楊元龍，孫玲，張曉濱，吳金祥，程寧

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064

0 引 言

艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)作為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，具有耦合性強(qiáng)、研制周期長(zhǎng)、試驗(yàn)難度高、協(xié)調(diào)流程長(zhǎng)等特點(diǎn)，涉及流動(dòng)、熱工、振動(dòng)、核物理、燃燒、結(jié)構(gòu)、機(jī)械及控制等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。蒸汽動(dòng)力總體設(shè)計(jì)是對(duì)蒸汽動(dòng)力的分系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化配置的綜合設(shè)計(jì)技術(shù)，具有綜合性、反演性、極值性及復(fù)雜性等特點(diǎn)[1]，表現(xiàn)為全周期、全維度、全流程、全要素、全學(xué)科的綜合集成技術(shù)特征。在傳統(tǒng)的艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般采用母型設(shè)計(jì)法、統(tǒng)計(jì)資料法、逐次近似法及規(guī)范設(shè)計(jì)法等系統(tǒng)集成方法[1]，但當(dāng)以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化及智能化的艦船動(dòng)力系統(tǒng)為靶向需求時(shí)，傳統(tǒng)方法在設(shè)計(jì)效率、驗(yàn)證準(zhǔn)確性及迭代高效性等方面尚存在諸多不足。

隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能等新一代信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，以及機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等智能算法的快速涌現(xiàn)，以“德國(guó)工業(yè)4.0”、“美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”及“中國(guó)制造2025”為代表的發(fā)展戰(zhàn)略引領(lǐng)了數(shù)字化技術(shù)的高速發(fā)展[2]，其先后經(jīng)歷了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)集成設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)及智能設(shè)計(jì)等4 代發(fā)展歷程[3-4]，其中數(shù)字孿生技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能設(shè)計(jì)的關(guān)鍵抓手，已在航天器系統(tǒng)工程領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。李凱等[4]分析了基于數(shù)字孿生的數(shù)字化艦船總體構(gòu)架、關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用方向；王建軍等[5]提出了航天器系統(tǒng)的數(shù)字孿生技術(shù)內(nèi)涵、體系結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)途徑；Tao[6]分析了任務(wù)規(guī)劃、概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)及虛擬驗(yàn)證等階段的數(shù)字孿生技術(shù)框架；Li 等[7]提出了廣義模塊化結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的建模方法；Singh 等[8]研究了基于數(shù)字工程總體設(shè)計(jì)決策的數(shù)字孿生定義；Johnston 等[9]評(píng)估了數(shù)字虛擬樣機(jī)的結(jié)構(gòu)裝配流程；Rosen 等[10]分析了自動(dòng)化和數(shù)字孿生技術(shù)在未來(lái)制造業(yè)的應(yīng)用情況；Grieves[11]研究了產(chǎn)品生命周期管理的新范式。

目前，對(duì)于復(fù)雜的艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)，鮮有數(shù)字孿生技術(shù)方面的研究成果。為此，本文擬提出基于數(shù)字孿生的艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想模型和頂層框架，研究其在概念論證、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、總體建造、試驗(yàn)試航及運(yùn)維保障等全生命周期階段的虛實(shí)驗(yàn)證體系，并最終構(gòu)建艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的數(shù)字孿生模型。

