李 凱 錢 浩 龔夢瑤 王曉磊

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

引 言

艦船是集流體、結構、機械、電氣、控制、信息等多學科裝備于一體，融入人員活動的一項復雜武器裝備。典型的艦船系統組成一般包括船體結構與船舶裝置、推進系統、電力系統、輔助保障系統、任務系統等。當艦船執(zhí)行任務時，全艦以任務系統為核心，其他系統全面協調運行，全力保障任務作業(yè)，產生大量的裝備流、物理流、信息流和人員流等動態(tài)要素。但采用傳統的設計方法和理念設計出的艦船面對日益突出的多系統、多維度協調任務作業(yè)時，在設計效率、驗證準確性、輔助決策的高效性方面尚存在許多不足之處。

從20世紀50年代開始，數字化設計技術經歷了以計算機輔助設計為代表的第二代數字化制造技術，以集成制造技術為代表的第二代數字化制造技術，以網絡化制造技術為代表的第三代數字化制造技術以及以智能制造技術為代表的第四代數字化制造技術［1］。在此背景下，數字孿生技術逐漸引起國內外學者的關注。

1 數字孿生的技術內涵與國內外現狀

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

國外數字孿生技術近期獲得廣泛關注，洛克西德馬丁公司2017年11月將數字孿生技術列為未來國防和航天工業(yè)6大頂尖技術之首。在產品設計方面，西門子基于數字孿生技術理念構建整合制造流程的生產系統模型，形成基于模型的虛擬企業(yè)和基于自動化技術的企業(yè)鏡像。在故障預測與健康管理方面，NASA將物理系統與等效的虛擬系統相結合，研究了基于數字孿生的復雜系統故障預測和消除方法，并應用于飛機、飛行器、運載火箭等飛行系統的健康管理中。在產品服務方面，PTC公司將數字孿生作為智能互聯產品的關鍵性環(huán)境，致力于在虛擬世界和現實世界間建立一個實時連接，將智能產品的每一個動作延伸至下一個產品設計周期，并能實現產品的預測性維修，為客戶提供高效的產品售后服務與支持。在軍事應用方面，美國海軍宙斯盾項目辦公室也在積極推進虛擬宙斯盾系統的研發(fā)工作。在這個項目中，一艘宙斯盾驅逐艦上會部署一套虛擬宙斯盾系統，該系統包含所有的宙斯盾軟件，并配套協同測試系統。驅逐艦上物理宙斯盾系統所接收到的各種數據和信息，虛擬宙斯盾系統都會同步接收一份。艦上物理宙斯盾系統進行作戰(zhàn)工作時，虛擬宙斯盾會同步接收相同的信息輸入，看到和實體宙斯盾系統完全相同的圖像，當艦上實體宙斯盾系統進行作戰(zhàn)工作時，虛擬宙斯盾系統同步開展相同的工作。

在數字孿生概念不斷完善和發(fā)展過程中，學術界主要針對數字孿生的建模、信息物理融合、交互與協作及服務應用等方面開展了相關研究。

（1）建模方面。當前在數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、航空的相關院所在多學科虛擬樣機協同建模和仿真優(yōu)化方面開展了相關研究形成了多學科模型協同運行平臺，為未來數字孿生模型的構建和運行奠定了一定的基礎。

（2）信息物理融合方面。北航團隊將信息物理融合這一科學問題分解提煉為“物理融合、模型融合、數據融合、服務融合”4個不同維度的融合問題，設計相應的系統實現參考框架，開展了系統性研究與探討，提煉和歸納了相應的基礎理論與關鍵技術。

（3）交互與協同方面。已經開展的生產數據實時采集理論和人機交互的研究有助于實現物理世界與虛擬世界的交互與協同。

（4）服務應用方面。目前對數字孿生在疲勞損傷預測、結構損傷監(jiān)測、實時運行狀態(tài)檢測、故障定位等方面的服務應用已開展一定研究，而在實現服務融合協同上仍有很多問題有待研究解決。

2 數字孿生艦船的總體架構

2.1 基于數字孿生的數字艦船的內涵

基于數字孿生的數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動的協同仿真和推演環(huán)境，具有與真實物理系統虛實映射的能力，并為艦船增加和擴展新的功能。

