數字孿生在船舶機艙中的應用與研究

石澤宇 張均東 田 慧 徐飛翔

(大連海事大學 遼寧 大連 116026)

0 引 言

隨著大數據、物聯網和人工智能的進一步發展，我國逐漸提出了工業4.0、人工智能2.0、中國制造2025等促進我國工業發展的國家戰略，為推進智能化船舶相關研究工作提供了有力支持，深化信息技術與傳統工業的結合與應用已成為航運業和造船業發展的目標[1]。新一代信息技術與船舶的結合將進一步提升船舶機艙的智能化水平，不過目前船舶機艙的發展僅僅停留在物理空間的層面，信息空間與物理空間尚未融合。針對此現狀，數字孿生技術作為連接物理世界和數字世界的紐帶，近年來受到了國內外專家學者的廣泛關注。

智能機艙的進一步發展，對船舶機艙的運行和維護提出了更高的要求，維護人員需要實時掌控機艙設備的運行狀態和運行參數，進而適時調整維護決策，提高智能機艙的運行可靠性，所以需要解決機艙的物理空間與提供底層實時數據的信息空間協同互融的問題。在這樣的背景下，數字孿生技術與船舶機艙的結合就為物理空間與信息空間的交融提供了更廣闊的視野。數字孿生是通過數字化的手段構建實際物體的虛擬化鏡像，借助數據實時驅動實際物體在真實環境中的動作，結合虛實映射、數據融合、迭代優化等方法，使物理實體更加智能化、集成化的技術[2]。

數字孿生思想最早來源于密歇根大學的Grieves教授，后來逐漸演變成為“數字孿生”的概念[3]。美國宇航局為了解決飛行器開發過程中的潛在問題，開發了飛行器的硬件數字孿生體——“鐵鳥”(飛控液壓系統綜合實驗臺架)作為飛行器的物理模型[4]。DebRoy等[5]探討了一種基于數字孿生的增材制造技術，數字孿生模型集成了材料的微觀結構變化、加熱和冷卻速率等物理參數到一個數值框架中，減少了實驗次數。在國內，數字孿生技術的研究還處于初級階段。Tao等[6]以數字化車間為例闡明了數字孿生車間的相關概念、系統組成與運行機制。Liu等[7]基于工業4.0中的流程型智能制造系統，創新性地提出了CMCO體系，并基于中空玻璃智能制造系統的案例進行了相關研究與驗證。Jiang等[8]將數字孿生技術應用于實際車間，并證明了數字孿生技術的實用性和有效性。Liao等[9]將數字孿生技術應用于飛機機體的適應性評估和演示，實現了具有效益成本的飛機結構壽命管理。

綜上所述，數字孿生的系統框架、重要技術和運行機制的研究已經初見成效，但具體在船舶機艙的應用還比較少。傳統的船舶機艙具有以下缺點：(1) 在機艙運行管理維護過程中，雖然已經通過總線技術實現了設備數據的集成，但對信息空間數據的管理比較匱乏；(2) 目前船舶機艙只能實現物理空間到虛擬空間的單方向映射，即模型建立、二維映射、三維映射，并不能達到信息空間的全面互融與協同。為了使船舶機艙更加智能化、集成化，本文將數字孿生技術引入到船舶機艙中，構建了基于數字孿生技術的船舶機艙系統架構，解決了信息物理系統(cyber-physical systems)中的物理、模型、數據3個方面的融合問題，最后以大連海事大學輪機自動化與智能化實驗室的“育鯤”輪輪機模擬器為實例進行了研究，驗證了實體物理機艙數據與分析模型等多元信息的融合可實現系統對異常狀態準確的預報，進而更全面地指導系統的決策與維護。

1 基于數字孿生的船舶機艙系統架構

1.1 數字孿生船舶機艙系統結構

基于數字孿生的船舶機艙系統是通過構建的實時下行指令通道、上行數據通道和實時數據庫訪問，使集控室管理系統、虛擬仿真系統和船舶機艙系統的數據實時交互，實現數字孿生船舶機艙系統全方位的協同與融合，在船舶機艙孿生數據的驅動下，實現船舶機艙資源配置的優化、異常運行狀態的分析、機艙維護決策的優化等在集控室管理系統、虛擬仿真系統和船舶物理機艙中的迭代運行，進而實現船舶機艙運行維護的優化。

