蔡笑馳，姚怡芝，李 鑫

（上海船舶研究設(shè)計院，上海201203）

0 前 言

20世紀中葉以來，隨著計算機、通信網(wǎng)絡(luò)、機器學習、人工智能等新技術(shù)的誕生，工業(yè)信息化和數(shù)字化迅猛發(fā)展。 通過應用計算機輔助設(shè)計及制造（CAD/CAM）等為代表的第一代數(shù)字化技術(shù)，提升了產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。 以產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM） 等集成化技術(shù)為代表的第二代數(shù)字化技術(shù)，解決了單個技術(shù)發(fā)展造成的信息孤島。 以網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)為代表的第三代數(shù)字化技術(shù)，通過產(chǎn)品的設(shè)計制造協(xié)同提高了企業(yè)間的集成和協(xié)同能力。 以數(shù)字孿生（Digital Twin，DT）等智能化技術(shù)為代表的第四代數(shù)字化技術(shù)，推動制造業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型，以達到高效、優(yōu)質(zhì)、柔性、清潔、安全生產(chǎn)的目的［1］。

近年來， 船舶信息化和數(shù)字化水平不斷提升：CAD 和CAM 技術(shù)在設(shè)計和制造中已廣為應用，船舶設(shè)計和制造的數(shù)字化程度已較為成熟；船舶輔助駕駛、綜合能效、智能機艙、貨物管理等智能系統(tǒng)的開發(fā)和裝船使船舶營運的大量關(guān)鍵信息數(shù)據(jù)被采集并存儲，已有一些公司采用“區(qū)塊鏈”技術(shù)將船舶信息上鏈，在船舶報廢時其全生命周期數(shù)據(jù)客觀不可篡改。數(shù)據(jù)的采集正是船舶智能化升級的基礎(chǔ)條件，使得船舶數(shù)字孿生體的構(gòu)建成為可能。 本文著眼于“數(shù)字孿生”技術(shù)，梳理其發(fā)展和應用現(xiàn)狀，并探討該技術(shù)在船舶行業(yè)的應用模式，助力船舶的智能化轉(zhuǎn)型。

1 數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展歷史和概念內(nèi)涵

“孿生”的概念最早可以追溯到美國國家航空航天局（NASA）的阿波羅項目［2］。 在該項目中，NASA計劃制造兩個相同的物理飛行器，留在陸地的飛行器被稱為孿生體，用來實時反映任務(wù)飛行器的運行狀況。 該孿生體常被用作飛行訓練或仿真實驗，從而幫助航天員在執(zhí)行實際任務(wù)時能做出正確的決策。 孿生體在幾何、內(nèi)容、性質(zhì)上與本體基本相同，并且通過仿真等方式模擬了實體的運行狀態(tài)。

2003年，Grieves［3］在其在產(chǎn)品全生命周期管理（PLM）課程上提出了“數(shù)字孿生”或者說“數(shù)字化雙胞胎”的概念雛形，即“與物理產(chǎn)品等價的虛擬數(shù)字化表達” ，并在其發(fā)表的白皮書中闡明了數(shù)字孿生的3 個主要部分：物理空間的實體產(chǎn)品、虛擬空間的虛擬產(chǎn)品以及兩個空間之間的數(shù)據(jù)和信息交互接口。 通過引入虛擬空間的概念， 直觀體現(xiàn)了虛實融合、以虛控實的理念［1］。

2011 年前后，NASA 在其研究項目中提出了“數(shù)字孿生”這一概念：利用高可用的物理模型、傳感器信息、歷史數(shù)據(jù)等對飛行器或系統(tǒng)進行多物理場、多尺度的概率仿真，以反映飛行器的壽命［4］，從而解決未來復雜服役環(huán)境下的飛行器維護和壽命預測技術(shù)［5］。 很顯然，“數(shù)字孿生”技術(shù)最初的定義范圍是通過考慮隨機性、歷史數(shù)據(jù)和傳感數(shù)據(jù)并集成一系列子系統(tǒng)，從而鏡像飛行器及其與物理世界的相互作用。

