基于元宇宙的质子交换膜燃料电池教学实验平台

本发明涉及属于元宇宙，具体涉及一种基于元宇宙的质子交换膜燃料电池教学实验平台。

背景技术：

1、目前我国新能源领域尤其是质子交换膜燃料电池领域的专业人才培养严重短缺。而由于设备成本和时间成本的限制，相关实验与实际需求脱节，广大质子交换膜燃料电池研究人员进行燃料电池相关实验动手操作的机会却越来越少，相关的实验仅仅是简单的电动势测定等验证实验，相关电池组装、仪器操作等简单的演示实验，这种现象严重制约了创新意识及高素质人才的培养：另一方面，研究生阶段的学术要求和相关企业对人才的要求越来越高。

2、现有实验教学平台，关于燃料电池相关的实验成本较高，真实实验环境具有高危险性，虚拟实验展示手段单一且模型参数更新不及时，因此，已无法满足人才培养的需求，在燃料电池实验领域，深度结合专业知识，开展指导型实验和探究型实验对燃料电池相关人才培养尤为重要。

技术实现思路

1、本发明提出了一种基于元宇宙的质子交换膜燃料电池教学实验平台，以解决传统的教学方法和实验模式实验成本较高，真实实验环境危险性高，虚拟实验展示手段单一且模型参数更新不及时的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于元宇宙的质子交换膜燃料电池教学实验平台，其特殊之处在于，包括硬件终端模块、燃料电池数据采集模块、燃料电池实验场景模拟模块和云计算模块；

3、所述燃料电池数据采集模块，用于采集真实实验室场景数据和实体燃料电池数据，并上传至所述云计算模块；

4、所述燃料电池实验场景模拟模块，用于基于所述真实实验室场景数据在元宇宙中进行实验室渲染；基于所述实体燃料电池数据在元宇宙中构建数字燃料电池；基于所述云计算模块与燃料电池数据采集模块进行通信，以对所述数字燃料电池的参数进行更新；

5、所述硬件终端模块，用于显示元宇宙画面，下达实验操作指令对数字燃料电池进行操作并进行实时仿真分析得到实验数据；

6、所述云计算模块，用于各个模块之间的连接、数据处理和数据传输。

7、优选地，所述实体燃料电池数据包括氢气高压端压力、氢气进气端压力、氢气进端湿度、氢气进端流量、反应堆温度、氢气进气端压力、空气流量、水流量、电流和电压的数据。

8、优选地，构建数字燃料电池的方法为：基于实体燃料电池数据，采用基于大数据模型的数字孪生建模方法，并通过黑盒建模的方式，在元宇宙中构建输入和响应的关联关系模型。

9、优选地，所述云计算模块进行数据传输采用ssl证书进行鉴别和加密，所述ssl证书协议包括握手协议和记录协议；

10、所述握手协议，用于第一次交互并通过数字证书进行身份验证，身份确认无误后，再确定加密方法进行加密；

11、所述记录协议，用于所述握手协议身份确认无误后，对文本内容进行加密和传输。

12、优选地，所述加密和传输包括以下步骤：

13、步骤s101：云计算模块与待传输数据的客户端双方均生成一对rsa秘钥，各自保管好私钥，将公钥给对方；

14、步骤s102：云计算模块使用随机函数生成aes加密要用的key；

15、步骤s103：云计算模块使用步骤s102生成的key对要传输的数据用aes进行加密；

16、步骤s104：云计算模块使用客户端给的公钥对生成的随机key进行加密；

17、步骤s105：云计算模块将使用aes加密的数据以及使用客户端给的公钥加密的随机key一起发送给客户端；

18、步骤s106：客户端拿到云计算模块发送的数据后，先使用客户端的私钥对加密的随机key进行解密，然后使用解密成功的随机key对使用aes加密的数据进行aes解密，获得最终的数据。