1 數(shù)字孿生技術(shù)的內(nèi)涵

數(shù)字孿生技術(shù)是指在全生命周期內(nèi)將現(xiàn)實(shí)空間對(duì)象的組成、功能、性能、過(guò)程及狀態(tài)等全要素在虛擬空間進(jìn)行數(shù)字映射和孿生體模型重構(gòu)的方法[3]。從數(shù)字孿生技術(shù)的內(nèi)涵角度而言，數(shù)字孿生是實(shí)現(xiàn)過(guò)程和方法，是一種充分利用數(shù)據(jù)、模型并集成多學(xué)科的數(shù)字化技術(shù)，起著連接現(xiàn)實(shí)空間和虛擬空間的紐帶作用，可為現(xiàn)實(shí)空間實(shí)現(xiàn)對(duì)象擴(kuò)展及功能新增。然而，數(shù)字孿生體是虛擬模型和數(shù)據(jù)，這是一種集成的多學(xué)科、多尺度、高效智能及超寫(xiě)實(shí)的數(shù)字模型，不僅涵蓋現(xiàn)實(shí)空間對(duì)象的宏觀組成、微觀結(jié)構(gòu)、功能特性等狀態(tài)方面的數(shù)字模型，還包括現(xiàn)實(shí)對(duì)象的加工制造、試驗(yàn)測(cè)試及運(yùn)行維護(hù)等過(guò)程行為的數(shù)字模型，因此，數(shù)字孿生體可以模擬、監(jiān)控、診斷及預(yù)測(cè)現(xiàn)實(shí)空間對(duì)象在全生命周期內(nèi)的形成狀態(tài)、過(guò)程和行為。

數(shù)字孿生可以依據(jù)實(shí)體對(duì)象信息和虛擬模型數(shù)據(jù)進(jìn)行超寫(xiě)實(shí)映射，并將孿生數(shù)據(jù)反饋傳遞給現(xiàn)實(shí)空間，從而為實(shí)體對(duì)象提供信息參考和決策支持，并及時(shí)準(zhǔn)確地增強(qiáng)實(shí)體對(duì)象與數(shù)字孿生體的耦合時(shí)效[5]。數(shù)據(jù)孿生的承載體是軟件系統(tǒng)，基于軟件平臺(tái)融入大數(shù)據(jù)及人工智能等數(shù)字化技術(shù)，即可獲取超出現(xiàn)有認(rèn)知的數(shù)據(jù)和信息，進(jìn)而預(yù)判現(xiàn)實(shí)空間的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，通過(guò)虛實(shí)融合、以虛控實(shí)，從而令實(shí)體對(duì)象通過(guò)感知、控制及物聯(lián)系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字孿生體虛擬分析信息的傳遞接收，最終推動(dòng)現(xiàn)實(shí)對(duì)象的優(yōu)化和提升。

根據(jù)數(shù)字孿生的技術(shù)內(nèi)涵及功能定義，其4 項(xiàng)基本特性具體如下：

1） 多尺度性。數(shù)字孿生將實(shí)體對(duì)象在虛擬空間內(nèi)進(jìn)行數(shù)字化模型構(gòu)建，其孿生程度可以是宏觀幾何級(jí)，也可以是微觀原子級(jí)。其不僅需要表達(dá)現(xiàn)實(shí)空間實(shí)體對(duì)象的形狀、尺寸、公差等宏觀特性，還需描述實(shí)體對(duì)象的材料剛度、強(qiáng)度及硬度等微觀特性，故實(shí)際上是涵蓋了多種物理結(jié)構(gòu)模型、材料模型的多尺度集成模型。

2） 多維度性。數(shù)字孿生需在廣度和深度上全面表達(dá)現(xiàn)實(shí)空間的對(duì)象全特性，即在廣度維度上應(yīng)表述實(shí)體對(duì)象的不同組件、部件、零件及材料結(jié)構(gòu)等物理信息，在深度維度上應(yīng)表述全生命周期內(nèi)實(shí)體對(duì)象的狀態(tài)、過(guò)程、行為等穩(wěn)動(dòng)態(tài)信息，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生體與實(shí)體對(duì)象在組成功能、過(guò)程行為等多個(gè)維度上的基本相同，才能實(shí)時(shí)模擬和反映實(shí)體對(duì)象的狀態(tài)和行為。

