基于數(shù)字孿生技術(shù)的數(shù)字化艦船及其應(yīng)用探索

李 凱 錢 浩 龔夢瑤 王曉磊

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011；2. 上海中船船舶設(shè)計(jì)技術(shù)國家工程研究中心有限公司 上海200011）

引 言

艦船是集流體、結(jié)構(gòu)、機(jī)械、電氣、控制、信息等多學(xué)科裝備于一體，融入人員活動(dòng)的一項(xiàng)復(fù)雜武器裝備。典型的艦船系統(tǒng)組成一般包括船體結(jié)構(gòu)與船舶裝置、推進(jìn)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、輔助保障系統(tǒng)、任務(wù)系統(tǒng)等。當(dāng)艦船執(zhí)行任務(wù)時(shí)，全艦以任務(wù)系統(tǒng)為核心，其他系統(tǒng)全面協(xié)調(diào)運(yùn)行，全力保障任務(wù)作業(yè)，產(chǎn)生大量的裝備流、物理流、信息流和人員流等動(dòng)態(tài)要素。但采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和理念設(shè)計(jì)出的艦船面對日益突出的多系統(tǒng)、多維度協(xié)調(diào)任務(wù)作業(yè)時(shí)，在設(shè)計(jì)效率、驗(yàn)證準(zhǔn)確性、輔助決策的高效性方面尚存在許多不足之處。

從20世紀(jì)50年代開始，數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)經(jīng)歷了以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)為代表的第二代數(shù)字化制造技術(shù)，以集成制造技術(shù)為代表的第二代數(shù)字化制造技術(shù)，以網(wǎng)絡(luò)化制造技術(shù)為代表的第三代數(shù)字化制造技術(shù)以及以智能制造技術(shù)為代表的第四代數(shù)字化制造技術(shù)［1］。在此背景下，數(shù)字孿生技術(shù)逐漸引起國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。

1 數(shù)字孿生的技術(shù)內(nèi)涵與國內(nèi)外現(xiàn)狀

數(shù)字孿生技術(shù)是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，通過虛實(shí)交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，為物理實(shí)體增加或擴(kuò)展新的功能。作為一種充分利用模型、數(shù)據(jù)、智能并集成多學(xué)科的技術(shù)，數(shù)字孿生面向產(chǎn)品全生命周期過程，發(fā)揮連接物理世界和信息世界的橋梁和紐帶作用，提供更加實(shí)時(shí)、高效、智能的服務(wù)［2］。

國外數(shù)字孿生技術(shù)近期獲得廣泛關(guān)注，洛克西德馬丁公司2017年11月將數(shù)字孿生技術(shù)列為未來國防和航天工業(yè)6大頂尖技術(shù)之首。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面，西門子基于數(shù)字孿生技術(shù)理念構(gòu)建整合制造流程的生產(chǎn)系統(tǒng)模型，形成基于模型的虛擬企業(yè)和基于自動(dòng)化技術(shù)的企業(yè)鏡像。在故障預(yù)測與健康管理方面，NASA將物理系統(tǒng)與等效的虛擬系統(tǒng)相結(jié)合，研究了基于數(shù)字孿生的復(fù)雜系統(tǒng)故障預(yù)測和消除方法，并應(yīng)用于飛機(jī)、飛行器、運(yùn)載火箭等飛行系統(tǒng)的健康管理中。在產(chǎn)品服務(wù)方面，PTC公司將數(shù)字孿生作為智能互聯(lián)產(chǎn)品的關(guān)鍵性環(huán)境，致力于在虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界間建立一個(gè)實(shí)時(shí)連接，將智能產(chǎn)品的每一個(gè)動(dòng)作延伸至下一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，并能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的預(yù)測性維修，為客戶提供高效的產(chǎn)品售后服務(wù)與支持。在軍事應(yīng)用方面，美國海軍宙斯盾項(xiàng)目辦公室也在積極推進(jìn)虛擬宙斯盾系統(tǒng)的研發(fā)工作。在這個(gè)項(xiàng)目中，一艘宙斯盾驅(qū)逐艦上會(huì)部署一套虛擬宙斯盾系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含所有的宙斯盾軟件，并配套協(xié)同測試系統(tǒng)。驅(qū)逐艦上物理宙斯盾系統(tǒng)所接收到的各種數(shù)據(jù)和信息，虛擬宙斯盾系統(tǒng)都會(huì)同步接收一份。艦上物理宙斯盾系統(tǒng)進(jìn)行作戰(zhàn)工作時(shí)，虛擬宙斯盾會(huì)同步接收相同的信息輸入，看到和實(shí)體宙斯盾系統(tǒng)完全相同的圖像，當(dāng)艦上實(shí)體宙斯盾系統(tǒng)進(jìn)行作戰(zhàn)工作時(shí)，虛擬宙斯盾系統(tǒng)同步開展相同的工作。

