(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 202210870764.0 (22)申请日 2022.07.22 (71)申请人 三峡大学 地址 443002 湖北省宜昌市西陵区大 学路8 号 (72)发明人 张龙斌　唐波　蔡晨林　刘思煜　 王玥　尚智宇　陈国庆　姚宇珊　 (74)专利代理 机构 宜昌市三峡专利事务所 42103 专利代理师 易书玄 (51)Int.Cl. G01M 5/00(2006.01) G06F 30/13(2020.01) G06F 17/16(2006.01) G06Q 10/00(2012.01) (54)发明名称 一种基于数字孪生的无接触式杆塔挠度监 测系统 (57)摘要 一种基于数字孪生的无接触式杆塔挠度监 测系统， 其特征在于： 由物理测量平台、 虚拟测量 平台、 虚实数据集成器及测量监控平台4个子系 统组成， 本发 明提供一种基于数字孪生的无接触 式杆塔挠度监测系统， 具有以下优点： 1、 通过数 字孪生技术能实时监测杆塔偏挠状态， 对杆塔安 全提供了很 大保障； 2、 无接触式测量节省了 人力 物力， 大幅度减提高了工作效率保障了监测施工 人员的安全。 权利要求书2页 说明书6页 附图2页 CN 115165266 A 2022.10.11 CN 115165266 A 1.一种基于数字孪生的无接触式杆塔挠度监测系统， 其特征在于： 由物 理测量平台、 虚 拟测量平台、 虚实数据集成器及测量 监控平台4个子系统 组成， 物理测量平台利用高度传感器、 距离传感器、 倾角传感器、 工业相机监测杆塔的实时状 态， 以PLC作为物理测量平台控制系统， 通过 预留数据接口实现远程数据传输； 虚拟测量平台包括杆塔模型、 测量系统、 辅助测量系统， 杆塔模型由物 理测量平台映射 而来， 通过物理测量平台与虚拟测量平台有机结合体现出 数字孪生的特点； 虚实数据集成器将物 理测量平台产生的实时数据进行采样储存到数据库中， 数据库中 的数据驱动虚拟测量平台运行； 测量监控平台由系统管理模块、 测量控制模块、 测量监控模块、 数据管理模块组成， 当 杆塔挠度超过设定值后， 系统自动报警， 从而方便技 术人员对杆塔进行检修。 2.根据权利要求1所述一种基于数字孪生的无接触式杆塔挠度监测系统， 其特征在于： 所述所述虚拟测量平台数据由物理平台实际测量映射而来， 在虚拟平台中对杆塔的挠度进 行测量， 其测量数据模型统一定义 为： DMwl＝(DMls∪DMyy)                        (1) 其中， DMwl为物理平台杆塔测量过程中的数字模型， DMls为虚拟测量平台孪生的杆塔数 字模型， DMyy为杆塔竣工时的数字模型； 虚拟测量平台 中测量系统 统一定义 为： DMls＝{Functi onM,MInterface,MService}                (2) 其中， FunctionM表示虚拟数字空间中杆塔的功能模型， 根据杆塔的实际受力情况建立 与之对应的功能模 型， 一比一真实模拟杆塔工作情况； MInterface表示虚实通讯接口， 采用 PLC接口、 测量设备数据接口、 虚拟平台与 实体进行数据交互， 以达到数据交互和实时数据 驱动的目的； MService表示虚拟监测服务功能模型， 系统的有机连接和运作包括实现测量 设备的功能、 处 理信号、 监测杆塔模型 行为、 限制杆塔过度偏挠 规则， DMyy＝{StructY,YI nterface,YService}                  (3) 其中， StructY为杆塔的三维几何模型， YInterface为物理测量平台与虚拟测量平台的 数据接口， YService为杆塔 状态预演模式； 虚拟测量平台的数字空间与物理测量平台的实体空间的映射是进行数据融合和交互 的基础， 并在此基础上进一步构建了实体信息的虚实映射关系和融合机制， 以克服 目前实 体与虚拟空间信息的异步、 一 致性差的问题； 虚拟测量平台的数字空间定义 为： CS＝SY∪SL                               (4) SY＝{DMyy1,DMyy2,DMyy3}                        (5) SL＝{DMls1,DMls2,DMls3}                        (6) 其中， CS表示虚拟测量平台的数字空间， SY、 SL为数字空间和 物理空间DMyy、 DMls对应的 数字模型的集 合。 3.根据权利要求1所述一种基于数字孪生的无接触式杆塔挠度监测系统， 其特征在于： 杆塔的挠度测量包括以下步骤， 通过物理测量平台， 将测量数据远程传输至虚拟测量平台； 首先考虑杆塔的水平 位移， 在虚拟空间中杆塔上一个测量点a由(x1,y1,z1)移动到测量点a ′ (x2,y2,z2)， 这个测量点在x轴、 y轴、 z轴的变化量分别为 △x、△y、△z， 整个移动过程， 用坐 标变换矩阵描述 为：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115165266 A 2式中， x1为测量点a沿x轴方向的水平距离， y1为测量点a沿y轴方向的水平距离， z1为测 量点a沿z轴方向的水平距离， x2为偏移后的测量点a ′沿x轴方向的水平距离， y2为偏移后的 测量点a′沿y轴方向的水平距离， z2为偏移后的测量点a ′沿z轴方向的水平距离， △x为x1与 x2之间沿x轴方向水平距离的差值， △y为y1与y2之间沿y轴方向水平距离的差值， △z为z1与 z2之间沿z轴方向水平 距离的差值。 4.根据权利要求3所述一种基于数字孪生的无接触式杆塔挠度监测系统， 其特征在于： 杆塔挠度还需要考虑弯曲位移假设测量点a起始角度为( α1, β1,γ1)旋转到a ′点后角度变为 ( α2, β2,γ2)， 这个测量点在x轴、 y轴、 z轴的旋转角度 分别为△α、△β、△γ， 整个移动 过程， 用坐标变换矩阵描述 为： 式中， α1为测量点a沿x轴的角度， β1为测量点a沿y轴的角度， γ1为测量点a沿z轴的角 度， α2为偏移后的测量点a ′沿x轴的角度， β2为偏移后的测量点a ′沿y轴的角度， γ2为偏移后 的测量点a′沿z轴的角度， △α 为α1与α2之间沿x轴角度的差值， △β 为β1与β2之间沿y轴角度 的差值，△γ为γ1与γ2之间沿z轴角度的差值。 5.根据权利要求3或4所述一种基于数字孪生的无接触式杆塔挠度监测系统， 其特征在 于： 为了便于监测在虚拟测量平台中需要对孪生的杆塔进行缩放， 缩放时要按照比例进行， x轴、 y轴、 z轴同时缩放， 若缩放比例为K， 可用矩阵表示 为： 式中， K为缩放比例。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115165266 A 3