3） 多過(guò)程性。在論證、設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試、運(yùn)維等全生命周期的各階段，通過(guò)與實(shí)體對(duì)象之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞和信息交互，推動(dòng)現(xiàn)實(shí)對(duì)象的不斷完善。只有通過(guò)在各階段中感知現(xiàn)實(shí)空間對(duì)象的數(shù)據(jù)，然后反饋至虛擬空間的數(shù)字孿生體，才能實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的集成管理與深度融合，并利用數(shù)字孿生體實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)物對(duì)象狀態(tài)和行為的實(shí)時(shí)可視化監(jiān)控，從而具備全生命周期內(nèi)各過(guò)程數(shù)據(jù)的超寫(xiě)實(shí)映射及信息交互能力。

4） 多學(xué)科性。數(shù)字孿生涉及計(jì)算科學(xué)、流體力學(xué)、熱力學(xué)、機(jī)械振動(dòng)學(xué)、電子信息科學(xué)、材料力學(xué)等多個(gè)學(xué)科，是這些學(xué)科的交叉和融合[3]。

2 基于數(shù)字孿生的蒸汽動(dòng)力總體設(shè)計(jì)思想

艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)流程主要具備以下4 個(gè)方面的特征：1）全系統(tǒng)應(yīng)按照全生命周期進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，即以論證、設(shè)計(jì)、總裝、試驗(yàn)及運(yùn)維等過(guò)程進(jìn)行迭代推演；2）按照單機(jī)設(shè)備、子系統(tǒng)、系統(tǒng)及總體的體系框架，從總體至設(shè)備進(jìn)行指標(biāo)的層層分解及傳遞，從設(shè)備至總體進(jìn)行循序反饋及迭代；3）多學(xué)科高度交互融合，涉及流動(dòng)、熱工、振動(dòng)、核物理、燃燒、結(jié)構(gòu)、機(jī)械及控制等多個(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域；4）在研制過(guò)程中，不僅需要進(jìn)行理論計(jì)算和仿真分析，還需要開(kāi)展單機(jī)設(shè)備測(cè)試鑒定、陸上聯(lián)調(diào)試驗(yàn)、系泊航行試驗(yàn)等，用以驗(yàn)證并明確動(dòng)力系統(tǒng)的技術(shù)狀態(tài)，其間涵蓋了信息、流程、資源等過(guò)程要素，也跨越了實(shí)船空間和虛擬空間。

圖1 所示為基于數(shù)字孿生的艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想。通過(guò)引進(jìn)人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)，建立了物理對(duì)象、過(guò)程要素、生命周期及虛擬空間這4 個(gè)維度的艦船蒸汽動(dòng)力總體數(shù)字孿生的思想模型（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“四維思想模型”）。通過(guò)在虛擬空間中重構(gòu)實(shí)船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)體對(duì)象（例如，單機(jī)設(shè)備、熱力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、工藝系統(tǒng)等）的虛擬數(shù)字模型（例如，虛擬單機(jī)設(shè)備模型、虛擬熱力系統(tǒng)模型、虛擬控制系統(tǒng)模型、虛擬工藝系統(tǒng)模型等），即可實(shí)現(xiàn)實(shí)船空間和虛擬空間的實(shí)時(shí)雙向交互，以及信息、資源、流程、數(shù)據(jù)和系統(tǒng)物理對(duì)象之間的連接，從而形成全過(guò)程、全要素、全系統(tǒng)、全學(xué)科等多源數(shù)據(jù)的集中融合。通過(guò)逐步迭代優(yōu)化艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，即可完成需求論證、架構(gòu)設(shè)計(jì)、性能分析、系統(tǒng)集成、工藝評(píng)估、運(yùn)維評(píng)估及退役管控等各種任務(wù)功能。本文提出的“四維思想模型”覆蓋了艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的生命周期和物理對(duì)象層級(jí)，聚合了多學(xué)科和多要素?cái)?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了概念論證、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、總裝建造、試驗(yàn)試航及運(yùn)維保障等全生命周期中蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)數(shù)字孿生的使能技術(shù)。

