周少偉，吳煒，張濤，張僑禹

1 中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064

2 海軍研究院，北京 100161

0 引 言

近年來(lái)，數(shù)字孿生技術(shù)得到了廣泛關(guān)注，已被列為十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢(shì)之一，也被美國(guó)洛克希德?馬丁公司列為未來(lái)國(guó)防和航天工業(yè)6 大頂尖技術(shù)之首。除了在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用外，數(shù)字孿生技術(shù)還被國(guó)內(nèi)外軍工行業(yè)列入發(fā)展重點(diǎn)且已有應(yīng)用案例[1-4]。例如，美國(guó)國(guó)家航天航空局（NASA）將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用到了飛機(jī)、飛行器、運(yùn)載火箭等飛行系統(tǒng)的健康管理中[5]，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)利用數(shù)字孿生技術(shù)開(kāi)展了基于數(shù)字孿生的飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)[6]，美國(guó)通用公司采用數(shù)字孿生技術(shù)開(kāi)展預(yù)測(cè)維修性服務(wù)，采集飛行過(guò)程中的飛行數(shù)據(jù)、環(huán)境和其他數(shù)據(jù)，建立了分析模型，經(jīng)仿真可完整透視實(shí)際飛行過(guò)程中的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行，判斷磨損情況并預(yù)測(cè)維修的合理時(shí)機(jī)，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)測(cè)和監(jiān)控。此外， 美國(guó)通用電氣公司與ANSYS 公司攜手合作，打造基于模型的數(shù)字孿生技術(shù)，為不同領(lǐng)域提供數(shù)字孿生解決方案；海軍宙斯盾作戰(zhàn)系統(tǒng)項(xiàng)目辦公室積極推動(dòng)虛擬宙斯盾系統(tǒng)的研發(fā)，海軍信息戰(zhàn)系統(tǒng)司令部目前已完成首個(gè)數(shù)字孿生模型的搭建，將安裝到“林肯”號(hào)航母上，以提高航母的信息戰(zhàn)能力。

數(shù)字孿生技術(shù)可以反映實(shí)體裝備的全壽期過(guò)程，具有虛實(shí)融合與實(shí)時(shí)交互、迭代運(yùn)行與優(yōu)化以及全要素、全流程、全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)一些行業(yè)對(duì)其開(kāi)展了相關(guān)探索及應(yīng)用研究，但主要集中在航空航天領(lǐng)域，且呈現(xiàn)出了爆炸式發(fā)展態(tài)勢(shì)，艦船領(lǐng)域的應(yīng)用研究也處在開(kāi)展之中[7]，例如，動(dòng)力系統(tǒng)作為艦船的心臟和能量來(lái)源，其性能指標(biāo)、可靠性和維護(hù)保障對(duì)艦船作戰(zhàn)效能和裝備完好性有著關(guān)鍵影響。該系統(tǒng)的全壽期研制過(guò)程涵蓋了許多階段，包括系統(tǒng)論證、概念設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化設(shè)計(jì)、裝備裝配研制、單機(jī)及系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證、可靠性摸底增長(zhǎng)及驗(yàn)證、故障預(yù)測(cè)與視情維修、裝備退役等，而數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用因領(lǐng)域研究的重點(diǎn)不同而有差異。例如，航空航天領(lǐng)域?qū)ρb備安全性要求更高，更注重裝備的健康管理和維修保障； 而在艦船動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)著重于全壽期的全流程數(shù)字化設(shè)計(jì)，基于該系統(tǒng)研制的特點(diǎn)來(lái)構(gòu)建全壽期數(shù)字工程生態(tài)環(huán)境，經(jīng)流程融合、數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)的有機(jī)整合，以及提高設(shè)計(jì)精度，加快系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證速度，化解系統(tǒng)裝艦風(fēng)險(xiǎn)和提升設(shè)計(jì)效率。

