[發明專利]一種基于數字孿生的工程裝備故障智能診斷與自愈控制系統及方法

有效

• 申請號: 202010536835.4
• 申請日: 2020-06-12
• 公開（公告）號: CN111596604B
• 公開（公告）日: 2022-07-26
• 發明（設計）人: 陳昭明;石明全;鄒勁松;應澤
• 申請（專利權）人: 中國科學院重慶綠色智能技術研究院;重慶大學
• 主分類號: G05B19/048
• 分類號: G05B19/048;G05B23/02
• 代理公司: 北京同恒源知識產權代理有限公司 11275
• 代理人: 趙榮之

1.一種基于數字孿生的工程裝備故障智能診斷與自愈控制方法，其特征在于，該方法具體包括以下步驟：

S1：系統開啟：對系統中各模塊軟硬件初始化；

S2：系統監測運行：對工程裝備運行狀態、外部環境擾動和工作參數進行實時監測；

S3：多源異構信息數據采集：對工程裝備運行過程中的多源異構信息數據進行采集，存儲及傳輸處理；

S4：數字孿生模擬仿真：通過采集的實時數據、歷史數據、孿生數據建立工程裝備的數字孿生模型，并進行動態模擬顯示，獲取仿真數據；

S5：數據預處理及判別：對實時數據、歷史數據及仿真數據進行預處理，然后提取動態特征數據，據此判斷采集的數據是否異常以及工程裝備的運行狀態是否異常；

S6：故障智能診斷：根據預處理后的數據信息對故障狀態作進一步的分析，排除需要停機維護的危險故障情形，然后采用智能分析處理算法進行診斷分析；

S7：故障自愈控制處理：根據故障診斷結果對故障風險等級區域進行預警，同時采用自愈控制策略結合當前的故障狀態形成自愈處置方案集，并依據施工現場的約束條件對自愈處置方案進行擇優選擇，然后完成自愈控制處理；

S8：系統自我學習及優化：通過數據交互反饋使得數字孿生模型依據自愈控制參數進行模型修正和完善，并回到系統正常監測狀態，進行定期檢測分析；

步驟S6中，故障智能診斷具體包括：

S61：對觀測數據集進行擴展，得到動態數據矩陣；

其中，時滯長度s的遞推關系如下：

S62：根據s遞推關系計算s值：初始設置s＝0開始遞推關系計算，當r_new(s)≤0時，計算出時滯長度s；

S63：根據計算出的時滯長度s，對動態數據矩陣X_a(s)進行歸一化處理，然后按照PCA的特征提取步驟確定主元個數，獲得特征向量參數的提取；最后采用遺傳算法改進支持向量機對主元信息向量進行訓練和預測。

2.根據權利要求1所述的一種基于數字孿生的工程裝備故障智能診斷與自愈控制方法，其特征在于，所述步驟S7中，故障自愈控制處理過程中，自愈控制的目標函數為：

minZ_y＝min(ω₁G₁+ω₂G₂+ω₃G₃+ω₄G₄)

其中，ω₁～ω₄為權重系數，G₁～G₄分別為控制元件或執行元件的壓力損失、流量損失、動作響應時間、動作頻次。

3.適用于權利要求1或2所述方法的基于數字孿生的工程裝備故障智能診斷與自愈控制系統，其特征在于，該系統包括物理實體模塊、數據采集模塊、信息處理模塊、故障診斷模塊、自愈控制模塊以及數字孿生模塊；

所述數據采集模塊實時采集物理實體模塊中工程裝備運行的信息數據，并將數據傳送到數字孿生模塊中進行工程裝備的數字孿生模擬仿真；同時，數據經過信息處理模塊處理后在故障診斷模塊中進行智能診斷分析，自愈控制模塊對產生的故障進行自愈控制處理；所述數字孿生模塊與其他各模塊進行數據交互反饋，實現信息交換和閉環優化。

4.根據權利要求3所述的基于數字孿生的工程裝備故障智能診斷與自愈控制系統，其特征在于，所述物理實體模塊包括工程裝備本體單元、傳感設備單元、檢測設備單元和信號傳輸設備單元；所述工程裝備本體單元是指被用于故障診斷分析的工程裝備，包括工程裝備機械結構本體、驅動工程裝備運動和動作的電氣及液力裝置，以及對應的機電液控制系統；所述傳感設備單元包括用于感知工程裝備運行過程中的位移、速度、溫升、壓力、流量和功耗的傳感器件；所述檢測設備單元是指用于檢測工程裝備的運行狀態、系統運動路徑、系統工作效率的器件；所述信號傳輸設備單元是指用于數據傳輸和交換的設備接口和網絡；所述物理實體模塊的相關信息通過數據采集模塊獲得，并通過動態鏈接與數字孿生模塊實現交互反饋。