在數(shù)字孿生概念不斷完善和發(fā)展過程中，學(xué)術(shù)界主要針對數(shù)字孿生的建模、信息物理融合、交互與協(xié)作及服務(wù)應(yīng)用等方面開展了相關(guān)研究。

（1）建模方面。當(dāng)前在數(shù)字孿生建模的框架和建模流程上已開展了一定研究，其中航天、航空的相關(guān)院所在多學(xué)科虛擬樣機(jī)協(xié)同建模和仿真優(yōu)化方面開展了相關(guān)研究形成了多學(xué)科模型協(xié)同運(yùn)行平臺(tái)，為未來數(shù)字孿生模型的構(gòu)建和運(yùn)行奠定了一定的基礎(chǔ)。

（2）信息物理融合方面。北航團(tuán)隊(duì)將信息物理融合這一科學(xué)問題分解提煉為“物理融合、模型融合、數(shù)據(jù)融合、服務(wù)融合”4個(gè)不同維度的融合問題，設(shè)計(jì)相應(yīng)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)參考框架，開展了系統(tǒng)性研究與探討，提煉和歸納了相應(yīng)的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)。

（3）交互與協(xié)同方面。已經(jīng)開展的生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集理論和人機(jī)交互的研究有助于實(shí)現(xiàn)物理世界與虛擬世界的交互與協(xié)同。

（4）服務(wù)應(yīng)用方面。目前對數(shù)字孿生在疲勞損傷預(yù)測、結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測、實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)檢測、故障定位等方面的服務(wù)應(yīng)用已開展一定研究，而在實(shí)現(xiàn)服務(wù)融合協(xié)同上仍有很多問題有待研究解決。

2 數(shù)字孿生艦船的總體架構(gòu)

2.1 基于數(shù)字孿生的數(shù)字艦船的內(nèi)涵

基于數(shù)字孿生的數(shù)字化艦船是艦船全生命周期的虛擬樣船，能夠提供基于功能模型驅(qū)動(dòng)的協(xié)同仿真和推演環(huán)境，具有與真實(shí)物理系統(tǒng)虛實(shí)映射的能力，并為艦船增加和擴(kuò)展新的功能。

數(shù)字化艦船具有以下技術(shù)特征：

2.1.1 面向艦船全生命周期

數(shù)字化艦船在橫向上，面向艦船全生命周期，能夠支持立項(xiàng)論證、方案設(shè)計(jì)、深化方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)，以及交付后的使用保障階段的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)、虛實(shí)映射等應(yīng)用需求。

2.1.2 面向艦船全系統(tǒng)

數(shù)字化艦船通過模型描述、集成接口等規(guī)范約束，針對不同時(shí)期的業(yè)務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用需求，在縱向上能夠支持相關(guān)的系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備設(shè)施等層級的數(shù)字化模型構(gòu)建與集成運(yùn)行。

