數(shù)字孿生技術(shù)在大型海工裝備上的遠程應(yīng)用與實踐1

譚桂花，孟 旭，張 葉，胡聞嘉，沈柳鋒

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

海上風(fēng)電安裝平臺、鉆井平臺、全回轉(zhuǎn)起重打樁船、鋪管船等大型海工裝備具有作業(yè)環(huán)境惡劣、運行工況復(fù)雜、作業(yè)區(qū)域分散等特點。一旦設(shè)備發(fā)生故障，則需要立即進行故障排除和維護。隨著船舶裝備的技術(shù)含量不斷提升，船員技能有時候很難覆蓋新的維護需求，此時需要工程師上船解決問題。若工程師無法立即到達現(xiàn)場，則會導(dǎo)致工程中斷，對施工進度產(chǎn)生影響，甚至?xí){船舶設(shè)備和人員的安全。

工業(yè)動畫仿真已廣泛應(yīng)用于工業(yè)的各個環(huán)節(jié)，在提高企業(yè)開發(fā)效率，加強數(shù)據(jù)采集、分析、處理能力，減少決策失誤，降低企業(yè)風(fēng)險等方面起到了重要作用。數(shù)字孿生技術(shù)通過實船和海工裝備仿真模型之間的映射，及時、準(zhǔn)確、深入地在海工裝備仿真模型上反映實體的狀態(tài)和行為。近年來，計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)快速發(fā)展，遠程監(jiān)控技術(shù)日趨成熟，均為海洋工程裝備的遠程監(jiān)控和診斷奠定了基礎(chǔ)。

本文提出一種基于數(shù)字孿生的海工裝備遠程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)首先創(chuàng)建海工裝備數(shù)字孿生體和海上場景，再通過衛(wèi)星通信向陸地傳輸船上各系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，最后利用狀態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動信息空間中各設(shè)備和子系統(tǒng)的狀態(tài)演變，進而實現(xiàn)遠程可視化監(jiān)控。該系統(tǒng)能幫助工程師進行遠程故障診斷。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近年來，我國在數(shù)字孿生技術(shù)在船舶與海洋工程中的應(yīng)用方面取得了豐碩的成果。朱軍[1]開發(fā)了一種數(shù)字孿生遠程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)完成了專家遠程在線對船舶工程的建設(shè)成果驗收。蔣愛國等[2]開發(fā)了一種數(shù)字孿生驅(qū)動的半潛式鉆井平臺智能監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過數(shù)字孿生技術(shù)將平臺實體映射到數(shù)字孿生模型中，實現(xiàn)了鉆井平臺關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和智能預(yù)測預(yù)警。蔡笑馳等[3]分別針對船舶研制階段和營運階段提出了適用的數(shù)字孿生應(yīng)用框架。白雪梅[4]為船舶智能化、數(shù)字化發(fā)展以及數(shù)字孿生技術(shù)在船舶行業(yè)的應(yīng)用提供了思路和建議。滕宇[5]提出了數(shù)字孿生技術(shù)在海上采油平臺開發(fā)應(yīng)用所需的基礎(chǔ)、實施方法和發(fā)展前景，并闡明了此項技術(shù)的重要意義。

國外在船舶數(shù)字化建設(shè)方面取得了突破性進展。NIKOLOPOULOS 等[6]提出了基于全船數(shù)字孿生的船舶設(shè)計方法。PERABO 等[7]利用功能模型接口（Functional Mock-up Interface，F(xiàn)MI）進行聯(lián)合仿真，設(shè)計并構(gòu)建了一艘船舶及其推進系統(tǒng)的可測試虛擬原型。CHU 等[8]對一種使用FMI 的虛擬原型起重機的設(shè)計方法進行了介紹。

