一种基于区块链的盾构装备数字孪生管理系统及方法

技术领域

本发明涉及地下工程装备技术领域，具体涉及一种基于区块链的盾构装备数字孪生管理系统及方法。

背景技术

盾构装备是典型的复杂装备，也是铁路、城建、水利、矿山和国防等领域基础设施建设不可或缺的重要装备，其技术特点为复杂度高、学科交叉度高、系统集成度高和定制化程度高，且应用工况十分复杂。在高原铁路、跨海通道、深埋国防工程等重大战略工程中，往往伴随着超恶劣自然环境、超风险地质条件以及超长大深地下空间结构等特征，对地下工程装备的适应性和智能化提出了更高的要求。随着装备制造业信息化、数字化、智能化已成为发展新趋势。数字孪生作为关键使能技术，越来越受到装备制造业的重视。利用数字孪生技术在虚拟空间中开展装备运行模拟优化，并与物理产品进行数据交互实现运维决策、健康预测和跨代产品迭代优化，是推进盾构装备等为代表的地下工程装备少人化、无人化施工的重要基础。

近年来，数字孪生技术已成为装备制造业的研究热点，大量文献对技术进展和成果进行了报道，部分领域已开展应用。对于盾构装备这样定制化程度及单台经济价值高的产品，构建数字孪生体并为其全生命周期提供预测、优化功能，不仅能确保重大工程的安全高效施工，且具备可观的潜在经济效益，如通过盾构物理装备和数字孪生体的多价值交付，形成数字资产，实现服务增值。然而，达到上述目标除了装备数字孪生体构建外，还需要解决数据、模型可信度以及孪生体确权等问题。现有公开的专利和文献有提到应用区块链技术来保障数字孪生可信度等研究，但基本都停留在概念阶段，没有针对不同行业、产品的特定需求给出可落地的实施方案。

综上所述，急需一种基于区块链的盾构装备数字孪生管理系统及方法以解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于区块链的盾构装备数字孪生管理系统及方法，具体技术方案如下：

本发明提出了一种基于区块链的盾构装备数字孪生管理系统，包括云端管理子系统和盾构装备数字孪生子系统；

盾构装备数字孪生子系统通过数据安全网关实现数据/模型同步更新，并分别在多个地址部署区块链全节点，实现云端管理子系统和各个盾构装备数字孪生子系统之间的数据同步，所述区块链全节点之间设有智能合约；所述盾构装备数字孪生子系统用于构建数字孪生体，提供盾构装备全生命周期所需要的数据传输、处理、预测、优化、诊断、控制以及数据模型可视化功能；

所述盾构装备数字孪生子系统内设有区块链模块，所述区块链模块用于在本地服务器部署节点建立区块链并生成对应盾构装备数字孪生子系统的数字凭证，并基于区块链将盾构装备在研发设计、制造及调试过程中产生的数字孪生特征数据上链进行存储，所述区块链完整记录盾构装备数字孪生子系统搭建过程并采通过数字凭证实现数字孪生体与盾构装备一对一的唯一性。

优选的，所述盾构装备数字孪生子系统包括数据交互处理模块、地质环境预测模块、关键性能预测模块、施工参数优化模块、健康监测诊断模块、智能控制模块以及可视化模块；所述关键性能预测模块、施工参数优化模块、健康监测诊断模块以及智能控制模块为功能模块；

所述数据交互处理模块用于采集现场数据并实现地质环境预测模块、关键性能预测模块、施工参数优化模块、健康监测诊断模块、智能控制模块、可视化模块以及区块链模块之间的数据交互以及数据处理；

所述地质环境预测模块用于对盾构装备前方的地质类型进行实时预测，输出地质类型预测结果；

所述关键性能预测模块用于对盾构装备部件进行寿命预测，输出寿命预测结果；

所述施工参数优化模块用于对盾构装备运行过程中的参数进行优化，输出优化结果；

所述健康监测诊断模块用于对盾构装备部件进行实时的健康监测诊断，输出健康诊断结果；

所述智能控制模块用于将地质类型预测结果、寿命预测结果、优化结果以及健康诊断结果转换成控制命令，基于所述控制命令对盾构装备的运行进行控制优化；

所述可视化模块用于将现场数据以及各功能模块输出的结果以图表的形式呈现并内置盾构装备和地质环境的可视化模型。

优选的，所述地质环境预测模块采用地质勘探数据以及现场数据进行机器学习训练，构建地质预测模型，并基于所述地质预测模型对盾构装备前方的地质类型进行实时预测，输出地质类型预测结果。