基于數字孿生的船舶機艙系統結構如圖1所示。船舶機艙系統包含主機艙各層、集控室、分油機室和舵機室等，通過現場各類傳感器等，實現對設備和環境參數的實時監測。虛擬仿真系統是根據實船設計參數和相關運行參數，實現對整個機艙設備的動態過程的數字化鏡像，在能體現出機艙內不同系統之間的相互作用的前提下，還能夠精確地反饋系統的熱力學、動力學參數和動態響應過程[10]。集控室管理系統是包含了智能評估、實時控制、動態優化等功能的綜合信息系統，能實現對實體機艙和虛擬仿真模型的精準控制。船舶機艙的孿生數據庫是整個孿生系統的核心，包含機艙實體實時數據、虛擬仿真數據、機艙初始環境配置、系統不斷迭代融合產生的數據等。

圖1 基于數字孿生的船舶機艙系統結構

1.2 數字孿生船舶機艙架構

基于數字孿生的船舶機艙系統架構主要包括4層，如圖2所示。

圖2 基于數字孿生的機艙架構

(1) 物理層。主要指船舶機艙中維護人員、機器設備、運行環境等負責執行船舶設備相關操縱的物理實體集合，主要功能是提供機艙設備的規格參數、運行環境數據等。

(2) 模型層。模型層是物理層的全面映射與鏡像[11]，主要包括配置模型、動態模型、控制模型、虛擬模型。

① 配置模型是指智能機艙的拓撲結構和靜態配置，包括設備的選型、空間布局和相關設備、管系之間的聯系和約束。

② 動態模型是指機艙內相關系統的工作機理，主要包括不同設備在不同工況下的動態數學模型和設備模型的不同動作形式。

③ 控制模型是指機艙的控制系統結構，包括工業控制網絡結構、數據采集、處理模型和單元控制模型。

④ 虛擬模型是指物理機艙在物理、幾何等層面的鏡像同步，主要包括虛擬仿真環境、視景效果、虛擬場景動態變化、聲光模擬等。

這些模型并不是獨立的存在，它們共同完成物理機艙中各類設備操作的仿真和計算。機艙可執行資源是船舶運行維護的基本單元，為了在虛擬機艙中實現對相關數字孿生資源的集成與管理，實時獲取設備的運行狀態信息，就需要對數字孿生可執行資源進行建模。機艙可執行資源包括機艙設備、設備工況、管系系統3個方面：機艙設備主要包括液壓舵機、空氣壓縮機、風機、空調、冰機、海水淡化裝置和輔鍋爐等；設備工況以輔鍋爐為例，主要包含熱耗率驗收工況、閥門全開工況、最大連續工況和標準行工況等；關系主要包含海水管系、滑油管系、燃油管系、壓縮空氣管系等，如式(1)所示。

(1)

式中：ML表示全部模型層；Equii表示設備數字孿生模型；Condij表示工況數字孿生模型；Pipik表示管系系統數字孿生模型。

設備數字孿生模型可以描述為式(2)所示。

Equii={Eq_name,Eq_Id,Eq_type,Eq_state,

Eq_attri,Eq_para,Eq_other}

(2)

式中：Eq_name表示資源名稱；Eq_Id表示資源標記；Eq_type表示資源類別；Eq_state表示資源狀態值；Eq_attri表示資源屬性值；Eq_para表示資源運行參數；Eq_other表示資源的其他相關特征。

(3) 數據層。主要指船舶機艙的孿生數據庫和數據處理中心，模型層的各類資源的數據、參數都會集聚到數據層。涵蓋了機艙各系統在不同工況下運行過程中的數據，這些數據都會以名稱、標識、類型、狀態分類存儲到相應的數據庫中，并在數據處理平臺中實現數據的排序、清洗、集成、轉換與挖掘等功能。

(4) 應用層。主要完成對相關設備進行實時監控、可靠報警、全面運維等任務，實現船舶機艙設備的數字化管理。通過迭代分析機艙設備的相關運行數據、歷史數據，從而實現對物理層和模型層的運維調控，具體功能包括船舶能效實時監控、機艙設備狀態智能評估、機艙資源配置的優化、船舶異常運行狀態的預報等。