數字化艦船具有以下技術特征：

2.1.1 面向艦船全生命周期

數字化艦船在橫向上，面向艦船全生命周期，能夠支持立項論證、方案設計、深化方案設計、技術設計，以及交付后的使用保障階段的數字化協同設計、虛實映射等應用需求。

2.1.2 面向艦船全系統

數字化艦船通過模型描述、集成接口等規(guī)范約束，針對不同時期的業(yè)務系統的應用需求，在縱向上能夠支持相關的系統、分系統、設備設施等層級的數字化模型構建與集成運行。

2.1.3 面向多專業(yè)協同

數字化艦船能夠支持船體、管系、動力、電氣等多專業(yè)間協同開展設計，并圍繞具體業(yè)務應用需求進行功能、行為等特性的協同驗證。

2.1.4 面向上艦使用

數字化艦船建立了數字化模型與艦船物理系統間的映射及數據連接，艦船運行數據可以作為數字化模型的輸入，驅動模型運行或進行虛實混合的仿真運行，運行結果可以作為對艦船物理系統的行為預測、作業(yè)系統優(yōu)化或應用決策的依據。

圖1 物理艦船和數字艦船的相互關系

2.2 數字化艦船總體架構

數字化艦船總體架構如下頁圖2所示。數字化艦船運行在基礎硬件環(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

由艦船在設計、運行、業(yè)務應用等階段涉及的資源組成，包括各專業(yè)系統的模型庫，模型相關的物理屬性庫、行為屬性庫、關聯特征庫，艦船運行的實測數據庫等。

2.2.2 接口層

與底層資源庫的接口是數字化艦船重要的內部數據接口，影響著對底層資源的組織管理和調用；數字化艦船的外部數據接口包括：與艦船物理系統間的設備實時運行監(jiān)測數據采集接口、應用驅動信息接口，以及預留的與其他仿真平臺的接口、虛擬現實系統的接口等。

2.2.3 核心功能層

包括多學科建模與協同工具集、構造模型管理工具集、資源綜合管理應用、專業(yè)化分析計算等。

（1）多學科建模與協同工具集：針對立項論證、方案設計、深化方案設計階段，提供艦船系統功能/性能建模、仿真模型代碼生成、仿真模型測試、系統功能推演、仿真支撐引擎、仿真過程管理、仿真數據采集等功能，實現對設計方案的驗證分析；

（2）構造模型管理工具集：針對技術設計階段，以及交付后艦船的運行維護、作業(yè)應用等需求，提供大規(guī)模三維可視化場景，支持模型輕量化、模型文件導入及幾何特性、物理特性、行為特性編輯等功能；

圖2 數字化艦船總體架構

（3）資源綜合管理應用工具集：主要提供對模型、數據等資源的管理、查詢、分析、統計展示等功能；

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

2.2.4 應用層

基于各項核心功能服務，支撐業(yè)務應用系統的規(guī)劃、運行、優(yōu)化和決策。

2.3 關鍵技術

2.3.1 多學科數字化模型的構建與協同

多學科數字化模型與傳統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、忠實映射、高保真度的特性，一般可分為構造模型、功能模型和性能模型。構造模型包括艦船各種物理特性（材料、質量、重心、幾何特性等），反映了艦船的產品組成結構，物理屬性、空間屬性的定義，以及各組成之間的關系；功能模型主要包括在運行、維護、作業(yè)應用、保障等過程中需要實現的功能或者完成的任務，表現為具體任務的實施過程，以及實施過程中的邏輯/流程/行為/時序、工況/條件、邊界/環(huán)境/干擾等；性能模型主要包括在運行、作業(yè)、保障等過程中流體、動力、應力、可靠性、維修性、保障性等特性，本質是工程的方程/不等式和參數/屬性的集合。

圍繞上述三類模型，數字化模型的構建過程如圖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。由于艦船系統的復雜性，其數字化模型具有所屬學科專業(yè)多、形式異構、種類多、數量大等特點，為實現對模型的有效組織和管理，通過建立全艦數字化模型的結構樹，將按照系統、分系統/設備的產品組成關系來構建。

