[发明专利]一种基于数字孪生的海上升压站导管架基础腐蚀预测方法及系统

权利要求书

1.一种基于数字孪生的海上升压站导管架基础腐蚀预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)，通过金属腐蚀实验获得多组目标金属电阻值及目标金属电阻值对应腐蚀量，基于金属腐蚀实验所得到的数据采用非线性回归算法，建立腐蚀状态数学模型；

步骤(2)，测量得到海上升压站导管架基础上各测量点处金属电阻实时数据；

步骤(3)，将测量到的金属电阻值实时数据代入腐蚀状态数学模型，得到各测量点处金属腐蚀量的大小，并导入数据库；

步骤(4)，基于数据库和腐蚀状态数学模型，建立腐蚀数字孪生模型；

步骤(5)，利用腐蚀数字孪生模型评估导管架基础腐蚀等级；根据导管架基础腐蚀量，将导管架基础腐蚀程度划分为轻微腐蚀、中度腐蚀、重度腐蚀和严重腐蚀四个等级；

步骤(6)，及时输出导管架基础腐蚀等级，完成对海上升压站导管架基础腐蚀状况的评估和预测；根据监测点的定位找到腐蚀区域，按评估结果完成对该区域的维护保养或者修复。

2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的海上升压站导管架基础腐蚀预测方法，其特征在于，导管架基础上测量点的设定规则如下：

对于导管架基础处于全浸区的部位，自下往上相邻两测量点之间的距离成等差数列布置；

对于导管架基础处于海洋大气区、浪溅区、潮差区的部位，相邻测量点之间等间距布置。

3.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的海上升压站导管架基础腐蚀预测方法，其特征在于，采用非线性回归算法建立腐蚀状态数学模型的方法为：

S1，通过金属腐蚀实验获得多组实验数据，实验数据为目标金属电阻值及目标金属电阻值对应腐蚀量；

S2，对S1所得到的实验数据进行校正，消除系统误差；

S3，基于S2中校正处理后的数据，利用非线性回归算法构建拟合函数模型；采用牛顿迭代法进行求解，得到拟合函数曲线。

4.根据权利要求3所述的一种基于数字孪生的海上升压站导管架基础腐蚀预测方法，其特征在于，S3中采用牛顿迭代法进行求解的过程如下：

S3.1，基于遗传算法，对牛顿迭代法的初始值进行优化；先构造一个适应度函数f(x_i)，在牛顿迭代法的计算中选取一组候选点参与迭代，计算结果误差最小的候选点作为牛顿迭代法的初始值；

S3.2，非线性回归模型表示为：

y_i＝f(x_i，r)+ε_i i＝1，2，...n (1)

其中，y_i为线性回归模型的因变量，n是变量i的总数，r为待估回归系数，r＝(r₀，r₁，Λ，r_p-1)′，r₀，r₁，r_p-1分别为矩阵的元素，Λ为省略符号；误差项ε_i～N(0，σ²)，σ为标准差；设为待估回归系数的r初始值，将式f(x_i，r)在g⁰点附近作泰勒展开，并略去非线性回归模型的二阶及二阶以上的偏导数项，得下式

其中，r_k为第k个待估回归系数，k＝0、1、...、p-1；是r_k对应的初始值；

将(2)式代入(1)式，得到：

令：

其中，为残差；f(x_i，g⁽⁰⁾)是f(x_i，r)在g⁰点附近作泰勒展开；

则：

用矩阵形式表示，上式则为：

Y⁽⁰⁾≈D⁽⁰⁾B⁽⁰⁾+ε (3)

其中：Y⁽⁰⁾为元素是的矩阵；D⁽⁰⁾为元素是的矩阵；B⁽⁰⁾为元素是的矩阵；为Y⁽⁰⁾的矩阵形式，表示为为D⁽⁰⁾的矩阵形式，表示为为B⁽⁰⁾的矩阵形式，表示为

S3.3，用最小平方法对式(3)估计修正因子B⁽⁰⁾，则：

b⁽⁰⁾＝(D⁽⁰⁾D⁽⁰⁾)^-1D⁽⁰⁾Y⁽⁰⁾ (4)

其中，b⁽⁰⁾为修正因子，设g⁽¹⁾为第一次迭代值，则：g⁽¹⁾＝g⁽⁰⁾+b⁽⁰⁾；

S3.4，精确度的检验，设残差平方和为：s为重复迭代次数，对于给定的允许误差率K，当时，则停止迭代；否则，对(4)式作下一次迭代；

S3.5，重复迭代；重复(4)式，当重复迭代s次时，则有：

修正因子：b^(s)＝(D^(s)D^(s))^-1D^(s)Y^(s)

第(S+1)次迭代值：g^(s+1)＝g^(s)+b^(s)。