中船重工信息科技有限公司 朱 軍

中國(guó)船級(jí)社江蘇分社連云港辦事處 閻 璐

近年來，數(shù)字孿生這一前沿技術(shù)得到了工業(yè)界與學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。全球最具權(quán)威的IT研究與顧問咨詢公司Gartner 將數(shù)字孿生列為十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢(shì)之一。目前，數(shù)字孿生主要應(yīng)用于制造業(yè)領(lǐng)域，并且數(shù)字孿生已成為制造企業(yè)邁向工業(yè)4.0的重要解決方案之一。針對(duì)數(shù)字孿生的概念，行業(yè)與行業(yè)之間存在不同的技術(shù)內(nèi)涵，從技術(shù)層面來看，該技術(shù)是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程。根據(jù)2019年初的調(diào)查部署物聯(lián)網(wǎng)的企業(yè)和組織中，已有約13%應(yīng)用數(shù)字孿生，約62%的組織正在準(zhǔn)備使用數(shù)字孿生。

數(shù)字孿生具有將虛擬空間和物理實(shí)體緊密融合的特點(diǎn)，在5G等新一代技術(shù)的牽引下，數(shù)字孿生將會(huì)更容易落地。數(shù)字孿生目前主要運(yùn)用于在工業(yè)領(lǐng)域，醫(yī)療領(lǐng)域、智慧城市等領(lǐng)域。文章通過其他領(lǐng)域的應(yīng)用，將對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)在船舶遠(yuǎn)程應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行研究和探討，從制造、醫(yī)療、智慧城市逐步延伸拓展至更多的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)空間。

基于數(shù)字孿生技術(shù)的船舶遠(yuǎn)程檢驗(yàn)共享總體模型架構(gòu)

船舶檢驗(yàn)包括產(chǎn)品、設(shè)備以及全船的檢驗(yàn)，涉及到船東、設(shè)備廠商之間的信息交流和可信交換。目前，在推進(jìn)遠(yuǎn)程檢驗(yàn)的過程中，面臨著一些現(xiàn)實(shí)問題，如怎樣保證實(shí)體之間的相互信任、數(shù)據(jù)隱私、數(shù)據(jù)一致性、數(shù)據(jù)可溯及信息共享可控等。

同時(shí)在新環(huán)境的引領(lǐng)下，如何將驗(yàn)船、檢修、維護(hù)的數(shù)據(jù)及時(shí)反饋并且防止數(shù)據(jù)篡改，如何利用新技術(shù)實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)空間中復(fù)現(xiàn)船舶產(chǎn)品和船舶系統(tǒng)，將數(shù)字空間的模型船與物理空間的實(shí)船進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)兩者數(shù)據(jù)與測(cè)試檢驗(yàn)環(huán)境的一致性，并完成真正意義上的船舶遠(yuǎn)程檢驗(yàn)，需要引入新的技術(shù)手段來合理安排出船舶檢驗(yàn)計(jì)劃和驗(yàn)船師的檢驗(yàn)時(shí)間，提高檢驗(yàn)效率的需求。為解決船舶遠(yuǎn)程檢驗(yàn)、遠(yuǎn)程運(yùn)維、實(shí)時(shí)診斷的便捷與成本問題，保障遠(yuǎn)程檢驗(yàn)的安全可信，通過開展基于數(shù)字孿生技術(shù)的船舶遠(yuǎn)程檢驗(yàn)共享總體模型架構(gòu)，基于數(shù)字孿生技術(shù)的船舶產(chǎn)品性能遠(yuǎn)程評(píng)估，基于網(wǎng)絡(luò)安全的船舶檢驗(yàn)可信保障技術(shù)，船舶檢驗(yàn)干擾因數(shù)參數(shù)庫(kù)構(gòu)建，綜合功能演示驗(yàn)證等研究，實(shí)現(xiàn)船舶及船舶設(shè)備的遠(yuǎn)程檢驗(yàn)；通過船舶虛實(shí)對(duì)接，協(xié)同操作，實(shí)現(xiàn)船舶遠(yuǎn)程運(yùn)維以及船舶設(shè)備的實(shí)時(shí)診斷；通過后臺(tái)大數(shù)據(jù)分析處理平臺(tái)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行有效篩選和處理，實(shí)現(xiàn)船舶從建造、檢驗(yàn)、運(yùn)維、診斷以及決策的全流程智能、綠色、安全。