2 基于數字孿生船舶機艙系統設計

2.1 船舶機艙數字孿生模型構建

船舶機艙是包含主動力與推進系統、輔助系統、電氣系統、電力系統等系統的復雜空間，機艙的正常運行維護涉及故障處理、運行優化和燃油經濟性等多個方面。在船舶機艙的虛擬模型構建中，不僅要考慮到物理設備的幾何特征，還需要建立所有實體模型的物理特征，包含主機燃燒模型、動力學模型、控制模型等，不僅實時反饋整個機艙設備的動態過程，還要能精確地反饋系統的熱力學、動力學參數和動態響應過程[12]。實現船舶機艙的數字孿生，不僅保證虛擬機艙與物理機艙的鏡像同步，還要保證物理、幾何、規則、行為等多維模型的統一性，在驗證模型層的準確性的基礎上，對多維度模型進行全面融合與集成，形成一個完整的、全面的虛擬機艙模型[13]，模型融合如圖3所示。

圖3 基于數字孿生的機艙模型融合

虛擬場景中幾何模型主要綜合考慮機艙設備的運行參數、數據、虛擬仿真運行環境、視景效果、虛擬場景動態變化、聲光模擬等；物理模型包含機艙中各個系統的物理特性，如管路壓力、設備溫度、工作負載、工作時間等；行為模型是指交互對象在實時數據驅動后表現出來的標準化動作和動作順序；規則模型是對機艙內各類設備在運行機理、動作、邏輯等多個層面的關系映射。實現物理機艙到虛擬機艙的全面完整映射，要以物理、幾何、行為和規則等多個指標進行考量，這樣才能保證船舶機艙模型系統的準確性。最后，將各個系統模型組合關聯在一起，以三維可視化平臺的形式實現相關數字化仿真的運行。

圖4為利用Unity引擎搭建的基于數字孿生的船舶機艙模型[14]，主要包含主機艙各層、集控室、分油機室和舵機室等。

圖4 基于數字孿生的機艙可視化模型

2.2 數據采集及處理

實現機艙內異構要素的智能互聯的基礎就是實現終端實時數據的采集和傳輸，數據采集終端需要根據接口及協議，采用針對性的協議轉換，并以統一的接口標準將數據上傳到數據接口服務器上，再由數據接口服務器統一存入數據庫。數據采集主要包括系統溫度、壓力、運行時間、電壓、電流、相序等多個維度，以主機的相關參數采集為例，主要的數據采集項目如表1所示。

表1 機艙內主機主要采集數據

續表1

采用溫度傳感器、壓力傳感器、液位傳感器、轉速傳感器等實現機艙數據的實時數據采集。數據采集、傳輸、儲存的步驟如圖5所示。主要接口標準包括RS485、RS232、向太網等。在數據采集軟件接口標準方面選擇串口自定義的形式，以實現智能化機艙系統的硬件系統與仿真模型系統的智能同步。傳感器采集到的模擬量轉換為數字量，接入到數字化仿真中，打破傳統機艙中存在的數據孤島。

圖5 圖數據采集、傳輸、儲存步驟

3 數字孿生機艙運行機制

數字孿生機艙的運行機制主要包括以下三個方面：機艙資源配置迭代優化、機艙實時數據的迭代分析和機艙運行維護的調整，主要運行機制如圖6所示。

圖6 基于數字孿生的船舶機艙運行機制

階段1是機艙資源配置迭代優化進程，主要是機艙物理環境與集控室管理系統的實時交互。在接收到物理機艙傳來的一系列執行指令后，集控室管理系統開始生成相關初始資源配置方案，集控室管理系統獲取船舶物理機艙的設備、環境、工況和進程等控制要素的實時數據，在對要素的狀態實時分析、智能評估的基礎上，針對初始資源配置計劃采取修正與優化，然后將優化結果和調控指令實時反饋給物理機艙。在不斷地執行分析調整后，生成最優配置方案。過程中所有數據全部通過數據庫進入數據層，作為后續分析的基礎。

階段2是機艙實時數據的迭代分析進程，主要是集控室管系統與虛擬仿真系統的交互，虛擬仿真系統在接收到集控室管理系統的數據后，在歷史數據及其他關聯數據的驅動下，對設備運行過程進行仿真、分析。虛擬仿真系統把仿真結果傳遞到集控室管理系統，集控室管理系統結合1階段的數據進行優化，再次傳遞到虛擬仿真系統，在不斷地執行、分析、調整后，使機艙的運行與維護狀態達到最佳。過程中所有數據全部通過數據庫進入數據層，作為后續驅動的基礎。

階段3是機艙運行維護的調整進程，虛擬仿真系統接收到階段2優化后的執行指令后，生成機艙維護和運行的最終調整方案。虛擬仿真系統會根據物理機艙中設備的實時運行進程自行更新，虛擬仿真系統在機艙實時數據、機艙歷史數據、仿真數據的基礎上對比，對船舶機艙運行狀態進行評估與決策。在系統不斷的迭代與修正過程中，機艙的運行狀態會更新到最佳狀態。