數(shù)字孿生技術(shù)在艦船動(dòng)力系統(tǒng)的落地應(yīng)用，需要構(gòu)建頂層技術(shù)體系及規(guī)范指導(dǎo)[8]，除此之外，還需要解決艦船動(dòng)力系統(tǒng)的數(shù)字孿生綜合平臺(tái)開(kāi)發(fā)、多學(xué)科系統(tǒng)模型構(gòu)建、高保真仿真、虛實(shí)融合與實(shí)時(shí)化等技術(shù)難點(diǎn)。因此，本文擬將艦船動(dòng)力系統(tǒng)全壽期研制特征與數(shù)字孿生技術(shù)特點(diǎn)相結(jié)合，開(kāi)展艦船動(dòng)力系統(tǒng)的數(shù)字孿生體系架構(gòu)研究，以明確該系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)的內(nèi)涵及體系框架，包括技術(shù)規(guī)范、數(shù)字孿生平臺(tái)構(gòu)建、關(guān)鍵技術(shù)、數(shù)字孿生體、集成驗(yàn)證與示范應(yīng)用，為從事艦船動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的研究人員提供參考。

1 內(nèi)涵及體系框架

艦船動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)體系以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，借助數(shù)字孿生體，在數(shù)字化艦船動(dòng)力系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)物理系統(tǒng)的全壽期研制，并與陸上或艦上系統(tǒng)實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)。在艦船動(dòng)力系統(tǒng)研制過(guò)程中，包含了數(shù)字化設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化、半物理仿真、虛擬試驗(yàn)、可靠性驗(yàn)證、實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控、故障預(yù)測(cè)與健康管理等。動(dòng)力設(shè)備模型作為動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)字孿生體眾多模型中的子模型，只輸出與動(dòng)力系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)相關(guān)的特性參數(shù)，而動(dòng)力設(shè)備數(shù)字孿生體則作為與動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)字孿生體有接口關(guān)系的獨(dú)立模塊，其內(nèi)部可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全壽期的大數(shù)據(jù)管理與分析。

艦船動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的路線分為5 個(gè)步驟，包括數(shù)字孿生體系構(gòu)建、數(shù)字孿生平臺(tái)開(kāi)發(fā)、數(shù)字孿生體關(guān)鍵技術(shù)突破、動(dòng)力裝備數(shù)字孿生體建模、集成驗(yàn)證與示范應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，采取分步實(shí)施、逐步逼近的原則，最終實(shí)現(xiàn)落地。圖1 所示為艦船動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)體系框架，是用于指導(dǎo)具體項(xiàng)目落地應(yīng)用的頂層框架。其中，技術(shù)規(guī)范體系規(guī)定了動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)字孿生實(shí)施過(guò)程中應(yīng)遵循的準(zhǔn)則、標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)要求等；數(shù)字孿生技術(shù)是物理實(shí)體在虛擬世界的映射，數(shù)字孿生技術(shù)平臺(tái)提供了虛擬世界的運(yùn)行環(huán)境、工作界面及應(yīng)用服務(wù)等；數(shù)字孿生技術(shù)融合了多學(xué)科、多領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)，只有突破了關(guān)鍵技術(shù)，才能真正實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用；集成驗(yàn)證與示范應(yīng)用主要是針對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)研制的全壽期，剖析各階段研制的內(nèi)容，規(guī)定了數(shù)字孿生技術(shù)在各階段的服務(wù)內(nèi)容。

2 數(shù)字孿生技術(shù)規(guī)范體系

在數(shù)字孿生的理論研究與應(yīng)用實(shí)踐中，處于不同的領(lǐng)域、需求和層次的人員對(duì)數(shù)字孿生的理解與認(rèn)識(shí)是存在差異的，這是因?yàn)榕灤瑒?dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)尚處于初期探索階段，對(duì)其的定義和理解因人而異，如果要順利實(shí)施，需有賴于完整系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范體系。因此，構(gòu)建艦船動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)的規(guī)范體系，對(duì)于各級(jí)設(shè)計(jì)師達(dá)成概念共識(shí)、建立統(tǒng)一研究標(biāo)準(zhǔn)、形成規(guī)范設(shè)計(jì)方法具有重大意義。