2015 年， 數(shù)字孿生技術(shù)被運用于飛行器之外的更多產(chǎn)品［6］。 美國通用電氣公司計劃運用數(shù)字孿生技術(shù)對發(fā)動機進行實時監(jiān)控和預測性維護。達索公司以飛機雷達為例驗證了通過“3DE 體驗平臺”與產(chǎn)品的數(shù)字孿生互動［7］。 建筑行業(yè)的學者基于建筑信息模型（BIM）研究了建筑行業(yè)的數(shù)字孿生應用［8］。核工業(yè)的學者將數(shù)字孿生技術(shù)從BIM 應用到核能設(shè)施的維護［9］。 醫(yī)療行業(yè)的學者參考數(shù)字孿生思想，通過構(gòu)建“虛擬胎兒”預測未出生嬰兒的家族遺傳疾?。?0］。

與此同時，我國在“互聯(lián)網(wǎng)+”的戰(zhàn)略指導下開始推廣智能制造技術(shù)，眾多學者就數(shù)字孿生體的發(fā)展歷史、概念內(nèi)涵、體系架構(gòu)、實施應用等進行了論證［11］。莊存波等［1］指出，“數(shù)字孿生”的內(nèi)涵是指利用數(shù)字技術(shù)對物理實體對象的特征、行為、形成過程和性能等進行描述和建模的過程和方法，也稱為數(shù)字孿生技術(shù)。 陶飛等［12］提出了數(shù)字孿生面向智能制造的五維應用模型，包括物理實體、虛擬模型、服務(wù)系統(tǒng)、孿生數(shù)據(jù)和連接，為數(shù)字孿生的概念和應用提出了完善的架構(gòu)。

綜上所述，“數(shù)字孿生”是一種利用數(shù)字技術(shù)對物理世界的實體對象在虛擬世界中進行描述及虛擬模型搭建的過程和方法。 虛擬模型對實體對象在幾何形狀、物理屬性、行為相應、規(guī)律規(guī)則等方面進行映射和寫實，并在虛擬世界搭建數(shù)據(jù)服務(wù)對物理實體進行監(jiān)控、評估、診斷、預測、優(yōu)化，最終形成虛實交融的數(shù)據(jù)孿生架構(gòu)和包含實體數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、服務(wù)數(shù)據(jù)、領(lǐng)域知識等貫穿產(chǎn)品全生命周期的孿生數(shù)據(jù)池，如圖1 所示。

圖1 數(shù)字孿生的內(nèi)涵和架構(gòu)

2 數(shù)字孿生技術(shù)在船舶行業(yè)的適用性

數(shù)字孿生在不同行業(yè)具有不同的應用場景和應用需求。 在航空航天領(lǐng)域，數(shù)字孿生體需要具備高寫實性和實時性。 在機器人領(lǐng)域，工程師們關(guān)注孿生體的可計算性［13］。 在智能制造中，孿生體需要具備多學科性［14］。

船舶行業(yè)的應用場景和需求主要在兩個方面：

1） 船舶由船體、結(jié)構(gòu)、輪機、電氣、舾裝等多個專業(yè)的多個系統(tǒng)組合而成。 其中：船體專業(yè)涉及流體力學；結(jié)構(gòu)專業(yè)涉及結(jié)構(gòu)力學和材料力學；輪機專業(yè)涉及熱力學；電氣專業(yè)涉及強/弱電力學；等等。船舶的設(shè)計建造涉及復雜系統(tǒng)耦合，具有多學科、多物理場的特征。

2） 船舶的生命周期包含設(shè)計建造、運營維護、報廢拆解等，各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)體量浩大、模態(tài)繁多、生成快速且價值巨大［15］。 但每個環(huán)節(jié)的參與人員與單位眾多，且存在一定獨立性，給船舶全生命周期數(shù)據(jù)的采集、存儲和分發(fā)造成困難，各個環(huán)節(jié)極其容易出現(xiàn)信息孤島的狀況，給船舶智能化、無人化的升級進化帶來挑戰(zhàn)。

這兩個方面的困難正是數(shù)字孿生技術(shù)可以解決的：

1） 針對船舶數(shù)據(jù)多學科、多物理場的特征，對船舶開展數(shù)字化建模、多物理聯(lián)合仿真，采用數(shù)字分析方法等手段搭建與船舶幾何形狀、物理屬性、行為相應、規(guī)律規(guī)則相似的虛擬模型，從而在設(shè)計建造階段完成對船舶性能、指標、行為等技術(shù)把控。

