數(shù)字孿生在船舶機(jī)艙中的應(yīng)用與研究

石澤宇 張均東 田 慧 徐飛翔

(大連海事大學(xué) 遼寧 大連 116026)

0 引 言

隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能的進(jìn)一步發(fā)展，我國逐漸提出了工業(yè)4.0、人工智能2.0、中國制造2025等促進(jìn)我國工業(yè)發(fā)展的國家戰(zhàn)略，為推進(jìn)智能化船舶相關(guān)研究工作提供了有力支持，深化信息技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)的結(jié)合與應(yīng)用已成為航運(yùn)業(yè)和造船業(yè)發(fā)展的目標(biāo)[1]。新一代信息技術(shù)與船舶的結(jié)合將進(jìn)一步提升船舶機(jī)艙的智能化水平，不過目前船舶機(jī)艙的發(fā)展僅僅停留在物理空間的層面，信息空間與物理空間尚未融合。針對(duì)此現(xiàn)狀，數(shù)字孿生技術(shù)作為連接物理世界和數(shù)字世界的紐帶，近年來受到了國內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。

智能機(jī)艙的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)船舶機(jī)艙的運(yùn)行和維護(hù)提出了更高的要求，維護(hù)人員需要實(shí)時(shí)掌控機(jī)艙設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)而適時(shí)調(diào)整維護(hù)決策，提高智能機(jī)艙的運(yùn)行可靠性，所以需要解決機(jī)艙的物理空間與提供底層實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的信息空間協(xié)同互融的問題。在這樣的背景下，數(shù)字孿生技術(shù)與船舶機(jī)艙的結(jié)合就為物理空間與信息空間的交融提供了更廣闊的視野。數(shù)字孿生是通過數(shù)字化的手段構(gòu)建實(shí)際物體的虛擬化鏡像，借助數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)實(shí)際物體在真實(shí)環(huán)境中的動(dòng)作，結(jié)合虛實(shí)映射、數(shù)據(jù)融合、迭代優(yōu)化等方法，使物理實(shí)體更加智能化、集成化的技術(shù)[2]。

數(shù)字孿生思想最早來源于密歇根大學(xué)的Grieves教授，后來逐漸演變成為“數(shù)字孿生”的概念[3]。美國宇航局為了解決飛行器開發(fā)過程中的潛在問題，開發(fā)了飛行器的硬件數(shù)字孿生體——“鐵鳥”(飛控液壓系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)架)作為飛行器的物理模型[4]。DebRoy等[5]探討了一種基于數(shù)字孿生的增材制造技術(shù)，數(shù)字孿生模型集成了材料的微觀結(jié)構(gòu)變化、加熱和冷卻速率等物理參數(shù)到一個(gè)數(shù)值框架中，減少了實(shí)驗(yàn)次數(shù)。在國內(nèi)，數(shù)字孿生技術(shù)的研究還處于初級(jí)階段。Tao等[6]以數(shù)字化車間為例闡明了數(shù)字孿生車間的相關(guān)概念、系統(tǒng)組成與運(yùn)行機(jī)制。Liu等[7]基于工業(yè)4.0中的流程型智能制造系統(tǒng)，創(chuàng)新性地提出了CMCO體系，并基于中空玻璃智能制造系統(tǒng)的案例進(jìn)行了相關(guān)研究與驗(yàn)證。Jiang等[8]將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際車間，并證明了數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)用性和有效性。Liao等[9]將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)體的適應(yīng)性評(píng)估和演示，實(shí)現(xiàn)了具有效益成本的飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命管理。

綜上所述，數(shù)字孿生的系統(tǒng)框架、重要技術(shù)和運(yùn)行機(jī)制的研究已經(jīng)初見成效，但具體在船舶機(jī)艙的應(yīng)用還比較少。傳統(tǒng)的船舶機(jī)艙具有以下缺點(diǎn)：(1) 在機(jī)艙運(yùn)行管理維護(hù)過程中，雖然已經(jīng)通過總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備數(shù)據(jù)的集成，但對(duì)信息空間數(shù)據(jù)的管理比較匱乏；(2) 目前船舶機(jī)艙只能實(shí)現(xiàn)物理空間到虛擬空間的單方向映射，即模型建立、二維映射、三維映射，并不能達(dá)到信息空間的全面互融與協(xié)同。為了使船舶機(jī)艙更加智能化、集成化，本文將數(shù)字孿生技術(shù)引入到船舶機(jī)艙中，構(gòu)建了基于數(shù)字孿生技術(shù)的船舶機(jī)艙系統(tǒng)架構(gòu)，解決了信息物理系統(tǒng)(cyber-physical systems)中的物理、模型、數(shù)據(jù)3個(gè)方面的融合問題，最后以大連海事大學(xué)輪機(jī)自動(dòng)化與智能化實(shí)驗(yàn)室的“育鯤”輪輪機(jī)模擬器為實(shí)例進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了實(shí)體物理機(jī)艙數(shù)據(jù)與分析模型等多元信息的融合可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)異常狀態(tài)準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，進(jìn)而更全面地指導(dǎo)系統(tǒng)的決策與維護(hù)。

