CN113609614B - 一种蒸汽发生器数字孪生与数据驱动一体化系统搭建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种蒸汽发生器数字孪生与数据驱动一体化系统搭建方法，包括以下步骤：1.利用工业CT断层图像反求蒸汽发生器三维CAD模型；2.实现数据驱动平台与数字孪生平台间的多源异构信息通信；3.采用多传感器采集蒸汽发生器特征运行参数并进行信息融合；4.将融合后的特征运行参数与步骤1得到的CAD模型作为数字孪生模型输入，进行实时模拟仿真；5.将模拟结果反馈给蒸汽发生器控制系统进行数据驱动控制；6.对模拟结果进行故障诊断，对故障处进行增强现实显示以辅助监控及维修；本发明能够实现蒸汽发生器及其数字孪生模型间的实时信息交互、数据驱动控制及可视化维修。

Description

一种蒸汽发生器数字孪生与数据驱动一体化系统搭建方法
技术领域
本发明属于核动力系统仿真与控制方法技术领域，具体涉及到一种蒸汽发生器数字孪生与数据驱动一体化系统搭建方法。
背景技术
蒸汽发生器是压水堆核动力系统中连接一、二回路的关键设备，承担着传热边界和压力边界的重要功能。但由于蒸汽发生器内部发生着剧烈的两相流动沸腾传热现象，伴随着腐蚀沉积、放射性迁移等复杂化学过程，蒸汽发生器事故在压水堆核电厂事故中占重要部分。这给压水堆核电厂系统的安全性和经济性带来很大威胁。对蒸汽发生器运行状态的实时监测和控制，对蒸汽发生器及整个核动力系统的安全稳定运行至关重要。
在目前的压水堆核电厂内，对蒸汽发生器运行状态的实时监控采用基于数字化仪器仪表和分散式计算机系统搭建的数字化控制系统实现。数字化控制系统采用数字化仪控并提供人机接口，要求操纵人员正确有效地判断各种运行工况和瞬态工况，迅速做出正确对策。但受到数字化控制系统的延时性及操纵人员的判断局限性，难以实时跟踪瞬态工况、预测潜在故障、直观显示故障位置。随着大数据、人工智能等技术快速发展，数字孪生和数据驱动技术逐渐兴起，并应用到了生产车间、飞行器制造等领域。数字孪生是一项充分利用物理模型、传感信息、历史趋势等数据在虚拟空间中映射实体产品镜像(数字孪生模型)的仿真技术，能对物理实体的全生命周期进行实时刻画和反映。数据驱动通过获取大量且多种的数据指导和辅助物理实体的运行、控制及设计等过程。
发明内容
本发明的目的在于提供一种蒸汽发生器数字孪生与数据驱动一体化系统搭建方法，实现蒸汽发生器及其数字孪生模型间的实时信息交互、数据驱动控制及可视化维修。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种蒸汽发生器数字孪生与数据驱动一体化系统搭建方法，包括如下步骤：
步骤1：利用工业CT断层图像反求蒸汽发生器三维CAD模型，具体步骤如下：
步骤1-1：利用工业CT扫描技术对蒸汽发生器进行扫描，获取CT断层图像；
步骤1-2：利用开源图像处理可视化软件VTK(Visualization Toolkit)读入CT断层图像，生成一系列规则的体数据；通过开源图像处理可视化软件VTK的高斯滤波功能对体数据进行降噪，防止直接重构时产生的表面阶梯化和边缘锯齿化；
步骤1-3：采用开源图像处理可视化软件VTK内置的移动立方体(Marching Cubes)算法对体数据进行等值面抽取，采用顶点删除法和二次误差测度算法合并相近三角面片网格，实现表面简化；采用内插平滑方法对表面进行平滑处理，最终得到蒸汽发生器的三维表面模型；
