CN115437528A - 基于数字孪生的化工流程模拟器及其构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字孪生的化工流程模拟器及其构建方法。在化工领域构建数字孪生模型，是实现数字化转型的重要组成部分。化工流程模拟器通过提供交互平台，便于用户参照实际生产流程规范，连接代表单元设备和物料流的图形标识，形成流程图，解决面向化工装置的数字孪生模型的模拟与计算问题。采用化工流程模拟器执行运算的结果，为预测生产中最佳操作参数和运行条件提供数据。化工流程模拟器由图形用户界面模块、组件接口模块、流程计算模块、数据处理模块和错误提示模块组成。组件接口模块通过导入基于统一软件接口的外部模块降低了软件开发工作量，数据处理模块采用数据切片，采集生产运行周期的仿真数据，作为智能数据分析的基础。

Description

基于数字孪生的化工流程模拟器及其构建方法

技术领域

本申请涉及数字孪生技术领域，尤其涉及一种基于数字孪生的化工流程模拟器及其构建方法。

背景技术

数字孪生技术是以数字化方式创建物理实体的虚拟实体，借助历史数据，实时数据以及算法模型等，模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程的技术手段。流程工业数字孪生的研究应用主要集中于石油与天然气行业。流程工业数字孪生可划分为工厂孪生和过程孪生。工厂孪生是3D工厂建模，过程孪生是通过模拟以确定最佳操作参数、最佳运行条件和安全过程。数字孪生技术实现的关键层面，则是建立物理实体的数字化模型并计算分析物理对象的未来状态。

实现准确有效的过程建模对于化工过程的合成、设计、监测和优化相当重要。要提升多个子系统的化工模拟流程设计的精度，可能需要基于流程模拟软件的二次开发来集成各种来源的流程模拟工具与数学模型集合。部分情况下会存在难以解决的软件兼容性问题，导致较高的开发和时间成本。此外，数字孪生需要生产运行周期的仿真数据采集，作为智能数据分析的基础。无法获得数据，就难以实现在动态运行环境中对物理模型的实时状态评估与预测。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种基于数字孪生的化工流程模拟器及其构建方法，以解决相关技术中存在的多源软件兼容性问题和获取全流程仿真数据的技术问题。

根据本申请实施例的第一方面，提供一种基于数字孪生的化工流程模拟器的构建方法，其特征在于，包括：

构建图形用户界面模块，所述图形用户界面模块用于接收公共变量的参数、单元设备模块的参数、物料流的参数的修改指令，接收单元设备和物料流的图形标识的创建、修改或删除指令，接收单元设备的图形标识与物料流的图形标识的连接或断开指令，以构建得到流程图，显示所述流程图；

构建组件接口模块，所述组件接口模块用于所述流程计算模块与外部组件的数值求解模块、热力学模块、单元设备模块和监控与日志模块之间的衔接与交互；

构建流程计算模块，所述流程计算模块用于对构建的流程图进行预处理，调用所述热力学模块和单元设备模块，以使得所述热力学模块和单元设备模块查找所述物料流在指定状态下的计算参数和方法，对预处理后的流程图利用所述计算参数和方法，调用所述数值求解模块，求解物料流的物性数据；

构建数据处理模块，所述数据处理模块用于接收所述物性数据，接收流程图，从所述物性数据筛选出指定求解结果，从而得出结果报告，导出所述流程图的文件；还调用所述监控与日志处理模块，获取指定时刻流程图模拟对应的工况数据。

进一步地，构建得到流程图，具体包括：

选择单元设备和物料流的图形标识；

按照所需工艺流程要求，将所述图形标识进行连接；

连接后，填写公共变量的参数和单元设备模块的参数，选择输入物料流和输出物料流的成分，完成流程图的构建。

进一步地，将所述图形标识进行连接时，所述单元设备模块提供允许物料流连接的数量和属性信息，所述数量和属性信息用于检验单元设备的图形标识与物料流的图形标识的连接的有效性。