优选的，所述关键性能预测模块内置刀盘寿命预测模型、刀具磨损预测模型以及主轴承寿命预测模型；所述刀盘寿命预测模型是利用刀盘CAE仿真模型作为样本构建的代理模型，利用盾构装备施工过程采集的推力和扭矩作为输入进行刀盘实时寿命预测；所述刀具磨损预测模型是利用刀具磨损量以及推进系统/刀盘系统传感器监测参数作为样本进行机器学习训练构建的代理模型，利用推进系统和刀盘系统传感器监测参数作为输入实时预测施工过程中刀具磨损量；所述主轴承寿命预测模型是利用轴承寿命经验计算公式建立的理论模型，利用推力、扭矩和刀盘转速作为输入实时预测主轴承的剩余寿命。

优选的，所述施工参数优化模块内置盾构施工参数优化模型，包括渣土系统参数优化模型和推进压力/速度优化模型；所述渣土系统参数优化模型是采用刀盘转矩、螺旋机转矩以及螺旋机土压进行机器学习训练构建的参数优化模型；所述推进压力/速度优化模型通过将地质类型参数、推进系统和刀盘系统传感器监测参数输入到推进系统的降阶仿真模型，实现盾构装备施工过程推进压力/速度的实时优化。

优选的，所述健康监测诊断模块内置利用典型故障机理和历史样本数据构建的主轴承型/螺旋输送机健康监测诊断模型，通过向主轴承型/螺旋输送机健康监测诊断模型中输入传感器监测参数，实现对盾构装备的关键系统/部件健康状态和典型故障的实时监测与诊断。

本发明还提出了一种基于区块链的盾构装备数字孪生管理方法，应用如上述的盾构装备数字孪生管理系统，步骤如下：

步骤S1、盾构装备研发设计阶段：利用以往同类型盾构装备历史数据、模型以及在研发设计阶段形成的数据和模型搭建盾构装备数字孪生子系统和盾构装备数字孪生模型，在本地服务器部署区块链节点，将盾构装备在研发设计过程中盾构装备数字孪生子系统的特征数据上链进行存储，完整记录研发设计阶段盾构装备数字孪生子系统的搭建过程；

步骤S2、盾构装备制造及调试阶段：利用盾构装备设计、关键工艺工序和实验调试模型对盾构装备数字孪生体模型进行补充完善，并通过采集制造过程及调试过程中产生的数据对盾构装备数字孪生模型进行修正和优化；所述区块链模块和本地服务器部署的区块链节点将盾构装备在制造及调试过程中盾构装备数字孪生子系统的特征数据上链进行存储，完整记录制造及调试阶段盾构装备数字孪生子系统的搭建过程；

步骤S3、数字资产确权阶段：利用在本部进行部署的区块链对完成研发设计、制造和调试的盾构装备数字孪生子系统颁发唯一数字凭证，完成对所述盾构装备数字孪生子系统的数字资产确权；

步骤S4、布置区块链全节点多方部署阶段：在施工现场以及制造方、施工方和建设方远程同步部署盾构装备数字孪生子系统与区块链全节点；

步骤S5、建立数字孪生联盟链阶段：在施工现场以及制造方、施工方和建设方之间搭建云端管理子系统，实现区块链全节点之间联网，建立基于区块链的数字孪生联盟链；

步骤S6、盾构装备施工阶段：在目标工程施工过程中，施工现场以及制造方、施工方和建设方多方通过基于区块链的数字孪生联盟链实现盾构装备数字孪生子系统的协同运行；

步骤S7、目标工程施工后阶段：若不再进行转场交付，则流程结束；若需要在其他目标工程进行施工并进行转场交付，则需要请盾构装备购买或租赁客户对服务于该目标工程后盾构装备数字孪生子系统的数字凭证进行验收，完成盾构装备数字孪生子系统转场交付。

优选的，步骤S5中的数字孪生联盟链具体如下：

施工现场以及制造方、施工方和建设方中的区块链全节点之间通过智能合约建立多方共识机制和隐私管理机制，实现授权网络中各协同方之间的模型同步并支持冲突处理功能，确保盾构装备数字孪生子系统的多方运行通用；同时，区块链全节点上设有数据安全网关，实现盾构装备数字孪生子系统运行、模型修正及更新过程中同步上链数据，将数据安全可信地上传并记录到区块链网络。

