在智慧交通、智能電廠和船舶制造等具體領域進行實踐研究[12-16].

目前, 面向電力管道的數字化軟件不少, 基于數字孿生的卻不多. 田宜平等[17]、李東方[18]、閆計棟[19]分別設計了三維管道的管理軟件, 但是功能性和獨立性不足, 僅在數字化層面上完成探索, 未利用數字孿生的虛實交互特性進一步解決電力生產的問題. 為了解決以上問題, 本文基于數字孿生的理念設計和實現了電力管道系統, 主要包括如下3個方面.

(1) 從數字孿生的五維模型出發, 分析電力管道系統的特性, 將管道建模問題標準化為數字孿生問題, 提出了設計框架.

(2) 利用計算機圖形學技術構建數字孿生體, 通過草圖造型和參數化技術, 輔助數字圖像識別進行快速便捷的三維建模, 實現管道模型的可視化與真實感渲染.

(3) 多維數據管理, 通過智能化管理理念, 實現“動態”監管, 管理和評估電力管道系統中的孿生數據, 為電廠人員提供電力管道的檢測提醒、安全評估和風險預測等服務.

基于系統的應用框架, 本文對系統的功能與界面進行設計, 并實現了系統原型. 實驗結果表明, 該系統有效地實現電力管道的運維和安全管理.

1 基于數字孿生的系統框架設計

針對電力管道中的問題需求, 分析數字孿生的五維模型[8]的應用路線, 本文提出了基于數字孿生五維模型的三維電力管道系統設計. 系統設計的目標是: 將現實世界中電力管道系統涉及到的物理模型進行多尺度映射, 創建對應的虛擬模型, 并考慮如何更好地處理管道全生命周期中產生的多樣化數據, 提供可靠的檢測依據, 提高電廠管理水平和效率, 實現智能管理與安全生產.表示一個通用于各領域的應用框架, 在電力管道

式(1)抽象地描述了五維模型的數學表達, 其中,數字孿生系統的落實如式(1)所示:

(1) PE表示現實世界中的物理實體, 是數字孿生中建模仿真的前提和對象, 由其開始的映射一般分為3個層級: 單元級、系統級和復雜系統級. 在電力管道系統的五維模型中, 物理實體為電廠中的管道實體. 自下而上, 單元級映射應為組成系統的基本單元, 即管道相關部件; 系統級映射為多個管道組成的功能性機組,機組內部協同工作, 機組之間相互獨立; 復雜系統級映射應為實際運作的電廠, 包括人員分配情況和流水線任務等更上層的描述.

(2) VE表示由計算機數字化的虛擬實體, 一般包括幾何模型、物理模型、行為模型以及規則模型, 從多尺度對物理實體進行映射. 在創建管道模型的時候, 幾何層次指的是真實描述其外形信息, 用圖形學手段進行建模, 可視化管道部件在尺寸、拓撲關系、位置和材質等維度的特征. 物理模型需要反應管道的運行狀況, 管理環境參數和性能指標的信息. 行為模型和規則模型的創建是為了使孿生體具備更高級的運轉能力,模擬現實世界中管道的運行, 添加各種約束條件, 實現真正的物理信息融合.

(3) DD 表示產生于各個部分的孿生數據, 是數字孿生的驅動, 主要來源于物理實體、虛擬實體和系統服務, 還包括一些融合衍生的新數據. 孿生數據除了來源于管道本身具有的屬性之外, 更重要的是各種檢測數據, 這是分析預測的基礎. 這部分數據可以通過數據庫技術構造合理的存儲結構進行管理記錄, 具體可以分為機組管道數據、材料數據、檢測數據和標準規范等.

(4) Ss表示整個數字孿生系統為使用者提供的服務, 對數字孿生中的數據、模型和算法等進行封裝, 提供功能性或業務性服務. 系統為用戶提供的服務除了系統本身的數據、模型和算法的封裝外, 還包括系統為用戶提供的數據查詢、評估和預測等功能性服務.本文設計的數字孿生系統主要包括管道的三維可視化和數據智能管理兩個方面.

(5) CN表示各個部分之間的連接關系, 是各個部分互通互聯的具體路徑. 例如, 物理和虛擬實體之間是映射關系, 通過三維建模和數據可視化等手段實現, 各種信息可以通過傳感器、傳輸協議和數據庫接口獲取;服務和孿生數據間的利用更新, 通過數據庫的讀取實現.