2） 隨著數(shù)字化設(shè)計手段的引入，在船舶設(shè)計階段，各個專業(yè)間的協(xié)同設(shè)計信息交互效率大幅提升，設(shè)計院所與船廠之間的場所協(xié)同能力也得到補足，設(shè)計和建造階段的船舶的數(shù)據(jù)得以數(shù)字化傳輸，在一定程度上消除了設(shè)計和建造環(huán)節(jié)中的交互障礙。近年來，船舶智能化程度不斷提升。 38 800 DWT 智能散貨船“大智”號，400 000 DWT 超大型智能礦砂船“明遠”輪與“明卓”輪等相繼投入營運，越來越多的船舶營運和運維信息被錄入船基智能系統(tǒng)并與岸基管理中心互聯(lián)。 這些技術(shù)舉措都為船舶的全生命周期管理和迭代優(yōu)化創(chuàng)造了基礎(chǔ)。 在此基礎(chǔ)上，利用這些數(shù)據(jù)搭建船舶在各個環(huán)節(jié)的虛擬模型，并通過抽象、擴展、分析對船舶的設(shè)計水準、建造工藝、營運方式進行評估，并在之后的產(chǎn)品中用于迭代優(yōu)化。

3 數(shù)字孿生技術(shù)在船舶行業(yè)的應用

3.1 船舶全生命周期服務(wù)體系架構(gòu)

數(shù)字孿生在船舶的全生命周期的應用框架包含實體對象、虛擬模型、可衍生的孿生數(shù)據(jù)、服務(wù)和鏈接等5 個方面。 圖2 展示了基于數(shù)字孿生的船舶全生命周期服務(wù)體系。 其中：

1） 實體對象包含船舶本身、安裝在船上的信息采集裝置、船舶的相關(guān)生產(chǎn)資料以及船舶的運行環(huán)境和生態(tài)。

2） 虛擬模型包含船舶在論證、設(shè)計、建造、營運等各個環(huán)節(jié)中從不同角度描述船舶某一方面特征的各類模型，包含需求模型、設(shè)計模型、建造模型和營運模型等。

3） 可衍生的孿生數(shù)據(jù)池作為虛擬模型和數(shù)據(jù)服務(wù)的驅(qū)動，包含從實體對象中采集的數(shù)據(jù)信息、虛擬模型衍化而得到的模型數(shù)據(jù)、疊加了其他應用產(chǎn)生的服務(wù)數(shù)據(jù)。

4） 服務(wù)是人為介入或界定規(guī)則后，針對某方面的需求對模型開展衍化并疊加專業(yè)知識，將智能應用、精準管理、可靠運維等功能以最為邊界的形式（應用）提供給包含設(shè)計院、船廠、船東、船檢、租家等所有的參與方， 從而幫助各個參與方實現(xiàn)管理、預測、優(yōu)化等目的。

5）鏈接包含物理網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字紐帶。物理網(wǎng)絡(luò)是指由網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)線、交換機、服務(wù)器等裝置以及VSAT、3G/4G/5G 等通信設(shè)施組成的信息交互網(wǎng)絡(luò)。數(shù)字紐帶是指通信協(xié)議、API 接口和信息傳輸格式等，在實體對象、虛擬模型和應用服務(wù)中構(gòu)造數(shù)據(jù)和信息通路。

從需求工程到船舶設(shè)計、建造、營運，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動實體對象、虛擬模型和應用服務(wù)，并從各個對象得到反饋，孿生數(shù)據(jù)池也隨著生命周期的數(shù)據(jù)錄入而變得豐滿。 孿生體隨著船舶本身不斷成長衍進，從而打破各個環(huán)節(jié)的信息孤島狀態(tài)，使船舶的產(chǎn)品生命周期信息形成閉環(huán)，每個階段的數(shù)據(jù)都可以為其他環(huán)節(jié)或者其他船舶提供支撐。 這里針對數(shù)字化程度較高的研制和營運階段展開關(guān)于數(shù)字孿生技術(shù)的應用架構(gòu)的討論。

3.2 數(shù)字智能化研制服務(wù)架構(gòu)

