数字孪生在船舶机舱中的应用与研究

石泽宇 张均东 田 慧 徐飞翔

(大连海事大学 辽宁 大连 116026)

0 引 言

随着大数据、物联网和人工智能的进一步发展，我国逐渐提出了工业4.0、人工智能2.0、中国制造2025等促进我国工业发展的国家战略，为推进智能化船舶相关研究工作提供了有力支持，深化信息技术与传统工业的结合与应用已成为航运业和造船业发展的目标[1]。新一代信息技术与船舶的结合将进一步提升船舶机舱的智能化水平，不过目前船舶机舱的发展仅仅停留在物理空间的层面，信息空间与物理空间尚未融合。针对此现状，数字孪生技术作为连接物理世界和数字世界的纽带，近年来受到了国内外专家学者的广泛关注。

智能机舱的进一步发展，对船舶机舱的运行和维护提出了更高的要求，维护人员需要实时掌控机舱设备的运行状态和运行参数，进而适时调整维护决策，提高智能机舱的运行可靠性，所以需要解决机舱的物理空间与提供底层实时数据的信息空间协同互融的问题。在这样的背景下，数字孪生技术与船舶机舱的结合就为物理空间与信息空间的交融提供了更广阔的视野。数字孪生是通过数字化的手段构建实际物体的虚拟化镜像，借助数据实时驱动实际物体在真实环境中的动作，结合虚实映射、数据融合、迭代优化等方法，使物理实体更加智能化、集成化的技术[2]。

数字孪生思想最早来源于密歇根大学的Grieves教授，后来逐渐演变成为“数字孪生”的概念[3]。美国宇航局为了解决飞行器开发过程中的潜在问题，开发了飞行器的硬件数字孪生体——“铁鸟”(飞控液压系统综合实验台架)作为飞行器的物理模型[4]。DebRoy等[5]探讨了一种基于数字孪生的增材制造技术，数字孪生模型集成了材料的微观结构变化、加热和冷却速率等物理参数到一个数值框架中，减少了实验次数。在国内，数字孪生技术的研究还处于初级阶段。Tao等[6]以数字化车间为例阐明了数字孪生车间的相关概念、系统组成与运行机制。Liu等[7]基于工业4.0中的流程型智能制造系统，创新性地提出了CMCO体系，并基于中空玻璃智能制造系统的案例进行了相关研究与验证。Jiang等[8]将数字孪生技术应用于实际车间，并证明了数字孪生技术的实用性和有效性。Liao等[9]将数字孪生技术应用于飞机机体的适应性评估和演示，实现了具有效益成本的飞机结构寿命管理。

综上所述，数字孪生的系统框架、重要技术和运行机制的研究已经初见成效，但具体在船舶机舱的应用还比较少。传统的船舶机舱具有以下缺点：(1) 在机舱运行管理维护过程中，虽然已经通过总线技术实现了设备数据的集成，但对信息空间数据的管理比较匮乏；(2) 目前船舶机舱只能实现物理空间到虚拟空间的单方向映射，即模型建立、二维映射、三维映射，并不能达到信息空间的全面互融与协同。为了使船舶机舱更加智能化、集成化，本文将数字孪生技术引入到船舶机舱中，构建了基于数字孪生技术的船舶机舱系统架构，解决了信息物理系统(cyber-physical systems)中的物理、模型、数据3个方面的融合问题，最后以大连海事大学轮机自动化与智能化实验室的“育鲲”轮轮机模拟器为实例进行了研究，验证了实体物理机舱数据与分析模型等多元信息的融合可实现系统对异常状态准确的预报，进而更全面地指导系统的决策与维护。

1 基于数字孪生的船舶机舱系统架构

1.1 数字孪生船舶机舱系统结构

基于数字孪生的船舶机舱系统是通过构建的实时下行指令通道、上行数据通道和实时数据库访问，使集控室管理系统、虚拟仿真系统和船舶机舱系统的数据实时交互，实现数字孪生船舶机舱系统全方位的协同与融合，在船舶机舱孪生数据的驱动下，实现船舶机舱资源配置的优化、异常运行状态的分析、机舱维护决策的优化等在集控室管理系统、虚拟仿真系统和船舶物理机舱中的迭代运行，进而实现船舶机舱运行维护的优化。

