CN115424365B - 一种基于数字孪生的网衣实时监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于数字孪生的网衣实时监测方法及系统，该方法包括：基于各网衣连接机构上锁紧机构的相对位置，构造相应的数字孪生模型；基于传感器采集每一锁紧机构的受力数据并上传，受力数据至少包括应力变化数据；基于受力数据实时更新数字孪生模型；监测数字孪生模型的运行工况，并判断当前的运行状态；若运行状态指示存在故障，则针对运行状态所指示的故障输出告警信息。可见，基于传感器采集每一锁紧机构的受力数据，建立数字孪生模型，从而实时获知网衣的状态与工况，并据此判知网衣的故障，可对模块化网衣提供即时可靠的监测与告警。

Description

一种基于数字孪生的网衣实时监测方法及系统

技术领域

本发明涉及工况监测技术领域，尤其涉及一种基于数字孪生的网衣实时监测方法及系统。

背景技术

在深海渔业养殖行业中，多是采用在钢制支架上捆扎高分子材质的整体式网衣制得网箱结构，由于钢塑结合存在磨损问题，且恶劣的海洋环境还会加剧磨损，使得网衣易发生损毁，整体维护替换成本高昂。为此，针对性开发了分体式安装的模块化网衣，可在网衣发生局部损坏时，对该处网衣予以快捷替换，降低维护难度与维护成本。但另一方面，模块化网衣虽改善了可维护性，但在监测手段上，仍采用与传统整体式网衣一致的影像监控手段，难以及时发现网衣水下部分局部破损的情况。且分体式结构还使得网箱结构的部件与连接件激增，存在连接件松弛脱落等新问题，对监测提出了更高的要求，现有的监测方案无法提供完善可靠的实时监测与损毁告警。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于数字孪生的网衣实时监测方法及系统，基于传感器采集每一锁紧机构的受力数据，建立数字孪生模型，从而实时获知网衣的状态与工况，并据此判知网衣的故障，可对模块化网衣提供即时可靠的监测与告警。