綜合上述分析, 整個系統的框架設計如圖1所示.

圖1 電力管道的五維模型框架

2 三維管道建模

三維建模技術是創建管道數字孿生體的關鍵, 決定了物理實體映射到虛擬實體的路徑. 由于電力管道通常都有相應的二維配管圖與施工圖, 本文利用管道的二維圖紙, 采用草圖造型與參數化技術, 實現快速的三維管道重建.

2.1 管道元件分類

電力管道具有復雜多樣的元部件和連接方式. 為了準確地對各結構元素進行建模, 綜合考慮各結構元素的作用, 將其分成3類: 管道主體、管道連接體和管道組件. 管道主體是管道系統中最主要和數量最多的元素, 管道連接體和組件都依賴其產生; 管道連接體是指的連接兩根管道主體的結構元素, 主要有三通、彎頭、焊口、大小頭和過渡段等; 管道組件是指的依附在管道主體上的結構元素, 比如封頭、閥門、接管座、卡塊和支吊架等.

2.2 二維草圖繪制

為了便于直觀地表示管道地空間位置關系, 管道的二維圖形是用軸測圖表示的. 二維管道繪制是在二維管道設計圖的基礎上, 用二維草圖繪制的方法繪制管道主體、管道連接體和管道組件. 其中, 管道主體用直線段表示; 管道連接件中的彎頭用弧線表示, 焊口用點表示; 管道連接件中的三通、大小頭和過渡段用簡化的圖形表示, 它們與管道是相連接的; 管道組件也采用簡化的圖形符號表示, 它們一般是依附在管道主體上. 圖2顯示了繪制的二維管道局部圖形.

圖2 管道的二維表示圖(軸測圖)

在繪制二維管道的開始階段, 不需要準確地設置管道元素的準確位置與長度尺寸. 因此, 在繪制時, 無需將管道的長度或管道元素的位置與真實的管道進行準確對應, 從而方便管道的繪制, 提高繪制的速度. 為了在下一步的參數化設計中準確地計算出三維模型的形狀和位置, 在二維繪制時, 需要考慮元素的約束關系,包括元素之間的連接關系和位置關系, 如共點、平行、垂直等.

2.3 參數化設計

為了將草圖繪制的二維管道轉化為準確的三維模,采用參數化的設計方法. 為此, 需要在一些管道元素上定義尺寸和位置的信息, 比如管道起點的位置、管道的長度與內外徑、彎頭的位置、支吊架的位置等. 通過各元素之間的連接與約束關系, 建立元素之間的關聯性. 參數的設置可根據二維圖紙的尺寸和位置標注,如圖3所示. 當一根管道的起始位置確定后, 根據管道元素的連接與約束關系, 其他管道的形狀可根據其尺寸參數確定, 其位置可根據相鄰元素的連接與約束關系推理計算得出.

圖3 管道的二維尺寸示意圖(軸測圖)

2.4 三維模型生成

完成管道的二維管道繪制和尺寸設置后, 采用坐標轉換的方法, 根據二維信息分析與計算管道元素在三維空間中的形狀和位置, 自動生成三維管道模型.

在本文中, 管道模型用三角網格表示. 對于管道主體與連接件, 其三維模型采用自動生成的方法. 例如,管道主體采用空心圓柱體表示, 彎頭用空心圓環段表示, 焊口采用一小段空心圓柱體表示. 管道模型的尺寸與真實的尺寸一致. 圖4表示一段包含直管、彎管和焊口的管道.

圖4 管道的三維模型圖

對于管道組件, 其形狀比較復雜, 因此本文采用導入模型的方法. 管道組件的模型用專業的三維造型軟件設計, 以obj格式保存. 圖5顯示了3種不同類型的閥門. 從二維管道生成三維模型時, 首先讀入obj模型,然后計算管道組件的大小與位置, 再進行縮放與移動,在指定的位置生成三維管道組件模型.