进一步地，对构建的流程图进行预处理，具体包括：对所述流程图进行分区、断裂、序列化和变量收敛操作。

进一步地，所述分区操作采用系统结构识别算法，所述断裂操作采用流股断裂算法，所述序列化操作采用单元设备模块求解次序算法，所述变量收敛操作采用迭代收敛算法。

进一步地，还包括：

构建错误提示模块，所述错误提示模块用于所述图形用户界面的图形标识连接或断开指令的错误检查和流程计算模块的执行错误检查，若出现错误，则发出警告提示，返回与模拟终止。

根据本申请实施例的第二方面，提供一种基于数字孪生的化工流程模拟器，包括：图形用户界面模块、组件接口模块、流程计算模块、数据处理模块、错误处理模块，其中：

图形用户界面模块，用于接收公共变量的参数、单元设备模块的参数、物料流的参数的修改指令，接收单元设备和物料流的图形标识的创建、修改或删除指令，接收单元设备的图形标识与物料流的图形标识的连接或断开指令，以构建得到流程图，显示所述流程图；

组件接口模块，用于所述流程计算模块与外部组件的数值求解模块、热力学模块、单元设备模块和监控与日志模块之间的衔接与交互；

流程计算模块，用于对构建的流程图进行预处理，调用所述热力学模块和单元设备模块，以使得所述热力学模块和单元设备模块查找所述物料流在指定状态下的计算参数和方法，对预处理后的流程图利用所述计算参数和方法，求解物料流的物性数据；

数据处理模块，用于接收所述物性数据，接收流程图，从所述物性数据筛选出指定求解结果，从而得出结果报告，导出所述流程图的文件；还调用所述监控与日志处理模块，获取指定时刻流程图模拟对应的工况数据。

进一步地，还包括：

构建错误提示模块，所述错误提示模块用于所述图形用户界面的图形标识连接或断开指令的错误检查和流程计算模块的执行错误检查，若出现错误，则发出警告提示，返回与模拟终止。

根据本申请实施例的第三方面，提供一种电子设备，包括：

一个或多个处理器；

存储器，用于存储一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如第一方面所述的方法。

根据本申请实施例的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现如第一方面所述方法的步骤。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

由上述实施例可知，本申请通过构造图形用户界面模块，克服了靠编程构建模型导致设计和优化模型难度增加的问题，进而实现以可视化形式描述模型；通过组件接口模块，克服了多源软件的兼容性问题，进而保证针对不同的生产流程，集成相关的外部计算模块从而提升运算精度，并减少开发工作；通过构造基于序贯模块法的流程计算模块，确保仿真模型与实际生产装置构造一致，便于维护模型，扩展模型以及接收实际生产装置传感器数据，实现物理实体和信息化数据同步；通过构造数据处理模块，为解决数据不足，无法满足数字孪生数据分析功能的问题，实现用户在访问权限内对实时结果或最终结果进行自定义分析和处理的功能，以及基于仿真数据切片技术获得海量数据，作为深度学习和精确模拟的工作基础。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的一种基于数字孪生的化工流程模拟器的构建方法的流程图。

图2是根据一示例性实施例示出的一种基于数字孪生的化工流程模拟器的构建装置的流程图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

图1是根据一示例性实施例示出的一种基于数字孪生的化工流程模拟器的构建方法的流程图。参考图1，本发明实施例提供一种基于数字孪生的化工流程模拟器的构建方法，该方法可以包括：

S1：构建图形用户界面模块，所述图形用户界面模块用于接收公共变量的参数、单元设备模块的参数、物料流的参数的修改指令，接收单元设备和物料流的图形标识的创建、修改或删除指令，接收单元设备的图形标识与物料流的图形标识的连接或断开指令，以构建得到流程图，显示所述流程图；

S2：构建组件接口模块，所述组件接口模块用于所述流程计算模块与外部组件的数值求解模块、热力学模块、单元设备模块和监控与日志模块之间的衔接与交互；

S3：构建流程计算模块，所述流程计算模块用于对构建的流程图进行预处理，调用所述热力学模块和单元设备模块，以使得所述热力学模块和单元设备模块查找所述物料流在指定状态下的计算参数和方法，对预处理后的流程图利用所述计算参数和方法，求解物料流的物性数据；

S4：构建数据处理模块，所述数据处理模块用于接收所述物性数据，接收流程图，从所述物性数据筛选出指定求解结果，从而得出结果报告，导出所述流程图的文件；还调用所述监控与日志处理模块，获取指定时刻流程图模拟对应的工况数据。