根據(jù)船舶檢驗(yàn)規(guī)范及要求，該內(nèi)容的最大特點(diǎn)在于整個(gè)檢驗(yàn)過程是由不同粒度的數(shù)字孿生模型實(shí)時(shí)感控。因此為了使各個(gè)節(jié)點(diǎn)在檢驗(yàn)過程中更好地協(xié)同操作，必須根據(jù)感控內(nèi)容和檢驗(yàn)內(nèi)容對(duì)數(shù)字孿生模型進(jìn)行分類。各類型的數(shù)字孿生模型主要集中在數(shù)字孿生模型層，且每一個(gè)數(shù)字孿生模型由一個(gè)指定的邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理。

核心的功能包括多學(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。針對(duì)前期階段，提供船舶系統(tǒng)功能/性能建模、仿真模型代碼生成、仿真模型測(cè)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(duì)前期方案的驗(yàn)證分析；對(duì)船舶的運(yùn)行維護(hù)、作業(yè)檢驗(yàn)等需求，提供大規(guī)模三維可視化場(chǎng)景，支持模型輕量化、模型文件導(dǎo)入及幾何特性、物理特性、行為關(guān)聯(lián)特性等。

在數(shù)字世界中，設(shè)備數(shù)字孿生模型感知控制船舶設(shè)備的測(cè)試檢驗(yàn)狀態(tài)（壓力、溫度、能耗、濕度等）；系統(tǒng)數(shù)字孿生模型感控船舶系統(tǒng)在測(cè)試檢驗(yàn)過程中的功能、性能指標(biāo)；性能數(shù)字孿生模型記錄和感控產(chǎn)品在仿真測(cè)試過程中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際加工過程得到的性能參數(shù)，同時(shí)感知記錄不同檢驗(yàn)環(huán)境對(duì)應(yīng)的不同的產(chǎn)品性能參數(shù)等；協(xié)作檢驗(yàn)數(shù)字孿生模型通過空間網(wǎng)絡(luò)通信感知記錄協(xié)作檢驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)信息以及設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)信息。通過船舶遠(yuǎn)程測(cè)試檢驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)記錄測(cè)試過程中存在擾動(dòng)動(dòng)態(tài)因素。船舶的檢驗(yàn)決策和結(jié)論在云數(shù)字孿生模型上實(shí)現(xiàn)，通過工業(yè)大數(shù)據(jù)分析，依托新一代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，構(gòu)建一套船舶遠(yuǎn)程檢驗(yàn)共享模型平臺(tái)，在該平臺(tái)上進(jìn)行構(gòu)建測(cè)試檢驗(yàn)的知識(shí)圖譜，實(shí)現(xiàn)云端的船舶檢驗(yàn)。

船舶遠(yuǎn)程檢驗(yàn)共享總體模型是基于不同粒度的數(shù)字孿生模型感控，因此如何準(zhǔn)確有效地快速重構(gòu)數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)不確定擾動(dòng)環(huán)境下的動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)整與實(shí)踐擾動(dòng)因素相吻合是十分重要的。借鑒分形理論，將復(fù)雜的設(shè)備、產(chǎn)品、系統(tǒng)、協(xié)作過程等高度抽象成具有自相似性的分形單元。分形單元從輸入（輸入對(duì)象、設(shè)備參數(shù)、輔助參數(shù)、輸入動(dòng)作、干擾參數(shù)等）、模型（設(shè)備模型、關(guān)聯(lián)模型、環(huán)境模型等）、機(jī)理（檢驗(yàn)機(jī)理、關(guān)聯(lián)規(guī)律等）、約束（環(huán)境約束、邏輯約束、關(guān)聯(lián)約束等）、輸出等。其中輸入屬性與所建模型的實(shí)際工況狀態(tài)保持一致，即設(shè)備模型及輔助參數(shù)要與實(shí)際過程中的參數(shù)相同。為了保證所構(gòu)建模型的準(zhǔn)確性，檢驗(yàn)過程中模型所涉及的機(jī)理、約束和控制等屬性與真實(shí)生產(chǎn)過程中的狀態(tài)保持一致。構(gòu)建好數(shù)字孿生模型后，進(jìn)行仿真，并將所得結(jié)果與實(shí)際檢驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行修正比對(duì)，然后將優(yōu)化后的輸入?yún)?shù)、輸出屬性賦給相應(yīng)的數(shù)字孿生模型，并進(jìn)行反復(fù)迭代優(yōu)化，使其與真實(shí)檢驗(yàn)環(huán)境相一致。