圖5 管道組件模型

3 智能管理與評估

3.1 數據管理體系

通過創建數字孿生體,系統可以獲得從物理實體和虛擬實體共同產生的孿生數據, 其中, 對于結構化的數據建立數據庫管理, 非結構化的數據借助可視化技術, 從而改變傳統的人工監督管理方式, 節省成本, 實現電廠的智能監管和安全生產. 數據的管理體系分為3個層級, 分別為系統層、單元層和行為特征層. 其框架結構如圖6所示.

圖6 數據管理體系框架

(1) 系統層是對電廠中機組級別的管理. 一個電廠可能運行多個功能各異的機組系統, 而機組間的工作相對獨立, 機組層面的表現代表了一組協同運作的管道性能. 因此, 建立機組管理表以記錄管道信息和運行狀態, 具體包括機組編號、投運/檢修開始/檢修結束時間、運行小時數和啟停次數, 便于工作人員快速了解當前機組的整體運行情況. 從投入生產到每次系統停機檢修, 系統通過機組管理表更新相關信息.

(2) 單元層是對機組中具體管道的管理. 一個機組中存在若干不同功能的管道, 如高壓給水管道、冷再熱蒸汽管道、熱再熱蒸汽管道等, 通過建立管道系統管理表和管道組件管理表以記錄其機組信息和組件信息, 如溫度、檢修優先級和材料類型等.

(3) 行為特征層是對管道屬性特征和檢測行為的管理, 即管理在構建數字孿生體過程中產生的與幾何模型、行為模型和規則模型相關的數據. 通過建立組件檢測報告表、材料數據管理表和類型檢測報告表管理管道的各種運維信息.

3.2 數據管理

對管道各組成元素進行管理時, 為了及時檢修和維護的需要, 必須要精細化到管道的每一個組件. 上文提到的管道組件數據管理表即可對組件進行統一管理,儲存各類的組件的編號、類型、尺寸、件號、溫度、壓力和材質等信息. 為了便于檢索和定位, 還需要建立圖形和文字數據之間的關系, 不僅能實現通過類型或編號檢索到對應的部件, 還能直接定位到管道部件的二維或三維視圖.

管道檢修是為了及時發現管道的問題, 確保管道處于安全的運行狀態, 而以往的檢修都是隨機抽檢, 容易出現欠檢或過檢現象, 因此需要提供一套合理的檢測判斷標準, 根據管道運行狀況提供檢測周期和內容.檢修主要包括壁厚、硬度、金相、磁粉和超聲檢測等,通過相關的專用設備和傳感器進行檢測, 采用自動或人工的方法將檢測信息更新到系統中. 另外, 傳統的檢測報告內容冗長, 類型繁多, 降低了檢修效能, 因此需要對其進行分類, 實現在海量的檢測數據中迅速找到可能存在隱患的管道部件, 便于安排維修或再檢, 對于安全隱患早發現早解決.

3.3 數據評估

數據管理對檢修數據進行有效組織, 保證數據的完整性和可查性, 同時, 數據還可進一步用于安全評估和發展趨勢預測. 為了避免造成數據孤島, 系統通過安全評估機制建立海量數據之間的關聯性, 實現科學準確的安全評估、預測和實施對策. 數據評估主要包括3個方面, 分別為提醒與預警、趨勢預測和壽命預測.

3.3.1 提醒與預警

為了防止對長時間未檢測的部件漏檢或對部分部件頻繁重復檢測, 劃分檢測時間和檢測缺陷兩個維度,根據檢修的歷史和管道的狀態, 給出檢修的優先度和檢測規劃, 實現科學合理的檢修.

首先, 根據部件檢測時間間隔長度, 設置不同等級的檢測優先級: 將低于普通提醒時間的檢測優先級設置為低, 介于普通提醒時間和緊急提醒時間之間的檢測優先級設置為中, 高于緊急提醒時間的檢測優先級設置為高.

管道部件的檢測結果分為3種: 合格、不合格、合格但有缺陷. 系統能夠查詢特定時間段內各部件的檢測狀態. 對于不合格與有缺陷的部件, 系統會做特殊標注, 提示潛在的風險. 以便檢測人員優先進行處理.同時, 系統提供了風險評估與預警的功能. 基于檢測數據, 引入風險水平指數, 建立評估標準, 實現對管道及其組件可能出現的狀態異常、缺陷、老化等進行風險評估與預警.