步骤1-4：利用开源图像处理可视化软件VTK输出STL格式的三维表面模型文件到CAD建模软件UG中，将三维表面模型重构为蒸汽发生器的三维CAD模型；
步骤2：基于OPC UA通讯协议分别建立OPC服务器与数字孪生平台、数据驱动平台间的接收和发送端口，以便在步骤3和步骤5中将蒸发器特征运行参数、数字孪生模拟结果通过OPC服务器在两平台间进行多源异构信息通信；
步骤3：采用多传感器采集蒸汽发生器特征运行参数并进行信息融合，具体步骤如下：
步骤3-1：在蒸汽发生器中布置多个分布式传感器采集蒸汽发生器特征运行参数，并构建如下的特征运行参数状态向量：
X(k)＝[X1 X2 ... Xi]T (1)
其中：
Xi——第i个传感器测得的某特征运行参数X；
X(k)——k时刻多个传感器测得的某特征运行参数的多个测量值组成的状态向量；
步骤3-2：通过步骤2建立的接收和发送端口将各特征运行参数状态向量存入OPC服务器并传入数字孪生平台。采用卡尔曼滤波算法对各特征运行参数状态向量进行数据融合：整合多传感器测量结果，过滤失效传感器干扰噪声，得到准确的特征运行参数；
步骤4：将融合后的特征运行参数与步骤1得到的蒸汽发生器的三维CAD模型作为数字孪生模型的输入对蒸汽发生器进行实时模拟仿真：根据蒸汽发生器的三维CAD模型划分模拟用网格，根据k时刻特征运行参数更新数字孪生模型的边界条件和初始条件，由数字孪生模型模拟计算出k+1时刻的蒸汽发生器的运行状态，得到实时仿真模拟结果；
步骤5：通过步骤2建立的接收和发送端口将实时仿真模拟结果存入OPC服务器并反馈给蒸汽发生器控制系统，根据仿真模拟数据驱动蒸汽发生器的运行和控制；
步骤6：对模拟结果进行故障诊断，对故障处进行增强现实显示以辅助监控及维修，具体步骤如下：
步骤6-1：利用电厂的故障诊断系统对模拟结果进行故障诊断，判断出故障类型及故障区域；
步骤6-2：对故障区域的模拟数据进行分块和压缩，结合蒸汽发生器厂房空间数据在混合现实设备中对故障区域进行增强现实(AR)显示，辅助蒸汽发生器监控及维修；
通过以上步骤，可搭建一种蒸汽发生器数字孪生平台与数据驱动平台的一体化系统，实现蒸汽发生器及其数字孪生模型间的实时信息交互、数据驱动控制及可视化维修。
本发明方法，将数字孪生平台与数据驱动平台相耦合，数字孪生平台接收多传感器采集数据进行实时仿真，反馈模拟数据至数据驱动平台进行数据驱动控制，同时利用模拟数据进行故障诊断，对故障处可视化显示，辅助蒸汽发生器监控和维修。该系统能够能够实现蒸汽发生器及其数字孪生模型间的实时信息交互、数据驱动控制及可视化维修，对于蒸汽发生器及整个核动力系统的安全稳定运行具有重大意义。
附图说明
图1为利用工业CT断层图像反求蒸汽发生器三维CAD模型的流程图。
图2为采用本发明方法所搭建的数字孪生与数据驱动一体化系统的结构示意图。
图3为本发明方法的流程图。
具体实施方式
以下结合图3所示的本发明流程图，以典型压水堆55/19B型蒸汽发生器为例，对本发明作进一步的详细描述，
本发明一种蒸汽发生器数字孪生与数据驱动一体化系统搭建方法，包括以下步骤：
步骤1：按照图1所示的流程图，利用工业CT断层图像反求蒸汽发生器三维CAD模型，具体步骤如下：
步骤1-1：利用工业CT扫描技术对55/19B型蒸汽发生器进行逐层扫描，获取CT断层图像；
步骤1-2：利用开源图像处理可视化软件VTK(Visualization Toolkit)读入CT断层图像，生成一系列规则的体数据；通过开源图像处理可视化软件VTK的高斯滤波功能对体数据进行降噪，防止直接重构时产生的表面阶梯化和边缘锯齿化；
