一种基于BIM-FEM的高温超导电缆通道数字孪生体和搭建方法

技术领域

本发明涉及一种用于高温超导电缆通道BIM建模技术领域领域的基于BIM-FEM的高温超导电缆通道数字孪生体。

背景技术

BIM(Bui lding Information Model ing)即为建筑信息模型，包含“建筑”、“信息”和“模型”三大元素，其中数字化信息是BIM的核心要素。充分挖掘高温超导电缆通道数字化信息，发挥BIM技术在数字化信息与三维建筑模型相结合的优势，可以形成一个生命周期信息的大型数据库。数字孪生含义是指依照现实世界中的事物，高度精准地建立与之对应的数字信息模型，进行现实叙述、仿真模拟和预测评估等操作。初期发展的数字孪生技术主要应用于工业级的高精度产业，以统一标准的数字化技术和服务平台来解决现实事物与虚拟数据之间信息交互，进而打破虚实世界之间信息破裂和数据隔阂的局面。现有的电力系统运维监控，存在复杂结构建模难度大、精度低、数据流通性差等问题，需要应用数字孪生的推动3D数字化技术在的电力系统运维监控上的有效应用。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种基于BIM-FEM的高温超导电缆通道数字孪生体和搭建方法，能够实现电力系统运维监控的数字化。

实现上述目的的一种技术方案是：一种基于BIM-FEM的高温超导电缆通道数字孪生体，包括BIM建模模块、运维管理模块、数字孪生基础模块、数字李生数据转换及优化模块、数字孪生应用模块。

进一步的，BIM建模模块包括用于创建通整体构件的建模模块、用于不同软件之间构件信息转换的模型转换模块。

进一步的，运维管理模块包括用于数字孪生体应用成果管理的信息运维管理模块。

进一步的，数字孪生基础模块包括用于现场数据信息及响应信息采集的传感器单元、用于传输信息的无线通信传输单元、用于处理信息的数据处理单元。

进一步的，数字孪生数据转换及优化模块包括用于有限元结构数值分析的信息单元、模拟分析响应单元、基于智能优化算法的单元参数及网格优化单元。

进一步的，数字孪生应用模块包括结合有限元分析及智能分析的分析应用模块、用于数字孪生层应用信息交互的信息转接模块。

进一步的，分析应用模块包括实时计算的有限元数值分析结果、结合历史样本分析结果用于智能分析的数据库、结合数据库进行智能预测及状态评估的评估单元，以及数字孪生应用层其余有效信息单元。

搭建上述高温超导电缆通道数字孪生体的一种数字孪生体搭建方法，包括如下步骤：

步骤1：建立通道的BIM三维信息模型；

步骤2：构建数字孪生基础层；.

步骤3:将数字孪生数据进行优化处理；

步骤4:搭建以数字孪生体层级架构为基础的智能运维管理平台。

进一步的，步骤2具体包括采集通道整体状态数据，并将数据传输至数据处理单元和轻量化数据处理。

进一步的，步骤4具体为通过信息转接模块，实现数字孪生体应用模块与信息运维管理模块之间的信息转接及综合应用。

与现有的技术相比,本发明的有益效果为:

1、本发明解决了复杂结构建模难度大、精度低、数据流通性差等问题，考虑了包括结构单元参数和网格优化在内的信息要素，构建了更精确可靠的数字李生体，进一步克服了数字孪生体难以真实反映实体结构的技术障碍。

2、本发明融合了数字孪生体的基本架构和运维管理的功能要求，提供了搭建以数字孪生体层级架构为基础的智能运维管理平台基本过程，结合数字孪生应用层进行数字孪生体的综合应用，为实现运维管理提供途径。

附图说明

图1为本发明的本发明的模块层级示意图。

具体实施方式

为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例进行详细地说明：

请参阅图1，本发明的一种基于BIM-FEM的高温超导电缆通道数字孪生体，包括BIM建模模块、运维管理模块、数字孪生基础模块、数字李生数据转换及优化模块、数字孪生应用模块。