圖 3 多學科數字化模型的構建過程

2.3.2 模型的輕量化與降階技術

對于構造模型，針對艦船這一復雜產品CAD模型數據量大，難以開展可視化仿真應用的問題，采用模型輕量化技術將包含冗余信息的CAD模型轉換成緊湊存儲的面片模型，實現模型數據量顯著縮減和模型復雜度顯著降低。采用實時繪制優(yōu)化技術，實現模型數據實時按需動態(tài)調度，提升繪制刷新率。在超大規(guī)模CAD模型輕量化方面，從數據本身入手，通過特征刪除、格式轉換、面片簡化、并行輕量化處理等方面實現超大規(guī)模CAD模型的數據規(guī)?？s減。在超大規(guī)模CAD模型實時繪制方面，在輕量化模型的基礎上，應用動態(tài)數據調度、可見性剔除以及并行繪制等技術實現。

圖 4 模型輕量化流程

對于功能模型和性能模型，由于艦船系統設備內在特性非常復雜，且大多涉及多物理場的耦合作用，完全和真實系統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級實時仿真和快速優(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。目前在艦船設計領域，這方面開展的工作還較少，可直接借鑒的經驗和范例比較有限。

2.3.3 數字化艦船與全艦物理系統虛實映射融合技術

數字化艦船是物理產品在虛擬空間的真實反映，數字化艦船的成功取決于平臺的擬實化的程度。在艦船的全壽命周期內，數字化艦船通過與各個物理系統的虛實映射而不斷完善，使數字化艦船能夠準確反映物理實體的真實狀態(tài)，為相關系統的輔助決策提供基礎支撐。

3 應用探索

3.1 基于數字艦船的產品設計

艦船設計是根據研制要求，通過論證、分析和設計，形成解決方案的過程。艦艇裝備涵蓋多個專業(yè)領域的知識，當前的設計中往往采用理論計算、按照規(guī)范制圖等傳統的總體設計技術，設計工作幾乎全部由設計師通過文檔的歸類、編寫、整理、思考和決策完成。但這樣的設計模式，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)綜合起來開展設計和優(yōu)化，無法借助先進的設計工具提升設計水平。在傳統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建基本模型，往往各專業(yè)獨立開展相關仿真工作，仿真過程和結果不能有機結合；因此無法完整的反映武器裝備執(zhí)行過程中時間、空間、行為和資源等各種要素間的耦合關系。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，即上層系統的設計師根據任務需求完成本模型的解算后將結果傳遞給下層設計師，下層系統設計師完成仿真后將結果反饋，如此不但延長了研制周期，不同學科或專業(yè)間的模型間的耦合關系也被割裂開，仿真結果與實際工況相差很大［3］。

基于數字化艦船的產品設計，在總體論證和設計階段，支持在全艦總體級、系統級和設備級建立數字樣機，從功能、性能、行為等方面全面真實地模擬裝備，設計人員能以數字化艦船為基礎，實現基于多學科數字樣機的協同仿真與優(yōu)化，實現對裝備功能性能的各類仿真，支撐總體設計，縮短設計改進周期。

在樣機聯調階段，設計人員可以通過數字化艦船與相關物理樣機虛實融合，使數字化艦船不斷更新迭代，在外在物理特性和內在功能特性上逐漸趨近于真實物理系統，能夠較準確的反映艦船的真實狀態(tài)。通過基于數字化艦船的產品設計，在設計驅動上由基于經驗知識和文檔規(guī)范的設計方式轉化為基于數字孿生模型的驅動方式。驗證方式由樣機試制，全物理樣機聯調轉為以高擬真度的仿真驗證。

考慮到艦船設計是一項非常復雜的體系工程，數字孿生在建?？蚣芎鸵笊线€未取得一致性的成果。因此通過構建艦船所有的構造模型、功能模型和性能模型完全模擬艦船的功能、性能特性在短時間內還存在較大難度。由于艦船具有明確的作戰(zhàn)或作業(yè)任務，因此可以全艦三維構造模型為基礎，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，從而形成典型任務剖面下的數字化艦船模型。一方面可以為艦船設計過程中的多學科協同仿真優(yōu)化提供手段支撐，另一方面也可為上艦后的輔助決策、健康管理等應用提供基于模型驅動的數據支持。