19、优选地，所述燃料电池实验场景模拟模块还包括安全教育模块、用户管理模块、设备介绍模块、指导型实验模块和探究型实验模块；

20、所述安全教育模块，用于进行燃料电池实验室安全教育，完成安全教育学习内容后并通过安全教育测试后进行实验；

21、所述用户管理模块，用于记录用户数据，并提供历史实验数据及实验存档；

22、所述指导型实验模块，用于通过预置实验内容，设置实验步骤指导、语音提示和实验总结，使平台使用者按照既定方法和既定仪器完成全部实验过程，巩固基本的燃料电池理论知识，培养基本的燃料电池实验能力；

23、所述探究型实验模块包括空压机模型、供给管道模型、回流管道模型、加湿器模型、阴极通道模型和阳极通道模型，用于对数字燃料电池进行实验模拟、实验推演、自动观测和数据整理。

24、优选地，所述实验内容，包括燃料电池膜电极制备演示实验、燃料电池组装演示实验和燃料电池工作原理演示实验。

25、优选地，所述燃料电池实验场景模拟模块对数字燃料电池的参数进行更新的方法包括以下步骤：

26、步骤s201：所述燃料电池实验场景模拟模块对云计算模块发送数据采集指令；

27、步骤s202：所述云计算模块将所述数据采集指令发送给所述燃料电池数据采集模块；

28、步骤s203：所述燃料电池数据采集模块对实体燃料电池进行数据采集，并将采集的数据通过云计算模块发送给燃料电池实验场景模拟模块；

29、步骤s204：所述燃料电池实验场景模拟模块对采集的数据进行判断，当采集的数据与现有数据的差别大于设定阈值时，则对所述数字燃料电池的参数进行更新。

30、优选地，步骤s204中对所述数字燃料电池的参数进行更新的方法包括以下步骤：

31、步骤s301：对质子交换膜燃料电池数学模型进行分析，确定待辨识参数；

32、步骤s302：对所述待辨识参数设定搜索范围，并在所述搜索范围内生成n个初始解；

33、步骤s303：基于准反射学习机制，生成n个反射解；

34、步骤s304：计算所述初始解和反射解的代价函数值，并进行排序，选择最优解xbest进行后续步骤；

35、步骤s305：随机选择最优解xbest中的解执行步骤s306进行更新，未选择的部分则执行步骤s307进行更新；

36、步骤s306：采用蝠鲼觅食优化算法中的链式觅食进行更新；

37、步骤s307：进行随机选择，一部分采用以下公式进行更新：

38、；

39、；

40、式中，t表示当前迭代次数，为第i个个体中第j维在t时刻的位置，为第i-1个个体中第j维在t时刻的位置，为t时刻最优个体所在位置；为t+1时刻最优个体所在位置；为权重系数，tmax表示最大迭代次数，，npop表示种群数量，nvar表示个体维度数量，r表示0到1的均匀随机数。

41、另一部分采用以下公式进行更新：

42、；

43、步骤s308：对更新后解，随机选取待辨识参数进行变异，并计算代价函数值，进行排序，保留前m个解；

44、步骤s309：循环执行步骤s305至步骤s308，直到打到最大迭代次数，得到最优解，以获取待识别待辨识参数，对数字燃料电池的参数进行更新。

45、优选地，计算代价函数值ssd的表达式为：

46、；

47、式中，为设定电流下原始电压数据，为对应电流下模拟电压数据，k表示数据索引，n表示原始数据总数。

48、本发明的有益效果至少包括：通过燃料电池数据采集模块采集燃料电池动态参数以及传感器数据、燃料电池实验场景模拟模块通过云计算平台实时链接模块与实验室场景及数字燃料电池的变化进行实时同步，通过元宇宙技术构建数字燃料电池，进行教学的用户可以沉浸式感受燃料电池主要结构、各子系统相互配合、运行关系、以及动态参数的变化曲线。

49、该教学实验平台可帮助广大质子交换膜燃料电池研究人员进行燃料电池相关实验，同时数字燃料电池实现了模型参数的自动更新，更好的逼近实体燃料电池。本发明所设计的教学实验平台，解决了燃料电池相关实验高成本、真实实验环境高危险性、虚拟实验展示手段单一等问题。