（Digital Twin）技術在船舶系統維護中的應用

高峰

摘? ? 要：本文以某2 300載重噸錨作船的推進系統為研究對象，利用數字孿生（Digital Twin）技術對其進行數字建模，預測系統在運行過程中可能出現的異常情況，并對系統的運行特性進行分析研究，以便于及時做出調整，避免對航行造成重大的損害。

關鍵詞：數字雙胞胎;故障;預報

中圖分類號：U667? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Application of Digital Twin Technology in Ship System Maintenance

GAO Feng

（ Guangzhou Office of Naval Equipment Department， Guangzhou 510250 ）

Abstract： By taking the propulsion system of the 2 300 deadweight tonnage anchor ship as the research object， this paper uses digital twin technology to carry out digital modeling， forecasts the abnormal situation of the actual system in the process of operation， and analyzes and studies the operation characteristics of the system. In the event of failure of the ship system， the problem of the system can be quickly and accurately reported， and it is convenient to make adjustments in time and avoid causing greater damage to navigation.

Key words： Digital twin technology; Fault; Predict

1? ? 前言

由于船舶機械部件和系統越來越一體化，因而也就越來越復雜。先進的控制和監測系統，使貨物和人員在海上運輸中更加安全、綠色和智能，但也增加了設計、調試和操作的復雜性。

當來自多個供應商的不同組件和子系統組合在一起以實現一個或多個功能時，需要增加多學科的知識和系統理解。如果難以確定和驗證所有可能的故障模式及其影響，也就很難確定和驗證整個系統的可靠性和安全性。船舶機械系統在不斷變化的運行和環境條件下，以多種不同的工作模式運行，在這種情況下需要采用虛擬的數字模型，通過傳感器與通信技術的支持提升船舶的運營效率、節省維護成本。

數字孿生（Digital Twin）[1]技術最早由美國國防部提出，其早期的目的是為保證航空航天飛行器的運行維護和保障。美國國防部最初的設想是在仿真平臺建立真實飛機的數字模型，利用傳感器實現其與真實飛機各種運行狀態間的完全同步，這樣在每次航空器飛行后，可根據其結構和載荷情況及時地對飛行器進行評估，了解其是否需要進行維修及能否完成下一次的任務等。數字孿生（Digital Twin）這一概念是在虛擬制造、數字樣機等數字技術的基礎上發展而來的，對真實物理對象精確地數字化表述是實現虛擬制造技術的關鍵。建立基于虛擬制造的數字樣機的目的，就是為了表述設計者對其產品的理想定義，用于指導真實產品的制造以及性能分析，如圖1所示。

在數字孿生（Digital Twin）內嵌的綜合健康管理系統（IVHM） [2]中，集成了產品的傳感器數據、歷史維護數據，以及系統相關的派生數據。Digital Twin通過對所獲得的數據進行整合、分析，能夠預判產品的運行情況、壽命周期以及執行任務的能力，也可以提前預測對系統安全有影響的重大事件，并通過與真實系統運行情況的對比揭示產品中存在的未知問題。

利用數字孿生（Digital Twin）技術能夠快速、準確的預判船舶的非正常運行狀態，為船舶的故障診斷提供技術支持。本文以一艘2 300載重噸錨作船的柴油電力船舶推進系統為研究對象，對其進行數字建模，并針對其特點提出了相應的控制策略，對系統的運行特性進行了分析研究。

2? ? 船舶概況

本船是一艘在北海作業的2 300載重噸錨作船。該船主要推進系統包括：兩臺4.5 MW四沖程推進柴油發動機;兩個減速齒輪箱;兩個帶舵的可調距螺旋槳;兩個船尾隧道推進器;一個船首隧道推進器;一個船首可伸縮方位推進器。

該船配置有安裝在主機前端的兩臺5 MW軸流發電機組和4臺2.1 MW輔助柴油發電機組，推進和動力系統的設計滿足等級冗余要求。

船舶主要機械設備的冷卻系統為兩套獨立的淡水冷卻系統;每套淡水冷卻系統包括一個主電循環泵、發動機驅動泵、發動機預熱器、閥門和冷卻器;每套淡水系統設置一個三通調節閥，設定值為37 ℃;每個柴油機安裝兩個額外的三通調節閥;兩臺淡水冷卻系統之間設有交叉管線和一臺備用泵，并配有手動常閉閥。

主機冷卻系統分為兩個子系統：低溫（LT）系統和高溫（HT）系統。兩個子系統均配有單獨的循環泵;LT系統用于提供燃油和潤滑油冷卻/加熱和二級增壓空氣冷卻;流經二級增壓空氣冷卻器的冷卻水量由三通流量控制閥調節;閥門PID控制器用于提供55 ℃的增壓空氣溫度;HT系統利用LT系統的輸出冷卻水進行一級增壓空氣冷卻和氣缸體冷卻。該系統在高溫系統內有一個三通溫控閥循環冷卻水;PID控制器將從氣缸體流出的冷卻水溫度調節到90 ℃;冷卻系統配有數量有限的傳感器，用于監測系統溫度、壓力、冷卻水位等。