艦船動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)規(guī)范體系由運(yùn)行環(huán)境、建模標(biāo)準(zhǔn)、接口協(xié)議、虛實(shí)映射、測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)等組成，如圖2 所示。其中，運(yùn)行環(huán)境規(guī)定數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的軟硬件環(huán)境，軟件環(huán)境規(guī)定孿生平臺(tái)開(kāi)發(fā)工具、運(yùn)行環(huán)境、開(kāi)發(fā)語(yǔ)言、編碼規(guī)則等；硬件環(huán)境規(guī)定了計(jì)算機(jī)及外圍設(shè)備組成的物理系統(tǒng)，是數(shù)字孿生平臺(tái)的工作載體；建模標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)系統(tǒng)各設(shè)備特點(diǎn)，按照類別規(guī)定各個(gè)對(duì)象數(shù)字孿生體的建模方法、建模語(yǔ)言、模型擴(kuò)展、模型可視化、輸入輸出接口、封裝格式等；接口協(xié)議規(guī)定物理實(shí)體與虛擬實(shí)體信息交互的數(shù)據(jù)格式、硬件接口方式、三維接口、虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（VR/AR）交互接口、組件調(diào)用接口、帶寬、網(wǎng)絡(luò)安全性、傳輸方式等的相關(guān)要求；虛實(shí)映射反映物理實(shí)體與虛擬實(shí)體的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不同的應(yīng)用對(duì)象，根據(jù)不同的服務(wù)需求，虛實(shí)映射的范圍和深度有所不同。此外，還規(guī)定映射數(shù)據(jù)范圍、數(shù)據(jù)修正、大數(shù)據(jù)處理、知識(shí)數(shù)據(jù)、自學(xué)習(xí)等相關(guān)要求；測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)則針對(duì)數(shù)字孿生平臺(tái)軟硬件、數(shù)字孿生模型、系統(tǒng)仿真精度、測(cè)試腳本、實(shí)時(shí)仿真提出測(cè)試要求。

圖2 艦船動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)字孿生規(guī)范體系Fig. 2 Digital twin standard system of marine power system

3 數(shù)字孿生平臺(tái)構(gòu)建體系

艦船動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)繼承了智能制造4.0 產(chǎn)品數(shù)字孿生技術(shù)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的思想，但同時(shí)又具有自身的特點(diǎn)。艦船動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)字孿生平臺(tái)涉及一系列管理功能，負(fù)責(zé)如下資源的管理：數(shù)字孿生模型庫(kù)，試驗(yàn)臺(tái)架與實(shí)物，仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)，虛實(shí)信號(hào)接口，各仿真軟件的流程集成與管理，實(shí)時(shí)仿真硬件平臺(tái)，智能運(yùn)維算法訓(xùn)練、部署與管理，虛擬試驗(yàn)環(huán)境與數(shù)據(jù)，性能設(shè)計(jì)優(yōu)化算法，數(shù)據(jù)可視化及顯示控制等，如圖3 所示。

圖3 艦船動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)字孿生平臺(tái)體系Fig. 3 Digital twin platform architecture of marine power system

艦船動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)字孿生體系架構(gòu)總體上分為4 個(gè)層級(jí)：基礎(chǔ)資源層、平臺(tái)服務(wù)層、平臺(tái)應(yīng)用層與平臺(tái)門戶層。基礎(chǔ)資源層包含了船艦動(dòng)力裝備數(shù)字孿生技術(shù)平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)與軟硬件基礎(chǔ)。其中，數(shù)據(jù)庫(kù)提供數(shù)字孿生技術(shù)的數(shù)據(jù)、模型、算法、規(guī)范以及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，硬件部分提供數(shù)字孿生體建模與運(yùn)行、孿生數(shù)據(jù)分析、基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的硬件條件，以及試驗(yàn)臺(tái)架、動(dòng)力裝備實(shí)物與虛擬信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)備，軟件部分則提供了專業(yè)分析軟件、應(yīng)用算法訓(xùn)練軟件、數(shù)字孿生體集成與調(diào)試軟件等。

平臺(tái)服務(wù)層針對(duì)數(shù)字孿生體的不同應(yīng)用場(chǎng)景，充分調(diào)配基礎(chǔ)資源層的數(shù)據(jù)庫(kù)與軟、硬件資源，構(gòu)建動(dòng)力系統(tǒng)部件級(jí)與系統(tǒng)級(jí)數(shù)字孿生體，按照不同應(yīng)用需求生成對(duì)應(yīng)的流程與模板，可以快速實(shí)現(xiàn)虛擬試驗(yàn)、智能運(yùn)維算法訓(xùn)練與部署等研究。平臺(tái)應(yīng)用層基于平臺(tái)服務(wù)層的研究?jī)?nèi)容，在平臺(tái)中開(kāi)發(fā)專門的應(yīng)用模塊，對(duì)數(shù)字孿生體、設(shè)備、數(shù)據(jù)、算法、規(guī)范等，進(jìn)行集中管理、運(yùn)行與分析，結(jié)合應(yīng)用需求進(jìn)行決策控制，通過(guò)顯示控制中心對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備故障狀態(tài)、虛實(shí)結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果、設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果等進(jìn)行展示。平臺(tái)門戶層提供用戶與數(shù)字孿生技術(shù)平臺(tái)交互的界面，定制開(kāi)發(fā)頁(yè)面的組件模塊，對(duì)不同用戶的權(quán)限進(jìn)行集中管理，用戶按所需的服務(wù)和應(yīng)用進(jìn)入對(duì)應(yīng)的模塊，調(diào)用平臺(tái)的軟、硬件資源，進(jìn)行設(shè)計(jì)、驗(yàn)證與運(yùn)維工作。