步骤1-3：采用开源图像处理可视化软件VTK内置的移动立方体(Marching Cubes)算法对体数据进行等值面抽取，采用顶点删除法和二次误差测度算法合并相近三角面片网格，实现表面简化；采用内插平滑方法对表面进行平滑处理，最终得到蒸汽发生器的三维表面模型；
步骤1-4：利用开源图像处理可视化软件VTK输出STL格式的三维表面模型文件到CAD建模软件UG中，将三维表面模型重构为蒸汽发生器的三维CAD模型；
步骤2：基于OPC UA通讯协议分别建立OPC服务器与数字孪生平台、数据驱动平台间的接收和发送端口，以便在步骤3和步骤5中将蒸发器特征运行参数、数字孪生模拟结果通过OPC服务器在两平台间进行多源异构信息通信；
步骤3：采用多传感器采集蒸汽发生器特征运行参数并进行信息融合，具体步骤如下：
步骤3-1：在蒸汽发生器中布置多个分布式传感器采集蒸汽发生器特征运行参数：蒸汽发生器水位L、二次侧压力Ps、稳压器压力Ppr、一次侧流量Wp、主给水流量Wf、蒸汽母管流量Wv，并构建如下的一些特征运行参数状态向量：
L(k)＝[L1 L2 ... Li]T (1)
Ps(k)＝[Ps，1 Ps，2 ... Ps,i]T (2)
Ppr(k)＝[Ppr，1 Ppr，2 ... Ppr，i]T (3)
Wp(k)＝[Wp,1 Wp,2 ... Wp,i]T (4)
Wf(k)＝[Wf，1 Wf，2 ... Wf,i]T (5)
Wv(k)＝[Wv,1 Wv，2 ... Wv,i]T (6)
其中：
Li、Ps,i、Ppr，i、Wp,i、Wf,i、Wv,i——第i个传感器测得的：蒸汽发生器水位，m；二次侧压力，MPa；稳压器压力Ppr，MPa；一次侧流量，kg·m-1；主给水流量，kg·m-1；蒸汽母管流量，kg·m-1。
L(k)、Ps(k)、Ppr(k)、Wp(k)、Wf(k)、Wv(k)——k时刻多个传感器测得的：蒸汽发生器水位/二次侧压力/稳压器压力/一次侧流量/主给水流量/蒸汽母管流量的多个测量值组成的状态向量；
步骤3-2：通过步骤2建立的接收和发送端口将各特征运行参数状态向量存入OPC服务器并传入数字孪生平台；采用卡尔曼滤波算法对各特征运行参数状态向量进行数据融合：整合多传感器测量结果，过滤失效传感器干扰噪声，得到准确的特征运行参数；
步骤4：将融合后的特征运行参数与步骤1得到的蒸汽发生器的三维CAD模型作为数字孪生模型的输入，对蒸汽发生器进行实时模拟仿真：根据蒸汽发生器的三维CAD模型划分模拟用网格，根据k时刻特征运行参数更新数字孪生模型的边界条件和初始条件，由数字孪生模型模拟计算出k+1时刻的蒸汽发生器的运行状态，得到实时仿真模拟结果；
步骤5：通过步骤2建立的接收和发送端口将实时仿真模拟结果存入OPC服务器并反馈给蒸汽发生器控制系统，根据仿真模拟数据驱动蒸汽发生器的运行和控制；
步骤6：对模拟结果进行故障诊断，对故障处进行增强现实显示以辅助监控及维修，具体步骤如下：
步骤6-1：利用电厂的故障诊断系统对模拟结果进行故障诊断，判断出故障类型及故障区域；
步骤6-2：对故障区域的模拟数据进行分块和压缩，结合蒸汽发生器厂房空间数据在混合现实设备中对故障区域进行增强现实(AR)显示，辅助蒸汽发生器监控及维修；