1 基于數(shù)字孿生的船舶機(jī)艙系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 數(shù)字孿生船舶機(jī)艙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于數(shù)字孿生的船舶機(jī)艙系統(tǒng)是通過構(gòu)建的實(shí)時(shí)下行指令通道、上行數(shù)據(jù)通道和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫訪問，使集控室管理系統(tǒng)、虛擬仿真系統(tǒng)和船舶機(jī)艙系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生船舶機(jī)艙系統(tǒng)全方位的協(xié)同與融合，在船舶機(jī)艙孿生數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)船舶機(jī)艙資源配置的優(yōu)化、異常運(yùn)行狀態(tài)的分析、機(jī)艙維護(hù)決策的優(yōu)化等在集控室管理系統(tǒng)、虛擬仿真系統(tǒng)和船舶物理機(jī)艙中的迭代運(yùn)行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)船舶機(jī)艙運(yùn)行維護(hù)的優(yōu)化。

基于數(shù)字孿生的船舶機(jī)艙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。船舶機(jī)艙系統(tǒng)包含主機(jī)艙各層、集控室、分油機(jī)室和舵機(jī)室等，通過現(xiàn)場(chǎng)各類傳感器等，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備和環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。虛擬仿真系統(tǒng)是根據(jù)實(shí)船設(shè)計(jì)參數(shù)和相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)機(jī)艙設(shè)備的動(dòng)態(tài)過程的數(shù)字化鏡像，在能體現(xiàn)出機(jī)艙內(nèi)不同系統(tǒng)之間的相互作用的前提下，還能夠精確地反饋系統(tǒng)的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程[10]。集控室管理系統(tǒng)是包含了智能評(píng)估、實(shí)時(shí)控制、動(dòng)態(tài)優(yōu)化等功能的綜合信息系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)體機(jī)艙和虛擬仿真模型的精準(zhǔn)控制。船舶機(jī)艙的孿生數(shù)據(jù)庫是整個(gè)孿生系統(tǒng)的核心，包含機(jī)艙實(shí)體實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、虛擬仿真數(shù)據(jù)、機(jī)艙初始環(huán)境配置、系統(tǒng)不斷迭代融合產(chǎn)生的數(shù)據(jù)等。

圖1 基于數(shù)字孿生的船舶機(jī)艙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 數(shù)字孿生船舶機(jī)艙架構(gòu)

基于數(shù)字孿生的船舶機(jī)艙系統(tǒng)架構(gòu)主要包括4層，如圖2所示。

圖2 基于數(shù)字孿生的機(jī)艙架構(gòu)

(1) 物理層。主要指船舶機(jī)艙中維護(hù)人員、機(jī)器設(shè)備、運(yùn)行環(huán)境等負(fù)責(zé)執(zhí)行船舶設(shè)備相關(guān)操縱的物理實(shí)體集合，主要功能是提供機(jī)艙設(shè)備的規(guī)格參數(shù)、運(yùn)行環(huán)境數(shù)據(jù)等。

(2) 模型層。模型層是物理層的全面映射與鏡像[11]，主要包括配置模型、動(dòng)態(tài)模型、控制模型、虛擬模型。

① 配置模型是指智能機(jī)艙的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和靜態(tài)配置，包括設(shè)備的選型、空間布局和相關(guān)設(shè)備、管系之間的聯(lián)系和約束。

② 動(dòng)態(tài)模型是指機(jī)艙內(nèi)相關(guān)系統(tǒng)的工作機(jī)理，主要包括不同設(shè)備在不同工況下的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和設(shè)備模型的不同動(dòng)作形式。