2.1.3 面向多專業(yè)協(xié)同

數(shù)字化艦船能夠支持船體、管系、動(dòng)力、電氣等多專業(yè)間協(xié)同開展設(shè)計(jì)，并圍繞具體業(yè)務(wù)應(yīng)用需求進(jìn)行功能、行為等特性的協(xié)同驗(yàn)證。

2.1.4 面向上艦使用

數(shù)字化艦船建立了數(shù)字化模型與艦船物理系統(tǒng)間的映射及數(shù)據(jù)連接，艦船運(yùn)行數(shù)據(jù)可以作為數(shù)字化模型的輸入，驅(qū)動(dòng)模型運(yùn)行或進(jìn)行虛實(shí)混合的仿真運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果可以作為對艦船物理系統(tǒng)的行為預(yù)測、作業(yè)系統(tǒng)優(yōu)化或應(yīng)用決策的依據(jù)。

圖1 物理艦船和數(shù)字艦船的相互關(guān)系

2.2 數(shù)字化艦船總體架構(gòu)

數(shù)字化艦船總體架構(gòu)如下頁圖2所示。數(shù)字化艦船運(yùn)行在基礎(chǔ)硬件環(huán)境之上，包括資源層、接口層、核心功能層、貫穿艦船研制等不同階段。

2.2.1 資源層

由艦船在設(shè)計(jì)、運(yùn)行、業(yè)務(wù)應(yīng)用等階段涉及的資源組成，包括各專業(yè)系統(tǒng)的模型庫，模型相關(guān)的物理屬性庫、行為屬性庫、關(guān)聯(lián)特征庫，艦船運(yùn)行的實(shí)測數(shù)據(jù)庫等。

2.2.2 接口層

與底層資源庫的接口是數(shù)字化艦船重要的內(nèi)部數(shù)據(jù)接口，影響著對底層資源的組織管理和調(diào)用；數(shù)字化艦船的外部數(shù)據(jù)接口包括：與艦船物理系統(tǒng)間的設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)采集接口、應(yīng)用驅(qū)動(dòng)信息接口，以及預(yù)留的與其他仿真平臺(tái)的接口、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的接口等。

2.2.3 核心功能層

包括多學(xué)科建模與協(xié)同工具集、構(gòu)造模型管理工具集、資源綜合管理應(yīng)用、專業(yè)化分析計(jì)算等。

（1）多學(xué)科建模與協(xié)同工具集：針對立項(xiàng)論證、方案設(shè)計(jì)、深化方案設(shè)計(jì)階段，提供艦船系統(tǒng)功能/性能建模、仿真模型代碼生成、仿真模型測試、系統(tǒng)功能推演、仿真支撐引擎、仿真過程管理、仿真數(shù)據(jù)采集等功能，實(shí)現(xiàn)對設(shè)計(jì)方案的驗(yàn)證分析；

（2）構(gòu)造模型管理工具集：針對技術(shù)設(shè)計(jì)階段，以及交付后艦船的運(yùn)行維護(hù)、作業(yè)應(yīng)用等需求，提供大規(guī)模三維可視化場景，支持模型輕量化、模型文件導(dǎo)入及幾何特性、物理特性、行為特性編輯等功能；

圖2 數(shù)字化艦船總體架構(gòu)

（3）資源綜合管理應(yīng)用工具集：主要提供對模型、數(shù)據(jù)等資源的管理、查詢、分析、統(tǒng)計(jì)展示等功能；

（4）專業(yè)化分析計(jì)算工具集：指CAD/CAE/CFD軟件，數(shù)字化艦船提供與這些軟件的集成接口。

2.2.4 應(yīng)用層

基于各項(xiàng)核心功能服務(wù)，支撐業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的規(guī)劃、運(yùn)行、優(yōu)化和決策。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 多學(xué)科數(shù)字化模型的構(gòu)建與協(xié)同