圖1 基于數(shù)字孿生的艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想Fig. 1 General design idea of ship steam power system based on digital twin

3 基于數(shù)字孿生的蒸汽動(dòng)力總體框架體系

3.1 頂層框架

圖2 所示為基于數(shù)字孿生的總體設(shè)計(jì)頂層框架。根據(jù)艦船總體設(shè)計(jì)的“四維思想模型”，可以將艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的生命周期劃分為概念論證、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、總裝建造、試驗(yàn)試航及運(yùn)維保障這5 個(gè)階段（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“五階體系模型”），進(jìn)而構(gòu)建實(shí)船空間和虛擬空間，并涵蓋實(shí)船空間全生命周期數(shù)據(jù)、虛擬空間系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)及虛擬融合數(shù)據(jù)。隨著論證、設(shè)計(jì)、總裝等階段中虛擬模型的持續(xù)更新，通過(guò)與實(shí)船空間的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行交互，即可為艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及驗(yàn)證提供數(shù)據(jù)支撐。

在概念論證階段，根據(jù)艦船的總體任務(wù)需求，通過(guò)充分利用母型艦船的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、數(shù)據(jù)及知識(shí)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的需求分析，即可初步設(shè)計(jì)面向任務(wù)需求的蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)方案，進(jìn)而構(gòu)建虛擬系統(tǒng)模型。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)開(kāi)展系統(tǒng)論證方案的迭代設(shè)計(jì)，即可篩選最優(yōu)的系統(tǒng)方案并明確其技術(shù)可行性，最終完成概念論證階段的蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)總體方案閉環(huán)。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，根據(jù)蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的總體方案及分配指標(biāo)，即可開(kāi)展蒸汽動(dòng)力單機(jī)設(shè)備、子系統(tǒng)及系統(tǒng)的深化方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)和施工設(shè)計(jì)，并將設(shè)備及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與虛擬空間進(jìn)行交互融合，從而優(yōu)化并生成各設(shè)計(jì)階段的虛擬系統(tǒng)模型，最終實(shí)現(xiàn)蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)總體集成方案的驗(yàn)證和閉環(huán)。

在總裝建造階段，根據(jù)蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的最終技術(shù)方案，即可開(kāi)展設(shè)備及系統(tǒng)管路的工藝設(shè)計(jì)、建造及總船裝配，并基于建造數(shù)據(jù)來(lái)優(yōu)化虛擬系統(tǒng)模型，進(jìn)而檢驗(yàn)蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)及設(shè)備的總裝建造工藝，最終完成實(shí)船總裝建造的閉環(huán)。

在試驗(yàn)試航階段，通過(guò)開(kāi)展蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的船塢系泊試驗(yàn)和海上航行試驗(yàn)，可以將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與虛擬空間系統(tǒng)模型進(jìn)行深入的反饋迭代及優(yōu)化，最終完成實(shí)船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)研制的總體閉環(huán)。

在運(yùn)維保障階段，根據(jù)艦船的總體使用任務(wù)需求，即可對(duì)實(shí)船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行在航運(yùn)維和退役保障，通過(guò)采用經(jīng)運(yùn)維保障數(shù)據(jù)優(yōu)化之后的虛擬系統(tǒng)模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的在航及退役保障管控。

