一种基于数字孪生的浆体输送管道管控系统及方法和应用

技术领域

本发明专利属于浆体输送管道智能管控技术领域，具体涉及一种基于数字孪生的浆体输送管道管控系统及方法和应用。

背景技术

管道运输作为公路、铁路、航空、水路之后的第五大运输方式，在交通运输领域具有极其重要的作用，浆体管道受天气、地形等因素限制较小，可为采矿、冶金等行业提供便捷、持续的原材料供应支持。然而，浆体输送管道结构复杂、输送及脱水过程机理不明，输送过程的控制严重依赖于专家经验，导致管道系统智能调控能力不足，引发最终矿浆含水量不达标的问题，同时也导致输送过程中能源浪费的问题；其次，管道系统各级泵站、脱水站间输送工况复杂多变，其中某一环节产生扰动、发生突变时，现有浆体输送管道系统无法进行自主智能决策消除影响，进而影响整体输送效率与最终矿浆成品质量。

目前，管道数字孪生智能管控系统大多集中在油气输送领域，针对矿浆管道数字孪生系统构建的研究仍有空缺，且油气管道的数字孪生管控系统也存在着实时性、动态性不足的问题；已有的针对浆体管道正排泵智能协同系统可根据泵的数量调控各个泵的相位以平衡出口压力，但并不能够根据实时浆体浓度、流量、压力等参数对每台泵的运行参数进行控制调整，其在全流程可视化的监测管控上也存在不足。

为了解决上述问题，本文提出一种基于数字孪生的浆体输送管道管控系统及方法和应用。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明设计了一种基于数字孪生的浆体输送管道管控系统及方法和应用，从机理出发，借助数字孪生技术实现浆体管道的实时动态优化、智能决策控制及管道系统的全流程可视化监测管理，保障浆体输送管道系统高效、精准运行。

为了达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现的：一种基于数字孪生的浆体输送管道管控系统，包括管道物理实体、数据感知系统、数字孪生体、实体控制系统、可视化显示系统；

所述的管道物理实体用于矿浆的输送；

所述的数据感知系统用于实时检测管道系统关键运行参数信息；

所述的数字孪生体用于实时动态映射管道实体状态，根据实时运行参数估计脱水站输出矿浆含水量预测值，并通过仿真结果与实际偏差来修正系统运行参数，使含水量预测值在设定目标范围内；

所述的实体控制系统接收数字孪生体修正得到的运行参数，对管道实体设备进行控制，保障实体系统的精准运行；

所述的可视化显示系统将数据感知系统检测得到的实体数据和数字孪生体中仿真得到的含水量、运行参数信息可视化显示，为人机交互提供便捷终端。

进一步地，所述的管道物理实体包括选矿厂、各级泵站、脱水站、管道管体。

进一步地，所述的数据感知系统可采集管道沿线各级泵站运行参数、脱水站运行参数、各级泵站所输送的浆体浓度、泵站输送压力、矿浆流量的数据信息。

进一步地，所述的数字孪生体具体包括机理与数据驱动融合的管道参数预测及优化模型、决策分析模型。

进一步地，所述的机理与数据驱动融合的管道参数预测及优化模型包含浆体输送与脱水机理模型、运行参数优化模型以及专家经验与历史运维数据库，用于模拟仿真不同运行参数下矿浆输送特性，可对各级泵站矿浆输送量与能耗、脱水站最终含水量进行预测，并对运行参数进行优化调整，实现脱水站矿浆含水量达到设定目标值；

进一步地，所述的决策分析模型通过预测值与目标值的对比，计算偏差量，识别扰动量，调用所述的机理与数据驱动融合的管道参数预测及优化模型进行各级泵站、脱水站的控制参数的仿真与估计，获得优化后的控制参数后将控制参数集成，为管道实体设备的控制打下基础。

进一步的，所述的实体控制系统接收前述的决策分析模型优化控制参数，并将优化参数读取识别后传输至各级泵站、脱水站的执行设备中，实现实体设备的控制。

进一步地，所述的可视化显示系统通过获取前述的数据感知系统采集的实体参数信息和前述的数字孪生体仿真结果，在人机交互终端对以上数据结果进行显示，有利于操作人员直观地监测浆体输送管道运行状态，在必要时可通过人工决策进行实体的管控。