多學(xué)科數(shù)字化模型與傳統(tǒng)的二維或者三維模型相比，是一種集成多物理、多尺度、多專業(yè)屬性的模型具有多層次、忠實(shí)映射、高保真度的特性，一般可分為構(gòu)造模型、功能模型和性能模型。構(gòu)造模型包括艦船各種物理特性（材料、質(zhì)量、重心、幾何特性等），反映了艦船的產(chǎn)品組成結(jié)構(gòu)，物理屬性、空間屬性的定義，以及各組成之間的關(guān)系；功能模型主要包括在運(yùn)行、維護(hù)、作業(yè)應(yīng)用、保障等過程中需要實(shí)現(xiàn)的功能或者完成的任務(wù)，表現(xiàn)為具體任務(wù)的實(shí)施過程，以及實(shí)施過程中的邏輯/流程/行為/時(shí)序、工況/條件、邊界/環(huán)境/干擾等；性能模型主要包括在運(yùn)行、作業(yè)、保障等過程中流體、動(dòng)力、應(yīng)力、可靠性、維修性、保障性等特性，本質(zhì)是工程的方程/不等式和參數(shù)/屬性的集合。

圍繞上述三類模型，數(shù)字化模型的構(gòu)建過程如圖3所示，包括自上向下的分解建模過程，以及自下向上的綜合集成過程。由于艦船系統(tǒng)的復(fù)雜性，其數(shù)字化模型具有所屬學(xué)科專業(yè)多、形式異構(gòu)、種類多、數(shù)量大等特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)對模型的有效組織和管理，通過建立全艦數(shù)字化模型的結(jié)構(gòu)樹，將按照系統(tǒng)、分系統(tǒng)/設(shè)備的產(chǎn)品組成關(guān)系來構(gòu)建。

圖 3 多學(xué)科數(shù)字化模型的構(gòu)建過程

2.3.2 模型的輕量化與降階技術(shù)

對于構(gòu)造模型，針對艦船這一復(fù)雜產(chǎn)品CAD模型數(shù)據(jù)量大，難以開展可視化仿真應(yīng)用的問題，采用模型輕量化技術(shù)將包含冗余信息的CAD模型轉(zhuǎn)換成緊湊存儲(chǔ)的面片模型，實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)量顯著縮減和模型復(fù)雜度顯著降低。采用實(shí)時(shí)繪制優(yōu)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)按需動(dòng)態(tài)調(diào)度，提升繪制刷新率。在超大規(guī)模CAD模型輕量化方面，從數(shù)據(jù)本身入手，通過特征刪除、格式轉(zhuǎn)換、面片簡化、并行輕量化處理等方面實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模CAD模型的數(shù)據(jù)規(guī)?？s減。在超大規(guī)模CAD模型實(shí)時(shí)繪制方面，在輕量化模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)調(diào)度、可見性剔除以及并行繪制等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

圖 4 模型輕量化流程

對于功能模型和性能模型，由于艦船系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)在特性非常復(fù)雜，且大多涉及多物理場的耦合作用，完全和真實(shí)系統(tǒng)各種表征完全一樣的模型難以建立，且即使建立也難以滿足系統(tǒng)級實(shí)時(shí)仿真和快速優(yōu)化的需求。因此，需要建立反映裝備功能性能特性又較為簡單的降階模型。目前在艦船設(shè)計(jì)領(lǐng)域，這方面開展的工作還較少，可直接借鑒的經(jīng)驗(yàn)和范例比較有限。

2.3.3 數(shù)字化艦船與全艦物理系統(tǒng)虛實(shí)映射融合技術(shù)

數(shù)字化艦船是物理產(chǎn)品在虛擬空間的真實(shí)反映，數(shù)字化艦船的成功取決于平臺(tái)的擬實(shí)化的程度。在艦船的全壽命周期內(nèi)，數(shù)字化艦船通過與各個(gè)物理系統(tǒng)的虛實(shí)映射而不斷完善，使數(shù)字化艦船能夠準(zhǔn)確反映物理實(shí)體的真實(shí)狀態(tài)，為相關(guān)系統(tǒng)的輔助決策提供基礎(chǔ)支撐。

