以CPS为核心的船舶信息感知与安全防护

2021-12-04哈尔滨工程大学

中国船检 2021年11期

哈尔滨工程大学朱军

中国船级社阎璐

智能化已成为船舶行业和制造业的未来发展方向。基于信息物理系统（CPS）核心技术要素构建的测试平台在船舶个体、船队与产业链层面为船舶行业及制造业提出了智能化解决方案：在船舶层面，基于综合感知服务，保障船舶安全、高效运行；在船队层面，为船东提供视情使用和视情管理服务，在安全、经济和环保三个方面为船东提供自主成长的智能化服务支撑；在产业链层面，融合政府以及军警民领域的用户，构建虚实映射的业态融合赛博空间，实现产业链协同的全新知识认知模式，构建自成长型的产业价值链。

以CPS为核心的船舶智能感知

1、CPS体系架构

为提高基于CPS船舶信息系统综合测试能力，满足智能船舶信息系统多源数据感知、高速互联互通、边缘信息处理、资源优化配置、实时/协同控制等动态需求，针对多个层面基本要素之间的组织、互联、依赖结构或框架，解决不同类型、不同级别传感、执行、计算、交换等规模化设备难以按需灵活构建不同CPS虚实闭环智能化综合测试平台问题，开展物理信息系统体系架构的研究，为智能船舶体系化建设作保障。为面向智能船舶综合测试应用的CPS共性支撑技术研发、技术集成与演示应用提供基础理论、结构、框架支撑，提高资源配置效率，实现资源优化。

（1）智能感知是通过传感器、物联网等一些数据采集技术对隐性数据（如物理实体的尺寸、运行机理，外部环境的温度、液体流速、压差等）对外界状态的数据获取，为数据的处理分析提供数据来源。

（2）实时利用数据挖掘、机器学习、聚类分析等数据处理分析技术对数据进一步分析，实现数据的直观性、可理解性。

（3）网络映射利用CPS总线等可靠网络方式将其传输，提取有效信息与其他类似的机器或在不同的时间历程进行比较,对系统的变化信息和任务状态的预测。建立装备“部件级-系统级”实体网络综合模型，在赛博三维虚拟空间进行映射。

（4）科学决策对当前时刻获取的所有来自不同系统或不同环境下的信息权衡判断，形成最优决策来对物理空间实体进行控制。使信息转变成知识，迭代优化形成系统运行、产品状态所需的知识库。

图1

（5）精准执行将信息空间产生的决策转换成物理实体可执行的命令，进行物理层面的实现，实现企业高效运营，各环节智能协同效果逐步优化。

2、船海数据状态感知研究

为满足船海数据采集的可靠性和实时性，针对数据采集难，数据量大，数据结构不统一等诸多问题，提高其信息系统的自主决策能力、对复杂环境的适应力和容错能力，对大量的、多种类型的传感器进行多源精准采集，实现节点之间及节点与传感器之间的高速高可靠实时通信。开展船海数据状态感知方面研究，涵盖船、海、岸领域的数据采集与感知，同时建立多源化，对传感网络平台，为数据采集的实时性作保障。

（1）面向智能船舶信息系统应用的CPS节点多源数据精准感知技术，实现CPS节点中大量结构不同、功能各异资源的自由灵活接入和实时感知。

图2

依托动态可重构高速串行总线多通道并发冗余的高速高可靠传输能力和远程穿透式访问能力，通过对动态可重构总线技术、即插即用体系架构、设备动态加载与配置技术、非智能单元的汇聚接入技术以及时间确定性保障技术等，为CPS节点中多源异构资源提供一种即插即用的接入式互连方式和支持软件定义的动态加载和配置规范，有效支撑智能船舶信息系统对海域环境状态监测、内部动力环境监控等异构CPS功能节点的多源数据智能感知和控制，为后续CPS端系统的集成感知、数据融合和数字孪生等研究提供技术支撑。

（2）另外对船舶状态的数据收集可采用各种传感器、数据感知装备构建多源传感网络，实现船舶状态的数据信息采集。

船舶高精度定位系统通信网络架构

为满足船舶在近海的海台与岸台之间通信可靠性及数据传输的安全及时性，针对船舶在海域中与岸上通信困难、时效差等问题，对船舶高精度定位系统通信网络架构，涵盖船机平台、岸机服务系统以及数据信息处理中心等方面的信息传输与交互，同时部署响应的硬件设施和构建数据信息处理中心，解决以上面临的问题，提高通信响应能力，为岸上对船舶进行测控及虚拟现实平台作保障。

图3

试验过程建模仿真

针对智能船舶过程建模精度不够，过程建模不严谨等问题，进行实验过程仿真模型的设计、试验过程性能评估模型设计、试验过程仿真三个方面的研究，形成建模仿真综合测试能力，为数字孪生研究作保障。

1、试验过程仿真模型设计

通过研究智能船舶综合能力试验过程中涉及的系统、设备、通信及网络等，研究智能船舶综合能力测试过程的要素、几何物理信息、行为及规则，建立基于试验过程仿真的规则库及数据模型库，从多维度构建智能船舶综合能力试验过程的陆基、船基及海基于一体的试验过程仿真模型，为实现智能船舶综合能力试验过程数字孪生仿真奠定基础。