优选的，步骤S6中的协同运行过程具体如下：

步骤S6.1、部署在施工现场的盾构装备数字孪生子系统与盾构装备进行数据交互，通过现场数据驱动数字孪生模型对现场施工过程进行模拟、预测、诊断和优化，并通过智能控制模块将优化后的控制命令反馈给盾构装备，驱动盾构装备基于控制命令进行智能化施工；将运行过程数据同步上传到云端管理子系统，远程驱动各方部署的盾构装备数字孪生子系统，实现各方盾构装备数字孪生子系统同步运行，并将运行过程中数字孪生特征数据记录到区块链中；

步骤S6.2、利用盾构装备运行过程中的数据和现场记录对数字孪生模型和盾构装备数字孪生子系统功能进行修正和完善，并在基于智能合约建立的多方共识机制和隐私管理机制下实现对各方盾构装备数字孪生子系统的同步更新；

步骤S6.3、各方区块链节点网络目标工程施工过程中盾构装备数字孪生子系统的修正和演进过程进行记录、存储，在目标工程施工结束后通过区块链颁发数字凭证，对服务于目标工程后的盾构盾构装备数字孪生子系统再次进行数字资产确权

应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明中的盾构装备数字孪生管理系统通过区块链对盾构装备数字孪生子系统在研发设计、制造及调试阶段的搭建过程进行记录、存储，并采用数字凭证进行价值治理，通过数字凭证实现数字孪生体与盾构装备一对一的的唯一性，确保所搭建的盾构装备数字孪生体是独一无二，防止有价值的数字体被无限复制。

(2)本发明中的区块链模块通过利用区块链对盾构装备数字孪生子系统不同阶段演进版本颁发数字凭证，可以对不同阶段盾构装备数字孪生子系统的不同演进版本进行确权，可有效支撑盾构装备物理实体与虚拟数字孪生系统在出厂、转场等不同环节的价值交付，形成数字资产，创造经济效益。

(3)本发明中的数字孪生联盟链，通过智能合约等建立多方共识机制和不同权限/隐私管理机制，在实现制造方、施工方、建设方等多方安全、高效、可信同步共享盾构装备数字孪生子系统功能价值的基础上，确保盾构装备数字孪生子系统不被随意篡改以及保障各方的数据信息安全，并可以为相关技术纠纷追责和数字资产侵权侵权等提供可信证据，降低信任成本，简化交易流程。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例1中的盾构装备数字孪生管理系统框图；

图2是图1中的盾构装备数字孪生子系统框图；

图3是本发明实施例1中的数字资产转移流程示意图；

图4是本发明实施例2中的盾构装备数字孪生管理方法步骤流程图。

具体实施方式

本发明针对盾构装备“多边”工程等特点以及实现物理装备与数字产品多价值交付运营对于安全、可信机制保障的需求，提出一种基于区块链的盾构装备数字孪生管理系统及方法，利于区块链技术去中心化、点对点网络、分布式账本、时间戳、信息透明且不可篡改等特点，对为盾构装备数字孪生体全周期安全、可信运行及数字资产确权提供保障，助力地下工程智能化、少人化和无人化施工。以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

参见图1，本实施例公开了一种基于区块链的盾构装备数字孪生管理系统，包括云端管理子系统和盾构装备数字孪生子系统；所述盾构装备数字孪生子系统用于构建数字孪生体，提供盾构装备全生命周期所需要的数据传输、处理、预测、优化、诊断、控制以及数据模型可视化功能；所述盾构装备数字孪生子系统内设有区块链模块，所述区块链模块用于在本地服务器部署节点建立区块链并生成对应盾构装备数字孪生子系统的数字凭证，并，基于区块链将盾构装备在研发设计、制造及调试过程中产生的数字孪生特征数据上链进行存储，所述区块链完整记录盾构装备数字孪生子系统搭建过程并采通过数字凭证实现数字孪生体与盾构装备一对一的唯一性。本实施例中盾构装备数字孪生子系统通过数据安全网关实现数据/模型同步更新，并分别在盾构装备及施工现场方、装备制造方以及客户部署区块链全节点，实现云端管理子系统和各个盾构装备数字孪生子系统之间的数据同步，所述区块链全节点之间设有智能合约。

具体的，参阅图2，所述盾构装备数字孪生子系统包括数据交互处理模块、地质环境预测模块、关键性能预测模块、施工参数优化模块、健康监测诊断模块、智能控制模块、可视化模块以及区块链模块；所述关键性能预测模块、施工参数优化模块、健康监测诊断模块以及智能控制模块为功能模块；

所述数据交互处理模块用于采集现场数据并实现地质环境预测模块、关键性能预测模块、施工参数优化模块、健康监测诊断模块、智能控制模块、可视化模块以及区块链模块之间的数据交互以及数据处理；

