高峰

摘? ? 要：本文以某2 300載重噸錨作船的推進(jìn)系統(tǒng)為研究對象，利用數(shù)字孿生（Digital Twin）技術(shù)對其進(jìn)行數(shù)字建模，預(yù)測系統(tǒng)在運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的異常情況，并對系統(tǒng)的運(yùn)行特性進(jìn)行分析研究，以便于及時做出調(diào)整，避免對航行造成重大的損害。

關(guān)鍵詞：數(shù)字雙胞胎;故障;預(yù)報(bào)

中圖分類號：U667? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Application of Digital Twin Technology in Ship System Maintenance

GAO Feng

（ Guangzhou Office of Naval Equipment Department， Guangzhou 510250 ）

Abstract： By taking the propulsion system of the 2 300 deadweight tonnage anchor ship as the research object， this paper uses digital twin technology to carry out digital modeling， forecasts the abnormal situation of the actual system in the process of operation， and analyzes and studies the operation characteristics of the system. In the event of failure of the ship system， the problem of the system can be quickly and accurately reported， and it is convenient to make adjustments in time and avoid causing greater damage to navigation.

Key words： Digital twin technology; Fault; Predict

1? ? 前言

由于船舶機(jī)械部件和系統(tǒng)越來越一體化，因而也就越來越復(fù)雜。先進(jìn)的控制和監(jiān)測系統(tǒng)，使貨物和人員在海上運(yùn)輸中更加安全、綠色和智能，但也增加了設(shè)計(jì)、調(diào)試和操作的復(fù)雜性。

當(dāng)來自多個供應(yīng)商的不同組件和子系統(tǒng)組合在一起以實(shí)現(xiàn)一個或多個功能時，需要增加多學(xué)科的知識和系統(tǒng)理解。如果難以確定和驗(yàn)證所有可能的故障模式及其影響，也就很難確定和驗(yàn)證整個系統(tǒng)的可靠性和安全性。船舶機(jī)械系統(tǒng)在不斷變化的運(yùn)行和環(huán)境條件下，以多種不同的工作模式運(yùn)行，在這種情況下需要采用虛擬的數(shù)字模型，通過傳感器與通信技術(shù)的支持提升船舶的運(yùn)營效率、節(jié)省維護(hù)成本。

數(shù)字孿生（Digital Twin）[1]技術(shù)最早由美國國防部提出，其早期的目的是為保證航空航天飛行器的運(yùn)行維護(hù)和保障。美國國防部最初的設(shè)想是在仿真平臺建立真實(shí)飛機(jī)的數(shù)字模型，利用傳感器實(shí)現(xiàn)其與真實(shí)飛機(jī)各種運(yùn)行狀態(tài)間的完全同步，這樣在每次航空器飛行后，可根據(jù)其結(jié)構(gòu)和載荷情況及時地對飛行器進(jìn)行評估，了解其是否需要進(jìn)行維修及能否完成下一次的任務(wù)等。數(shù)字孿生（Digital Twin）這一概念是在虛擬制造、數(shù)字樣機(jī)等數(shù)字技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，對真實(shí)物理對象精確地?cái)?shù)字化表述是實(shí)現(xiàn)虛擬制造技術(shù)的關(guān)鍵。建立基于虛擬制造的數(shù)字樣機(jī)的目的，就是為了表述設(shè)計(jì)者對其產(chǎn)品的理想定義，用于指導(dǎo)真實(shí)產(chǎn)品的制造以及性能分析，如圖1所示。

在數(shù)字孿生（Digital Twin）內(nèi)嵌的綜合健康管理系統(tǒng)（IVHM） [2]中，集成了產(chǎn)品的傳感器數(shù)據(jù)、歷史維護(hù)數(shù)據(jù)，以及系統(tǒng)相關(guān)的派生數(shù)據(jù)。Digital Twin通過對所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、分析，能夠預(yù)判產(chǎn)品的運(yùn)行情況、壽命周期以及執(zhí)行任務(wù)的能力，也可以提前預(yù)測對系統(tǒng)安全有影響的重大事件，并通過與真實(shí)系統(tǒng)運(yùn)行情況的對比揭示產(chǎn)品中存在的未知問題。

利用數(shù)字孿生（Digital Twin）技術(shù)能夠快速、準(zhǔn)確的預(yù)判船舶的非正常運(yùn)行狀態(tài)，為船舶的故障診斷提供技術(shù)支持。本文以一艘2 300載重噸錨作船的柴油電力船舶推進(jìn)系統(tǒng)為研究對象，對其進(jìn)行數(shù)字建模，并針對其特點(diǎn)提出了相應(yīng)的控制策略，對系統(tǒng)的運(yùn)行特性進(jìn)行了分析研究。

2? ? 船舶概況

本船是一艘在北海作業(yè)的2 300載重噸錨作船。該船主要推進(jìn)系統(tǒng)包括：兩臺4.5 MW四沖程推進(jìn)柴油發(fā)動機(jī);兩個減速齒輪箱;兩個帶舵的可調(diào)距螺旋槳;兩個船尾隧道推進(jìn)器;一個船首隧道推進(jìn)器;一個船首可伸縮方位推進(jìn)器。

該船配置有安裝在主機(jī)前端的兩臺5 MW軸流發(fā)電機(jī)組和4臺2.1 MW輔助柴油發(fā)電機(jī)組，推進(jìn)和動力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足等級冗余要求。

船舶主要機(jī)械設(shè)備的冷卻系統(tǒng)為兩套獨(dú)立的淡水冷卻系統(tǒng);每套淡水冷卻系統(tǒng)包括一個主電循環(huán)泵、發(fā)動機(jī)驅(qū)動泵、發(fā)動機(jī)預(yù)熱器、閥門和冷卻器;每套淡水系統(tǒng)設(shè)置一個三通調(diào)節(jié)閥，設(shè)定值為37 ℃;每個柴油機(jī)安裝兩個額外的三通調(diào)節(jié)閥;兩臺淡水冷卻系統(tǒng)之間設(shè)有交叉管線和一臺備用泵，并配有手動常閉閥。

主機(jī)冷卻系統(tǒng)分為兩個子系統(tǒng)：低溫（LT）系統(tǒng)和高溫（HT）系統(tǒng)。兩個子系統(tǒng)均配有單獨(dú)的循環(huán)泵;LT系統(tǒng)用于提供燃油和潤滑油冷卻/加熱和二級增壓空氣冷卻;流經(jīng)二級增壓空氣冷卻器的冷卻水量由三通流量控制閥調(diào)節(jié);閥門PID控制器用于提供55 ℃的增壓空氣溫度;HT系統(tǒng)利用LT系統(tǒng)的輸出冷卻水進(jìn)行一級增壓空氣冷卻和氣缸體冷卻。該系統(tǒng)在高溫系統(tǒng)內(nèi)有一個三通溫控閥循環(huán)冷卻水;PID控制器將從氣缸體流出的冷卻水溫度調(diào)節(jié)到90 ℃;冷卻系統(tǒng)配有數(shù)量有限的傳感器，用于監(jiān)測系統(tǒng)溫度、壓力、冷卻水位等。