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天然气能量计量逆向混合建模数字孪生系统

刘彬 钟璐 冯全源 陈毅红

刘彬, 钟璐, 冯全源, 陈毅红. 天然气能量计量逆向混合建模数字孪生系统[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT260289
引用本文: 刘彬, 钟璐, 冯全源, 陈毅红. 天然气能量计量逆向混合建模数字孪生系统[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT260289
LIU Bin, ZHONG Lu, FENG Quanyuan, CHEN Yihong. An Inverse-Hybrid-Modeling Digital Twin System for Natural Gas Energy Metrology[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT260289
Citation: LIU Bin, ZHONG Lu, FENG Quanyuan, CHEN Yihong. An Inverse-Hybrid-Modeling Digital Twin System for Natural Gas Energy Metrology[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT260289

天然气能量计量逆向混合建模数字孪生系统

doi: 10.11999/JEIT260289 cstr: 32379.14.JEIT260289
基金项目: 国家自然科学基金重点项目(62531021),四川省中央高校及科研院所科技成果转化项目(2025ZHCG0008)
详细信息
    作者简介:

    刘彬:硕士研究生(博士在读),工程师,成都市产业建圈强链人才获得者,主要研究方向物联网、智慧能源与智能制造等

    钟璐:硕士研究生,工程师,主要研究方向为物联网和智能制造等

    冯全源:教授,四川省科技领军人才,主要研究方向集成电路设计、射频识别(RFID)、物联网等

    陈毅红:教授,主要研究方向射频识别(RFID)、物联网以及人类活动识别等

    通讯作者:

    冯全源 fengquanyuan@swjtu.edu.cn

  • 中图分类号: TP391.9; TN99

An Inverse-Hybrid-Modeling Digital Twin System for Natural Gas Energy Metrology

Funds: The Project supported by the National Natural Science Foundation of China, (62531021), Sichuan Province Central Universities and Research Institutes Science and Technology Achievement Transformation Project, (2025ZHCG0008)
  • 摘要: 针对传统天然气能量计量方法在复杂工况下存在动态响应延迟、参数辨识困难、物理简化过度及抗干扰能力弱等问题,该文提出一种基于逆向混合建模的天然气能量计量数字孪生系统。系统以“算法-系统-场景”3层级架构为核心,整合热值、流量、能量机理模型与多源实时数据流,引入变分自编码器(VAE)实现无监督工况特征挖掘,结合动态贝叶斯网络与变分期望最大化(VEM)系统校准构建参数自矫正循环,解决传统模型对海量标注数据的依赖。集成超声波流量计、气相色谱仪等工业级设备,保障数据实时传输与闭环控制。覆盖动态压力波动、含氢混合气、多气源切换等核心工况,确保模型与实际应用高度适配。通过全尺寸工业级实验平台25周连续验证,结果表明,系统运行延迟≤3.8 s,应用层端到端延迟抖动≤0.5 s,单设备日均能耗≤1.2 kW·h,平均无故障工作时间(MTBF)≥4 100 h,能量计量误差≤0.25%,热值误差≤0.12%,流量示值误差≤0.2%。同时,系统通过工业以太网加密与权限分级控制满足安全需求,为智能管网优化与标准化集成提供工程支撑。
  • 图  1  天然气超声波流量计计量原理图

    图  2  时差式超声波流量计原理图

    图  3  VAE网络结构示意图

    图  4  数字孪生架构

    图  5  数字孪生实施流程图

    图  6  “算法-系统-场景”3层级混合建模架构图

    图  7  天然气能量计量实验平台原理

    图  8  能量计量实验平台

    图  9  天然气能量计量数字孪生平台

    图  10  压缩因子计算的不确定度范围

    图  11  天然气流量测量示值误差

    图  12  天然气周发热量

    图  13  天然气周发热量标准偏差

    表  1  基础参数与符号定义

    符号 定义 单位
    Z 天然气混合气体压缩因子(无量纲) -
    Zj 组分j的压缩因子 -
    bj 组分j的求和因子(bj=1–Zj) -
    ρm 摩尔密度 kmol/m3
    Hs 计量参比条件下高位发热量,30≤Hs≤45 MJ/m3
    d 相对密度(空气=1, 20℃, 101.325 kPa),0.55≤d≤0.80 -
    $x_{{\rm{CO}}_2} $ 气体混合物中不可燃的非烃组分含量,即CO2的摩尔分数,0≤$x_{{\rm{CO}}_2} $≤0.20 -
    $ x_{{\mathrm{H}}_2} $ 气体混合物中可燃的非烃组分含量即H2的摩尔分数,0≤$x_{{\mathrm{H}}_2} $≤0.10 -
    p 绝对压力,0≤p≤12 MPa
    T 热力学温度,263≤T≤338 K
    B 第2维利系数,为Hs, d, $ x_{{\mathrm{CO}}_2} $, $x_{{\mathrm{H}}_2} $, T的函数 m3/kmol
    C 第3维利系数,为Hs, d, $ x_{{\mathrm{CO}}_2} $, $x_{{\mathrm{H}}_2} $, T的函数 m6/kmol2
    R 摩尔气体常数,R=0.008 314 510 MJ/(kmol·K)
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    表  2  计量参比条件(20℃, 101.325 kPa)下天然气中常见组分的摩尔质量及物性参数