3.2 概念論證體系

基于數(shù)字孿生的概念論證體系模型如圖3 所示，主要按照需求分析、架構(gòu)設(shè)計(jì)、指標(biāo)分解及虛擬驗(yàn)證的流程體系開(kāi)展概念論證工作。首先，從艦船的總體任務(wù)需求出發(fā)，細(xì)化蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)與艦船的總體接口需求，明確艦船總體對(duì)蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的約束，進(jìn)而從頂層層面規(guī)劃蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的功能需求和性能需求；接著，根據(jù)蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)需求進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)，提出包括蒸汽動(dòng)力裝置選型、功率傳遞系統(tǒng)設(shè)計(jì)、汽水循環(huán)方式設(shè)計(jì)等的總體配置方案；然后，結(jié)合艦船的總體任務(wù)功能需求，劃分蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的操作指揮模式及使用運(yùn)行工況，并對(duì)蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)方案進(jìn)行初步總體布置，再根據(jù)蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)總體多方案配置架構(gòu)，提出蒸汽動(dòng)力各子系統(tǒng)及設(shè)備的內(nèi)部接口及其與艦船其他系統(tǒng)之間的外部接口，從而配置蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)/外部接口的保障資源；最后，開(kāi)展熱力系統(tǒng)的熱平衡估算，量化蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)總體相關(guān)的熱力指標(biāo)（例如，功率、溫度、壓力等）、結(jié)構(gòu)指標(biāo)（例如，尺寸、重量等）及六性指標(biāo)（例如，可靠性、維修性、可用性、安全性、保障性及防護(hù)性等）。在此基礎(chǔ)上，借鑒母型艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停谔摂M空間中構(gòu)建當(dāng)前可參考的特定數(shù)字化模型，從而對(duì)實(shí)船各層級(jí)蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的需求、架構(gòu)及指標(biāo)進(jìn)行交互驗(yàn)證。

圖3 基于數(shù)字孿生的概念論證體系模型Fig. 3 A model of conceptual argumentation system based on digital twin

針對(duì)多維度概念論證方案，虛擬模型與實(shí)船系統(tǒng)將在整個(gè)概念論證過(guò)程中不斷交互協(xié)同，逐漸辨析艦船需求、概念方案和海洋場(chǎng)景的可行性，并識(shí)別蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)、外部的耦合關(guān)系，從而建立蒸汽動(dòng)力單機(jī)設(shè)備、子系統(tǒng)、系統(tǒng)及總體之間需求、架構(gòu)和指標(biāo)的分配與集成關(guān)系?；谔摂M驗(yàn)證的多方案經(jīng)權(quán)衡迭代之后，即可獲取最優(yōu)的蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)總體方案。

3.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)體系

基于數(shù)字孿生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)體系模型如圖4 所示。蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含設(shè)備研制選型、系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)、系統(tǒng)分析及系統(tǒng)驗(yàn)證等過(guò)程，根據(jù)總體分配指標(biāo)，即可對(duì)關(guān)鍵屬性的工藝設(shè)備（例如，蒸汽發(fā)生裝置、主汽輪機(jī)、主減速器、軸系、汽輪輔機(jī)等）和監(jiān)控設(shè)備（例如，調(diào)節(jié)閥、傳感器、控制柜等）進(jìn)行研制和選型，從而使單機(jī)設(shè)備的外特性參數(shù)滿足且匹配蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的總體性能指標(biāo)?；趩螜C(jī)設(shè)備的實(shí)際參數(shù)，即可在虛擬空間中同步開(kāi)展工藝設(shè)備建模、監(jiān)控設(shè)備建模及組態(tài)建模，從而實(shí)現(xiàn)單機(jī)設(shè)備虛擬模型與實(shí)船研制設(shè)備的交互驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，將各蒸汽動(dòng)力單機(jī)設(shè)備相應(yīng)構(gòu)建成工藝子系統(tǒng)及監(jiān)控子系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)單機(jī)設(shè)備及子系統(tǒng)跨向蒸汽動(dòng)力全系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)。在每個(gè)階段內(nèi)，基于虛擬空間的系統(tǒng)集成虛擬模型，即可同步對(duì)實(shí)船系統(tǒng)進(jìn)行交互驗(yàn)證，進(jìn)而提出艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的總體技術(shù)方案。

完成單機(jī)設(shè)備選型和系統(tǒng)集成之后，即可利用蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的虛擬模型開(kāi)展系統(tǒng)性能分析和校核驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)方案進(jìn)行虛擬交互和迭代優(yōu)化，即可最終固化艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的總體技術(shù)方案。

