（Digital Twin）技术在船舶系统维护中的应用

高峰

摘    要：本文以某2 300载重吨锚作船的推进系统为研究对象，利用数字孪生（Digital Twin）技术对其进行数字建模，预测系统在运行过程中可能出现的异常情况，并对系统的运行特性进行分析研究，以便于及时做出调整，避免对航行造成重大的损害。

关键词：数字双胞胎;故障;预报

中图分类号：U667                                   文献标识码：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

由于船舶机械部件和系统越来越一体化，因而也就越来越复杂。先进的控制和监测系统，使货物和人员在海上运输中更加安全、绿色和智能，但也增加了设计、调试和操作的复杂性。

当来自多个供应商的不同组件和子系统組合在一起以实现一个或多个功能时，需要增加多学科的知识和系统理解。如果难以确定和验证所有可能的故障模式及其影响，也就很难确定和验证整个系统的可靠性和安全性。船舶机械系统在不断变化的运行和环境条件下，以多种不同的工作模式运行，在这种情况下需要采用虚拟的数字模型，通过传感器与通信技术的支持提升船舶的运营效率、节省维护成本。

数字孪生（Digital Twin）[1]技术最早由美国国防部提出，其早期的目的是为保证航空航天飞行器的运行维护和保障。美国国防部最初的设想是在仿真平台建立真实飞机的数字模型，利用传感器实现其与真实飞机各种运行状态间的完全同步，这样在每次航空器飞行后，可根据其结构和载荷情况及时地对飞行器进行评估，了解其是否需要进行维修及能否完成下一次的任务等。数字孪生（Digital Twin）这一概念是在虚拟制造、数字样机等数字技术的基础上发展而来的，对真实物理对象精确地数字化表述是实现虚拟制造技术的关键。建立基于虚拟制造的数字样机的目的，就是为了表述设计者对其产品的理想定义，用于指导真实产品的制造以及性能分析，如图1所示。

在数字孪生（Digital Twin）内嵌的综合健康管理系统（IVHM） [2]中，集成了产品的传感器数据、历史维护数据，以及系统相关的派生数据。Digital Twin通过对所获得的数据进行整合、分析，能够预判产品的运行情况、寿命周期以及执行任务的能力，也可以提前预测对系统安全有影响的重大事件，并通过与真实系统运行情况的对比揭示产品中存在的未知问题。

利用数字孪生（Digital Twin）技术能够快速、准确的预判船舶的非正常运行状态，为船舶的故障诊断提供技术支持。本文以一艘2 300载重吨锚作船的柴油电力船舶推进系统为研究对象，对其进行数字建模，并针对其特点提出了相应的控制策略，对系统的运行特性进行了分析研究。

2    船舶概况

本船是一艘在北海作业的2 300载重吨锚作船。该船主要推进系统包括：两台4.5 MW四冲程推进柴油发动机;两个减速齿轮箱;两个带舵的可调距螺旋桨;两个船尾隧道推进器;一个船首隧道推进器;一个船首可伸缩方位推进器。

该船配置有安装在主机前端的两台5 MW轴流发电机组和4台2.1 MW辅助柴油发电机组，推进和动力系统的设计满足等级冗余要求。

船舶主要机械设备的冷却系统为两套独立的淡水冷却系统;每套淡水冷却系统包括一个主电循环泵、发动机驱动泵、发动机预热器、阀门和冷却器;每套淡水系统设置一个三通调节阀，设定值为37 ℃;每个柴油机安装两个额外的三通调节阀;两台淡水冷却系统之间设有交叉管线和一台备用泵，并配有手动常闭阀。

主机冷却系统分为两个子系统：低温（LT）系统和高温（HT）系统。两个子系统均配有单独的循环泵;LT系统用于提供燃油和润滑油冷却/加热和二级增压空气冷却;流经二级增压空气冷却器的冷却水量由三通流量控制阀调节;阀门PID控制器用于提供55 ℃的增压空气温度;HT系统利用LT系统的输出冷却水进行一级增压空气冷却和气缸体冷却。该系统在高温系统内有一个三通温控阀循环冷却水;PID控制器将从气缸体流出的冷却水温度调节到90 ℃;冷却系统配有数量有限的传感器，用于监测系统温度、压力、冷却水位等。