4 數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)體系

艦船動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)本質(zhì)上是集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，反映對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備全壽期過(guò)程。為實(shí)現(xiàn)在動(dòng)力系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用，滿足數(shù)字化研制需求，需要全面梳理實(shí)施過(guò)程中的關(guān)鍵影響要素，識(shí)別出關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)體系結(jié)構(gòu)，如圖4 所示。

圖4 艦船動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)字孿生平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)體系Fig. 4 Key technologies of digital twin platform of marine power system

數(shù)字孿生技術(shù)規(guī)范是在艦船動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)施的法規(guī)性文件，其中規(guī)定了工作內(nèi)容、適用范圍、技術(shù)要求、使用工具和流程，以及評(píng)估、驗(yàn)收和實(shí)施中應(yīng)遵循的相關(guān)通用約束條件。艦船動(dòng)力系統(tǒng)涉及了多個(gè)學(xué)科，例如，流體力學(xué)、傳熱學(xué)、氣動(dòng)力學(xué)、液壓、測(cè)控、機(jī)械、噪聲等，這些學(xué)科彼此相互耦合。因此，如何根據(jù)物理實(shí)體屬性特征構(gòu)建滿足數(shù)字孿生技術(shù)研究所需的數(shù)字孿生體，是有待解決的關(guān)鍵技術(shù)之一，例如系統(tǒng)模型、部件模型、環(huán)境模型、載荷模型、故障模型、算法模型、退化模型等。這些涉及了各學(xué)科的模型復(fù)雜度高，計(jì)算規(guī)模大，數(shù)據(jù)傳輸速度緩慢，甚至無(wú)法計(jì)算。因此，可通過(guò)采用模型降階技術(shù)，對(duì)復(fù)雜度高的系統(tǒng)進(jìn)行模型輕量化處理，在保持模型計(jì)算精度的情況下降低計(jì)算規(guī)模。

可信性是復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)有效應(yīng)用的前提，而數(shù)字孿生技術(shù)所具有的高動(dòng)態(tài)性、強(qiáng)交互性、不確定性等特征，使現(xiàn)有的模型驗(yàn)證及仿真系統(tǒng)可信度評(píng)估方法不再適用。數(shù)字孿生模型可信性驗(yàn)證技術(shù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生高保真度、高可信度建模和驗(yàn)證的主要技術(shù)手段。傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)仿真都是基于某個(gè)階段的單一特性分析，缺乏全流程、全范圍綜合分析能力。數(shù)字孿生技術(shù)是系統(tǒng)級(jí)、全邊界、全工況的分析驗(yàn)證，如要實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域物理系統(tǒng)模型之間的集成、調(diào)試、仿真，異構(gòu)模型集成與求解技術(shù)則是重要手段，通過(guò)該技術(shù)有助于提升整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

虛實(shí)融合技術(shù)是基于物理空間與數(shù)字孿生虛擬空間的全要素信息融合理論和混合現(xiàn)實(shí)的可視化方法，借助先進(jìn)傳感器、自適應(yīng)感知、大數(shù)據(jù)、精確仿真等技術(shù)，合理呈現(xiàn)出數(shù)字孿生的物理空間和虛擬空間的全要素信息。新一代信息技術(shù)主要包括人工智能、VR/AR、邊緣計(jì)算、第5 代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）等。故障增強(qiáng)模型與健康管理是基于實(shí)際故障數(shù)據(jù)及已構(gòu)建的故障模型，利用數(shù)據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，選擇和訓(xùn)練合適的分類或模式識(shí)別算法，使帶故障模型的數(shù)字孿生體反映真實(shí)場(chǎng)景的映射，以達(dá)到數(shù)字模型修正與調(diào)校的目的。此外，該模型還可對(duì)故障進(jìn)行仿真，預(yù)測(cè)實(shí)際裝備的故障并對(duì)其健康狀態(tài)進(jìn)行管理。