3.4 總體建造體系

基于數(shù)字孿生的總體建造體系模型如圖5 所示，將總體建造劃分為了工藝可行性分析、工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)、船塢建造、總段裝配及檢驗(yàn)檢測(cè)這5 個(gè)階段。在工藝可行性分析階段，通過(guò)在虛擬空間中開(kāi)展工藝建模集成、工藝特性分析及工藝參數(shù)分析，即可確定實(shí)船各層級(jí)蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的工藝方案、可制造性及工藝參數(shù)。在工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，通過(guò)開(kāi)展虛擬空間的工藝全流程虛擬設(shè)計(jì)分析，即可明確實(shí)船各層級(jí)蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的物料清單、關(guān)鍵工序及工藝規(guī)程。在船塢建造和總段裝配階段，通過(guò)建立總體建造的數(shù)字孿生工藝模型，即可感知蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)總體建造的人、機(jī)、料、法、環(huán)等工藝信息，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)體船塢與數(shù)字船塢的同步互聯(lián)和深度融合；通過(guò)分析虛擬工藝裝配的系統(tǒng)流程及約束條件，即可規(guī)劃實(shí)船裝配的系統(tǒng)流程及布局。在工藝設(shè)計(jì)及總段裝配的基礎(chǔ)上，即可在虛擬空間中完成實(shí)船系統(tǒng)加工精度、建造公差及生產(chǎn)效率的虛擬分析檢驗(yàn)。

基于虛擬系統(tǒng)模型，即可提取工藝參數(shù)、物料清單、關(guān)鍵工序、系統(tǒng)布局等工藝信息，并針對(duì)工藝管道制造、艙段建造、蒸汽動(dòng)力裝置總裝、大型輔機(jī)總裝及總段裝配等工藝過(guò)程，建立蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)字孿生模型，從而驅(qū)動(dòng)虛、實(shí)船塢之間數(shù)據(jù)信息的集成交互。通過(guò)對(duì)各階段的工藝過(guò)程信息及參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，即可實(shí)現(xiàn)總體建造全過(guò)程中物質(zhì)流、數(shù)據(jù)流、信息流和能量流等全要素的工藝設(shè)計(jì)及驗(yàn)證。

圖5 基于數(shù)字孿生的總體建造體系模型Fig. 5 Overall construction system model based on digital twin

圖6 基于數(shù)字孿生的試驗(yàn)試航體系模型Fig. 6 Trial test system model based on digital twin

3.5 試驗(yàn)試航體系

圖6 所示為基于數(shù)字孿生的試驗(yàn)試航體系模型。在艦船蒸汽動(dòng)力設(shè)備研制、子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工藝及總裝過(guò)程中所建立的虛擬模型基礎(chǔ)上，即可構(gòu)建用于實(shí)船試驗(yàn)的數(shù)字孿生模型。通過(guò)與實(shí)船試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行虛實(shí)融合交互，并對(duì)各階段試驗(yàn)進(jìn)行全流程推演，即可驗(yàn)證并優(yōu)化蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)及設(shè)備的集成功能、性能及接口等方面的完整適配性。