本发明的第一方面公开了一种基于数字孪生的网衣实时监测方法，其特征在于，包括：

基于各网衣连接机构上锁紧机构的相对位置，构造相应的数字孪生模型；

基于传感器采集每一锁紧机构的受力数据并上传，所述受力数据至少包括应力变化数据；

基于所述受力数据实时更新所述数字孪生模型；

监测所述数字孪生模型的运行工况，并判断当前的运行状态；

若运行状态指示存在故障，则针对运行状态所指示的故障输出告警信息。

优选的，所述网衣连接机构的一侧用以连接网衣；

所述网衣连接机构的另一侧贴合于网箱桁架表面，所述锁紧机构用以配合捆绑带，对所述网衣连接机构与网箱桁架捆绑锁紧。

优选的，传感器设置于锁紧机构中用于锁定捆绑带的承力部件之上，以测定承力部件的受力数据。

优选的，所述运行状态包括但不限于网衣正常、捆绑带绷紧、捆绑带松弛、网衣异动、网衣受损。

优选的，

每一传感器设置映射所述数字孪生模型中特定坐标的唯一编码；

根据区域分划设置若干采集节点；

基于CAN总线对各采集节点通信连接，以及对任一采集节点与其所处区域中的传感器通信连接，以采集每一锁紧机构的受力数据。

优选的，所述基于各网衣连接机构上锁紧机构的相对位置，构造相应的数字孪生模型，包括：

获取网箱的建造数据，所述建造规格包括网箱桁架的规格参数与立体结构、网衣连接机构的规格参数与其在网箱桁架上的布设位置、每一网衣连接机构上锁紧机构的布设位置；

建立立体坐标系，基于所述建造数据中各锁紧机构的相对位置，设置对应于每一锁紧机构的孪生标点，获得所述数字孪生模型。

优选的，针对每一孪生标点设置数据表，数据表中用以填入该孪生标点所对应锁紧机构的受力数据。

优选的，对受力数据进行机器学习，得到每一运行状态下锁紧机构受力数据的数值范围与波动曲线；

基于数值范围与波动曲线设置与运行状态一一对应的触发条件；

若当前存在任一网衣的受力数据符合任一触发条件，则确定网衣当前处于该触发条件对应的运行状态。

优选的，采集气象水文预报信息，基于气象水文预报信息及当前运行工况，确定维护标点，并予以维护替换。

本发明的第二方面公开了一种基于数字孪生的网衣实时监测系统，包括：

设置于锁紧机构中承力部件之上的传感器，用以采集承力部件的受力数据；

基于CAN总线通信连接本区域各传感器的采集节点，用以采集各传感器测得的受力数据；

通信连接各采集节点的数字孪生模型，其基于受力数据实时更新；

用以实时判别所述数字孪生模型的运行状态的数据处理节点；

用以可视化展示所述数字孪生模型的运行工况与运行状态的展示节点。

可见，基于传感器采集每一锁紧机构的受力数据，建立数字孪生模型，从而实时获知网衣的状态与工况，并据此判知网衣的故障，可对模块化网衣提供即时可靠的监测与告警。

附图说明

图1是本发明的一种基于数字孪生的网衣实时监测方法的流程示意图；

图2是本发明的一种基于数字孪生的网衣实时监测方法中网衣、网衣连接机构、锁紧机构与网箱桁架的局部装配示意图；

图3是本发明的一种基于数字孪生的网衣实时监测方法中锁紧机构的结构示意图；

图4是本发明的一种基于数字孪生的网衣实时监测系统的结构示意图。

主要结构符号说明如下表：

锁紧机构	1	齿轮轴	11
				网衣	2	传感器	12
网衣连接机构	3
				网箱桁架	4

具体实施方式

为加深本发明的理解，下面将结合实施案例和附图对本发明作进一步详述。本发明可通过如下方式实施：

实施例一

请参照图1~3，一种基于数字孪生的网衣实时监测方法，可以包括以下步骤：

101、基于各网衣连接机构上锁紧机构的相对位置，构造相应的数字孪生模型。

本实施例中，如图2、图3所示，网衣连接机构3的一侧用以连接网衣2；

网衣连接机构3的另一侧贴合于网箱桁架4表面，锁紧机构1用以配合捆绑带，对网衣连接机构3与网箱桁架4捆绑锁紧。

在此，网衣连接机构3是为HDPE材质的，用以中继连接网箱桁架4与网衣2的介质，网衣2可通过捆扎绳等部件捆扎与网衣连接机构3的槽体或安装孔上，而网衣连接机构3自身则是通过若干锁紧机构1与网箱桁架4捆绑连接。从而，网衣2不与网箱桁架4直接接触，而是分别连接网衣连接机构3，因而有效规避了钢塑结合所存在的磨损与腐蚀问题。且由于HDPE材质的网衣连接机构3自身具备极强的抗腐蚀抗磨损能力，并具备优良的效能效果，因而可在海洋浪涌或外物撞击的情况下，通过自身的弹性形变，避免网衣因受到过度的刚性撕扯而损毁。

作为一种可选的实施方式，传感器12设置于锁紧机构1中用于锁定捆绑带的承力部件之上，以测定承力部件的受力数据。

在此，锁紧机构1可采用棘轮锁紧结构，则其承力部件为棘轮锁紧结构中用以限制捆绑带单向移动的齿轮轴11。随着捆绑带越发收紧，齿轮轴11两端棘齿所受的作用力则越大，齿轮轴11自身将产生微弱形变，从而在形变过程中，其应力随之变化，在此可对其应力变化数据进行采集。

作为另一种可选的实施方式，锁紧机构还可以是弹簧结构，其具备充足的弹性系数，可在网衣与网衣连接机构受外力作用时通过形变实现缓存与吸能，此时，可通过传感器采集其形变量，以及其连接网衣连接机构的刚性连接区域的应力变化数据，从而即可通过形变量配合其弹性系数，便捷推算出其受力情况，还可通过应力变化数据获知外力作用的剧烈程度。

可以理解的是，对于不同类型的锁紧机构，可针对其结构特征与物理特性，在不同的区域上设置采集不同类别物理数据的传感器，以获得多维度的监测数据，达到良好的监测效果。

本实施例中，每一传感器设置映射数字孪生模型中特定坐标的唯一编码；

根据区域分划设置若干采集节点；

基于CAN总线对各采集节点通信连接，以及对任一采集节点与其所处区域中的传感器通信连接，以采集每一锁紧机构的受力数据。

在此，传感器由当前区域的采集节点通过CAN总线实现数据采集，且多个采集节点还通过CAN总线组成分布式采集系统，以在简化硬件层级的前提下，减少线缆与通信设备的布设量与配置工作，提高可靠性与稳定性。

本实施例中，获取网箱的建造数据，建造规格包括网箱桁架的规格参数与立体结构、网衣连接机构的规格参数与其在网箱桁架上的布设位置、每一网衣连接机构上锁紧机构的布设位置；