③ 控制模型是指機(jī)艙的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集、處理模型和單元控制模型。

④ 虛擬模型是指物理機(jī)艙在物理、幾何等層面的鏡像同步，主要包括虛擬仿真環(huán)境、視景效果、虛擬場(chǎng)景動(dòng)態(tài)變化、聲光模擬等。

這些模型并不是獨(dú)立的存在，它們共同完成物理機(jī)艙中各類設(shè)備操作的仿真和計(jì)算。機(jī)艙可執(zhí)行資源是船舶運(yùn)行維護(hù)的基本單元，為了在虛擬機(jī)艙中實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)數(shù)字孿生資源的集成與管理，實(shí)時(shí)獲取設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息，就需要對(duì)數(shù)字孿生可執(zhí)行資源進(jìn)行建模。機(jī)艙可執(zhí)行資源包括機(jī)艙設(shè)備、設(shè)備工況、管系系統(tǒng)3個(gè)方面：機(jī)艙設(shè)備主要包括液壓舵機(jī)、空氣壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、空調(diào)、冰機(jī)、海水淡化裝置和輔鍋爐等；設(shè)備工況以輔鍋爐為例，主要包含熱耗率驗(yàn)收工況、閥門全開工況、最大連續(xù)工況和標(biāo)準(zhǔn)行工況等；關(guān)系主要包含海水管系、滑油管系、燃油管系、壓縮空氣管系等，如式(1)所示。

(1)

式中：ML表示全部模型層；Equii表示設(shè)備數(shù)字孿生模型；Condij表示工況數(shù)字孿生模型；Pipik表示管系系統(tǒng)數(shù)字孿生模型。

設(shè)備數(shù)字孿生模型可以描述為式(2)所示。

Equii={Eq_name,Eq_Id,Eq_type,Eq_state,

Eq_attri,Eq_para,Eq_other}

(2)

式中：Eq_name表示資源名稱；Eq_Id表示資源標(biāo)記；Eq_type表示資源類別；Eq_state表示資源狀態(tài)值；Eq_attri表示資源屬性值；Eq_para表示資源運(yùn)行參數(shù)；Eq_other表示資源的其他相關(guān)特征。

(3) 數(shù)據(jù)層。主要指船舶機(jī)艙的孿生數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)處理中心，模型層的各類資源的數(shù)據(jù)、參數(shù)都會(huì)集聚到數(shù)據(jù)層。涵蓋了機(jī)艙各系統(tǒng)在不同工況下運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都會(huì)以名稱、標(biāo)識(shí)、類型、狀態(tài)分類存儲(chǔ)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中，并在數(shù)據(jù)處理平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的排序、清洗、集成、轉(zhuǎn)換與挖掘等功能。

(4) 應(yīng)用層。主要完成對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、可靠報(bào)警、全面運(yùn)維等任務(wù)，實(shí)現(xiàn)船舶機(jī)艙設(shè)備的數(shù)字化管理。通過迭代分析機(jī)艙設(shè)備的相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物理層和模型層的運(yùn)維調(diào)控，具體功能包括船舶能效實(shí)時(shí)監(jiān)控、機(jī)艙設(shè)備狀態(tài)智能評(píng)估、機(jī)艙資源配置的優(yōu)化、船舶異常運(yùn)行狀態(tài)的預(yù)報(bào)等。

2 基于數(shù)字孿生船舶機(jī)艙系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 船舶機(jī)艙數(shù)字孿生模型構(gòu)建

船舶機(jī)艙是包含主動(dòng)力與推進(jìn)系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等系統(tǒng)的復(fù)雜空間，機(jī)艙的正常運(yùn)行維護(hù)涉及故障處理、運(yùn)行優(yōu)化和燃油經(jīng)濟(jì)性等多個(gè)方面。在船舶機(jī)艙的虛擬模型構(gòu)建中，不僅要考慮到物理設(shè)備的幾何特征，還需要建立所有實(shí)體模型的物理特征，包含主機(jī)燃燒模型、動(dòng)力學(xué)模型、控制模型等，不僅實(shí)時(shí)反饋整個(gè)機(jī)艙設(shè)備的動(dòng)態(tài)過程，還要能精確地反饋系統(tǒng)的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程[12]。實(shí)現(xiàn)船舶機(jī)艙的數(shù)字孿生，不僅保證虛擬機(jī)艙與物理機(jī)艙的鏡像同步，還要保證物理、幾何、規(guī)則、行為等多維模型的統(tǒng)一性，在驗(yàn)證模型層的準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，對(duì)多維度模型進(jìn)行全面融合與集成，形成一個(gè)完整的、全面的虛擬機(jī)艙模型[13]，模型融合如圖3所示。