由上述进一步地，本发明的另一目的在于提供一种基于数字孪生的浆体输送管道管控方法，具体包括以下步骤：

S1：对物理实体，可进行配浆参数初始值和目标值的设置；

系统开始运行时，选矿厂配浆参数设置为矿浆浓度60％，最终控制指标含水量<10％，作为浆体输送管道运行的初始输入参数；

S2：数字孪生体仿真得到的初始运行参数传输至实体中，通过实体控制系统控制各级泵站、脱水站执行相应指令；

S3：前述的数字孪生体通过数据感知系统实时获取各站点实际运行参数；

S4：利用数字孪生体进行计算仿真，预测最终含水量是否保持在目标值以内、运行参数是否满足约束条件且扰动是否消除；

若判断条件均符合，则继续使用当前参数运行；

否则进行参数优化得到更新后的优化参数；

S5：更新后的优化参数传输至浆体输送管道系统实体中，控制实体系统从S2开始继续运行；

S6：输送状态判断模块判断是否完成输送；若未结束，则系统继续运行，获取实际参数，系统执行S4；若系统判断输送完成，则结束运行。

由上述进一步地，本发明的另一目的在于提供一种基于数字孪生的浆体输送管道管控系统在高原山区高落差复杂地形中浆体输送管道管控中的应用。

本发明的有益效果是：

1、可实时预测最终矿浆含水量：系统能够实时获取浆体输送管道运行参数并传输至管道数字孪生体中，结合机理与运维数据，仿真计算得到当前参数下脱水站输出矿浆含水量预测值，从而实现对最终矿浆质量的实时预测与掌控，相比现有的管道系统机理模型，实时性与动态性得到了突破。

2、可动态优化调控系统运行参数：若含水量预测值不满足预设控制指标、系统输送量及能耗不满足约束条件，数字孪生体结合则根据当前工况对运行参数进行优化，得到新的运行参数，数字孪生体与实体控制系统连接，实现对各级泵站、脱水站执行设备的精确控制，从而可根据实际工况调整各类设备运行参数，实现系统高效、节能运行；同时系统对突变工况具有自适应性，具有消除突发扰动影响的应对能力；与目前管道输送技术相比，本发明可实现管道动态智能优化与决策，有效提升管道系统输送效率、降低管道系统能耗。

3、可全流程可视化管控运维：可视化界面提供直观便捷的人机交互终端，将机理信息以图形可视化形式呈现，便于操作人员监测管道系统运行情况，保障系统正常运行，在浆体管道可视化交互运维管控上具有突破性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种基于数字孪生的浆体输送管道管控系统框架图；

图2是本发明一种基于数字孪生的浆体输送管道管控系统运行原理图；

图3是本发明一种基于数字孪生的浆体输送管道管控系统运行流程图；

图4是本发明一种基于数字孪生的浆体输送管道管控系统在高原山区高落差复杂地形中浆体输送管道管控中的应用示意图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，所述的一种基于数字孪生的浆体输送管道管控系统，包括：管道物理实体、数据感知系统、数字孪生体、实体控制系统、可视化显示系统。

管道物理实体1-1，即矿浆输送管道系统，用于矿物矿浆的输送，具体包括选矿厂、各级泵站、脱水站、管道管体及各类关键设备。

数据感知系统1-2，用于实时检测管道系统关键部件运行参数信息。

数字孪生体1-3，用于实时动态映射管道实体状态，根据实时运行参数估计脱水站输出矿浆含水量预测值，并通过仿真结果与实际偏差来修正系统运行参数，使含水量预测值在设定目标值范围内。

实体控制系统1-4，用于接收前述的数字孪生体修正得到的运行参数，对管道实体设备进行控制，保障实体系统的精准运行；所述的实体控制系统接收前述的数字孪生体中的决策分析模型得到的优化控制参数，并将优化参数读取识别后传输至各级泵站、脱水站的执行设备中，实现实体设备的控制。