船舶的設(shè)計分為船型論證、方案設(shè)計、詳細設(shè)計等設(shè)計階段。 船型論證是根據(jù)需求設(shè)計具有競爭力的新船型并擬定先進的技術(shù)指標。 方案設(shè)計是根據(jù)船型論證得到的目標船型和技術(shù)指標設(shè)計相應的解決方案，確定主要的系統(tǒng)組成和設(shè)計概念原型。 詳細設(shè)計是對方案設(shè)計進行細化，明確船體、設(shè)備、系統(tǒng)的細節(jié)組成和布置以及每個船體元素和構(gòu)件的材料、外形、尺寸等。 整個過程呈現(xiàn)出船舶在設(shè)計階段的多物理性、多尺度性、可計算性、層次性、概率性和集成性等。 通過對設(shè)計中的船舶建立數(shù)字孿生體，這些特性都在孿生體上得到集中體現(xiàn)：

圖2 基于數(shù)字孿生的船舶全生命周期服務(wù)體系

1） 多物理性：數(shù)字孿生體不僅描述實體的幾何特性，還描述實體產(chǎn)品的多種物理特性，包括結(jié)構(gòu)動力學模型、熱力學模型、應力分析模型以及材料的剛度、強度等特性。

2） 多尺度性：數(shù)字孿生體不僅描述物理產(chǎn)品的宏觀幾何尺寸，也描述材料的微觀結(jié)構(gòu)、表面粗糙度等。

3） 可計算性：可以通過仿真、計算和分析來實時模擬和反映對應物理產(chǎn)品的狀態(tài)和行為。

4） 層次性：組成最終產(chǎn)品的不同組建、部件、零件等，都可以有其對應的數(shù)字孿生體。

5） 概率性：產(chǎn)品數(shù)字孿生體允許采用概率統(tǒng)計的方式進行計算與仿真。

6） 集成性：針對十多種物理結(jié)構(gòu)模型、幾何模型、材料模型等多尺度、多層次集成模型，數(shù)字孿生體需對產(chǎn)品進行整體上特性仿真、分析。

數(shù)字孿生技術(shù)在船舶研制階段的應用架構(gòu)如圖3所示，由實體對象、數(shù)字模型、可衍生孿生數(shù)據(jù)池、基于數(shù)字孿生的智能化研制服務(wù)和鏈接等5 個部分組成，貫穿于船型論證、方案設(shè)計、詳細設(shè)計、設(shè)計驗證和總體聯(lián)調(diào)工程等階段：

1） 在船型論證階段，需對市場需求和技術(shù)進行充分的調(diào)研，在設(shè)計院所、船廠、船東、營運公司、貨主、設(shè)備廠家等利益相關(guān)方進行溝通的基礎(chǔ)上，搭建需求模型。 根據(jù)貨運需求、船管方式和船舶技術(shù)狀態(tài)提供需求想定和管理服務(wù)，幫助船東約束需求，明確目標船型及主要參數(shù)。

2） 方案設(shè)計時，在明確船型和主要參數(shù)的基礎(chǔ)上，開展船舶線型設(shè)計、艙室設(shè)計和主要設(shè)備系統(tǒng)定義。 通過仿真計算和船模試驗構(gòu)建CFD 計算模型、設(shè)備估算模型、電力估算模型等數(shù)字模型，對船舶的主要功能和性能指標進行評估。

3）在詳細設(shè)計階段，通過構(gòu)建二維或三維模型，對結(jié)構(gòu)及設(shè)備系統(tǒng)布置進行放樣，實現(xiàn)各專業(yè)間的協(xié)同設(shè)計以及設(shè)計院和船廠間的場所協(xié)同研制。 利用三維模型，采用有限元計算、穩(wěn)性計算等仿真方法，開展細節(jié)設(shè)計和局部優(yōu)化等工作，完善船舶設(shè)計細節(jié)，并進一步驗證和把控船舶參數(shù)和指標。

4） 伴隨船舶研制直至交船前，船檢、船東根據(jù)設(shè)計資料和實船狀況對設(shè)計方案和施工情況開展檢驗和驗證。 通過開展系泊試驗、航行試驗以及虛擬檢驗等工作，驗證船舶功能性能，并對船舶安全性、環(huán)保性、經(jīng)濟性進行把控。

圖3 基于數(shù)字孿生的船舶智能化研制服務(wù)架構(gòu)

5） 主要設(shè)備系統(tǒng)上船前，通過為關(guān)鍵設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)建虛擬運行環(huán)境，基于虛實網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接，構(gòu)建虛實結(jié)合模型，開展半物理聯(lián)調(diào)測試工作，對關(guān)鍵設(shè)備系統(tǒng)進行虛擬營運驗證，從而確保設(shè)備系統(tǒng)的可靠性。