圖3 基于數(shù)字孿生的機(jī)艙模型融合

虛擬場(chǎng)景中幾何模型主要綜合考慮機(jī)艙設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)、數(shù)據(jù)、虛擬仿真運(yùn)行環(huán)境、視景效果、虛擬場(chǎng)景動(dòng)態(tài)變化、聲光模擬等；物理模型包含機(jī)艙中各個(gè)系統(tǒng)的物理特性，如管路壓力、設(shè)備溫度、工作負(fù)載、工作時(shí)間等；行為模型是指交互對(duì)象在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)后表現(xiàn)出來的標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)作和動(dòng)作順序；規(guī)則模型是對(duì)機(jī)艙內(nèi)各類設(shè)備在運(yùn)行機(jī)理、動(dòng)作、邏輯等多個(gè)層面的關(guān)系映射。實(shí)現(xiàn)物理機(jī)艙到虛擬機(jī)艙的全面完整映射，要以物理、幾何、行為和規(guī)則等多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行考量，這樣才能保證船舶機(jī)艙模型系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。最后，將各個(gè)系統(tǒng)模型組合關(guān)聯(lián)在一起，以三維可視化平臺(tái)的形式實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)字化仿真的運(yùn)行。

圖4為利用Unity引擎搭建的基于數(shù)字孿生的船舶機(jī)艙模型[14]，主要包含主機(jī)艙各層、集控室、分油機(jī)室和舵機(jī)室等。

圖4 基于數(shù)字孿生的機(jī)艙可視化模型

2.2 數(shù)據(jù)采集及處理

實(shí)現(xiàn)機(jī)艙內(nèi)異構(gòu)要素的智能互聯(lián)的基礎(chǔ)就是實(shí)現(xiàn)終端實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集和傳輸，數(shù)據(jù)采集終端需要根據(jù)接口及協(xié)議，采用針對(duì)性的協(xié)議轉(zhuǎn)換，并以統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)將數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)接口服務(wù)器上，再由數(shù)據(jù)接口服務(wù)器統(tǒng)一存入數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)采集主要包括系統(tǒng)溫度、壓力、運(yùn)行時(shí)間、電壓、電流、相序等多個(gè)維度，以主機(jī)的相關(guān)參數(shù)采集為例，主要的數(shù)據(jù)采集項(xiàng)目如表1所示。

表1 機(jī)艙內(nèi)主機(jī)主要采集數(shù)據(jù)

續(xù)表1

采用溫度傳感器、壓力傳感器、液位傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器等實(shí)現(xiàn)機(jī)艙數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集、傳輸、儲(chǔ)存的步驟如圖5所示。主要接口標(biāo)準(zhǔn)包括RS485、RS232、向太網(wǎng)等。在數(shù)據(jù)采集軟件接口標(biāo)準(zhǔn)方面選擇串口自定義的形式，以實(shí)現(xiàn)智能化機(jī)艙系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)與仿真模型系統(tǒng)的智能同步。傳感器采集到的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，接入到數(shù)字化仿真中，打破傳統(tǒng)機(jī)艙中存在的數(shù)據(jù)孤島。

圖5 圖數(shù)據(jù)采集、傳輸、儲(chǔ)存步驟

3 數(shù)字孿生機(jī)艙運(yùn)行機(jī)制

數(shù)字孿生機(jī)艙的運(yùn)行機(jī)制主要包括以下三個(gè)方面：機(jī)艙資源配置迭代優(yōu)化、機(jī)艙實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的迭代分析和機(jī)艙運(yùn)行維護(hù)的調(diào)整，主要運(yùn)行機(jī)制如圖6所示。