由上述实施例可知，本申请通过构造图形用户界面模块，克服了靠编程构建模型导致设计和优化模型难度增加的问题，构造组件接口模块，进而保证针对不同的生产流程，集成相关的外部计算模块从而提升运算精度，并减少开发工作；通过构造序贯模块的流程计算模块，实现与实际过程直观联系强，便于维护和扩展的模型设计；通过构造数据处理模块，实现用户在访问权限内对实时结果或最终结果进行自定义分析和处理的功能，以及基于仿真数据切片技术获得海量数据作为深度学习和精确模拟的工作基础。

在S1的具体实施中：构建图形用户界面模块，所述图形用户界面模块用于接收公共变量的参数、单元设备模块的参数、物料流的参数的修改指令，接收单元设备和物料流的图形标识的创建、修改或删除指令，接收单元设备的图形标识与物料流的图形标识的连接或断开指令，以构建得到流程图，显示所述流程图；

具体地，图形用户界面模块可采用Qt作为跨平台C++图形用户界面的开发框架。基于Windows10操作系统，Qt可执行编译生成图形用户界面模块的可执行文件。图形用户界面可包括如下窗口：模拟窗口，用于编辑和连接可以拖动并呈现的图形标识，启动和暂停流程模拟；组分配置窗口，用于提供热力学模块中可用化学物质和相关属性的相关选项；单元设备配置窗口，用于编辑指定单元设备的可变参数；物性包配置窗口，用于提供热力学模块中物性包的选项和编辑指定物性包的可变参数；信息窗口，用于提示流程模拟过程的相关信息。所述窗口的设计逻辑可帮助用户通过简单操作，选择化合物组分和物性计算方法，拖拽单元设备并连接，实现流程图从创建到计算的全流程，降低编程难度。

其中构建得到流程图，具体包括：

选择单元设备和物料流的图形标识；

按照所需工艺流程要求，将所述图形标识进行连接；

连接后，填写公共变量的参数和单元设备模块的参数，选择输入物料流和输出物料流的成分，完成流程图的构建。

其中将所述图形标识进行连接时，所述单元设备模块提供允许物料流连接的数量和属性信息，所述数量和属性信息用于检验单元设备的图形标识与物料流的图形标识的连接的有效性。

在S2的具体实施中：构建组件接口模块，所述组件接口模块用于所述流程计算模块与外部组件的数值求解器、热力学模块、单元设备模块和监控与日志模块之间的衔接与交互；

具体地，组件接口模块遵循CAPE-OPEN标准，使用COM中间件技术，实现接口连接，便于其他外部模块的集成。其中单元设备模块，主要用于流程执行器与单元设备通信，相应接口函数实现功能包括新建单元设备对象、设置问题结构、传递输入参数、检索预期结果和提供报告。热力学模块接口，主要用于流程执行器执行闪蒸计算和物性计算等，获取物料流在不同条件下的物理属性信息。数值求解模块接口，主要用于对流程图对象构成的方程组的迭代求解。监控与日志模块接口，主要用于对全流程仿真工况数据执行采集和存储。所述模块接口的设计，因为符合CAPE-OPEN标准，所以可以通过各类接口函数实现对同样支持该标准的外部模块的调用，进而保证针对不同的生产流程，集成相关的外部计算模块从而提升运算精度，并减少开发工作。

在S3的具体实施中：构建流程计算模块，所述流程计算模块用于对构建的流程图进行预处理，调用所述热力学模块和单元设备模块，以使得所述热力学模块和单元设备模块查找所述物料流在指定状态下的计算参数和方法，对预处理后的流程图利用所述计算参数和方法，求解物料流的物性数据；

具体地，流程计算模块主要负责命令热力学模块和单元设备模块相关方法执行单元设备内的物料流计算。

其中对构建的流程图进行预处理，具体包括：对所述流程图进行分区、断裂、序列化和变量收敛操作。所述分区操作采用系统结构识别算法，所述断裂操作采用流股断裂算法，所述序列化操作采用单元设备模块求解次序算法，所述变量收敛操作采用迭代收敛算法。

