Kalman Filter-based Digital Twin Framework for Anomaly Detection and System Identification of a Pipe Conveying Fluid

Au Québec, 94 % de l’énergie provient de l’hydroélectricité. Or, ce mode de production est confronté à des enjeux croissants : imprévisibilité climatique, acceptabilité sociale limitée pour de nouveaux barrages et vieillissement des turbines. L’intégration de sources énergétiques intermittentes pour varier les modes de production énergétique induit un changement d’opération des turbines hydrauliques. Initialement conçues pour un régime permanent, ces dernières sont soumises à des cycles de charge partielle et des séquences de démarrage/arrêt plus fréquentes. Ces conditions additionnées au vieillissement des machines accentuent les risques de bris causant l’arrêt de production énergétique des turbines. Les stratégies de maintenance périodique actuelles ne permettent pas d’identifier en amont les sources de défaillance. Ainsi, prédire ces défaillances dans les turbines permettrait d’optimiser leur maintenance et de réduire les charges monétaires associées à la perte de la machine et l’arrêt de production énergétique. L’objectif général de ce projet est de développer un cadre d’applications et d’algorithmes pour la construction d’un jumeau numérique des turbines hydrauliques. À partir des données des capteurs, et des formulations mathématiques décrivant la dynamique du système, le jumeau numérique vise à reconstruire une copie digitale de la turbine. Conjointement avec les algorithmes développés, le but est de prédire les sources de défaillances dans le système via l’analyse vibratoire de la machine, l’identification des paramètres mécaniques inconnus et réaliser le suivi tout au long de la vie utile de la machine en temps réel. Construire un jumeau numérique d’une turbine s’avère fastidieux et coûteux d’où l’utilisation du systèmes académiques du tuyau parcouru par un écoulement. Outre sa simplicité, ce tuyau imite les interactions entre l’eau et la structure rencontrées dans une turbine comme l’amortissement ajouté de l’eau, le flottement de la structure, et l’excitation induite par l’écoulement. Aussi, ce montage expérimental permet d’étudier une large gamme dynamique, soit du linéaire au chaos, en variant la vitesse de l’écoulement. Ce modèle largement étudié dans les 70 dernières années a un cadre mathématique décrivant cette dynamique vérifié et validé. Ainsi, l’hypothèse du projet stipule qu’il est possible de transférer le savoir acquis aux turbines hydrauliques en testant notre cadre de jumeau numérique sur le tuyau. Le montage consiste en un tuyau en caoutchouc siliconé et deux caméras évènementielles enregistrant la variation d’intensité lumineuse des pixels du capteur. Ces capteurs produisent un nuage continu de coordonnées des pixels excités dans le temps provenant du mouvement du tuyau.