基于数字孪生的船舶机舱系统结构如图1所示。船舶机舱系统包含主机舱各层、集控室、分油机室和舵机室等，通过现场各类传感器等，实现对设备和环境参数的实时监测。虚拟仿真系统是根据实船设计参数和相关运行参数，实现对整个机舱设备的动态过程的数字化镜像，在能体现出机舱内不同系统之间的相互作用的前提下，还能够精确地反馈系统的热力学、动力学参数和动态响应过程[10]。集控室管理系统是包含了智能评估、实时控制、动态优化等功能的综合信息系统，能实现对实体机舱和虚拟仿真模型的精准控制。船舶机舱的孪生数据库是整个孪生系统的核心，包含机舱实体实时数据、虚拟仿真数据、机舱初始环境配置、系统不断迭代融合产生的数据等。

图1 基于数字孪生的船舶机舱系统结构

1.2 数字孪生船舶机舱架构

基于数字孪生的船舶机舱系统架构主要包括4层，如图2所示。

图2 基于数字孪生的机舱架构

(1) 物理层。主要指船舶机舱中维护人员、机器设备、运行环境等负责执行船舶设备相关操纵的物理实体集合，主要功能是提供机舱设备的规格参数、运行环境数据等。

(2) 模型层。模型层是物理层的全面映射与镜像[11]，主要包括配置模型、动态模型、控制模型、虚拟模型。

① 配置模型是指智能机舱的拓扑结构和静态配置，包括设备的选型、空间布局和相关设备、管系之间的联系和约束。

② 动态模型是指机舱内相关系统的工作机理，主要包括不同设备在不同工况下的动态数学模型和设备模型的不同动作形式。

③ 控制模型是指机舱的控制系统结构，包括工业控制网络结构、数据采集、处理模型和单元控制模型。

④ 虚拟模型是指物理机舱在物理、几何等层面的镜像同步，主要包括虚拟仿真环境、视景效果、虚拟场景动态变化、声光模拟等。

这些模型并不是独立的存在，它们共同完成物理机舱中各类设备操作的仿真和计算。机舱可执行资源是船舶运行维护的基本单元，为了在虚拟机舱中实现对相关数字孪生资源的集成与管理，实时获取设备的运行状态信息，就需要对数字孪生可执行资源进行建模。机舱可执行资源包括机舱设备、设备工况、管系系统3个方面：机舱设备主要包括液压舵机、空气压缩机、风机、空调、冰机、海水淡化装置和辅锅炉等；设备工况以辅锅炉为例，主要包含热耗率验收工况、阀门全开工况、最大连续工况和标准行工况等；关系主要包含海水管系、滑油管系、燃油管系、压缩空气管系等，如式(1)所示。

(1)

式中：ML表示全部模型层；Equii表示设备数字孪生模型；Condij表示工况数字孪生模型；Pipik表示管系系统数字孪生模型。

设备数字孪生模型可以描述为式(2)所示。

Equii={Eq_name,Eq_Id,Eq_type,Eq_state,

Eq_attri,Eq_para,Eq_other}

(2)

式中：Eq_name表示资源名称；Eq_Id表示资源标记；Eq_type表示资源类别；Eq_state表示资源状态值；Eq_attri表示资源属性值；Eq_para表示资源运行参数；Eq_other表示资源的其他相关特征。

(3) 数据层。主要指船舶机舱的孪生数据库和数据处理中心，模型层的各类资源的数据、参数都会集聚到数据层。涵盖了机舱各系统在不同工况下运行过程中的数据，这些数据都会以名称、标识、类型、状态分类存储到相应的数据库中，并在数据处理平台中实现数据的排序、清洗、集成、转换与挖掘等功能。

(4) 应用层。主要完成对相关设备进行实时监控、可靠报警、全面运维等任务，实现船舶机舱设备的数字化管理。通过迭代分析机舱设备的相关运行数据、历史数据，从而实现对物理层和模型层的运维调控，具体功能包括船舶能效实时监控、机舱设备状态智能评估、机舱资源配置的优化、船舶异常运行状态的预报等。