3 應(yīng)用探索

3.1 基于數(shù)字艦船的產(chǎn)品設(shè)計(jì)

艦船設(shè)計(jì)是根據(jù)研制要求，通過論證、分析和設(shè)計(jì)，形成解決方案的過程。艦艇裝備涵蓋多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域的知識(shí)，當(dāng)前的設(shè)計(jì)中往往采用理論計(jì)算、按照規(guī)范制圖等傳統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)技術(shù)，設(shè)計(jì)工作幾乎全部由設(shè)計(jì)師通過文檔的歸類、編寫、整理、思考和決策完成。但這樣的設(shè)計(jì)模式，無法全面展示裝備的功能特性和性能特性，因此難以將不同專業(yè)綜合起來開展設(shè)計(jì)和優(yōu)化，無法借助先進(jìn)的設(shè)計(jì)工具提升設(shè)計(jì)水平。在傳統(tǒng)的艦艇裝備建模仿真中，一方面是沒有自頂向下基于全艦構(gòu)建基本模型，往往各專業(yè)獨(dú)立開展相關(guān)仿真工作，仿真過程和結(jié)果不能有機(jī)結(jié)合；因此無法完整的反映武器裝備執(zhí)行過程中時(shí)間、空間、行為和資源等各種要素間的耦合關(guān)系。另一方面不同專業(yè)的模型在耦合過程中，也通常采用串行的方式，即上層系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師根據(jù)任務(wù)需求完成本模型的解算后將結(jié)果傳遞給下層設(shè)計(jì)師，下層系統(tǒng)設(shè)計(jì)師完成仿真后將結(jié)果反饋，如此不但延長了研制周期，不同學(xué)科或?qū)I(yè)間的模型間的耦合關(guān)系也被割裂開，仿真結(jié)果與實(shí)際工況相差很大［3］。

基于數(shù)字化艦船的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，在總體論證和設(shè)計(jì)階段，支持在全艦總體級、系統(tǒng)級和設(shè)備級建立數(shù)字樣機(jī)，從功能、性能、行為等方面全面真實(shí)地模擬裝備，設(shè)計(jì)人員能以數(shù)字化艦船為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)基于多學(xué)科數(shù)字樣機(jī)的協(xié)同仿真與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對裝備功能性能的各類仿真，支撐總體設(shè)計(jì)，縮短設(shè)計(jì)改進(jìn)周期。

在樣機(jī)聯(lián)調(diào)階段，設(shè)計(jì)人員可以通過數(shù)字化艦船與相關(guān)物理樣機(jī)虛實(shí)融合，使數(shù)字化艦船不斷更新迭代，在外在物理特性和內(nèi)在功能特性上逐漸趨近于真實(shí)物理系統(tǒng)，能夠較準(zhǔn)確的反映艦船的真實(shí)狀態(tài)。通過基于數(shù)字化艦船的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)上由基于經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和文檔規(guī)范的設(shè)計(jì)方式轉(zhuǎn)化為基于數(shù)字孿生模型的驅(qū)動(dòng)方式。驗(yàn)證方式由樣機(jī)試制，全物理樣機(jī)聯(lián)調(diào)轉(zhuǎn)為以高擬真度的仿真驗(yàn)證。