圖6 基于數(shù)字孿生的船舶機(jī)艙運(yùn)行機(jī)制

階段1是機(jī)艙資源配置迭代優(yōu)化進(jìn)程，主要是機(jī)艙物理環(huán)境與集控室管理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)交互。在接收到物理機(jī)艙傳來的一系列執(zhí)行指令后，集控室管理系統(tǒng)開始生成相關(guān)初始資源配置方案，集控室管理系統(tǒng)獲取船舶物理機(jī)艙的設(shè)備、環(huán)境、工況和進(jìn)程等控制要素的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，在對(duì)要素的狀態(tài)實(shí)時(shí)分析、智能評(píng)估的基礎(chǔ)上，針對(duì)初始資源配置計(jì)劃采取修正與優(yōu)化，然后將優(yōu)化結(jié)果和調(diào)控指令實(shí)時(shí)反饋給物理機(jī)艙。在不斷地執(zhí)行分析調(diào)整后，生成最優(yōu)配置方案。過程中所有數(shù)據(jù)全部通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)入數(shù)據(jù)層，作為后續(xù)分析的基礎(chǔ)。

階段2是機(jī)艙實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的迭代分析進(jìn)程，主要是集控室管系統(tǒng)與虛擬仿真系統(tǒng)的交互，虛擬仿真系統(tǒng)在接收到集控室管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)后，在歷史數(shù)據(jù)及其他關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下，對(duì)設(shè)備運(yùn)行過程進(jìn)行仿真、分析。虛擬仿真系統(tǒng)把仿真結(jié)果傳遞到集控室管理系統(tǒng)，集控室管理系統(tǒng)結(jié)合1階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，再次傳遞到虛擬仿真系統(tǒng)，在不斷地執(zhí)行、分析、調(diào)整后，使機(jī)艙的運(yùn)行與維護(hù)狀態(tài)達(dá)到最佳。過程中所有數(shù)據(jù)全部通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)入數(shù)據(jù)層，作為后續(xù)驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)。

階段3是機(jī)艙運(yùn)行維護(hù)的調(diào)整進(jìn)程，虛擬仿真系統(tǒng)接收到階段2優(yōu)化后的執(zhí)行指令后，生成機(jī)艙維護(hù)和運(yùn)行的最終調(diào)整方案。虛擬仿真系統(tǒng)會(huì)根據(jù)物理機(jī)艙中設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行進(jìn)程自行更新，虛擬仿真系統(tǒng)在機(jī)艙實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、機(jī)艙歷史數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對(duì)比，對(duì)船舶機(jī)艙運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估與決策。在系統(tǒng)不斷的迭代與修正過程中，機(jī)艙的運(yùn)行狀態(tài)會(huì)更新到最佳狀態(tài)。

通過以上三個(gè)階段，實(shí)現(xiàn)了機(jī)艙運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)估，同時(shí)通過系統(tǒng)迭代優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了船舶設(shè)備參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并進(jìn)行維護(hù)決策的優(yōu)化。

4 關(guān)鍵技術(shù)

與流程型制造系統(tǒng)的數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)技術(shù)不同，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生機(jī)艙的關(guān)鍵技術(shù)，可根據(jù)實(shí)現(xiàn)的方式與系統(tǒng)組成，將其總結(jié)如下。

4.1 機(jī)艙運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估技術(shù)

船舶機(jī)艙的運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到船舶的航行安全和航運(yùn)能效，不僅要滿足STCW等海事法律法規(guī)，還要符合船東等方面的利益，所以機(jī)艙運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估主要針對(duì)船舶機(jī)艙運(yùn)行過程中的安全性與航運(yùn)經(jīng)濟(jì)性兩部分。

船舶機(jī)艙的數(shù)字化仿真技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)船舶機(jī)艙運(yùn)行過程中的實(shí)時(shí)仿真，同時(shí)運(yùn)行過程中的參數(shù)也為實(shí)現(xiàn)機(jī)艙運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)估打下基礎(chǔ)，通過計(jì)算評(píng)估參數(shù)的隸屬函數(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為評(píng)估矩陣，通過層次分析法或熵值計(jì)算法計(jì)算權(quán)重，最終得到目前狀態(tài)的評(píng)估指數(shù)報(bào)告。具體評(píng)估流程如圖7所示。

圖7 基于機(jī)艙運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)估流程

4.2 多源數(shù)據(jù)融合與協(xié)同技術(shù)

實(shí)現(xiàn)機(jī)艙的數(shù)字孿生體與數(shù)據(jù)的融合與協(xié)同是數(shù)字孿生機(jī)艙的重要組成部分，針對(duì)機(jī)艙采集的數(shù)據(jù)具有數(shù)量規(guī)模大、多源異構(gòu)、跨維度的特點(diǎn)，在硬件和軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸過程中，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝處理，使網(wǎng)絡(luò)通信模塊化、集成化。除此之外，系統(tǒng)還需要具備數(shù)據(jù)的三維可視化和數(shù)據(jù)的處理等功能。