另外，在協(xié)同操作檢驗(yàn)的過程中如何保障網(wǎng)絡(luò)的有效性，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行綜合性的需求分析。隨著衛(wèi)星技術(shù)的快速發(fā)展，衛(wèi)星通信技術(shù)及其應(yīng)用取得了較大的進(jìn)步?？臻g信息網(wǎng)絡(luò)作為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步延伸，將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面寬帶網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來，形成了智能化體系。將實(shí)體船（或設(shè)備）、空間傳船（或設(shè)備）、設(shè)備廠商、船東以及檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行綜合互聯(lián)，進(jìn)行有效的協(xié)同檢驗(yàn)操作。

基于數(shù)字孿生技術(shù)的船舶設(shè)備性能遠(yuǎn)程檢驗(yàn)

在構(gòu)建多樣化的檢驗(yàn)工作條件下，隨著新技術(shù)的快速發(fā)展，船舶共享檢驗(yàn)要實(shí)現(xiàn)全船的遠(yuǎn)程檢驗(yàn)還需要一段時(shí)間技術(shù)的積累。但在目前的技術(shù)水平下，可根據(jù)需求在船舶設(shè)備的遠(yuǎn)程檢測(cè)上進(jìn)行試點(diǎn)和推廣，從點(diǎn)到面逐步實(shí)現(xiàn)全船的遠(yuǎn)程檢測(cè)。

在構(gòu)建復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境下，船舶設(shè)備的材料、內(nèi)部構(gòu)造、零部件、功能以及性能等在工作過程中均可能出現(xiàn)異常狀況，針對(duì)不同的干擾因素（例如誤操作、惡劣環(huán)境等）會(huì)對(duì)設(shè)備造成不同程度的影響，因此要實(shí)現(xiàn)在設(shè)備數(shù)字孿生模型中對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程性能評(píng)估及檢驗(yàn)，需要將物理環(huán)境中的各種因素進(jìn)行收集，并在數(shù)字環(huán)境中進(jìn)行實(shí)景模擬。

因此，基于數(shù)字孿生的船舶設(shè)備性能評(píng)估及檢驗(yàn)是通過對(duì)實(shí)體船舶設(shè)備與虛擬船舶設(shè)備的實(shí)時(shí)信息交互與雙向真實(shí)映射，實(shí)現(xiàn)物理船舶設(shè)備、虛擬船舶設(shè)備以及全生命周期、全要素、全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的集成和融合，從而提供可靠的遠(yuǎn)程評(píng)估及檢驗(yàn)。

數(shù)字孿生設(shè)備檢驗(yàn)從物理的船舶設(shè)備、虛擬船舶設(shè)備、孿生數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)連接等幾個(gè)方面進(jìn)行綜合出發(fā)。物理的船舶設(shè)備從設(shè)備本身的采集系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)教摂M空間，支撐虛擬船舶設(shè)備的高度仿真；物理數(shù)據(jù)與虛擬數(shù)據(jù)的融合，進(jìn)行船舶檢驗(yàn)特征的提取，輔助構(gòu)建模型；虛擬的船舶設(shè)備模型包括集合模型、關(guān)聯(lián)模型以及行為模型，從這三個(gè)方面進(jìn)行刻畫和物理色設(shè)備的狀態(tài)；動(dòng)態(tài)連接是在新一代信息傳輸技術(shù)的驅(qū)動(dòng)下，通過高效快捷準(zhǔn)確的檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)體設(shè)備、虛擬設(shè)備之間的實(shí)時(shí)信息交互，達(dá)到遠(yuǎn)程設(shè)備檢驗(yàn)的效果。基于物理設(shè)備的性能，變化以及干擾等在虛擬環(huán)境下進(jìn)行精確地仿真的測(cè)試，從而對(duì)船舶設(shè)備遠(yuǎn)程精確性的評(píng)估和檢驗(yàn)。