考慮到艦船設(shè)計(jì)是一項(xiàng)非常復(fù)雜的體系工程，數(shù)字孿生在建?？蚣芎鸵笊线€未取得一致性的成果。因此通過構(gòu)建艦船所有的構(gòu)造模型、功能模型和性能模型完全模擬艦船的功能、性能特性在短時(shí)間內(nèi)還存在較大難度。由于艦船具有明確的作戰(zhàn)或作業(yè)任務(wù)，因此可以全艦三維構(gòu)造模型為基礎(chǔ)，充分梳理作戰(zhàn)或作業(yè)流程中所涉及的主要人員、物資、裝備、信息等約束條件，對這些要素有限開展數(shù)字化模型（功能模型和性能模型）的建模工作，從而形成典型任務(wù)剖面下的數(shù)字化艦船模型。一方面可以為艦船設(shè)計(jì)過程中的多學(xué)科協(xié)同仿真優(yōu)化提供手段支撐，另一方面也可為上艦后的輔助決策、健康管理等應(yīng)用提供基于模型驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)支持。

3.2 基于數(shù)字化艦船的作業(yè)任務(wù)全流程全要素輔助決策

艦船作業(yè)任務(wù)通常包括補(bǔ)給、救援、支援、艦內(nèi)保障等。這些作業(yè)過程往往是一種具有實(shí)時(shí)性、目標(biāo)性、層次性的任務(wù)，在執(zhí)行任務(wù)過程中受限于人員、物資、裝備、作業(yè)空間、作業(yè)時(shí)間等條件限制，這些資源的調(diào)度貫穿整個(gè)作業(yè)流程的執(zhí)行過程，而不同的作業(yè)方案又會(huì)產(chǎn)生不同的資源需求。因此

必須對相關(guān)資源要素進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃、合理安排，才能有效保障任務(wù)的順利執(zhí)行；同時(shí)由于涉及眾多相互耦合的要素，在作業(yè)過程中一旦出現(xiàn)突發(fā)應(yīng)急事件，不及時(shí)形成具有可行性的應(yīng)急決策，這些事件又會(huì)隨著時(shí)間不斷演化而導(dǎo)致更嚴(yán)重的后果。

隨著艦艇裝備的信息化水平越來越高，在裝備的運(yùn)行過程中產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，具有明顯大數(shù)據(jù)的特征。這些數(shù)據(jù)既包括裝備實(shí)時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)也包括裝備的內(nèi)在特性。傳統(tǒng)開展作業(yè)任務(wù)輔助決策一般是基于傳感器數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)積累的，但對于裝備自身的內(nèi)在特性沒有充分關(guān)注和重視，而裝備的內(nèi)在特性實(shí)際上隱藏著復(fù)雜的邏輯關(guān)系和算法模型，很難通過物理手段直接獲取。數(shù)據(jù)不完整會(huì)導(dǎo)致各種基于數(shù)據(jù)的輔助決策的可信度和可行性不足。

在數(shù)字孿生技術(shù)的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)體艦船通過傳感器實(shí)時(shí)感知作業(yè)過程中產(chǎn)生的各種狀態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)字艦船通過虛實(shí)映射分析解析各種狀態(tài)，結(jié)合輔助決策算法或策略對作業(yè)方案進(jìn)行實(shí)時(shí)的生成、調(diào)度、決策和評估，并在出現(xiàn)異常情況時(shí)，具有更好的變化適應(yīng)能力和異常解決能力。

目前國內(nèi)已在多型艦船上開展面向任務(wù)的指揮管理系統(tǒng)研究工作，積累了良好的基礎(chǔ)，具備了一定的任務(wù)規(guī)劃智能輔助決策能力，因此可以在前期技術(shù)的積累上，借鑒相關(guān)技術(shù)成果重點(diǎn)圍繞任務(wù)系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型建模以及復(fù)雜任務(wù)模式下的智能規(guī)劃算法開展工作，從而形成基于數(shù)字化艦船的作業(yè)任務(wù)全流程全要素輔助決策。