基于數(shù)字孿生技術(shù)，每個階段的物理實體、虛擬模型和應用服務(wù)都需要來自其他環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)作為輸入，同時經(jīng)過建模、計算、仿真、試驗等工作產(chǎn)生大量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，引導實體對象和數(shù)字模型的發(fā)展和衍化，從而輔助、管理、把控整個產(chǎn)品研制周期，支撐產(chǎn)品的高質(zhì)量研發(fā)。

3.3 船舶智能化營運服務(wù)架構(gòu)

多數(shù)大型商用船舶運營時除短暫靠港外，長時間處于海上航行的狀態(tài)。 受限于船岸通信、數(shù)據(jù)壓縮、船岸信息需求差異等因素，船端和岸端的數(shù)據(jù)信息在內(nèi)容和特性上有所差異。 因此，對于船舶營運階段開展的數(shù)字孿生應用服務(wù)架構(gòu)為圖4 所示的數(shù)字三胞胎：實體對象、船端孿生體和岸端孿生體。

圖4 船舶營運維護階段的數(shù)字三胞胎架構(gòu)

1） 實體對象包含船舶、環(huán)境和用以采集數(shù)據(jù)的感知設(shè)備：

a） 船舶本身，包含船舶運動姿態(tài)，船體、設(shè)備、系統(tǒng)的運行狀態(tài)，存儲油、水、食品等消耗性物資以及所運輸?shù)呢浳餇顟B(tài)等信息。

b） 環(huán)境包含氣象環(huán)境、地理環(huán)境、生物環(huán)境以及法律法規(guī)等。

c） 感知設(shè)備則是指隨船采集相關(guān)信息的傳感器和其他監(jiān)測設(shè)備。

2） 為達到監(jiān)測船舶實時狀態(tài)、管控船上設(shè)備系統(tǒng)、為船舶駕駛提供輔助決策的目的，需要在船端搭建數(shù)字孿生體。 船端孿生體需要具備實時性、超寫實性和一定程度的計算能力：

a） 實時性和超寫實性：即盡可能地在外觀、內(nèi)容、性質(zhì)上與實船保持基本一致。

b） 計算能力：即當輸入條件充沛時，可以通過計算和分析在一定程度上反映并預判船舶的狀態(tài)和行為，為船舶駕駛提供實時決策建議。

c） 受限于數(shù)據(jù)傳輸帶寬和信號強度，岸端所接收的數(shù)據(jù)量不如船端數(shù)據(jù)豐富，岸端需要優(yōu)先采集對船舶運行監(jiān)管、航行安全、調(diào)度協(xié)調(diào)等方面有幫助的數(shù)據(jù)， 搭建具有抽象性特征的岸端數(shù)字孿生體。雖然岸端孿生體在數(shù)據(jù)量上比船端孿生體少，但岸端的計算資源龐大， 且外部信息交互網(wǎng)絡(luò)條件好。因此，通過疊加專業(yè)知識、聯(lián)合多學科應用并采取高精度仿真、云計算、大數(shù)據(jù)分析等方法，岸端孿生體具備較強的可擴展性。 岸端的采集數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、服務(wù)數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)融入孿生數(shù)據(jù)池，用于將來的產(chǎn)品研制優(yōu)化和迭代更新。

4 結(jié) 語

本文詳述了數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展歷史和概念內(nèi)涵。 “數(shù)字孿生”是一種利用數(shù)字技術(shù)對物理世界的實體對象在虛擬世界中進行描述及虛擬模型搭建的過程和方法。 針對船舶行業(yè)進行了數(shù)字孿生技術(shù)的適用性分析，并提出了包括實體對象、虛擬模型、可衍生的孿生數(shù)據(jù)、服務(wù)和鏈接等5 個方面的船舶全生命周期數(shù)字孿生應用架構(gòu)。 基于該應用架構(gòu)，針對船舶研制階段和營運階段，詳細解釋了數(shù)字孿生的五維應用框架，并針對船舶營運階段，提出了包含船舶、船端孿生體和岸端孿生體的數(shù)字三胞胎概念及每個孿生體的關(guān)鍵特性。 為船舶的智能化發(fā)展和數(shù)字孿生技術(shù)在船舶行業(yè)的應用提出理論基礎(chǔ)。