為滿足在數(shù)字虛擬環(huán)境下數(shù)據(jù)的真實(shí)性與精確性，針對(duì)數(shù)據(jù)缺乏連續(xù)性、真實(shí)性以及數(shù)據(jù)融合性等問題，開展物理信息異構(gòu)要素融合、虛擬船舶多維模型融合、物理-信息數(shù)據(jù)融合、船舶檢驗(yàn)?zāi)芰y(cè)試與驗(yàn)證服務(wù)融合等多應(yīng)用方面研究，通過信息物理的交互與融合，及船舶實(shí)體與數(shù)字虛體的精準(zhǔn)映射，分析設(shè)備、產(chǎn)品、船舶現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)、虛擬空間模型數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)等覆蓋全要素、全流程的相關(guān)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。

基于網(wǎng)絡(luò)安全的船舶遠(yuǎn)程檢驗(yàn)可信保障技術(shù)

船舶設(shè)備遠(yuǎn)程檢驗(yàn)過程數(shù)據(jù)安全保障要實(shí)現(xiàn)在多信任主體中，流轉(zhuǎn)的檢驗(yàn)過程數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)“安全”“防篡改”和“透明”。由于目前的技術(shù)水平和檢驗(yàn)現(xiàn)狀，數(shù)據(jù)由不同的異構(gòu)平臺(tái)產(chǎn)生，格式不一造成難以統(tǒng)一解讀，進(jìn)而導(dǎo)致真實(shí)性無法判斷。在新型的數(shù)據(jù)安全保障的框架下，保證各個(gè)參與方可以通過統(tǒng)一、可信的數(shù)據(jù)源來記錄整個(gè)船舶設(shè)備檢驗(yàn)過程，同時(shí)，引入新一代技術(shù)保證數(shù)據(jù)不可篡改，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)安全和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)保證數(shù)據(jù)真實(shí)性。

針對(duì)船舶檢驗(yàn)的復(fù)雜特點(diǎn)，構(gòu)建供應(yīng)商可信信息流轉(zhuǎn)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)相關(guān)組件的整個(gè)供應(yīng)鏈的可信追溯；實(shí)現(xiàn)對(duì)于每一個(gè)零部件檢驗(yàn)的全方位數(shù)據(jù)管理和監(jiān)督，有效保障組件檢驗(yàn)的真實(shí)性；通過可信保障技術(shù)，對(duì)相關(guān)的組件供應(yīng)商進(jìn)行更加有效的評(píng)級(jí)管理，提高供應(yīng)商信息的可信程度，提升相關(guān)數(shù)據(jù)和信息流轉(zhuǎn)的及時(shí)性、準(zhǔn)確性。

通過在船東，設(shè)備廠商及船級(jí)社等節(jié)點(diǎn)部署5G基站，通過5G安全網(wǎng)關(guān)將船舶檢驗(yàn)數(shù)據(jù)通過運(yùn)營(yíng)商的5G核心網(wǎng)，傳輸?shù)焦I(yè)云服務(wù)平臺(tái)上進(jìn)行統(tǒng)一管理和存儲(chǔ)，各參與方可通過網(wǎng)絡(luò)在該平臺(tái)上進(jìn)行數(shù)據(jù)的同步操作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。另外為保障船舶設(shè)備的檢驗(yàn)全流程信息數(shù)據(jù)不發(fā)生泄露的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)溯源信息動(dòng)態(tài)共享，利用屬性加密等新技術(shù)完成檢驗(yàn)的全流程數(shù)據(jù)防護(hù)，通過適用于區(qū)塊鏈的策略更新算法實(shí)現(xiàn)溯源信息動(dòng)態(tài)共享。

遠(yuǎn)程船舶檢驗(yàn)的系統(tǒng)優(yōu)化

現(xiàn)有船舶檢驗(yàn)?zāi)Ｊ剑嗟匾蕾囼?yàn)船師的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和能力，通過構(gòu)建參數(shù)庫(kù)，可更全面地了解擾動(dòng)因數(shù)的范疇，對(duì)前期的檢驗(yàn)提供支撐。通過船舶檢驗(yàn)干擾因數(shù)參數(shù)庫(kù)構(gòu)建技術(shù)，整合過程中相關(guān)的知識(shí)、資源、活動(dòng)、流程等，進(jìn)行全面的控制和管理，將干擾知識(shí)融合到檢驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，自動(dòng)推送可能受到的干擾因數(shù)，實(shí)現(xiàn)干擾因素的智能應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)船舶設(shè)備遠(yuǎn)程虛擬檢驗(yàn)環(huán)境的建立。

