本发明涉及一种管道监测方法及系统，具体涉及一种基于数字孪生的复合柔性管道监测方法及系统，属于管道健康监测与分析。
背景技术：
1、海洋石油运输是全球能源供应链中的重要环节，影响着全球石油市场的稳定性和安全性。随着陆地石油资源的逐渐枯竭，海底石油资源的开发越发重要。然而，海洋环境对石油运输设备和技术提出了更高的要求。传统的运输钢管由于其制作过程中严重依赖于碳密集型的化石燃料，有悖于低碳环保的绿色方针，而且易于和海水中的氯离子反应生成铁锈，导致管道泄露等问题，无法满足现代海洋石油运输的需求。
2、复合柔性管道是一种新的海洋石油运输设备，它由聚合物和钢等材料组成，具有韧性好、防腐蚀性能优秀、安装效率高等优点，已经越来越多地应用于海洋石油资源的开采和运输。但在实际使用中，由于海洋环境的复杂性和管道自身结构的复杂性，还是存在很多问题需要解决。例如，聚合物在长期暴露在恶劣环境下，其韧性和保温性能可能逐渐下降，影响复合柔性管道的使用寿命。不合适的多层复合结构设计和成型工艺可能导致非粘结柔性管道层间的空鼓，影响其保温性和耐腐蚀性。复合柔性管道和海底土壤的相互作用可能导致管道破坏。传统的管道监测方法以及系统，缺乏对复合柔性管道全生命周期的实时监测，在对管道材料性能的变化、结构的变化、地理位置的变化以及和环境的交互情况方面的监测并不全面，对复合柔性管道潜在风险的即时识别和预测存在不足。
技术实现思路
1、基于以上背景，本发明的目的在于提供一种基于数字孪生的复合柔性管道监测方法，该方法通过集成数字孪生技术和智能监测技术，提高对复合柔性管道的实时监控能力和预警精准度，并利用数字孪生模型对复合柔性管道的物理状态进行高度仿真，实现对其性能变化的实时跟踪与分析，完成对复合柔性管道潜在风险的即时识别和预测。
2、本发明的另一目的在于提供一种基于数字孪生的复合柔性管道监测系统。
3、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
4、一种基于数字孪生的复合柔性管道监测方法，该方法包括以下步骤：
5、实时采集目标复合柔性管道的多参数数据并对所述多参数数据进行预处理；
6、将所述多参数数据进行标准化处理，执行数据可视化、分析和分类管理，构建动态更新的多源空间数据库；
7、对目标复合柔性管道进行精细化建模，构建目标复合柔性管道的数字孪生模型，基于所述多源空间数据库对所述数字孪生模型进行实时更新和状态仿真，确保数字孪生模型与目标复合柔性管道的状态保持同步；
8、基于所述多源空间数据库构建fsi数值仿真模型，对所述fsi数值仿真模型进行网格剖分，基于数值分析方法并引入cfd和fem数值耦合算法，建立管道流固耦合模型，以所述管道流固耦合模型为基础进行求解，执行结构应力和流体动力学响应的仿真分析，评估目标复合柔性管道在特定负载和环境条件下的性能；
9、基于实时监测数据和fsi数值仿真模型的仿真分析结果对管道的整体结构健康状况进行评估，通过预设的安全性能指标和所述仿真分析结果，基于修正后的安全系数模型计算目标复合柔性管道的安全系数，当计算获得的所述安全系数低于预定阈值时，进行安全预警。
10、作为优选，所述实时采集目标复合柔性管道的多参数数据并对所述多参数数据进行预处理，具体包括：
11、将多类别的数据传感器按设定阵型排列组成传感器组并置于目标复合柔性管道的内外，采集温度、应力、应变、腐蚀以及流速流量数据；
12、将实时采集的数据通过信号调理电路传输给微处理器，通过微处理器将信号进行滤除噪声、校正误差、处理丢失或不完整的数据记录、数据格式转换的预处理，再通过无线数据接口将预处理后的数据传输至上位机。
13、作为优选，将所述多参数数据进行标准化处理，以及构建动态更新的多源空间数据库，具体包括：
14、将多参数数据进行筛选和清洗，深层次剔除多参数数据中的错误值和异常值；
15、将多参数数据转换成统一格式；
16、执行数据编码和压缩，并保持多参数数据的完整性和可检索性；
17、将数据加载至多源空间数据库，进行分类和索引。
18、作为优选，所述对目标复合柔性管道进行精细化建模，具体包括：
19、采用高精度扫描方式与siemens nx软件，根据目标复合柔性管道的实际参数创建数字孪生模型，并将监测数据进行可视化展示，其中，所述数字孪生模型用于同步目标复合柔性管道的几何形态、材料属性、结构层次和历史使用数据信息。
20、作为优选，基于数值分析方法并引入cfd和fem数值耦合算法，具体包括：
21、基于流体动力学原理，采用动量守恒方程和连续性方程作为流体运动的基础方程，对基础方程进行离散化，利用有限体积法、有限元法或有限差分法进行求解，模拟流体的流态和流速分布；根据雷诺数选择湍流模型，计算雷诺数并设定层流与紊流的临界值，当雷诺数低于临界值时使用k-εsst湍流模型，当雷诺数高于临界值时使用rng k-ε湍流模型。
22、作为优选，所述对管道的整体结构健康状况进行评估，具体包括：
23、进行管道的单轴拉伸加载试验并作出应变摩尔圆，以临界平面上最大剪应变变幅和最大剪应变折返点间法向应变变程εn按照von-mises准则合成的等效应变计算疲劳损伤程度，基于尚德广多轴应变疲劳模型进行寿命预测。
24、作为优选，所述基于修正后的安全系数模型计算目标复合柔性管道的安全系数，具体包括：
25、修正后的安全系数模型的数学表达式为，
26、