建立立体坐标系，基于建造数据中各锁紧机构的相对位置，设置对应于每一锁紧机构的孪生标点，获得数字孪生模型。

具体地，数字孪生模型即是对实体网箱上各部件进行三维坐标映射，因而在网箱建造数据的基础上，对锁紧机构的位置，亦即锁紧机构上传感器的位置映射为孪生标点，建立得到数字孪生模型，用以据此实现数字化监测，提高远程监测的感知能力。

102、基于传感器采集每一锁紧机构的受力数据并上传。

本实施例中，受力数据至少包括应力变化数据。

基于步骤101可知，受力数据的类型与数量随锁紧机构的样式变化而变化，由于应力变化数据可通过光线应变传感器在各种样式锁紧机构的刚性承力部件上便捷采集，因而作为普适性数据予以采用，故无需针对特定样式的锁紧机构临时设计传感器与采集方案，提高了采集过程的便捷性。

103、基于受力数据实时更新数字孪生模型。

本实施例中，针对每一孪生标点设置数据表，数据表中用以填入该孪生标点所对应锁紧机构的受力数据。

具体地，每一孪生标定填入通过传感线与CAN总线实时采集得到的受力数据，从而数字孪生模型可即时准确地拟真出当前网箱上网衣与网衣连接机构的工况。

104、监测数字孪生模型的运行工况，并判断当前的运行状态。

本实施例中，运行状态包括但不限于网衣正常、捆绑带绷紧、捆绑带松弛、网衣异动、网衣受损。

在此，若运行状态指示存在故障，则执行步骤105。

本实施例中，对受力数据进行机器学习，得到每一运行状态下锁紧机构受力数据的数值范围与波动曲线；

基于数值范围与波动曲线设置与运行状态一一对应的触发条件；

若当前存在任一网衣的受力数据符合任一触发条件，则确定网衣当前处于该触发条件对应的运行状态。

具体地，除了监测数字孪生模型的运行工况，还基于长期监测获得的历史受力数据进行机器学习，以时间节点为基准，对发生故障时故障区域所涉及传感器的受力数据进行分析，辅以故障时所定性的运行状态，可对每一运行状态发生时受力数据的数值范围与波动曲线进行标定。

例如，在此以棘轮锁紧结构中齿轮轴的应变数据为受力数据。

假设当前处于网衣正常的情况下，则受力数据的数值范围始终处在浪涌造成的小范围区间中，且其波动曲线的频率与峰值符合浪涌频率与浪涌高度。

又假设，在因外力瞬间剧烈撞击而使得网衣或网衣连接机构形变，造成捆绑带绷紧的情况下，则受力数据的数值范围存在一个瞬间增涨的趋势，并持续保持，同时其波动曲线表现为极陡的上升趋势，并持续保持。

再假设，在因结构损毁造成捆绑带松弛的情况下，则受力数据的数值范围趋近于零，同时其波动曲线近乎不变。

还假设，在网衣一端松脱，仅留存一端固定而造成网衣异动的情况下，则受力数据的数值范围与波动曲线均为无规律变化，其具体变化情况视乎网衣随浪涌或外物冲击所处的状态。

可见，通过监测数字孪生模型的运行工况，可较为准确地判断出网衣或网衣连接机构的运行状态，相较于视觉影像监测，其可准确获知网箱上存在的细微形变，实现更为可靠的监测与告警。

105、针对运行状态所指示的故障输出告警信息。

本实施例中，在测得捆绑带绷紧、捆绑带松弛、网衣异动、网衣受损等故障发生时，通过音视频信号输出告警信息，告知维护人员测得故障的传感器的唯一编码，从而维护人员可据此对该故障区域进行针对性维护，例如模块化替换该处网衣，或者替换该处变形损毁的网衣连接机构，或者替换该处失效的锁紧机构，实现提前运维、精准运维，从而降低运维成本，避免损失扩大化。

作为一种可选的实施方式，采集气象水文预报信息，基于气象水文预报信息及当前运行工况，确定维护标点，并予以维护替换。

具体地，除了在明确获知故障发生的情况下予以维护，还可根据有关部门发布的气象水文预报信息，对已使用一定时长，整体状况达标，但运行工况逊色于新部件的区域设为维护标点，先行予以维护替换，从而防范于未然，避免气象灾害对已存在结构强度退化的部件造成损毁，进一步降低维护成本。

