(19)国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202210608231.5 (22)申请日 2022.05.31 (71)申请人 郑州轻工业大学 地址 450002 河南省郑州市金水区东风路5 号 (72)发明人 肖艳秋　蔡一洲　孙春亚　崔光珍　 王鹏鹏　贺振东　张旭帮　张伟利　 路华　禹建坤　 (74)专利代理机构 郑州豫开专利代理事务所 (普通合伙) 41131 专利代理师 朱俊峰　田文举 (51)Int.Cl. E21D 9/06(2006.01) E21F 17/00(2006.01) G06F 30/13(2020.01)G06F 30/23(2020.01) G06F 30/27(2020.01) G06N 3/08(2006.01) G06T 17/20(2006.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/08(2020.01) (54)发明名称 一种基于数字孪生的泥水环流实验系统及 方法 (57)摘要 一种基于数字孪生的泥水环流实验系统，包 括泥水环流物理实验平台、泥水环流虚拟实验平 台、泥水环流数字孪生一体化系统和泥水盾构环 流系统物理实体，泥水环流虚拟实验平台与泥水 环流物理实验平台虚实交互连接，泥水环流数字 孪生一体化系统分别与泥水环流物理实验平台、 泥水环流虚拟实验平台和泥水盾构环流系统物 理实体信号连接。本发明将数字孪生与盾构机泥 水环流系统结合，不仅可以充分研究泥水环流系 统内复杂多变难以观测的运行状态，为泥水环流 系统升级优化提供理论支撑，还可以有效监测、 预警、解决盾构机掘进过程中泥水环流系统出现 的故障问题，提升泥水盾构运行效率与安全性， 节约施工成本，对学术研究领域和实际工程问题 均具有重要价值。 权利要求书4页 说明书9页 附图3页 CN 114961754 A 2022.08.30 CN 114961754 A 1.一种基于数字孪生的泥水环流实验系统，其特征在于：包括泥水环流物理实验平台、 泥水环流虚拟实验平台、泥水环流数字孪生一体化系统和泥水盾构环流系统物理实体，泥 水环流虚拟实验平台与泥水环流物理实验平台虚实交互连接，泥水环流数字孪生一体化系 统分别与泥水环流物理实验平台、泥水环流虚拟实验平台和泥水盾构环流系统物理实体信 号连接； 泥水环流物理实验平台模拟泥水盾构环流系统物理实体的结构，并将实验参数实时传 递给泥水环流数字孪生一体化系统； 泥水环流数字孪生一体化系统汇总筛选泥水盾构环流系统物理实体的结构参数及实 时运行参数信息，同时根据泥水环流物理实验平台的物理模型生成数字孪生模型并进行虚 拟仿真优化； 泥水环流虚拟实验平台系统是由泥水环流物理实验平台在虚拟空间中所映射的数字 孪生体，泥水环流虚拟实验平台系统获取泥水环流数字孪生一体化系统的虚拟仿真优化后 的泥水环流系统结构及运行参数，再对泥水环流在虚拟空间内进行运行模拟； 泥水盾构环流系统物理实体中安装有用于实时监测收集真实工况下泥水盾构环流系 统物理实体运行参数信息的压力传感器、流量传感器、黏度传感器和密度传感器。 2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的泥水环流实验系统，其特征在于：泥水环流物 理实验平台包括第一水泥台座、第二水泥台座、立式碳钢蓄浆罐、渣浆泵、透明有机玻璃实 验模块管道和变频控制柜，第一水泥台座位于第二水泥台座的右后侧，立式碳钢蓄浆罐的 底部通过支架固定在第一水泥台座上，渣浆泵固定在第二水泥台座上，透明有机玻璃实验 模块管道前低后高倾斜设置在立式碳钢蓄浆罐的右侧，透明有机玻璃实验模块管道的后端 高于立式碳钢蓄浆罐的顶部，立式碳钢蓄浆罐的底部出水口与渣浆泵的抽水口通过第一泥 水管路连接，渣浆泵的出水口与透明有机玻璃实验模块管道的前端通过第二泥水管道连 接，透明有机玻璃实验模块管道的后端与立式碳钢蓄浆罐的顶部进水口通过第三泥水管道 连接，立式碳钢蓄浆罐、渣浆泵、第一泥水管路、第二泥水管道、透明有机玻璃实验模块管道 和第三泥水管道首尾连接形成闭环流道，第二泥水管道在临近透明有机玻璃实验模块管道 的前端的位置沿流体流动方向依次设置有第一电磁压力计、第一电子流量计和进料管道， 进料管道竖直连接在第二泥水管道的上部，进料管道上安装有两个上下间隔设置的电动蝶 阀，第三泥水管道在临近透明有机玻璃实验模块管道的后端的位置沿流体流动方向依次设 置有第二电磁压力计和第二电子流量计，透明有机玻璃实验模块管道上安装有用于拍摄其 内部流动情况的高速流场摄像机，泥水环流数字孪生一体化系统分别与第一电磁压力计、 第一电子流量计、第二电磁压力计、第二电子流量计和高速流场摄像机信号连接，变频控制 柜与渣浆泵信号连接。 