對于數(shù)字孿生技術(shù)在操作階段的應(yīng)用，ELLEFSEN 等[9]提出了一種應(yīng)用于自主渡輪的在線故障檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在船/岸上進行故障預(yù)測和剩余有效壽命評估。GREEN[10]提出了一種新型船上故障預(yù)測維護系統(tǒng)。LI 等[11]提出了一種基于Agx的海上作業(yè)虛擬原型架構(gòu)，能通過衛(wèi)星通信對作業(yè)時間進行實時監(jiān)測，可通過海上系統(tǒng)或陸地上遠程操作中心對水下遠程操作設(shè)備（Remotely Operated Vehicle，ROV）進行控制。

在利用數(shù)字孿生測量船舶周圍狀態(tài)的方面，HALSTENSEN 等[12]對基于雷達的短期波預(yù)測在機載決策支持系統(tǒng)中的使用情況進行了演示，該系統(tǒng)使用了起重機和船舶數(shù)字孿生體，但缺少陸上控制中心和場景分析。

綜上所述，數(shù)字孿生技術(shù)在船舶與海洋工程中的應(yīng)用蓬勃發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于預(yù)測性維護、海上操作、船檢等領(lǐng)域，但在各子系統(tǒng)和機構(gòu)狀態(tài)以及模型開發(fā)方面仍處于起步階段。本文提出的基于數(shù)字孿生的遠程監(jiān)控系統(tǒng)可在通信良好的狀態(tài)下實現(xiàn)實船聯(lián)動作業(yè)。當(dāng)船舶發(fā)生故障時，專家可通過該系統(tǒng)遠程指導(dǎo)船上工程師排查故障。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

針對海工裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣、工況復(fù)雜等特點，構(gòu)建海工裝備數(shù)字孿生系統(tǒng)。該系統(tǒng)由顯示層、數(shù)據(jù)層和設(shè)備層組成，見圖1。設(shè)備層通過可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）和傳感器對浮吊系統(tǒng)、升降系統(tǒng)等子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行采集，通過profinet 接口、交換機和人機界面（Human Machine Interface，HMI）將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)層，并保存至實船數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行處理和過濾，提取出驅(qū)動三維動畫的孿生數(shù)據(jù)，再通過遠程傳輸技術(shù)將實船上的孿生數(shù)據(jù)傳輸至陸上數(shù)據(jù)庫和虛擬海工裝備。

圖1 海工裝備數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)

此外，在獲得船東的許可下，三維虛擬海工裝備可以與實船進行交互反饋。在信號良好的情況下，可對實船進行操控。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字孿生技術(shù)針對現(xiàn)實世界中的物理實體對象，在數(shù)字化世界中構(gòu)建完全一致的虛擬模型，通過數(shù)字化手段對實體對象進行動態(tài)仿真、監(jiān)測、分析和控制。

物理實體對象是分析對象在當(dāng)前空間和時間下的客觀存在，虛擬模型是物理實體在信息空間的1 1∶ 映射。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可形象逼真地展示海工裝備的各項功能特性，既能展示裝備造型，也能表現(xiàn)環(huán)境質(zhì)感，從而提升海上各裝備狀態(tài)監(jiān)測的可閱讀性。

海工裝備數(shù)字孿生系統(tǒng)通過PLC 采集起重機、升降系統(tǒng)等子系統(tǒng)的參數(shù)，通過數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）采集主發(fā)電機、壓載等子系統(tǒng)的參數(shù)，進而實現(xiàn)對物理實體運行狀態(tài)的實時監(jiān)測。在此基礎(chǔ)之上，將物理實體的運行狀態(tài)在虛擬模型上進行表達，進而實現(xiàn)遠程監(jiān)控，為遠程故障診斷帶來便利。

3 應(yīng)用實踐

下面以某海上風(fēng)電安裝船為例，對海工裝備數(shù)字孿生系統(tǒng)的應(yīng)用情況進行介紹。該風(fēng)電安裝船主要包括全回轉(zhuǎn)起重系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、機艙設(shè)備、壓載系統(tǒng)及甲板設(shè)備等組成部分。