综上，基于传感器采集每一锁紧机构的受力数据，建立数字孪生模型，从而实时获知网衣的状态与工况，并据此判知网衣的故障，可对模块化网衣提供即时可靠的监测与告警。

实施例二

请参照图4，一种基于数字孪生的网衣实时监测系统，包括：

设置于锁紧机构中承力部件之上的传感器，用以采集承力部件的受力数据；

基于CAN总线通信连接本区域各传感器的采集节点，用以采集各传感器测得的受力数据；

通信连接各采集节点的数字孪生模型，其基于受力数据实时更新；

用以实时判别所述数字孪生模型的运行状态的数据处理节点；

用以可视化展示数字孪生模型的运行工况与运行状态的展示节点。

本实施例中，承力部件可以是一个，也可以是多个。受力数据可以是应力变化数据，也可以是弹性部件的形变数据等。

本实施例中，数据处理节点可以是多个，其根据其所处理网箱上传感器的数量与受力数据的维度，配置计算处理的资源。

本实施例中，展示节点可以是电子展示板、计算机终端、智能手机等可以输出音视频信号的设备。

Claims (8)

1.一种基于数字孪生的网衣实时监测方法，其特征在于，包括：

基于各网衣连接机构上锁紧机构的相对位置，构造相应的数字孪生模型，包括：获取网箱的建造数据，建造规格包括网箱桁架的规格参数与立体结构、网衣连接机构的规格参数与其在网箱桁架上的布设位置、每一网衣连接机构上锁紧机构的布设位置；建立立体坐标系，基于所述建造数据中各锁紧机构的相对位置，设置对应于每一锁紧机构的孪生标点，获得所述数字孪生模型；

基于传感器采集每一锁紧机构的受力数据并上传，所述受力数据至少包括应力变化数据；

基于所述受力数据实时更新所述数字孪生模型；

监测所述数字孪生模型的运行工况，检测并判断当前的运行状态，包括：对受力数据进行机器学习，得到每一运行状态下锁紧机构受力数据的数值范围与波动曲线；基于数值范围与波动曲线设置与运行状态一一对应的触发条件；若当前存在任一网衣的受力数据符合任一触发条件，则确定网衣当前处于该触发条件对应的运行状态；

其中，若运行状态指示存在故障，则针对运行状态所指示的故障输出告警信息。

2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的网衣实时监测方法，其特征在于，包括：

所述网衣连接机构的一侧用以连接网衣；

所述网衣连接机构的另一侧贴合于网箱桁架表面，所述锁紧机构用以配合捆绑带，对所述网衣连接机构与网箱桁架捆绑锁紧。

3.根据权利要求1所述的基于数字孪生的网衣实时监测方法，其特征在于，包括：

传感器设置于锁紧机构中用于锁定捆绑带的承力部件之上，以测定承力部件的受力数据。

4.根据权利要求1所述的基于数字孪生的网衣实时监测方法，其特征在于，所述运行状态包括但不限于网衣正常、捆绑带绷紧、捆绑带松弛、网衣异动、网衣受损。

5.根据权利要求1所述的基于数字孪生的网衣实时监测方法，其特征在于，包括：

每一传感器设置映射所述数字孪生模型中特定坐标的唯一编码；

根据区域分划设置若干采集节点；

基于CAN总线对各采集节点通信连接，以及对任一采集节点与其所处区域中的传感器通信连接，以采集每一锁紧机构的受力数据。

6.根据权利要求1所述的基于数字孪生的网衣实时监测方法，其特征在于，包括：

针对每一孪生标点设置数据表，数据表中用以填入该孪生标点所对应锁紧机构的受力数据。

7.根据权利要求1所述的基于数字孪生的网衣实时监测方法，其特征在于，所述方法还包括：

采集气象水文预报信息，基于气象水文预报信息及当前运行工况，确定维护标点，并予以维护替换。

8.一种应用于权利要求1~7任一项所述的基于数字孪生的网衣实时监测方法的基于数字孪生的网衣实时监测系统，其特征在于，包括：

设置于锁紧机构中承力部件之上的传感器，用以采集承力部件的受力数据；

基于CAN总线通信连接本区域各传感器的采集节点，用以采集各传感器测得的受力数据；

通信连接各采集节点的数字孪生模型，其基于受力数据实时更新；

用以实时判别所述数字孪生模型的运行状态的数据处理节点；

用以可视化展示所述数字孪生模型的运行工况与运行状态的展示节点。