BIM建模模块包括用于创建通整体构件的建模模块、用于不同软件之间构件信息转换的模型转换模块。

运维管理模块包括用于数字孪生体应用成果管理的信息运维管理模块。

数字孪生基础模块包括用于现场数据信息及响应信息采集的传感器单元、用于传输信息的无线通信传输单元、用于处理信息的数据处理单元。

数字孪生数据转换及优化模块包括用于有限元结构数值分析的信息单元、模拟分析响应单元、基于智能优化算法的单元参数及网格优化单元。

数字孪生应用模块包括结合有限元分析及智能分析的分析应用模块、用于数字孪生层应用信息交互的信息转接模块。

分析应用模块包括实时计算的有限元数值分析结果、结合历史样本分析结果用于智能分析的数据库、结合数据库进行智能预测及状态评估的评估单元，以及数字孪生应用层其余有效信息单元。

搭建上述数字孪生体的一种数字孪生体搭建方法，包括如下步骤：

步骤一、建立通道的BIM三维信息模型。具体包括：

通道结构设计分类:对通道结构依据复杂程度进行初步的分类,将通道结构分为复杂曲线曲面结构(需设定相关函数进行定位及创建的构件)和规整结构(可通过拉伸或放样等简单编辑创建的构件)两种类型,并结合构件信息分类及编码标准统一管理。所述的通道信息包括几何尺寸及坐标位置弹性模量、泊松比、密度及强度材质特性等。

通道模型建立:对于结构复杂曲线曲面结构采用三维数字建模软件MODEL3D；对于其他规整的结构,采用更符合传统建筑行业出图风格和工程人员操作习惯的BIM建模软件BIM3D。

步骤二、构建数字孪生基础层，具体包括采集通道整体状态数据，并将数据传输至数据处理单元和轻量化数据处理。包括：

数据采集:为实现对高温电缆通道整体状态数据的采集,根据实际要求布设相关数据监测系统。其中包括布设通道内部的光纤测温测振系统，布设在路面的地钉系统、智能井盖和智能摄像头。

数据传输:各类传感器采集的信息经过不同的区域转发节点转接至数据处理单元,各类响应信息可以通过无线通信方式远程传输至数据处理单元。

数据处理:来自采集的各类信息体量庞杂,需要经过整合分类和轻量化处理以提高信息的实用性。需要处理的信息包括用于有限元数值分析数据,温度和振动情况下数值分析结果进行对比的实际监测信息。把具体的不同类型的数据储存到不同的数据库,方便后面的数据分析和调用。

步骤三、将数字孪生数据进行优化处理。具体包括：

有限元模型网格优化:为了能实现对真实情况的模拟，需要根据不同的结构的优化最真是的网格机构。在此基础上,对比在不同情况下有限元数值分析的响应结果和现场监测响应之间的误差,通过不断优化参网格质量并结合智能优化算法进行组合优化分析,最终确定满足各种工况下响应误差要求优化网格。

步骤四、搭建以数字孪生体层级架构为基础的智能运维管理平台，具体是通过信息转接模块，实现数字孪生体应用模块与信息运维管理模块之间的信息转接及综合应用。包括：

数据感知层及数字孪生体数据处理层:数据感知层可以针对不同信息源对所需检测的区域进行全面感知和采集,主要包括光纤测温测振系统、地钉系统、智能井盖系统、智能摄像头系统、冷却系统等状态监测模块。通过光纤测温系统监测通道内部温度情况，通过光纤测振系统、地钉系统和智能摄像头系统监测路面情况和通道所受振动情况。

数字孪生应用层:数字李生应用层以数字孪生体应用模块为基础,针对该模块相关功能的硬软件实现要求,结合接收的数据预处理层信息进行整合分析。数字孪生应用层以通道结构数字孪生体为应用主体,可以实现包括BIM系统、COMSOL有限元模拟仿真系统、以数据库为基础的综合运维管理系统、智能评估系统功能等。

具体过程为:运维管理系统的开发主要涉及脚本语言选定、服务器开发和数据库搭建等步骤。状体评估是对通道运行状态的等级评价，主要涉及随机森林加支持向量机等知识基础，采用有限元分析对部分情况进行预测对比。基于现场的实际监测数据的处理，采用机器学习(随机森林加支持向量机)完成对过往数据的学习，以此作物对未来状态评估的依据。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。