實(shí)船試驗(yàn)可以劃分為單機(jī)恢復(fù)系泊試驗(yàn)、系統(tǒng)冷態(tài)系泊試驗(yàn)、系統(tǒng)熱態(tài)系泊試驗(yàn)、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)系泊試驗(yàn)及海上航行試驗(yàn)等階段。在單機(jī)恢復(fù)試驗(yàn)階段，通過(guò)將單機(jī)設(shè)備的研制數(shù)據(jù)反饋至虛擬孿生體空間，即可生成單機(jī)恢復(fù)試驗(yàn)的虛擬數(shù)字孿生模型，可用于分析包括蒸汽動(dòng)力裝置單機(jī)恢復(fù)、主汽輪機(jī)組單機(jī)恢復(fù)、主減速齒輪裝置單機(jī)恢復(fù)及汽輪電動(dòng)輔機(jī)單機(jī)恢復(fù)等試驗(yàn)，并驗(yàn)證單機(jī)設(shè)備控制、安保、啟停及裕度等能力。在系統(tǒng)冷、熱態(tài)系泊試驗(yàn)階段，通過(guò)利用蒸汽動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型，即可在冷態(tài)和熱態(tài)工況下開(kāi)展蒸汽系統(tǒng)效用、凝給水系統(tǒng)效用，以及滑油、燃油、控制空氣系統(tǒng)效用和槳軸系統(tǒng)效用試驗(yàn)的虛擬分析，從而檢驗(yàn)蒸汽動(dòng)力子系統(tǒng)的完整性及接口準(zhǔn)確性。在系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)階段，通過(guò)采用在試驗(yàn)調(diào)試階段已完善的蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)虛擬數(shù)字孿生模型，即可開(kāi)展岸基及實(shí)船蒸汽全系統(tǒng)的虛擬試驗(yàn)分析，從而驗(yàn)證蒸汽動(dòng)力全系統(tǒng)的運(yùn)行性能及接口參數(shù)。在海上試驗(yàn)階段，通過(guò)與岸基的實(shí)船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行交互迭代，即可驅(qū)動(dòng)總體虛擬試驗(yàn)的數(shù)字孿生模型，從而開(kāi)展正車(chē)穩(wěn)定航行、倒車(chē)穩(wěn)定航行、起停車(chē)機(jī)動(dòng)航行以及正倒車(chē)轉(zhuǎn)換航行等虛擬試驗(yàn)分析，最終驗(yàn)證艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)與總體之間的適配能力。

3.6 運(yùn)維保障體系

圖7 所示為基于數(shù)字孿生的運(yùn)維保障體系模型?；趯?shí)船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)在概念論證、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、總裝建造、試驗(yàn)試航期間所生成的虛擬數(shù)字孿生模型，即可在虛擬空間中構(gòu)建在航運(yùn)行保障的數(shù)字孿生模型，將實(shí)船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)在航行期間的實(shí)際數(shù)據(jù)與虛擬空間的數(shù)字孿生模型狀態(tài)實(shí)時(shí)同步，從而實(shí)現(xiàn)健康管理、故障預(yù)測(cè)、趨勢(shì)分析及壽命評(píng)估等應(yīng)用功能。

在在航運(yùn)行使用階段，基于數(shù)字孿生模型可以提前對(duì)在航訓(xùn)練任務(wù)進(jìn)行虛擬推演，預(yù)先發(fā)現(xiàn)運(yùn)維問(wèn)題并提高在航保障的任務(wù)成功率；同時(shí)，通過(guò)將實(shí)船的在航運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋至虛擬空間的數(shù)字孿生模型，即可開(kāi)展訓(xùn)練評(píng)估、健康管理及故障預(yù)測(cè)等工作。在退役保障階段，利用蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的在航實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、試驗(yàn)試航數(shù)據(jù)、陸上聯(lián)調(diào)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及歷史母型退役管理數(shù)據(jù)，結(jié)合有效的算法和模型，即可在虛擬空間中生成蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)退役運(yùn)維的數(shù)字孿生模型，從而開(kāi)展退役決策、趨勢(shì)分析及壽命評(píng)估等深度應(yīng)用。

圖7 基于數(shù)字孿生的運(yùn)維保障體系模型Fig. 7 Operation and maintenance support model based on digital twin

4 蒸汽動(dòng)力總體數(shù)字孿生架構(gòu)模型

圖8 所示為基于數(shù)字孿生的艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)總體架構(gòu)模型。本文根據(jù)“五階體系模型”，提出了由物理層、接口層、數(shù)據(jù)層、模型層、調(diào)度層、功能層和應(yīng)用層這7 層構(gòu)成的總體數(shù)字孿生模型架構(gòu)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“7 層架構(gòu)模型”）。針對(duì)每層系統(tǒng)架構(gòu)模型的功能需求，基于大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，采用功能分層和模塊集成的方式，實(shí)現(xiàn)艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)全生命周期、全過(guò)程、全業(yè)務(wù)、全要素的數(shù)字孿生。