圖5 基于數(shù)字化艦船的作業(yè)任務(wù)全流程全要素輔助決策

3.3 基于數(shù)字艦船的故障預(yù)測與健康管理

軍用艦船在海上長時(shí)間執(zhí)行任務(wù)時(shí)，長時(shí)間處于潮濕、鹽霧、震動(dòng)等惡劣環(huán)境下，各類裝備功能、性能的完好性對提升艦船整體的可靠性有重大影響。我國《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006~2020）》明確指出，重大產(chǎn)品和重大設(shè)施壽命預(yù)測技術(shù)是提高運(yùn)行可靠性、安全性、可維護(hù)性的關(guān)鍵技術(shù)［4］。故障診測與健康管理（PHM）能夠利用系統(tǒng)中產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)，經(jīng)過信號(hào)處理和數(shù)據(jù)分析等運(yùn)算手段，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜系統(tǒng)的健康狀態(tài)進(jìn)行檢測、預(yù)測和管理，從而提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，并為未來裝備快速、準(zhǔn)確的維修保障提供有力支撐。

故障預(yù)測與健康管理技術(shù)包含以下兩方面：第一是故障預(yù)測，即能夠預(yù)先評估系統(tǒng)或設(shè)備功能性能的完好性和能夠正常工作的時(shí)間長度；第二是健康管理，即通過診斷對維修行為進(jìn)行輔助決策，從而將事后維修變?yōu)槭虑熬S修。

傳統(tǒng)的故障預(yù)測與健康管理主要是基于歷史數(shù)據(jù)的靜態(tài)對比和物理設(shè)備的特征采集與分析實(shí)現(xiàn)，雖然能較好捕捉和發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象。但不能較快速和準(zhǔn)確地定位故障，也無法提出較為合理的維修策略和仿真驗(yàn)證。

基于數(shù)字化艦船的故障預(yù)測與健康管理，在各系統(tǒng)設(shè)備模型的驅(qū)動(dòng)下，物理裝備和虛擬裝備的狀態(tài)可進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)比較和分析。物理裝備在實(shí)時(shí)運(yùn)行的同時(shí)，虛擬裝備也與物理裝備同步運(yùn)行，產(chǎn)生各種評估和分析數(shù)據(jù)。維修決策的方式也由基于傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)算法轉(zhuǎn)變?yōu)榛诟呖尚哦鹊奶摂M仿真驗(yàn)證。

在具體實(shí)施上，由于不同裝備的內(nèi)在健康管理特性千差萬別，短時(shí)間形成基于數(shù)字孿生模型的故障預(yù)測和健康管理模式尚有一定困難，而總體設(shè)計(jì)單位對艦船結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測和評估已積累了相當(dāng)豐富的實(shí)船經(jīng)驗(yàn)，可以通過相關(guān)監(jiān)測設(shè)備獲得實(shí)時(shí)的海況信息、裝載信息、船體運(yùn)動(dòng)信息和重要結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)信息，結(jié)合船體結(jié)構(gòu)的相關(guān)模型進(jìn)行信息融合處理，從而提供艦船航行及任務(wù)作業(yè)時(shí)的船體實(shí)時(shí)應(yīng)急和疲勞壽命狀態(tài)信息，有助于使用部隊(duì)掌握船體結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)。

4 結(jié) 論

數(shù)字孿生技術(shù)目前已被眾多國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)、院所廣泛關(guān)注。本文以數(shù)字化艦船為對象，綜述了數(shù)字孿生技術(shù)的基本內(nèi)涵以及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，分析了基于數(shù)字孿生技術(shù)的數(shù)字化艦船的總體架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，并在面向設(shè)計(jì)、面向任務(wù)系統(tǒng)輔助決策、故障預(yù)測與健康管理三方面開展應(yīng)用探索，以期對我海軍艦船的總體設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展起到一定的借鑒作用。

目前數(shù)字孿生體的構(gòu)建和應(yīng)用尚處于發(fā)展階段，仍有許多問題有待探索和突破。我們殷切期望相關(guān)工作能為數(shù)字孿生技術(shù)在艦船上進(jìn)一步應(yīng)用提供參考和啟發(fā)！