[发明专利]一种液位挥发类产品的可靠性数字孪生模型

权利要求书

1.一种液位挥发类产品的可靠性数字孪生模型，其特征在于它包含以下步骤：

步骤一：建立数据采集模块；

数据采集模块通过提前或实时读取产品全寿命周期的各类数据与实际产品产生交互功能，数据采集模块包含以下几类数据：

(1)产品的设计信息：来源于产品设计部门使用的数字化工业设计平台，包括物理信息、功能信息、性能信息、需求信息以及可靠性信息，在数字孪生模型构建初期由设计人员输入进孪生体内部；

(2)产品的环境信息：来源于加装在产品上的温度传感器、湿度传感器获得的实时产品使用环境数据，并通过单片机将实时的环境数据上传至计算机供后续计算处理；

(3)产品的状态信息：即由传感器采集的产品实际性能退化信息，通过单片机与不同功能模块相连，经过编程烧录实现对各模块的控制，实现相应的数据传输或者功能实现；

(4)产品的维修信息：包括预防性维修信息以及修复性维修信息，来源于产品日常实际的维修维护数据；

步骤二：建立数据管理模块；

数据管理模块通过调用运算模块进行计算，并在计算后收集计算结果，按照数据类别不同，可分为三类：

(1)采集类数据：来源于“数据采集模块”，包括产品设计信息、环境信息、状态信息以及维修信息；

(2)模型类数据：来源于产品设计以及可靠性孪生体进化，包括液位挥发速率模型、可靠性预测模型以及产品三维物理模型，针对使用过程中产品产生的新需求，数据管理模块通过调用虚拟空间运算模块，可以在孪生体内部搭建新的模型，实现孪生体内部模型的进化；

(3)计算类数据：来源于“虚拟空间运算模块”，即通过孪生体运算模块得到的产品数据，包括退化量、液位高度以及剩余寿命信息；

步骤三：建立虚拟空间运算模块；

虚拟空间运算模块经数据管理模块调用进行计算，并将结果反馈给数据管理模块留作历史计算数据记录，以实现对实际产品的剩余寿命预测，包括以下步骤：

(1)根据道尔顿挥发模型结合液体实际所在地区气压得到产品的挥发速率模型；

其中，V为液体挥发速率，T为环境温度，h为环境湿度，P为当地气压值，C为风速经验参数，d为误差系数，C与d由实验数据拟合得到；

(2)根据传感器实时传输的温度、湿度数据，代入式(1)中，得到产品实时挥发速率模型；

其中V_t为液体实时挥发速率，T_t为实时环境温度，h_t为实时环境湿度；

(3)产品当前时刻的液位高度可由下式得到：

其中L₀为产品初始液位高度值，t_n为当前时刻，t_n-1为上一时刻，ΔL_n为t_n和t_n-1时刻之间的液位下降值；

(4)在当前时刻液位高度为L_n，失效阈值高度为L_f的条件下，产品的实时剩余寿命预测模型为：

步骤四：建立模型进化模块；

模型进化模块通过调用孪生体在产品寿命周期中不断累积的采集类数据、模型类数据以及计算类数据，使用贝叶斯回归方法，实现实际产品可靠性数字孪生体各类模型的结构和参数进化，不断提升孪生体对实际产品映射功能的真实性，贝叶斯进化步骤如下所示：

(1)使用Python中的scipy科学计算工具包调用Kolmogorov-Smirnov检验函数对经验参数C及误差系数d的进行假设检验，确定C与d的先验分布；

(2)对C与d进行后验分布计算以实现模型参数的更新，当σ²已知，μ的共轭先验分布为正态分布N(μ₀，σ₀²)，则μ的后验分布为式：

由此，可以得到C与d后验分布的期望，进而实现C与d分布的更新进化，产品投入使用后，由虚拟空间运算模块得到的当前时刻产品液位高度的估值和上一次模型进化时或初始时刻的真实液位高度的差值，代表从上次模型进化完到当前时刻液位高度下降的估值，手动测量这两个时间点液位真实值的差值，代表从上次模型进化完到当前时刻液位高度下降的真实值，当两者差距超过液位高度下降真实值的P％时，模型开始依据最近的多组液位高度真实值进行模型进化工作，其中P为设计人员根据产品实际需求设定的值；

步骤五：建立可视化模块；

通过可视化编程，按照用户需求，设置人机交互界面，建立可视化模块，它包括以下几部分：

(1)液位信息的实时动态三维模型：由数据管理模块中的产品三维物理模型作为模型展示基底，通过液位挥发速率模型计算出产品实时液位高度，实时显示当前产品腔内的总高度、液位高度以及失效阈值，并且通过动态变化显示出其进化特征；

(2)累计数据走势图：包括液位高度估值变化折线图、液位挥发速率估值变化折线图以及剩余寿命估值变化折线图，以数据管理模块中的产品液位挥发速率模型作为模型计算基底，将传感器实时采集的产品工作环境温度，湿度信息作为输入数据，通过折线图累计的方式，把工作时长作为横轴，计算结果作为纵轴，分别展示三项数据从开始时刻到当前时刻的变化趋势信息，动态显示出其变化特征；

(3)当前挥发模型曲面图：随着产品的使用，使用者在定期检修期间手动测量的产品真实液位数据源源不断的输入进孪生体之中，模型进化模块可以依据实测数据基于贝叶斯回归方法不断进化，当前挥发模型曲面图可以展示当前产品的液位挥发真实状况；

(4)数据输入及显示部分：设定两个数据输入栏用来输入当前时刻和液位测量真实值，并设置了两个按钮“手动输入”和“开始计算”来启动模型进化模块，在输入栏下方设置数据显示部分，该部分可实时显示当前产品液位高度估值、工作时长以及剩余寿命计算值。