2 基于数字孪生船舶机舱系统设计

2.1 船舶机舱数字孪生模型构建

船舶机舱是包含主动力与推进系统、辅助系统、电气系统、电力系统等系统的复杂空间，机舱的正常运行维护涉及故障处理、运行优化和燃油经济性等多个方面。在船舶机舱的虚拟模型构建中，不仅要考虑到物理设备的几何特征，还需要建立所有实体模型的物理特征，包含主机燃烧模型、动力学模型、控制模型等，不仅实时反馈整个机舱设备的动态过程，还要能精确地反馈系统的热力学、动力学参数和动态响应过程[12]。实现船舶机舱的数字孪生，不仅保证虚拟机舱与物理机舱的镜像同步，还要保证物理、几何、规则、行为等多维模型的统一性，在验证模型层的准确性的基础上，对多维度模型进行全面融合与集成，形成一个完整的、全面的虚拟机舱模型[13]，模型融合如图3所示。

图3 基于数字孪生的机舱模型融合

虚拟场景中几何模型主要综合考虑机舱设备的运行参数、数据、虚拟仿真运行环境、视景效果、虚拟场景动态变化、声光模拟等；物理模型包含机舱中各个系统的物理特性，如管路压力、设备温度、工作负载、工作时间等；行为模型是指交互对象在实时数据驱动后表现出来的标准化动作和动作顺序；规则模型是对机舱内各类设备在运行机理、动作、逻辑等多个层面的关系映射。实现物理机舱到虚拟机舱的全面完整映射，要以物理、几何、行为和规则等多个指标进行考量，这样才能保证船舶机舱模型系统的准确性。最后，将各个系统模型组合关联在一起，以三维可视化平台的形式实现相关数字化仿真的运行。

图4为利用Unity引擎搭建的基于数字孪生的船舶机舱模型[14]，主要包含主机舱各层、集控室、分油机室和舵机室等。

图4 基于数字孪生的机舱可视化模型

2.2 数据采集及处理

实现机舱内异构要素的智能互联的基础就是实现终端实时数据的采集和传输，数据采集终端需要根据接口及协议，采用针对性的协议转换，并以统一的接口标准将数据上传到数据接口服务器上，再由数据接口服务器统一存入数据库。数据采集主要包括系统温度、压力、运行时间、电压、电流、相序等多个维度，以主机的相关参数采集为例，主要的数据采集项目如表1所示。

表1 机舱内主机主要采集数据

续表1

采用温度传感器、压力传感器、液位传感器、转速传感器等实现机舱数据的实时数据采集。数据采集、传输、储存的步骤如图5所示。主要接口标准包括RS485、RS232、向太网等。在数据采集软件接口标准方面选择串口自定义的形式，以实现智能化机舱系统的硬件系统与仿真模型系统的智能同步。传感器采集到的模拟量转换为数字量，接入到数字化仿真中，打破传统机舱中存在的数据孤岛。

图5 图数据采集、传输、储存步骤

3 数字孪生机舱运行机制

数字孪生机舱的运行机制主要包括以下三个方面：机舱资源配置迭代优化、机舱实时数据的迭代分析和机舱运行维护的调整，主要运行机制如图6所示。

图6 基于数字孪生的船舶机舱运行机制

阶段1是机舱资源配置迭代优化进程，主要是机舱物理环境与集控室管理系统的实时交互。在接收到物理机舱传来的一系列执行指令后，集控室管理系统开始生成相关初始资源配置方案，集控室管理系统获取船舶物理机舱的设备、环境、工况和进程等控制要素的实时数据，在对要素的状态实时分析、智能评估的基础上，针对初始资源配置计划采取修正与优化，然后将优化结果和调控指令实时反馈给物理机舱。在不断地执行分析调整后，生成最优配置方案。过程中所有数据全部通过数据库进入数据层，作为后续分析的基础。

阶段2是机舱实时数据的迭代分析进程，主要是集控室管系统与虚拟仿真系统的交互，虚拟仿真系统在接收到集控室管理系统的数据后，在历史数据及其他关联数据的驱动下，对设备运行过程进行仿真、分析。虚拟仿真系统把仿真结果传递到集控室管理系统，集控室管理系统结合1阶段的数据进行优化，再次传递到虚拟仿真系统，在不断地执行、分析、调整后，使机舱的运行与维护状态达到最佳。过程中所有数据全部通过数据库进入数据层，作为后续驱动的基础。

阶段3是机舱运行维护的调整进程，虚拟仿真系统接收到阶段2优化后的执行指令后，生成机舱维护和运行的最终调整方案。虚拟仿真系统会根据物理机舱中设备的实时运行进程自行更新，虚拟仿真系统在机舱实时数据、机舱历史数据、仿真数据的基础上对比，对船舶机舱运行状态进行评估与决策。在系统不断的迭代与修正过程中，机舱的运行状态会更新到最佳状态。