具体地，在单元设备计算前，需要执行对流程图的预处理工作，主要执行系统结构识别算法，流股断裂算法，单元设备模块求解次序算法和断裂变量收敛算法。系统结构识别算法可采用可及矩阵法，图解法，Steward通路法流股断裂算法等方法。流股断裂算法可采用Upadhye-Grens断裂法，Westerberg算法等。单元设备模块求解次序算法可采用信号流图法等。断裂变量的收敛方法可采用直接迭代法，Newton-Raphon法、Broyden法等。

在S4的具体实施中：构建数据处理模块，所述数据处理模块用于接收所述物性数据，接收流程图，从所述物性数据筛选出指定求解结果，从而得出结果报告，导出所述流程图的文件；还调用所述监控与日志处理模块，获取指定时刻流程图模拟对应的工况数据。

具体地，构建数据处理模块可以使用C++等编程语言设计实现，依据相关文件格式完善导出功能，从构成流程图的每个单元设备获取其报告部分，组合出最终报告。导出所述流程图的文件，可以为ODT、TXT或XML文件格式。可输出的物理属性包括：比焓、比熵、分子量、密度、特定温度和压力下的体积流量、相摩尔和质量分数、压缩系数、恒压热容、导热系数、表面张力(仅限液相)、运动粘度、动态粘度，部分数据可以显示为摩尔分数或质量分数。

此外，数据处理模块执行工况数据切片功能，最小切片分辨率1秒，提供所需工况切片的时间点选择。数据处理模块通过调用监控和日志模块对系统状态进行实时采集和记录，通过访问热力学模块与单元设备以及物料流，分别获得物料流数据与单元设备信息，从而获得实时的工况切片信息。

工况切片信息包括但不限于：1)物料流的特性：压力、温度、相态、成分、流量、密度、分子量、相平衡、焓、熵；2)单元设备信息：单元设备基础信息(名称、状态)、链接变量(出入口的流数据，如温度、压力、流量、热负荷、焓)、属性信息(参数和用户指定的计算方法，如物性方法和水溶度方法)、隐性数据寄存区块。

同时，支持流程模拟从任意切片数据开始运行。且工况切片不修改流值和单元设备的连接关系，即不改变计算逻辑。流程模拟的计算以现实物理世界的模型计算步长为准，可以加速。

基于数字孪生的化工流程模拟器的构建方法，还包括：

S5：构建错误提示模块，所述错误提示模块用于所述图形用户界面的图形标识连接或断开指令的错误检查和流程计算模块的执行错误检查，若出现错误，则发出警告提示，返回与模拟终止。

具体地，构建错误提示模块，首先是显示由单元设备生成的文本信息，便于定位错误原因，其次是定义信息中错误类型和严重性，不同等级的错误会决定流程的执行是否继续或重置，最后由用户执行处理。错误提示模块的构建，通过异常处理机制，提示便于查找错误出现的位置，有效减少模拟错误导致的程序崩溃。

与前述的基于数字孪生的化工流程模拟器的构建方法的实施例相对应，本申请还提供了基于数字孪生的化工流程模拟器的构建装置的实施例。

图2是根据一示例性实施例示出的一种基于数字孪生的化工流程模拟器的构建装置框图。参照图2，该装置包括：图形用户界面模块21、组件接口模块22、流程计算模块23、数据处理模块24，其中：

图形用户界面模块21，用于接收公共变量的参数、单元设备模块的参数、物料流的参数的修改指令，接收单元设备和物料流的图形标识的创建、修改或删除指令，接收单元设备的图形标识与物料流的图形标识的连接或断开指令，以构建得到流程图，显示所述流程图；

组件接口模块22，用于所述流程计算模块与外部组件的数值求解模块、热力学模块和单元设备模块之间的衔接与交互；

流程计算模块23，用于对构建的流程图进行预处理，调用所述热力学模块和单元设备模块，以使得所述热力学模块和单元设备模块查找所述物料流在指定状态下的计算参数和方法，对预处理后的流程图利用所述计算参数和方法，求解物料流的物性数据；

数据处理模块24，用于接收所述物性数据，接收流程图，从所述物性数据筛选出指定求解结果，从而得出结果报告，导出所述流程图的文件；还调用所述监控与日志处理模块，获取指定时刻流程图模拟对应的工况数据。