船艦動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用除了依賴于成熟的商業(yè)軟件以外，還需要針對(duì)艦船動(dòng)力系統(tǒng)研制的特點(diǎn)、驗(yàn)證范圍，按照功能需求進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，例如虛擬試驗(yàn)軟件、故障仿真軟件等。數(shù)字孿生平臺(tái)基于混合現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)仿真、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，以模塊化、組件化、可視化、網(wǎng)絡(luò)化、云端化的方式，集成二次開(kāi)發(fā)軟件、成熟商業(yè)軟件以及計(jì)算機(jī)硬件資源，來(lái)構(gòu)建完整的可供艦船動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)的數(shù)字化平臺(tái)。數(shù)字孿生集成示范驗(yàn)證是數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的最后環(huán)節(jié)，需要基于艦船動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，結(jié)合數(shù)字孿生理念，使數(shù)字孿生平臺(tái)設(shè)計(jì)有效融合以及集成仿真與試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)自動(dòng)化、全流程一致化、驗(yàn)證即正確的目的，最終完成虛擬世界與物理世界的逐一映射。

5 數(shù)字孿生體體系

艦船動(dòng)力系統(tǒng)的類型眾多，需要根據(jù)原動(dòng)力形式劃分，例如柴油機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)、燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力系統(tǒng)、蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)、綜合電力系統(tǒng)、核動(dòng)力系統(tǒng)、吊艙推進(jìn)系統(tǒng)以及由各主機(jī)組合而成的聯(lián)合動(dòng)力系統(tǒng)。艦船動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)字孿生體是物理實(shí)體設(shè)備各種屬性的一一映射，具有物理實(shí)體的各種屬性，其體系結(jié)構(gòu)如圖5 所示。物理實(shí)體設(shè)備的相關(guān)屬性包括幾何功能、內(nèi)部接口、外部接口、材料屬性、物理特性、行為特性、學(xué)科屬性等。在研究人員不同、研究?jī)?nèi)容不同的情況下，數(shù)字孿生體的屬性依據(jù)也不盡相同。例如，燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)于動(dòng)力系統(tǒng)總體來(lái)說(shuō)，只需關(guān)心模型中的輸出功率、轉(zhuǎn)速、油門、聯(lián)鎖控制等，而對(duì)于設(shè)備單位的數(shù)字孿生模型，除了上述要關(guān)心的要素之外，還需要注重燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部各子部件的相關(guān)特性等。

艦船動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)字孿生體體系構(gòu)建應(yīng)涵蓋所有動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)備，包括核能源發(fā)生系統(tǒng)、非核能源發(fā)生系統(tǒng)、推進(jìn)機(jī)組、功率傳遞系統(tǒng)和推進(jìn)器、推進(jìn)保障系統(tǒng)、推進(jìn)控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)下屬的各級(jí)設(shè)備。除了需要建立相關(guān)設(shè)備的數(shù)字孿生體之外，還需要構(gòu)建對(duì)應(yīng)的工作介質(zhì)數(shù)字孿生體，包括燃油、滑油、液壓油、空氣、蒸汽、海水、淡水等介質(zhì)物性參數(shù)。艦船動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行離不開(kāi)艦船的工作環(huán)境，只有將數(shù)字孿生體置于虛擬的艦船工作環(huán)境中，才能實(shí)現(xiàn)真正的數(shù)字孿生。因此，需要構(gòu)建工作環(huán)境對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生體（包括風(fēng)浪流、舵特性、船阻力、鹽霧、沖擊、振動(dòng)等）以及實(shí)現(xiàn)故障模式仿真及健康管理的故障數(shù)字孿生體。

圖5 艦船動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)字孿生體體系結(jié)構(gòu)Fig. 5 Digital twin model architecture of marine power system

6 集成驗(yàn)證與示范應(yīng)用體系

艦船動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)字孿生集成驗(yàn)證是基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）的實(shí)踐，它結(jié)合了動(dòng)力系統(tǒng)全壽期研制的特點(diǎn)，將艦船動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)字孿生集成驗(yàn)證歸納為4 個(gè)方面的應(yīng)用，涵蓋了概念設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化、虛實(shí)試驗(yàn)、智能運(yùn)維，如圖6 所示。由于施工設(shè)計(jì)主要集中于總裝廠的生產(chǎn)設(shè)計(jì)，屬于裝配范疇，所以不納入集成驗(yàn)證體系。