3.3.2 趨勢預測

當管道的檢測數據, 如管道的硬度、金相檢測等,積累到一定程度之后, 利用這些數據, 采用回歸分析技術, 在時間維度上找到歷史數據之間的關聯性, 用于預測未來發展趨勢, 繪制連續的變化曲線, 從而提前制定檢測與維護的規劃.

回歸算法用于確定因變量和自變量之間的定量關系, 以及判斷時間序列數據的長期發展趨勢. 以硬度趨勢預測為例, 根據T92鋼在高溫時效下的硬度變化過程可知[20], 隨著時間的增加, 硬度呈下降趨勢, 且時效溫度越高, 下降趨勢越明顯. 由此得出, 管道硬度變化趨勢的回歸問題是非線性的.

在預測硬度的變化趨勢時, 將管道工作的環境溫度和工作時間作為自變量, 管道的硬度作為因變量, 建立非線性方程, 采用均方誤差作為損失函數衡量模型性能, 以及梯度下降法更新方程參數.

3.3.3 壽命預測

電力管道的使用壽命與管道材料和工作環境相關,通用的方法是根據運行一段時間后管道的性能和狀態,建立可測參數和短時持久強度的關系, 再利用外推法確定其在實際溫度和應力下的剩余壽命. 本文采用了兩種使用最為廣泛的預測方法: Larson-Miler參數外推法和等溫線外推法[21].

Larson-Miler參數外推法, 又稱L-M法, 可以根據持久試驗中擬合的曲線, 預測在給定溫度和應力下管道的剩余壽命, 其關系式如式(2)所示. 其中, tr表示管道壽命, 單位為h; T表示試驗溫度, 單位為K; C表示與管道材料種類有關的常數. 這種方法的優點在于可以用較高溫度和較短斷裂時間的試驗得到的數據換算成較低溫度、較長斷裂時間下的數據.

等溫線外推法的原理是在溫度恒定時, 應力和斷裂時間之間存在如式(3)所示的函數關系, 在同一試驗溫度下, 用較高的不同應力進行短期試驗的數據, 建立應力和斷裂時間的關系, 外推在該試驗溫度下長期的持久強度. 式(3)可通過推導可演變為如式(4)所示的關系式, 最終預測出管道壽命. 其中, t表示管道壽命,單位為h; σ表示應力, 單位為MPa; n為應力系數;和別表示管道在104h和105h下的持久強度, 單位為MPa; σθmax表示最大環向應力, 單位為MPa.這種方法在短期預測中可能得到較好的結果, 但是很難獲取較為準確的長期外推結果. 因此, 結合兩種計算方法提供更可靠的壽命預測結果.

4 系統實現

4.1 開發工具和環境

基于上述的系統框架與功能, 本文研發出一個基于數字孿生的三維電力管道系統原型. 系統在Windows環境下開發, 使用Visual Studio 2013和C++語言實現,其他開發工具及功能如下.

(1) OpenGL: 一個用于渲染2D和3D的圖形接口,本文涉及到的二維和三維場景繪制都需要借助其實現,包括視圖變換、二維顯示、三維渲染等.

(2) 3D Builder: 一款創建模型和3D打印的工具.本文采用其設計三維管道的組件, 以obj文件格式保存, 包含頂點、紋理、材質等信息, 形成外部模型庫.

(3) SQLite: 一款輕型的數據庫管理系統. 本文采用其對管道數據進行管理, 包括機組管理表、管道組件管理表、檢測數據管理表、材料數據管理表等.

4.2 界面設計

為了便于繪制二維管道、查看三維管道與設置管道屬性, 系統的界面分為兩部分: 左側為屬性框, 用于設置管道的參數屬性、查詢管道的信息以及添加檢測數據; 右側是主視圖, 用于顯示二維視圖與三維視圖.二維視圖與三維視圖不能同時顯示, 它們之間可以相互切換. 二維視圖用于繪制與顯示二維管道, 三維視圖用于顯示三維管道. 在主視圖中, 選中一個管道的組件時, 屬性視圖中會顯示其屬性, 可以對其屬性進行設置與修改, 也可以輸入檢測的信息. 系統的界面如圖7所示, 圖7(a)顯示了二維視圖, 圖7(b)顯示了三維視圖;圖8展示了系統的部分功能.