还包括错误提示模块25，所述错误提示模块用于所述图形用户界面的图形标识连接或断开指令的错误检查和流程计算模块的执行错误检查，若出现错误，则发出警告提示，返回与模拟终止。

关于上述实施例中的化工流程模拟器，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

相应的，本申请还提供一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上述的基于数字孪生的化工流程模拟器的构建方法。

相应的，本申请还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现如上述的基于数字孪生的化工流程模拟器的构建方法。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种基于数字孪生的化工流程模拟器的构建方法，其特征在于，包括：

构建图形用户界面模块，所述图形用户界面模块用于接收公共变量的参数、单元设备模块的参数、物料流的参数的修改指令，接收单元设备和物料流的图形标识的创建、修改或删除指令，接收单元设备的图形标识与物料流的图形标识的连接或断开指令，以构建得到流程图，显示所述流程图；

构建组件接口模块，所述组件接口模块用于所述流程计算模块与外部组件的数值求解模块、热力学模块、单元设备模块和监控与日志模块之间的衔接与交互；

构建流程计算模块，所述流程计算模块用于对构建的流程图进行预处理，调用所述热力学模块和单元设备模块，以使得所述热力学模块和单元设备模块查找所述物料流在指定状态下的计算参数和方法，对预处理后的流程图利用所述计算参数和方法，调用所述数值求解模块，求解物料流的物性数据；

构建数据处理模块，所述数据处理模块用于接收所述物性数据，接收流程图，从所述物性数据筛选出指定求解结果，从而得出结果报告，导出所述流程图的文件；还调用所述监控与日志处理模块，获取指定时刻流程图模拟对应的工况数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，构建得到流程图，具体包括：

选择单元设备和物料流的图形标识；

按照所需工艺流程要求，将所述图形标识进行连接；

连接后，填写公共变量的参数和单元设备模块的参数，选择输入物料流和输出物料流的成分，完成流程图的构建。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述图形标识进行连接时，所述单元设备模块提供允许物料流连接的数量和属性信息，所述数量和属性信息用于检验单元设备的图形标识与物料流的图形标识的连接的有效性。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对构建的流程图进行预处理，具体包括：对所述流程图进行分区、断裂、序列化和变量收敛操作。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分区操作采用系统结构识别算法，所述断裂操作采用流股断裂算法，所述序列化操作采用单元设备模块求解次序算法，所述变量收敛操作采用迭代收敛算法。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

构建错误提示模块，所述错误提示模块用于所述图形用户界面的图形标识连接或断开指令的错误检查和流程计算模块的执行错误检查，若出现错误，则发出警告提示，返回与模拟终止。

7.一种基于数字孪生的化工流程模拟器，其特征在于，包括：图形用户界面模块、组件接口模块、流程计算模块、数据处理模块、错误处理模块，其中：

图形用户界面模块，用于接收公共变量的参数、单元设备模块的参数、物料流的参数的修改指令，接收单元设备和物料流的图形标识的创建、修改或删除指令，接收单元设备的图形标识与物料流的图形标识的连接或断开指令，以构建得到流程图，显示所述流程图；

组件接口模块，用于所述流程计算模块与外部组件的数值求解模块、热力学模块、单元设备模块和监控与日志模块之间的衔接与交互；

流程计算模块，用于对构建的流程图进行预处理，调用所述热力学模块和单元设备模块，以使得所述热力学模块和单元设备模块查找所述物料流在指定状态下的计算参数和方法，对预处理后的流程图利用所述计算参数和方法，求解物料流的物性数据；

数据处理模块，用于接收所述物性数据，接收流程图，从所述物性数据筛选出指定求解结果，从而得出结果报告，导出所述流程图的文件；还调用所述监控与日志处理模块，获取指定时刻流程图模拟对应的工况数据。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括：

错误提示模块，所述错误提示模块用于所述图形用户界面的图形标识连接或断开指令的错误检查和流程计算模块的执行错误检查，若出现错误，则发出警告提示，返回与模拟终止。

9.一种电子设备，其特征在于，包括：

一个或多个处理器；

存储器，用于存储一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1-6任一项所述的方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，该指令被处理器执行时实现如权利要求1-6中任一项所述方法的步骤。

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