所述地质环境预测模块用于对盾构装备前方的地质类型进行实时预测，输出地质类型预测结果；所述地质环境预测模块采用地质勘探数据以及现场数据进行机器学习训练，构建地质预测模型，并基于所述地质预测模型对盾构装备前方的地质类型进行实时预测，输出地质类型预测结果。

所述关键性能预测模块用于对盾构装备部件进行寿命预测，输出寿命预测结果；本实施例优选的寿命预测结果包括刀盘寿命预测结果、刀具磨损预测结果和主轴承寿命预测结果；所述关键性能预测模块内置刀盘寿命预测模型、刀具磨损预测模型以及主轴承寿命预测模型；所述刀盘寿命预测模型是利用刀盘CAE仿真模型作为样本构建的代理模型，利用盾构装备施工过程采集的推力和扭矩作为输入进行刀盘实时寿命预测；所述刀具磨损预测模型是利用刀具磨损量以及推进系统/刀盘系统传感器监测参数作为样本进行机器学习训练构建的代理模型，利用推进系统和刀盘系统传感器监测参数作为输入实时预测施工过程中刀具磨损量；所述主轴承寿命预测模型是利用轴承寿命经验计算公式建立的理论模型，利用推力、扭矩和刀盘转速作为输入实时预测主轴承的剩余寿命。

所述施工参数优化模块用于对盾构装备运行过程中的参数进行优化，输出优化结果；所述施工参数优化模块内置盾构施工参数优化模型，包括渣土系统参数优化模型和推进压力/速度优化模型；所述渣土系统参数优化模型是采用刀盘转矩、螺旋机转矩以及螺旋机土压进行机器学习训练构建的参数优化模型；所述推进压力/速度优化模型通过将地质类型参数、推进系统和刀盘系统传感器监测参数输入到推进系统的降阶仿真模型，实现盾构装备施工过程推进压力/速度的实时优化。

所述健康监测诊断模块用于对盾构装备部件进行实时的健康监测诊断，输出健康诊断结果；所述健康监测诊断模块内置利用典型故障机理和历史样本数据构建的主轴承型/螺旋输送机健康监测诊断模型，通过向主轴承型/螺旋输送机健康监测诊断模型中输入传感器监测参数，实现对盾构装备的关键系统/部件健康状态和典型故障的实时监测与诊断。

所述智能控制模块用于将地质类型预测结果、寿命预测结果、优化结果以及健康诊断结果转换成控制命令，基于所述控制命令对盾构装备的运行进行控制优化。需要说明的是，所述智能控制模块将各个功能模块的预测优化结果转换成盾构装备中的控制系统能够识别的控制命令(本实施例中的控制命令为PLC控制语言)反馈给所述控制系统，所述控制系统基于控制命令修正盾构装备的运行参数，实现基于数字孪生系统驱动的盾构装备运行控制优化。

所述可视化模块用于将现场数据以及各功能模块输出的结果以图表的形式呈现并内置盾构装备和地质环境的可视化模型；需要说明的是，本实施例优选的可视化模型为地质环境的几何仿真模型和盾构装备的性能仿真模型，所述性能仿真模型中的仿真性能包括但不限于应力和变形。

所述区块链模块用于在本地服务器部署节点建立区块链并生成对应盾构装备数字孪生子系统的数字凭证。需要说明的是，所述区块链的优势在于，可以将盾构装备在研发设计、制造及调试过程中产生的数字孪生特征数据上链进行存储，完整记录盾构装备数字孪生子系统搭建过程，并采通过数字凭证实现数字孪生体与盾构装备一对一的唯一性，确保所搭建的盾构装备数字孪生体是独一无二，防止有价值的数字体被无限复制。通过本地区块链存储和颁发数字凭证，还可以对所搭建的盾构装备数字孪生子系统进行确权，形成数字资产向目标工程进行价值交付。

进一步地，由于所述盾构装备数字孪生子系统通过唯一的数字凭证形成了数字资产，且基于区块链可以实现转场交付过程中的施工信息可以完整保留，进而更好地服务下一个目标工程，如图3所示，具体过程如下：

1)盾构装备制造方在研发设计、制造及调试过程中搭建第一盾构装备数字孪生子系统，并通过区块链模块和本地部署的区块链节点进行完整记录、存储整个过程，通过颁发第一数字凭证对第一盾构装备数字孪生子系统进行数字资产确权。