通過以上三個階段，實現了機艙運行狀態的評估，同時通過系統迭代優化，實現了船舶設備參數的實時監測并進行維護決策的優化。

4 關鍵技術

與流程型制造系統的數字孿生實現技術不同，實現數字孿生機艙的關鍵技術，可根據實現的方式與系統組成，將其總結如下。

4.1 機艙運行狀態評估技術

船舶機艙的運行狀態直接關系到船舶的航行安全和航運能效，不僅要滿足STCW等海事法律法規，還要符合船東等方面的利益，所以機艙運行狀態評估主要針對船舶機艙運行過程中的安全性與航運經濟性兩部分。

船舶機艙的數字化仿真技術可以實現船舶機艙運行過程中的實時仿真，同時運行過程中的參數也為實現機艙運行狀態的評估打下基礎，通過計算評估參數的隸屬函數，將數據轉化為評估矩陣，通過層次分析法或熵值計算法計算權重，最終得到目前狀態的評估指數報告。具體評估流程如圖7所示。

圖7 基于機艙運行狀態的評估流程

4.2 多源數據融合與協同技術

實現機艙的數字孿生體與數據的融合與協同是數字孿生機艙的重要組成部分，針對機艙采集的數據具有數量規模大、多源異構、跨維度的特點，在硬件和軟件進行數據傳輸過程中，需要對數據進行封裝處理，使網絡通信模塊化、集成化。除此之外，系統還需要具備數據的三維可視化和數據的處理等功能。

三維可視化主要是數據動態驅動虛擬場景中的設備模型，使其展現標準化動作和動作順序，并且將數字孿生機艙的運行維護的參數、流程動態展示。驅動虛擬場景中交互對象的實時數據主要包括配電箱、控制臺和信息面板等；動態顯示機艙設備相關運行數據主要包括主推進動力系統數據、柴油發電機系統數據、輔助機械數據等。數據的處理指的是機艙設備的運行參數具有跨維度的特點，不同維度的數據會需要針對虛擬機艙中設備不同的配合關系采取實時轉換的處理方式，從而實現數據與構建模型之間的交融，完成網絡與物理系統的協同。

5 系統驗證

為了驗證數字孿生機艙中物理層、數據層、模型層和應用層之間的融合的一致性，本文在建立的數字孿生機艙平臺進行了相關實驗，驗證實驗使用基于模型的診斷，選用較為常見的殘差分析法(Residual Analysis)，即利用已知的物理機艙信號λ(t)和孿生模擬信號λ′(t)產生殘差信號，通過設定閾值進行殘差評價。

以機艙中的主機為研究對象，采集物理機艙氣缸排氣溫度作為孿生系統已知的物理機艙傳感器信號Ter。在虛擬仿真系統中設置海水泵進口濾器堵塞的故障，分別相對應采集虛擬仿真系統的氣缸排氣溫度Tes作為孿生模擬信號，表2為部分參數樣本。

表2 部分采集的樣本數據

圖8為故障的擬合曲線，在第100 s時刻插入故障，系統在第200 s監測到故障，在第214 s系統調整了維護方案，排除了相關故障。由擬合曲線可以看出，故障插入后，雖然孿生系統的動作存在一定的滯后，但物理機艙與孿生機艙能實現實際參數與孿生模擬參數的基本擬合，這說明所構建的數字孿生機艙能與實體機艙實現物理、信息與模型的三方面融合，能夠集成船舶機艙運行與維護過程中的數據類型。這將給未來智能機艙的運行與維護提供很大的便利，同時也證明了數字孿生技術在船舶機艙中應用的巨大潛力。

圖8 物理機艙信號與孿生模擬信號曲線

6 結 語

本文將數據孿生技術與船舶機艙結合，構建了基于數字孿生技術的船舶機艙系統架構，在機艙物理信息融合方面，完成了信息物理系統(cyber-physical systems)中的物理、模型、數據3個方面的融合，最后通過實驗驗證了實體物理機艙與孿生虛擬機艙的融合具有較好的一致性，所提的數字孿生技術可以在船舶領域深化應用。數字孿生技術在國內的研究與發展才剛剛起步，未來數字孿生機艙系統主要研究工作將從解決復雜系統建模、提高系統建模精度、動態數據的驅動分析等展開。