27、式中，csf表示修正后的安全系数，csfbase表示基础安全系数，ci表示第i个条件的修正系数，fi表示第i个因子的风险评估值，其中，c1表示材料性质修正系数，用于反映材料强度变化对安全系数的影响，f1表示材料性质风险评估值，c2表示环境条件修正系数，用于反映海底特定环境条件对管道安全的影响，f2表示环境条件风险评估值，c3表示操作条件修正系数，用于反映管道操作变量对安全系数的影响，f3表示操作条件风险评估值，c4表示加载条件修正系数，用于反映外部负载如海流、海浪等对管道的影响，f4表示加载条件风险评估值，c5表示检测和维护修正系数，用于反映定期检测和维护措施对安全系数的正面影响，f5表示检测和维护风险评估值。
28、一种基于数字孪生的复合柔性管道监测系统，包括数据采集模块、数据管理模块、数字孪生模块和安全预警模块；
29、所述数据采集模块用于实时采集目标复合柔性管道的多参数数据并对所述多参数数据进行预处理；
30、所述数据管理模块用于将所述多参数数据进行标准化处理，执行数据可视化、分析和分类管理，构建动态更新的多源空间数据库；
31、所述数字孪生模块用于对目标复合柔性管道进行精细化建模，构建目标复合柔性管道的数字孪生模型，基于所述多源空间数据库对所述数字孪生模型进行实时更新和状态仿真，确保数字孪生模型与目标复合柔性管道的状态保持同步；还用于基于所述多源空间数据库构建fsi数值仿真模型，对所述fsi数值仿真模型进行网格剖分，基于数值分析方法并引入cfd和fem数值耦合算法，建立管道流固耦合模型，以所述管道流固耦合模型为基础进行求解，执行结构应力和流体动力学响应的仿真分析，评估目标复合柔性管道在特定负载和环境条件下的性能；还用于基于实时监测数据和fsi数值仿真模型的仿真分析结果对管道的整体结构健康状况进行评估，通过预设的安全性能指标和所述仿真分析结果，基于修正后的安全系数模型计算目标复合柔性管道的安全系数；
32、所述安全预警模块用于当计算获得的所述安全系数低于预定阈值时，进行安全预警。
33、作为优选，所述数据采集模块包括传感器子模块、信号处理子模块和无线通信子模块，所述传感器子模块为多类别的数据传感器按设定阵型排列组成的传感器组，所述信号处理子模块包括信号调理电路和微处理器，所述无线通信子模块包括无线传输接口。
34、作为优选，所述多类别的数据传感器包括温度传感器、压力传感器、应变传感器、腐蚀监测探头和流速流量传感器。
35、与现有技术相比，本发明具有以下优点：
36、本发明的一种基于数字孪生的复合柔性管道监测方法，集成数字孪生技术和智能监测，提供对于复合柔性管道更为高效实时的监测与预警能力，通过高精度的实时监测数字孪生模型与fsi数值仿真分析相结合，该方法能够精确判断管道的安全状况，并预测潜在的风险，大大提升了预警的及时性和准确性；
37、本发明的一种基于数字孪生的复合柔性管道监测系统，具有详细的复合柔性管道信息获取能力、较高的灵敏度和多参数监测能力，精细化复现复合柔性管道的结构特征和环境交互效应，提高复合柔性管道的监测精度、数据传输稳定性、降低运营成本以及增强系统整合性。
1.一种基于数字孪生的复合柔性管道监测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的复合柔性管道监测方法，其特征在于：所述实时采集目标复合柔性管道的多参数数据并对所述多参数数据进行预处理，具体包括：
3.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的复合柔性管道监测方法，其特征在于：将所述多参数数据进行标准化处理，以及构建动态更新的多源空间数据库，具体包括：
4.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的复合柔性管道监测方法，其特征在于：所述对目标复合柔性管道进行精细化建模，具体包括：
5.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的复合柔性管道监测方法，其特征在于：基于数值分析方法并引入cfd和fem数值耦合算法，具体包括：
6.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的复合柔性管道监测方法，其特征在于：所述对管道的整体结构健康状况进行评估，具体包括：
7.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的复合柔性管道监测方法，其特征在于：所述基于修正后的安全系数模型计算目标复合柔性管道的安全系数，具体包括：
8.一种基于数字孪生的复合柔性管道监测系统，其特征在于：该系统包括数据采集模块、数据管理模块、数字孪生模块和安全预警模块；
9.根据权利要求8所述的一种基于数字孪生的复合柔性管道监测系统，其特征在于：所述数据采集模块包括传感器子模块、信号处理子模块和无线通信子模块，所述传感器子模块为多类别的数据传感器按设定阵型排列组成的传感器组，所述信号处理子模块包括信号调理电路和微处理器，所述无线通信子模块包括无线传输接口。
10.根据权利要求9所述的一种基于数字孪生的复合柔性管道监测系统，其特征在于：所述多类别的数据传感器包括温度传感器、压力传感器、应变传感器、腐蚀监测探头和流速流量传感器。
