基于数字孪生技术的船舶智能机舱

数字孪生是个普遍适应的理论技术体系，可以在众多领域应用，在产品设计、产品制造、医学分析、工程建设等领域应用较多。在国内应用最深入的是工程建设领域，关注度最高、研究最热的是智能制造领域。

数字孪生技术

数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。

数字孪生技术的想法最早是 1991 年由 David Gelernter 出版的 Mirror Worlds 提出的。然而，Michael Grieves 博士(当时在密歇根大学任教)被认为是 2002 年首次将数字孪生概念应用于制造业，并正式宣布了数字孪生软件概念。最终，美国宇航局的约翰维克斯在 2010 年引入了一个新术语——“数字孪生(Digital Twin，DT)”。然而，使用数字孪生作为研究物理对象的手段的核心思想实际上可以更早地见证。事实上，可以说 NASA 在 1960 年代的太空探索任务中率先使用了数字孪生技术，当时每艘航行的航天器都被精确复制成一个地球版本，供 NASA 工作人员用于研究和模拟目的。

数字孪生技术包含物理实体、虚拟模型、人工智能等 3 部分。物理实体将其设计、优化、维护和操作等关键信息传递给虚拟模型，并由人工智能完成数据分析，最终将优化策略反馈回物理实体。

数字孪生智能机舱初探

中国船级社《智能船舶规范 2020》第 4 章“智能机舱”强调，智能机舱应具有如下基本功能：

1.对机舱内主推进相关的设备与系统运行状态进行监测；

2.基于状态监测数据，对设备与系统的运行状态、健康状况进行分析和评估；

3.根据分析与评估结果，提出合理建议，为设备与系统的使用、操作和控制、检修、管理等方面的决策提供支持；

4.主推进装置应能由驾驶室控制站远程控制，机器处所包括机舱集控站(室)周期无人值班；

5.无人值班周期内，机舱内的设备及系统应能连续正常运行。

针对以上要求，我们以船舶机舱为例，构建基于数字孪生技术的智能机舱框架，包含实体对象、虚拟模型和人工智能三个基本模块(见图 1)：

(1)实体对象(物理实体，即实体机舱)。包含机舱内的动力设备及系统、安装在动力设备上的信息采集装置、机舱内的系统信息以及机舱的运行环境和生态。

(2)虚拟模型(数字孪生体，即虚拟机舱)。包含机舱中各动力设备、辅助设备、各动力系统等各个环节中从不同角度描述机舱各方面的特征、运行运模型等。

(3)人工智能(物理实体与数字孪生体的联系体，即智能数据分析)。包含将物理实体中传来的关键信息传递给虚拟模型，由人工智能完成数据分析，最终将优化策略反馈回物理实体。

图 1 机舱数字孪生技术结构

通过建立上述的数字孪生技术结构，可以实现以下几个方面的功能：

1.实现船舶动力系统的信息融合：应用已有和增加的传感器、船舶网络技术等方式，对船舶和机舱环境(如天气、风浪、洋流、海水温度等)、船舶航行信息(如船速、船位、航向等)、各机械设备的状态(如停止/运行状态、运行参数)、目的港动态(如货物准备情况、靠泊安排)等要素进行采集归纳，为保障船舶安全航行提供可靠参考数据。

2.实现船舶动力系统的智能决策和评估：通过对机舱动力系统以往和实时运行数据(如各种温度、压力、液位、转速、扭矩、功率和油耗等)的汇集，对这些数据的海量存储，经过对该大数据的运算和应用，优化机舱动力系统的参数设定和运行，提供智能化的动力系统状态监控、趋势预测、故障诊断、应用集成等，并通过对上述各阶段收集的数据信息融合、进行分析处理，进而实现智能分析评估(如主机的综合性能评估)、智能预测决策(确定是否需要检修和大修)等功能。

3.实现船舶动力系统所有信息的船岸一体化运维：通过以高速数据通信(如 5G 通讯)为主要手段构建船岸一体化信息平台，实现船岸的高速通信，建立除船端数字孪生体以外的岸基孪生体，通过岸基孪生体的遥控功能，进而达到机舱动力系统的远程遥控目的，为实现无人船舶提供可能(见图 2)。

图 2 船舶系统的多端孪生

4.实现动力系统生命周期的智能服务：通过基于信息融合、自主决策评估、船岸一体化的智能系统运算，智能动力系统能为机务部门提供全新的维保思路——通过智能化处理实现对机械及零部件使用寿命的预测，降低动力设备的运营成本，实现动力系统的智能化管理。

数字孪生与船舶检验

利用数字孪生技术，在船舶检验中也可以有所作为。

1.对于本船级社系统内设计、建造中的船舶：可以在设计阶段就建立起数字孪生船体、孪生机械动力设备等，以备为建造期间数字化安装、调试和试航等服务。如很多项目可以在数字孪生船舶平台进行实时仿真后，检验其性能和测量其各项参数，减少实船测试的项目。同时，设计建造期间建立的数字孪生船舶模型，可以用于将来实船营运时为船舶检验服务。

2.对于本船级社系统内的营运船舶：可以对每一艘船舶建立多端数字孪生船舶体，由本船级社技术人员对实船进行数字监控、仿真模拟、检测检验和优化控制。岸端的数字孪生一路可以指向船务公司，进行业务和技术管理；另一路指向本船级社，向本船级社提供船舶各项过往和实时的海量数据，供船级社分析，检验和提出建议用。由于每一艘船的孪生体都有长期的监管记录，在需要对该船舶进行年度检验时，可以直接从数据库得出检验报告而无需验船师上船实体检验。

3.对于非本船级社的营运船舶：可以利用标准化的数字孪生船舶平台(见图 3)，与实船建立临时的孪生关系，以便对该船进行临时检验和委托的相关检验，得出相关的检验报告。

图 3 孪生船舶

数字孪生技术，目前在岸上的工农业生产、建筑制造等领域的应用已非常广泛。但应用于航运领域还处于起步阶段。随着高速通讯网络技术和智能技术的发展，以及数字孪生技术的越来越成熟，可以乐观地相信，该技术广泛应用于船舶行业也会越来越普遍，范围也会越来越宽广。特别是多端数字孪生体的建立，可以将这些多端孪生体共生给船舶建造修理行业、金融业、航运公司、船舶检验、海事管理和海事法院等各领域，真正建立起一个智能化的全球航运世界。

本文源自：“数字孪生实验室”公众号

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