可视化显示系统1-5，其将数据感知系统检测得到的实体数据和数字孪生体中仿真得到的含水量、运行参数信息进行可视化显示，为人机交互提供便捷终端。

数字孪生体1-3中的机理与数据驱动融合的管道参数预测及优化模型1-6，具体包括浆体输送与脱水机理模型、运行参数优化模型以及专家经验与历史运维数据库，用于模拟仿真不同运行参数下矿浆输送特性，可对各级泵站矿浆输送量与能耗、脱水站最终含水量进行预测；同时以允许运行参数范围内输送量最大、满足输送要求的能耗最低为约束条件，对运行参数进行优化调整，实现脱水站矿浆含水量达到设定目标值。

数字孪生体1-3中的决策分析模型1-7，通过预测值与目标值的对比，计算偏差量，识别扰动量，调用前述的机理与数据驱动融合的管道参数预测及优化模型进行各级泵站、脱水站的控制参数的仿真与估计，获得优化后的控制参数后将控制参数集成，为前述的管道实体设备的控制打下基础。

实施例2

如图2至图3所示，一种基于数字孪生的浆体输送管道管控方法，具体包括：

步骤1：浆体输送管道系统实体2-1，即对应于物理实体1-1，可进行配浆参数初始值和目标值的设置；

系统开始运行时，如3-1所示，选矿厂配浆参数设置为矿浆浓度60％，最终控制指标含水量<10％，作为浆体输送管道运行的初始输入参数；

初始参数输入到数字孪生体2-2中，即对应于数字孪生体1-3，系统执行3-2所示流程，进行计算与优化，得到初始化的运行参数A，A＝[A1,A2,···,An,B]，其中，A1为1号泵站初始运行参数，An为n号泵站初始运行参数，B为脱水站初始运行参数。

步骤2：系统执行流程3-3，数字孪生体2-2仿真得到的初始运行参数A传输至实体2-1中，通过实体控制系统1-4控制各级泵站、脱水站执行相应指令。

步骤3：系统执行流程3-4，前述的数字孪生体通过数据感知系统1-2实时获取各站点实际运行参数A*，A*＝[A1*,A2*,···,An*,B*]，其中A1*为1号泵站当前运行参数，An*为n号泵站当前运行参数，B*为脱水站当前运行参数。

步骤4：系统执行流程3-5、3-6，利用数字孪生体进行计算仿真，预测最终含水量是否保持在目标值10％以内、运行参数是否满足约束条件且扰动是否消除；

若判断条件均符合，则继续使用当前参数运行；

否则执行流程3-7进行参数优化得到更新后的优化参数A'，A'＝[A1',A2',···,An',B']，其中A1'为1号泵站更新后的优化参数，An'为n号泵站更新后的优化参数，B'为脱水站更新后的优化参数。

步骤5：更新后的优化参数A'传输至浆体输送管道系统实体2-1中控制实体执行相应动作，系统将重复流程3-3。

步骤6：系统执行流程3-8，输送状态判断模块2-3判断是否完成输送；若未结束，则执行流程3-9，系统继续运行，获取实际参数A*，重复流程3-5，系统执行步骤4；若系统判断输送完成，则结束运行。

实施例3

如图4所示，在该实施例中，公开了本发明一种基于数字孪生的浆体输送管道管控系统在云贵高原山区高落差复杂地形中浆体输送管道管控中的应用，具体包括：

实体系统调研4-1：针对云南大红山浆体管道输送系统进行实体调研，分别对大红山选矿厂，大红山站、米尺莫站、新化站、富粮棚站、夕阳站等五个泵站，玉钢脱水站、昆钢新区脱水站、昆钢本部脱水站等三个脱水站的海拔数据进行测量。

孪生系统构建4-2：根据前述的实体系统调研，分别对浆体输送管道系统中的选矿厂、各级泵站、脱水站以及输送机理进行建模，构建数字孪生体；所述的数字孪生体构建及运行与实施例1中所述基本一致；特别地，针对云南大红山浆体输送管道系统的孪生体构建过程，本实施例重点考虑了选矿厂、各级泵站、脱水站海拔数据对输送机理的影响。

智能管控4-3：所述的智能管控部分以实时动态优化为出发点，系统根据脱水率预测、矿浆浓度影响、输送量需求、能耗控制需求、站点海拔变化影响等因素，最终实现对实体的运行控制。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。