通过以上步骤，可搭建蒸汽发生器数字孪生平台与数据驱动平台的一体化系统，如图2所示：该系统将数字孪生平台与数据驱动平台相耦合，数字孪生平台接收多传感器采集数据进行实时仿真，反馈模拟数据至数据驱动平台进行数据驱动控制，同时利用模拟数据进行故障诊断，对故障处可视化显示，辅助蒸汽发生器监控和维修。实现了55/19B型蒸汽发生器及其数字孪生模型间的实时信息交互、数据驱动控制及可视化维修。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种蒸汽发生器数字孪生与数据驱动一体化系统搭建方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：利用工业CT断层图像反求蒸汽发生器三维CAD模型，具体步骤如下：
步骤1-1：利用工业CT扫描技术对蒸汽发生器进行扫描，获取CT断层图像；
步骤1-2：利用开源图像处理可视化软件VTK读入CT断层图像，生成一系列规则的体数据；通过开源图像处理可视化软件VTK的高斯滤波功能对体数据进行降噪，防止直接重构时产生的表面阶梯化和边缘锯齿化；
步骤1-3：采用开源图像处理可视化软件VTK内置的移动立方体Marching Cubes算法对体数据进行等值面抽取，采用顶点删除法和二次误差测度算法合并相近三角面片网格，实现表面简化；采用内插平滑方法对表面进行平滑处理，最终得到蒸汽发生器的三维表面模型；
步骤1-4：利用开源图像处理可视化软件VTK输出STL格式的三维表面模型文件到CAD建模软件UG中，将三维表面模型重构为蒸汽发生器的三维CAD模型；
步骤2：基于OPC UA通讯协议分别建立OPC服务器与数字孪生平台、数据驱动平台间的接收和发送端口，以便在步骤3和步骤5中将蒸发器特征运行参数、数字孪生模拟结果通过OPC服务器在两平台间进行多源异构信息通信；
步骤3：采用多传感器采集蒸汽发生器特征运行参数并进行信息融合，具体步骤如下：
步骤3-1：在蒸汽发生器中布置多个分布式传感器采集蒸汽发生器特征运行参数，并构建如下的特征运行参数状态向量：
X(k)＝[X1 X2 ... Xi]T (1)
其中：
Xi——第i个传感器测得的某特征运行参数X；
X(k)——k时刻多个传感器测得的某特征运行参数的多个测量值组成的状态向量；
步骤3-2：通过步骤2建立的接收和发送端口将各特征运行参数状态向量存入OPC服务器并传入数字孪生平台；采用卡尔曼滤波算法对各特征运行参数状态向量进行数据融合：整合多传感器测量结果，过滤失效传感器干扰噪声，得到准确的特征运行参数；
步骤4：将融合后的特征运行参数与步骤1得到的蒸汽发生器的三维CAD模型作为数字孪生模型的输入，对蒸汽发生器进行实时模拟仿真：根据蒸汽发生器的三维CAD模型划分模拟用网格，根据k时刻特征运行参数更新数字孪生模型的边界条件和初始条件，由数字孪生模型模拟计算出k+1时刻的蒸汽发生器的运行状态，得到实时仿真模拟结果；
步骤5：通过步骤2建立的接收和发送端口将实时仿真模拟结果存入OPC服务器并反馈给蒸汽发生器控制系统，根据仿真模拟数据驱动蒸汽发生器的运行和控制；
步骤6：对模拟结果进行故障诊断，对故障处进行增强现实显示以辅助监控及维修，具体步骤如下：
步骤6-1：利用电厂的故障诊断系统对模拟结果进行故障诊断，判断出故障类型及故障区域；
步骤6-2：对故障区域的模拟数据进行分块和压缩，结合蒸汽发生器厂房空间数据在混合现实设备中对故障区域进行增强现实AR显示，辅助蒸汽发生器监控及维修；
通过以上步骤，搭建一种蒸汽发生器数字孪生平台与数据驱动平台的一体化系统，实现蒸汽发生器及其数字孪生模型间的实时信息交互、数据驱动控制及可视化维修。
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