三維可視化主要是數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)虛擬場(chǎng)景中的設(shè)備模型，使其展現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)作和動(dòng)作順序，并且將數(shù)字孿生機(jī)艙的運(yùn)行維護(hù)的參數(shù)、流程動(dòng)態(tài)展示。驅(qū)動(dòng)虛擬場(chǎng)景中交互對(duì)象的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)主要包括配電箱、控制臺(tái)和信息面板等；動(dòng)態(tài)顯示機(jī)艙設(shè)備相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)主要包括主推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)據(jù)、柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)、輔助機(jī)械數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)的處理指的是機(jī)艙設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)具有跨維度的特點(diǎn)，不同維度的數(shù)據(jù)會(huì)需要針對(duì)虛擬機(jī)艙中設(shè)備不同的配合關(guān)系采取實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換的處理方式，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與構(gòu)建模型之間的交融，完成網(wǎng)絡(luò)與物理系統(tǒng)的協(xié)同。

5 系統(tǒng)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)字孿生機(jī)艙中物理層、數(shù)據(jù)層、模型層和應(yīng)用層之間的融合的一致性，本文在建立的數(shù)字孿生機(jī)艙平臺(tái)進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)使用基于模型的診斷，選用較為常見的殘差分析法(Residual Analysis)，即利用已知的物理機(jī)艙信號(hào)λ(t)和孿生模擬信號(hào)λ′(t)產(chǎn)生殘差信號(hào)，通過設(shè)定閾值進(jìn)行殘差評(píng)價(jià)。

以機(jī)艙中的主機(jī)為研究對(duì)象，采集物理機(jī)艙氣缸排氣溫度作為孿生系統(tǒng)已知的物理機(jī)艙傳感器信號(hào)Ter。在虛擬仿真系統(tǒng)中設(shè)置海水泵進(jìn)口濾器堵塞的故障，分別相對(duì)應(yīng)采集虛擬仿真系統(tǒng)的氣缸排氣溫度Tes作為孿生模擬信號(hào)，表2為部分參數(shù)樣本。

表2 部分采集的樣本數(shù)據(jù)

圖8為故障的擬合曲線，在第100 s時(shí)刻插入故障，系統(tǒng)在第200 s監(jiān)測(cè)到故障，在第214 s系統(tǒng)調(diào)整了維護(hù)方案，排除了相關(guān)故障。由擬合曲線可以看出，故障插入后，雖然孿生系統(tǒng)的動(dòng)作存在一定的滯后，但物理機(jī)艙與孿生機(jī)艙能實(shí)現(xiàn)實(shí)際參數(shù)與孿生模擬參數(shù)的基本擬合，這說明所構(gòu)建的數(shù)字孿生機(jī)艙能與實(shí)體機(jī)艙實(shí)現(xiàn)物理、信息與模型的三方面融合，能夠集成船舶機(jī)艙運(yùn)行與維護(hù)過程中的數(shù)據(jù)類型。這將給未來智能機(jī)艙的運(yùn)行與維護(hù)提供很大的便利，同時(shí)也證明了數(shù)字孿生技術(shù)在船舶機(jī)艙中應(yīng)用的巨大潛力。

圖8 物理機(jī)艙信號(hào)與孿生模擬信號(hào)曲線

6 結(jié) 語

本文將數(shù)據(jù)孿生技術(shù)與船舶機(jī)艙結(jié)合，構(gòu)建了基于數(shù)字孿生技術(shù)的船舶機(jī)艙系統(tǒng)架構(gòu)，在機(jī)艙物理信息融合方面，完成了信息物理系統(tǒng)(cyber-physical systems)中的物理、模型、數(shù)據(jù)3個(gè)方面的融合，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了實(shí)體物理機(jī)艙與孿生虛擬機(jī)艙的融合具有較好的一致性，所提的數(shù)字孿生技術(shù)可以在船舶領(lǐng)域深化應(yīng)用。數(shù)字孿生技術(shù)在國內(nèi)的研究與發(fā)展才剛剛起步，未來數(shù)字孿生機(jī)艙系統(tǒng)主要研究工作將從解決復(fù)雜系統(tǒng)建模、提高系統(tǒng)建模精度、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)分析等展開。