3.1 數(shù)據(jù)采集及傳輸

為獲得不同系統(tǒng)和設(shè)備的運行參數(shù)，將船上各系統(tǒng)和設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)交換機連接在一起，進行數(shù)據(jù)交互和融合，并采用消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）協(xié)議篩選所需的孿生數(shù)據(jù)，再通過MQTT 云平臺將數(shù)據(jù)傳輸?shù)疥懮稀?/p>

數(shù)據(jù)采集方案見圖2。海工裝備數(shù)字孿生系統(tǒng)通過PLC 和傳感器采集各個設(shè)備和子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，再將浮吊系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、閥門遙控系統(tǒng)、全船監(jiān)測報警系統(tǒng)、本地工控機以及邊緣計算網(wǎng)關(guān)等一同接入網(wǎng)絡(luò)交換機，從而進行數(shù)據(jù)交互。經(jīng)分析，數(shù)據(jù)采集到影響海工裝備運行的重點關(guān)鍵參數(shù)八百多組，間接影響參數(shù)一千八百多組，非關(guān)鍵參數(shù)三千多組，數(shù)據(jù)采集間隔時間為5 s。

圖2 數(shù)據(jù)采集方案

3.2 系統(tǒng)開發(fā)

在構(gòu)建數(shù)字孿生體時，首先按照1 1∶ 映射關(guān)系建立三維虛擬模型和海上場景。再根據(jù)各個系統(tǒng)、機構(gòu)和設(shè)備的特點對模型進行分組，要保證三維虛擬模型與實船在形狀、比例、顏色、運動機構(gòu)上保持一致。

為實現(xiàn)孿生體和實船間的聯(lián)動，需要編寫驅(qū)動程序，該程序可將衛(wèi)星傳輸過來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為模型各機構(gòu)運作的位置和角度，進而實現(xiàn)聯(lián)動。三維虛擬動畫的畫面運行流暢，幀率大于30 幀/秒，在接收到孿生數(shù)據(jù)后的延時小于500 ms。

衛(wèi)星通信在海上的信號較弱，且傳輸數(shù)據(jù)量較大。在天氣良好的情況下，衛(wèi)星通信信號較好，先將數(shù)據(jù)進行過濾和壓縮，再通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至MQTT 云平臺進行傳輸；在天氣惡劣的情況下，衛(wèi)星通信中斷，將采集到的實時數(shù)據(jù)存到本地，待數(shù)據(jù)傳輸條件改善后，再將之前緩存的數(shù)據(jù)重新上傳至云平臺。要實現(xiàn)這種斷點續(xù)傳功能，需要編寫程序來不停掃描通信狀態(tài)。當(dāng)通信正常時，正常傳輸；當(dāng)判斷到通信斷開時，則將數(shù)據(jù)及時存在本地。掃描間隔時間為1 s。

通過驅(qū)動程序?qū)鬏數(shù)疥懮系臄?shù)據(jù)接入數(shù)字孿生體，通過數(shù)據(jù)處理使數(shù)字孿生體更加精確地展示實船的狀況。海工裝備數(shù)字孿生系統(tǒng)在實船全程升降實驗階段完成調(diào)試，運行效果見圖3。

圖3 海工裝備數(shù)字孿生系統(tǒng)運行效果

續(xù)圖3 海工裝備數(shù)字孿生系統(tǒng)運行效果

4 結(jié)論

本文提出了一種基于數(shù)字孿生的海工裝備遠程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)首先創(chuàng)建海工裝備數(shù)字孿生體和海上場景，再通過衛(wèi)星通信向陸地傳輸船上各系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，最后利用狀態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動信息空間中各設(shè)備和子系統(tǒng)的狀態(tài)演變，進而實現(xiàn)遠程可視化監(jiān)控。該系統(tǒng)能幫助工程師進行遠程故障診斷。未來可在實船監(jiān)測產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上，通過機器學(xué)習(xí)完善仿真能力，通過深度學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)潛在風(fēng)險，以期進一步完善海工裝備的故障預(yù)測、故障診斷和智能服務(wù)。