    序号 组分 摩尔质量
    Mj (kg/kmol)
    理想体积发热量
    $ \tilde{H}_{j}^{0} $(MJ/m3)
    理想摩尔发热量
    $ \overline{H}_{j}^{0} $(MJ/kmol)
    理想质量发热量
    $ \hat{H}_{j}^{0} $(MJ/kg)
    压缩因子
    Zj
    求和因子
    $ \sqrt{{b}_{j}} $
    1 甲烷 C1 16.043 37.044 891.09 55.545 0.9981 0.0436
    2 乙烷 C2 30.070 64.91 1561.41 51.93 0.9920 0.0894
    3 丙烷 C3 44.097 92.29 2220.13 50.35 0.9834 0.1288
    4 正丁烷 n-C4 58.123 119.66 2878.57 49.53 0.9682 0.1783
    5 异丁烷 i-C4 58.123 119.28 2869.38 49.37 0.9710 0.1703
    6 正戊烷 n-C5 72.150 147.04 3537.17 49.03 0.9450 0.2345
    7 异戊烷 i-C5 72.150 146.76 3530.24 48.93 0.9530 0.2168
    8 新戊烷 Neo-C5 72.150 146.16 3516.01 48.73 0.9590 0.2025
    9 己烷 C6 86.177 174.46 4196.58 48.70 0.9190 0.2846
    10 氮气 N2 28.0135 0 0 0 0.9997 0.0173
    11 氦气 He 4.0026 0 0 0 1.0005 0.0000
    12 二氧化碳 CO2 44.010 0 0 0 0.9650 0.1871
    13 氢气 H2 2.0159 11.889 285.99 141.87 1.0006 0.0051
    14 硫化氢 H2S 34.082 23.37 562.19 16.50 0.9900 0.1000
    15 水 H2O 18.0153 1.84 44.224 2.45 0.9520 0.2191
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    表  3  纯气体第二维利系数和非同类交互作用维利系数温度展开式中b(0), b(1), b(2)的数值

    ij b(0) b(1) b(2)
    CH H0 4.25468×10–1 2.86500×10–3 4.62073×10–6
    CH H1 8.77118×10–4 5.56281×10–6 8.81510×10–9
    CH H2 8.24747×10–7 4.31436×10–9 6.08319×10–12
    N2 22 1.44600×10–1 7.40910×10–4 9.11950×10–7
    CO2 33 8.68340×10–1 4.03760×10–3 5.16570×10–6
    H2 44 1.10596×10–3 8.13385×10–5 9.87220×10–8
    CO 55 1.30820×10–1 6.02540×10–4 6.44300×10–7
    CH+N2 12 y = 0.72 + 1.875 × 10–5 (320 – T)2
    CH+CO2 13 y = –0.865
    CH+H2 14 5.21280×10–2 2.71570×10–4 2.50000×10–7
    CH+CO 15 6.87290×10–2 2.39381×10–6 5.18195×10–7
    N2+CO2 23 3.39693×10–1 1.161176×10–3 2.04429×10–6
    N2+H2 24 1.20000×10–2 0 0
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    表  4  基于验证集的不同扰动幅度下校准前后模型预测精度对比

    VAE工况模式 扰动幅度 评估指标 校准前值 校准后值 提升率 (%)
    稳态(C0) 1% NRMSE 0.0150 0.0080 46.67
    MAPE 0.0200 0.0120 40.00
    R² 0.9850 0.9920 0.71*
    鲁棒性 82% 98% 19.51
    2 Hz流速波动(C2) 2% NRMSE 0.0300 0.0150 50.00
    MAPE 0.0350 0.0180 48.57
    R² 0.9750 0.9880 1.33*
    鲁棒性 75% 96% 28.00
    含氢10%(C4) 5% NRMSE 0.0500 0.0200 60.00
    MAPE 0.0650 0.0300 53.85
    R² 0.9500 0.9800 3.16*
    鲁棒性 60% 92% 53.33
    注:R²提升率计算方式为 $ \frac{\text{校准后}{R}^{2}\text{-校准前}{R}^{2}}{\text{1-校准前}{R}^{2}}×100\% $,更能反映对未解释方差的改善程度,结果分别为 46.67%, 52.00%, 60.00%。NRMSE和MAPE的提升率计算方式为 $ \frac{\text{校准前值-校准后值}}{\text{校准前值}}×100\% $。
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    表  5  工业现场对比测试

    指标 色谱分析法 声速关联法 本系统
    热值误差(%) ±0.2 ±1.8* ±0.12
    流量示值误差(%) ±0.45 ±0.8 ±0.2
    能量计量误差(%) ±0.5 ±1.9 ±0.25
    流量动态
    响应速度(s)
    60~120 40 3.8
    多气源切换适应性 需人工校准 失效 自动切换
    含氢工况适配性 需手动调整 含氢>5% VAE 自动识别+
    参数自适应
    系统校准频次 2次/周 1次/周 1次/月
    鲁棒性(%) ±0.5 ±1.9 ±0.25
    资源消耗(kW·h) 1.8 1.9 1.2
    数据传输稳定性 抖动≤2 s 抖动≤5 s 抖动≤0.5 s
    安全性 基础加密 无独立加密机
    制,依赖现场
    网络隔离防护
    工业以太网加密+
    权限分级(上位机)
    *注:含氢>5%时,声速关联法的热值误差急剧增大。流量动态响应速度定义为“从流量/组分变化发生 → 上位机能量数值首次稳定输出”的时间。本系统的热值误差为25周连续测试中95%置信区间的最大偏差。数据传输稳定性测试的是应用层端到端延迟抖动,包含了数据采集、预处理、模型计算等环节的排队延迟变化。
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出版历程
  • 收稿日期:  2026-03-16
  • 修回日期:  2026-04-22
  • 录用日期:  2026-04-23
  • 网络出版日期:  2026-05-23

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