通过以上三个阶段，实现了机舱运行状态的评估，同时通过系统迭代优化，实现了船舶设备参数的实时监测并进行维护决策的优化。

4 关键技术

与流程型制造系统的数字孪生实现技术不同，实现数字孪生机舱的关键技术，可根据实现的方式与系统组成，将其总结如下。

4.1 机舱运行状态评估技术

船舶机舱的运行状态直接关系到船舶的航行安全和航运能效，不仅要满足STCW等海事法律法规，还要符合船东等方面的利益，所以机舱运行状态评估主要针对船舶机舱运行过程中的安全性与航运经济性两部分。

船舶机舱的数字化仿真技术可以实现船舶机舱运行过程中的实时仿真，同时运行过程中的参数也为实现机舱运行状态的评估打下基础，通过计算评估参数的隶属函数，将数据转化为评估矩阵，通过层次分析法或熵值计算法计算权重，最终得到目前状态的评估指数报告。具体评估流程如图7所示。

图7 基于机舱运行状态的评估流程

4.2 多源数据融合与协同技术

实现机舱的数字孪生体与数据的融合与协同是数字孪生机舱的重要组成部分，针对机舱采集的数据具有数量规模大、多源异构、跨维度的特点，在硬件和软件进行数据传输过程中，需要对数据进行封装处理，使网络通信模块化、集成化。除此之外，系统还需要具备数据的三维可视化和数据的处理等功能。

三维可视化主要是数据动态驱动虚拟场景中的设备模型，使其展现标准化动作和动作顺序，并且将数字孪生机舱的运行维护的参数、流程动态展示。驱动虚拟场景中交互对象的实时数据主要包括配电箱、控制台和信息面板等；动态显示机舱设备相关运行数据主要包括主推进动力系统数据、柴油发电机系统数据、辅助机械数据等。数据的处理指的是机舱设备的运行参数具有跨维度的特点，不同维度的数据会需要针对虚拟机舱中设备不同的配合关系采取实时转换的处理方式，从而实现数据与构建模型之间的交融，完成网络与物理系统的协同。

5 系统验证

为了验证数字孪生机舱中物理层、数据层、模型层和应用层之间的融合的一致性，本文在建立的数字孪生机舱平台进行了相关实验，验证实验使用基于模型的诊断，选用较为常见的残差分析法(Residual Analysis)，即利用已知的物理机舱信号λ(t)和孪生模拟信号λ′(t)产生残差信号，通过设定阈值进行残差评价。

以机舱中的主机为研究对象，采集物理机舱气缸排气温度作为孪生系统已知的物理机舱传感器信号Ter。在虚拟仿真系统中设置海水泵进口滤器堵塞的故障，分别相对应采集虚拟仿真系统的气缸排气温度Tes作为孪生模拟信号，表2为部分参数样本。

表2 部分采集的样本数据

图8为故障的拟合曲线，在第100 s时刻插入故障，系统在第200 s监测到故障，在第214 s系统调整了维护方案，排除了相关故障。由拟合曲线可以看出，故障插入后，虽然孪生系统的动作存在一定的滞后，但物理机舱与孪生机舱能实现实际参数与孪生模拟参数的基本拟合，这说明所构建的数字孪生机舱能与实体机舱实现物理、信息与模型的三方面融合，能够集成船舶机舱运行与维护过程中的数据类型。这将给未来智能机舱的运行与维护提供很大的便利，同时也证明了数字孪生技术在船舶机舱中应用的巨大潜力。

图8 物理机舱信号与孪生模拟信号曲线

6 结 语

本文将数据孪生技术与船舶机舱结合，构建了基于数字孪生技术的船舶机舱系统架构，在机舱物理信息融合方面，完成了信息物理系统(cyber-physical systems)中的物理、模型、数据3个方面的融合，最后通过实验验证了实体物理机舱与孪生虚拟机舱的融合具有较好的一致性，所提的数字孪生技术可以在船舶领域深化应用。数字孪生技术在国内的研究与发展才刚刚起步，未来数字孪生机舱系统主要研究工作将从解决复杂系统建模、提高系统建模精度、动态数据的驱动分析等展开。