3.2 基于數字化艦船的作業(yè)任務全流程全要素輔助決策

艦船作業(yè)任務通常包括補給、救援、支援、艦內保障等。這些作業(yè)過程往往是一種具有實時性、目標性、層次性的任務，在執(zhí)行任務過程中受限于人員、物資、裝備、作業(yè)空間、作業(yè)時間等條件限制，這些資源的調度貫穿整個作業(yè)流程的執(zhí)行過程，而不同的作業(yè)方案又會產生不同的資源需求。因此

必須對相關資源要素進行統一規(guī)劃、合理安排，才能有效保障任務的順利執(zhí)行；同時由于涉及眾多相互耦合的要素，在作業(yè)過程中一旦出現突發(fā)應急事件，不及時形成具有可行性的應急決策，這些事件又會隨著時間不斷演化而導致更嚴重的后果。

隨著艦艇裝備的信息化水平越來越高，在裝備的運行過程中產生大量的數據，具有明顯大數據的特征。這些數據既包括裝備實時產生的數據也包括裝備的內在特性。傳統開展作業(yè)任務輔助決策一般是基于傳感器數據和經驗積累的，但對于裝備自身的內在特性沒有充分關注和重視，而裝備的內在特性實際上隱藏著復雜的邏輯關系和算法模型，很難通過物理手段直接獲取。數據不完整會導致各種基于數據的輔助決策的可信度和可行性不足。

在數字孿生技術的驅動下，實體艦船通過傳感器實時感知作業(yè)過程中產生的各種狀態(tài)數據，數字艦船通過虛實映射分析解析各種狀態(tài)，結合輔助決策算法或策略對作業(yè)方案進行實時的生成、調度、決策和評估，并在出現異常情況時，具有更好的變化適應能力和異常解決能力。

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

圖5 基于數字化艦船的作業(yè)任務全流程全要素輔助決策

3.3 基于數字艦船的故障預測與健康管理

軍用艦船在海上長時間執(zhí)行任務時，長時間處于潮濕、鹽霧、震動等惡劣環(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《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006~2020）》明確指出，重大產品和重大設施壽命預測技術是提高運行可靠性、安全性、可維護性的關鍵技術［4］。故障診測與健康管理（PHM）能夠利用系統中產生的各類數據，經過信號處理和數據分析等運算手段，實現對復雜系統的健康狀態(tài)進行檢測、預測和管理，從而提高系統的可靠性和安全性，并為未來裝備快速、準確的維修保障提供有力支撐。

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

傳統的故障預測與健康管理主要是基于歷史數據的靜態(tài)對比和物理設備的特征采集與分析實現，雖然能較好捕捉和發(fā)現故障現象。但不能較快速和準確地定位故障，也無法提出較為合理的維修策略和仿真驗證。

基于數字化艦船的故障預測與健康管理，在各系統設備模型的驅動下，物理裝備和虛擬裝備的狀態(tài)可進行實時動態(tài)比較和分析。物理裝備在實時運行的同時，虛擬裝備也與物理裝備同步運行，產生各種評估和分析數據。維修決策的方式也由基于傳統的經驗算法轉變?yōu)榛诟呖尚哦鹊奶摂M仿真驗證。

在具體實施上，由于不同裝備的內在健康管理特性千差萬別，短時間形成基于數字孿生模型的故障預測和健康管理模式尚有一定困難，而總體設計單位對艦船結構狀態(tài)監(jiān)測和評估已積累了相當豐富的實船經驗，可以通過相關監(jiān)測設備獲得實時的海況信息、裝載信息、船體運動信息和重要結構應力狀態(tài)信息，結合船體結構的相關模型進行信息融合處理，從而提供艦船航行及任務作業(yè)時的船體實時應急和疲勞壽命狀態(tài)信息，有助于使用部隊掌握船體結構健康狀態(tài)。

4 結 論

數字孿生技術目前已被眾多國內外科研機構、院所廣泛關注。本文以數字化艦船為對象，綜述了數字孿生技術的基本內涵以及國內外發(fā)展現狀，分析了基于數字孿生技術的數字化艦船的總體架構和關鍵技術，并在面向設計、面向任務系統輔助決策、故障預測與健康管理三方面開展應用探索，以期對我海軍艦船的總體設計技術發(fā)展起到一定的借鑒作用。

目前數字孿生體的構建和應用尚處于發(fā)展階段，仍有許多問題有待探索和突破。我們殷切期望相關工作能為數字孿生技術在艦船上進一步應用提供參考和啟發(fā)！