3.根据权利要求2所述的基于数字孪生的泥水环流实验系统，其特征在于：第一泥水管 路、第二泥水管路和第三泥水管路均采用钢衬聚酯氨材料制成。 4.根据权利要求3所述的基于数字孪生的泥水环流实验系统，其特征在于：泥水环流虚 拟实验平台系统包含数字体模块、数据模块和第一知识模块： 数字体模块是根据泥水环流物理实验平台的实体皮肤模型所对应在虚拟空间中的数 字存储，数字体模块在虚拟空间内拥有与物理实体相同的物理属性； 数据模块为物理实验与仿真历史数据存储模块，数据模块通过云存储形式上传云端，权　利　要　求　书 1/4页 2 CN 114961754 A 2便于随时调用； 第一知识模块包含专家知识以及泥水环流物理实验平台所有设备零件的物理信息。 5.根据权利要求4所述的基于数字孪生的泥水环流实验系统，其特征在于：泥水环流数 字孪生一体化系统包含第二知识模块、仿真模块和优化模块： 第二知识模块包括专家知识、物理信息、云端存储、故障收集、辅助决策的功能信息； 仿真模块利用前沿仿真技术，基于数字体模块与泥水环流物理实验平台进行实时虚拟 仿真； 优化模块采用智能优化算法对实验数据以及仿真数据进行优化处理并加以分析验证， 指导泥水环流物理实验平台下一步实验或泥水盾构环流系统物理实体的参数设置。 6.一种基于数字孪生的泥水环流实验方法，其特征在于：采用如权利要求5所述的基于 数字孪生的泥水环流实验系统进行实验，按以下步骤进行： S1、在泥水盾构环流系统物理实体中安装压力传感器、流量传感器、黏度传感器和密度 传感器，压力传感器、流量传感器、黏度传感器和密度传感器实时监测收集真实工况下泥水 盾构环流系统物理实体运行参数信息，通过泥水环流数字孪生一体化系统汇总筛选泥水盾 构环流系统物理实体的结构参数及实时运行参数信息 S2、搭建泥水环流物理实验平台，并进行泥水环流实验； S3、泥水环流虚拟实验平台系统在虚拟空间内根据泥水环流物理实验平台的物理模 型，生成与泥水环流物理实验平台的物理空间实际尺寸结构对应的虚拟空间三维模型，即 数字孪生模型； S4、泥水环流数字孪生一体化系统对数字孪生模型进行虚拟仿真和优化，得到仿真智 能优化后的泥水环流结构以及运行参数； S5、在泥水环流虚拟实验平台系统中输入仿真智能优化后的泥水环流结构以及运行参 数，再一次对泥水环流在虚拟空间内进行运行模拟，实时监控运行状态并预警故障，依照虚 拟实验平台优化数据通过泥水环流物理实验平台再次进行泥水环流实验，将实验数据与预 测数据进行对比，如若达到预期则输出泥水环流物理实验平台运行参数指导泥水盾构环流 系统物理实体下一环运行，并且第一知识模块通过数据融合建立泥水环流一体化系统运行 参数知识库；如若未达到预期，则重复步骤S2～S4；综合当前优化参数与历史知识模块得到 泥水环流运行最优参数指导泥水盾构环流系统物理实体运行，辅助工程师排除泥水盾构环 流系统物理实体运行故障，保障盾构机安全、高效掘进。 7.根据权利要求6所述的一种基于数字孪生的泥水环流实验方法，其特征在于：步骤S2 具体为： S2.1、根据设计图纸搭建泥水环流物理实验平台； S2.2、配置所需的泥浆，将配置完成的泥浆加入立式碳钢蓄浆罐内； S2.3、打开变频控制柜电源，并打开立式碳钢蓄浆罐底部出水口的节流阀； S2.4、启动渣浆泵，并通过变频控制柜调节渣浆泵的转速，使渣浆泵的转速达到实验所 需泥浆速度要求，则泥浆在由立式碳钢蓄浆罐、渣浆泵、第一泥水管路、第二泥水管道、透明 有机玻璃实验模块管道和第三泥水管道首尾连接形成的闭环流道中流动，通过透明有机玻 璃实验模块管道观察并等待泥浆稳定流动； S2.5、打开上侧的电动蝶阀，向进料管道中加入配置好的泥浆渣石颗粒混合溶液，然后权　利　要　求　书 2/4页 3 CN 114961754 A 3