針對(duì)船舶產(chǎn)品、設(shè)備、系統(tǒng)等不同形式的檢驗(yàn)特點(diǎn)，建立基礎(chǔ)資源類的參數(shù)庫(kù)、工藝方案類參數(shù)庫(kù)和設(shè)備關(guān)聯(lián)類的參數(shù)庫(kù)，具備實(shí)例推理和規(guī)則推理能力的多層次、可擴(kuò)展參數(shù)庫(kù)體系，提升設(shè)備本身參數(shù)、干擾參數(shù)、環(huán)境參數(shù)的全面性。為滿足船舶設(shè)備在賽博虛擬空間進(jìn)行檢驗(yàn)要求，針對(duì)船舶設(shè)備檢驗(yàn)無反饋，無優(yōu)化等問題，實(shí)現(xiàn)虛擬船舶設(shè)備的仿真檢驗(yàn)，并將檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析挖掘。檢驗(yàn)的結(jié)果、檢驗(yàn)的過程可在船舶遠(yuǎn)程檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕线M(jìn)行綜合展示，并進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后將優(yōu)化結(jié)果反饋給各參與方，再優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)實(shí)際檢驗(yàn)和虛擬檢驗(yàn)的一致性。將數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)和中心進(jìn)行系統(tǒng)的考慮。此外，船舶全域感知及遠(yuǎn)程運(yùn)維服務(wù)主要以分布在船上的各主機(jī)、輔機(jī)以及關(guān)鍵系統(tǒng)和設(shè)備為主要監(jiān)測(cè)對(duì)象，在共享模型上同樣實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、參數(shù)調(diào)整、故障預(yù)警及診斷、檢修維護(hù)計(jì)劃制定以及狀態(tài)評(píng)估等。

通過云數(shù)據(jù)中心，對(duì)船舶的電機(jī)組設(shè)備狀態(tài)與運(yùn)行數(shù)據(jù)、以及機(jī)電設(shè)備運(yùn)營(yíng)管理數(shù)據(jù)，進(jìn)行集中存儲(chǔ)、綜合分析與決策評(píng)估。

通過遠(yuǎn)程運(yùn)維中心，根據(jù)具體的運(yùn)維應(yīng)用需求，以大數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)分析能力為支撐，實(shí)現(xiàn)設(shè)備大部件預(yù)警、故障分析、壽命預(yù)測(cè)、重大安全報(bào)警、電機(jī)組評(píng)估、運(yùn)維服務(wù)管理、無人巡檢系統(tǒng)等功能。

以上數(shù)據(jù)均會(huì)通過船舶遠(yuǎn)程檢驗(yàn)共享模型進(jìn)行綜合展示和預(yù)警分析，將其推送到各個(gè)參與方的主管部門。

目前，中國(guó)船級(jí)社已推出了遠(yuǎn)程船舶檢驗(yàn)服務(wù)，通過與船舶進(jìn)行雙向通信，共享船舶的照片、視頻內(nèi)容和數(shù)字圖像進(jìn)行檢驗(yàn)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，未來使用船舶遠(yuǎn)程檢驗(yàn)共享模型進(jìn)行船舶、產(chǎn)品、設(shè)備的檢驗(yàn)將成為一大亮點(diǎn)，船級(jí)社可以聯(lián)合科研院所、船東、設(shè)備廠商一起在新技術(shù)的引領(lǐng)下，使用船舶遠(yuǎn)程檢驗(yàn)共享模型進(jìn)行船舶檢驗(yàn)和遠(yuǎn)程運(yùn)維。在設(shè)備、產(chǎn)品、船舶實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程檢驗(yàn)后，在船舶運(yùn)行過程中，把船上的運(yùn)維數(shù)據(jù)上傳到船舶遠(yuǎn)程檢驗(yàn)共享數(shù)字模型上，經(jīng)過大數(shù)據(jù)分析處理，實(shí)現(xiàn)船舶故障、設(shè)備壽命、運(yùn)維周期進(jìn)行智能分析和預(yù)測(cè)，將完善現(xiàn)有的再次檢驗(yàn)?zāi)Ｊ?，變被?dòng)為主動(dòng)，合理安排出船舶檢驗(yàn)計(jì)劃和驗(yàn)船師的檢驗(yàn)時(shí)間，提高檢驗(yàn)效率。