2、智能船舶运动模型及性能再现技术研究

针对智能船舶运动虚拟平台需求，建立航行船舶操纵运动力学模型，航行性能预报，为目标船提供基础。采用理论分析、数值计算和模型试验相结合的方法，综合考虑极地和冰区环境影响，针对船舶直线以及打舵转向航行、正车/倒车航行等不同航行工况，重点开展目标船操纵运动力学模型、操纵运动仿真以及船舶航行性能再现研究，通过已有模型试验以及实船试验数据等对船舶性能再现进行验证。

3、试验过程性能评估模型设计

通过调研智能船舶的智能信息系统、关键设备、网络传输、船舶动力系统等性能指标参数，研究各系统、装备、信息系统等影响智能船舶运营、安全、通信等性能的关键因子，依据预设统计条件和参数阀值，构建智能船舶综合能力试验过程的性能评估模型，实现智能船舶综合能力性能实时评估与验证。

4、试验过程仿真实现

结合试验过程仿真模型和性能评估模型的研究成果，引进具有先进的、适合的仿真平台，对船舶、海、陆、空等环境进行建模，并依次对船舶关键与装备、船岸通信、陆基通信等系统进行仿真分析，实现智能船舶试验过程可视化仿真，可视化仿真数据展示，同时可满足智能船舶综合能力试验过程仿真的需要，使智能船舶综合能力测试与验证成为可能。

图4

数据融合及数字孪生技术

为满足在虚拟环境下数据的真实性与精确性，针对数据缺乏连续性、实时性以及数据融合性等问题，开展物理信息异构要素融合、虚拟船舶多维模型融合、物理-信息数据融合、智能船舶综合能力测试与验证服务融合等多应用方面关键技术研究，通过信息物理的交互与融合，及船舶测试实体与数字虚体的精准映射，分析智能船舶综合能力测试现场实时数据、虚拟空间模型数据、仿真数据等覆盖全要素、全流程的相关数据关联，实现典型海洋装备实体的赛博空间仿真精度不少于90%。

图5

1、物理船舶异构要素融合

为实现船舶测试过程中的异构要素智能感知与互联，分析船舶测试过程人、机、物、环境异构全要素信息，开展集成规约多源多模态异构数据融合技术与混杂动态环境下异构测试资源的行为协同精准控制技术研究，开展网络异构技术研究，实现网络数据传输协议标准统一。并开展“人-机-物-环境”的智能感知与互联、数据智能传输与集成、智能交互与控制、智能协作与共融等关键技术研究，从而实现车间内“人一机一物一环境”全要素的智能感知与互联、高效数据传输与集成、实时交互与控制、智能协作与共融。

2、虚拟船舶多维模型融合

为实现物理船舶到虚拟船舶的真实完整映射，分析船舶测试场景几何模型构建，物理因素（如系统的物理运行参数、试验过程因素等）及船舶测试行为、规则、约束等，开展虚拟船舶多位建模构建技术、虚拟船舶多维模型评估与验证技术、虚拟船舶多位模型关联关系与映射机制、虚拟船舶多维模型一致性理论与方法等研究，从而在信息空间级连与融合为一个完整的、具备高忠实度的虚拟船舶模型。

3、物理-信息数据融合

为实现船舶信息层面与虚实交互环境下船舶测试全要素／全范围数据的集成融合，开展测试过程多源异构物理—信息数据融合技术研究，包括：物理测试实体异构要素融合、虚体多维模型融合、船舶物理—信息数据融合。并开展数据“生成—建模—清洗”理论与技术、数据“关联聚类挖掘”理论与技术、数据“迭代演化融合”理论与技术等关键技术研究，真实地刻画和反映测试过程状态、要素行为等各类动态演化过程、演化规律、统计学特性等，实现船舶物理实体多源多模态数据的集成与融合。

4、智能船舶综合能力测试与验证服务融合与应用

融合物理-信息数据的船舶孪生数据，反映物理船舶和虚拟船舶的运行情况，驱动并影响物理船舶和虚拟船舶的运行。实现制造物理世界和信息世界间智能互联与智能操作的重要桥梁。基于船舶孪生数据，结合现有信息系统(如船舶机舱管理系统、船舶能效管理系统等),开展数据驱动的服务生成理论与方法、船舶测试与验证服务智能管理与优化、船舶测试与验证服务协作与融合应用等研究，形成智能船舶综合能力测试与验证过程中所需的各类服务（测试报告服务、测试过程管理服务、船舶测试记录等），从而以融合服务协作的方式实现船舶智能测试、精准测试管控、智能仿真等智能目标，是物理融合、模型融合、数据融合在智能船舶综合能力测试与验证平台应用的最终体现。

为满足船舶在赛博空间进行虚拟测试要求，针对船舶综合测试无反馈、无优化等问题，实现半实物，虚拟事物的仿真测试，并将测试结果进行分析挖掘。测试的结果、测试的过程可在可视化智控平台上进行综合展示，并进行优化，优化后将优化结果反馈到智能综合能力测试平台中进行再测试，再优化，最后将最优结果反馈到实际环境进行执行验证。