圖6 艦船動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)字孿生集成驗(yàn)證體系Fig. 6 Integrated verification system of marine power system based digital twin

概念設(shè)計(jì)應(yīng)用主要是建立包含需求圖、用例圖、活動(dòng)圖、狀態(tài)基圖、塊定義圖的系統(tǒng)頂層系統(tǒng)方案模型，構(gòu)建運(yùn)行方案模型與架構(gòu)方案模型之間的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)的功能分析、邏輯設(shè)計(jì)、方案規(guī)劃、多方案權(quán)衡、系統(tǒng)選型等。性能優(yōu)化是基于總體對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)最優(yōu)，通過(guò)構(gòu)建動(dòng)力系統(tǒng)各系統(tǒng)和設(shè)備的模型庫(kù)，針對(duì)特定對(duì)象，進(jìn)行分系統(tǒng)仿真或多系統(tǒng)聯(lián)合仿真，實(shí)現(xiàn)各方面設(shè)計(jì)的優(yōu)化，包括動(dòng)力輔助管網(wǎng)特性、熱力系統(tǒng)、軸系設(shè)計(jì)、操作流程、控制策略、船–機(jī)–槳匹配、系統(tǒng)集成等。

虛實(shí)試驗(yàn)是基于已完成集成驗(yàn)證的船艦動(dòng)力裝備數(shù)字孿生體及工作環(huán)境數(shù)字孿生體，構(gòu)成虛擬試驗(yàn)驗(yàn)證場(chǎng)景，對(duì)虛擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行實(shí)時(shí)化處理和實(shí)時(shí)解算，通過(guò)信號(hào)設(shè)備與試驗(yàn)臺(tái)架或?qū)嵨锿ㄐ?，?shí)現(xiàn)動(dòng)力裝備的虛實(shí)結(jié)合試驗(yàn)，并與動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以進(jìn)一步提高模型精度。虛實(shí)試驗(yàn)由輔助系統(tǒng)試驗(yàn)、穩(wěn)態(tài)工況試驗(yàn)、模式切換試驗(yàn)、機(jī)動(dòng)性試驗(yàn)、特殊工況試驗(yàn)組成。若要考慮設(shè)備的材料屬性及疲勞特性，虛實(shí)試驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)或設(shè)備的可靠性驗(yàn)證等。智能運(yùn)維則是在高保真數(shù)字孿生體的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。對(duì)艦船動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)驗(yàn)收時(shí)，除了要驗(yàn)收實(shí)際物理系統(tǒng)以外，還要對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)字孿生系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)收，以確保虛實(shí)指標(biāo)在允許的誤差范圍之內(nèi)。在動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，可以結(jié)合運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行修正，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行過(guò)程中的數(shù)字孿生。通過(guò)數(shù)字孿生模型可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、實(shí)操訓(xùn)練、故障診斷、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)展示、運(yùn)行優(yōu)化建議等智能運(yùn)維工作。

7 結(jié) 語(yǔ)

為了充分發(fā)揮技術(shù)體系在艦船動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)落地應(yīng)用過(guò)程中的指導(dǎo)、規(guī)范、引領(lǐng)和保障作用，本文針對(duì)艦船動(dòng)力系統(tǒng)的全壽期研制特點(diǎn)，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)特征，從系統(tǒng)總體頂層視角，探究建立了該系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)的體系框架、規(guī)范體系、平臺(tái)構(gòu)建體系、關(guān)鍵技術(shù)體系、數(shù)字孿生體建設(shè)體系、集成驗(yàn)證及示范應(yīng)用體系。本文期望相關(guān)工作能為艦船動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)施應(yīng)用起到推動(dòng)作用，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的全流程數(shù)字化設(shè)計(jì)。該技術(shù)具有外延性，可應(yīng)用到艦船任何裝備或系統(tǒng)全壽期的各階段，對(duì)于艦船行業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)、提高設(shè)計(jì)效率及精度、加快系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證以及化解系統(tǒng)裝艦風(fēng)險(xiǎn)將發(fā)揮重要作用。