2)盾构装备到第一目标工程后，同时进行第一盾构装备数字孪生子系统和区块链全节点的多方部署，建立基于区块链的数字孪生联盟链，确保第一盾构装备数字孪生子系统在第一目标工程施工过程中安全、高效、可信运行，同时也不断修正和演进，施工完毕后形成第二盾构装备数字孪生子系统，并颁发第二数字凭证作为下一次转场交付的数字资产凭证。

3)上述过程随着盾构装备在不同目标工程之间的转场交付不断循环，最终在第n目标工程形成第n盾构装备数字孪生子系统和对应第n盾构装备数字孪生子系统的第n数字凭证。

实施例2：

如图4所示，本实施例公开了一种基于区块链的盾构装备数字孪生管理方法，应用如实施例1所述的盾构装备数字孪生管理系统，步骤如下：

步骤S1、盾构装备研发设计阶段：利用以往同类型盾构装备历史数据、模型以及在研发设计阶段形成的数据和模型搭建盾构装备数字孪生子系统和盾构装备数字孪生模型，在本地服务器部署区块链节点，将盾构装备在研发设计过程中盾构装备数字孪生子系统的特征数据上链进行存储，完整记录研发设计阶段盾构装备数字孪生子系统的搭建过程。

步骤S2、盾构装备制造及调试阶段：利用盾构装备设计、关键工艺工序和实验调试模型对盾构装备数字孪生体模型进行补充完善，并通过采集制造过程及调试过程中产生的数据对盾构装备数字孪生模型进行修正和优化；所述区块链模块和本地服务器部署的区块链节点将盾构装备在制造及调试过程中盾构装备数字孪生子系统的特征数据上链进行存储，完整记录制造及调试阶段盾构装备数字孪生子系统的搭建过程。

步骤S3、数字资产确权阶段：利用在本部进行部署的区块链对完成研发设计、制造和调试的盾构装备数字孪生子系统颁发唯一数字凭证，完成对所述盾构装备数字孪生子系统的数字资产确权；

步骤S4、布置区块链全节点多方部署阶段：在施工现场以及制造方、施工方和建设方远程同步部署盾构装备数字孪生子系统与区块链全节点；

步骤S5、建立数字孪生联盟链阶段：在施工现场以及制造方、施工方和建设方之间搭建云端管理子系统，实现区块链全节点之间联网，建立基于区块链的数字孪生联盟链；所述数字孪生联盟链具体是：施工现场以及制造方、施工方和建设方中的区块链全节点之间通过智能合约建立多方共识机制和隐私管理机制，实现授权网络中各协同方之间的模型同步并支持冲突处理功能，确保盾构装备数字孪生子系统的多方运行通用；同时，区块链全节点上设有数据安全网关，实现盾构装备数字孪生子系统运行、模型修正及更新过程中同步上链数据，将数据安全可信地上传并记录到区块链网络。

步骤S6、盾构装备施工阶段：在目标工程施工过程中，施工现场以及制造方、施工方和建设方多方通过基于区块链的数字孪生联盟链实现盾构装备数字孪生子系统的协同运行；所述协同运行过程具体如下：

步骤S6.1、部署在施工现场的盾构装备数字孪生子系统与盾构装备进行数据交互，通过现场数据驱动数字孪生模型对现场施工过程进行模拟、预测、诊断和优化，并通过智能控制模块将优化后的控制命令反馈给盾构装备，驱动盾构装备基于控制命令进行智能化施工；将运行过程数据同步上传到云端管理子系统，远程驱动各方部署的盾构装备数字孪生子系统，实现各方盾构装备数字孪生子系统同步运行，并将运行过程中数字孪生特征数据记录到区块链中；

步骤S6.2、利用盾构装备运行过程中的数据和现场记录对数字孪生模型和盾构装备数字孪生子系统功能进行修正和完善，并在基于智能合约建立的多方共识机制和隐私管理机制下实现对各方盾构装备数字孪生子系统的同步更新；

步骤S6.3、各方区块链节点网络目标工程施工过程中盾构装备数字孪生子系统的修正和演进过程进行记录、存储，在目标工程施工结束后通过区块链颁发数字凭证，对服务于目标工程后的盾构盾构装备数字孪生子系统再次进行数字资产确权。

步骤S7、目标工程施工后阶段：判断是否进行转场交易，若不再进行转场交付，则流程结束；若需要在其他目标工程进行施工并进行转场交付，则需要请其他目标工程的盾构装备购买或租赁客户对服务于该目标工程后盾构装备数字孪生子系统的数字凭证进行验收，完成盾构装备数字孪生子系统转场交付。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。