1） 物理層。

主要由艦船蒸汽動(dòng)力總體、感知系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等組成。該層采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在實(shí)船空間中創(chuàng)建了蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的智慧化架構(gòu)。通過(guò)結(jié)合艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的論證、設(shè)計(jì)、總裝、試驗(yàn)及保障等總體需求，按流程對(duì)實(shí)船單機(jī)設(shè)備、動(dòng)力系統(tǒng)、總裝、試驗(yàn)及運(yùn)維保障系統(tǒng)等物理實(shí)體開(kāi)展了綜合設(shè)計(jì)。通過(guò)配置傳感器、檢測(cè)設(shè)備等感知系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)感知實(shí)船單機(jī)設(shè)備、動(dòng)力系統(tǒng)、總裝、試驗(yàn)及運(yùn)維保障系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)、工藝流程、運(yùn)行性能等相關(guān)參數(shù)，然后將獲得的數(shù)據(jù)信息傳遞給控制系統(tǒng)，進(jìn)而利用控制器及控制終端等獲取感知數(shù)據(jù)和來(lái)自接口層的控制指令，最后將控制決策信息反饋給接口層，從而實(shí)現(xiàn)感知、控制及決策指令和信息動(dòng)態(tài)的交互。

2） 接口層。

圖8 基于數(shù)字孿生的艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)總體架構(gòu)模型Fig. 8 Overall architecture model of ship steam power system based on digital twin

主要由局域網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線、平臺(tái)網(wǎng)、服務(wù)器及客戶端等組成。該層采取基于過(guò)程控制的對(duì)象連接和嵌入技術(shù)（object linking and embedding for process control，OPC)來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬空間與實(shí)船系統(tǒng)的信息物理同步。通過(guò)利用局域網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線及平臺(tái)信息網(wǎng)等通信系統(tǒng)，建立虛擬空間OPC 客戶端與實(shí)船系統(tǒng)OPC 服務(wù)器之間的通信接口網(wǎng)絡(luò)，并在數(shù)據(jù)映射的功能定義下，最終實(shí)現(xiàn)虛擬空間與實(shí)船系統(tǒng)之間的接口信息傳遞。

3） 數(shù)據(jù)層。

主要由實(shí)船數(shù)據(jù)和孿生數(shù)據(jù)組成。該層采用云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)和處理分析。針對(duì)蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)論證、設(shè)計(jì)、總裝、試驗(yàn)及運(yùn)維等階段的實(shí)船數(shù)據(jù)和孿生數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)倉(cāng)儲(chǔ)、時(shí)間戳、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)途徑，提煉純凈有效的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)和傳遞；同時(shí)，基于大規(guī)模分布式的云計(jì)算平臺(tái)環(huán)境，開(kāi)展艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)大數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存和計(jì)算處理。

4） 模型層。

主要由分析模型、設(shè)計(jì)模型、工藝模型、試驗(yàn)?zāi)Ｐ图斑\(yùn)維模型等組成。該層采用基于模型的系統(tǒng)工程（model based systems engineering，MBSE）技術(shù)，針對(duì)全生命周期內(nèi)艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)過(guò)程，將設(shè)計(jì)、分析、工藝、試驗(yàn)及運(yùn)維等定義信息融合成虛擬數(shù)字模型，用以表達(dá)系統(tǒng)的靜態(tài)架構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為，并隨著總體設(shè)計(jì)的不斷深入，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)工程模型的逐步轉(zhuǎn)換及同步。在已有母型數(shù)據(jù)和專(zhuān)用艦船動(dòng)力模型庫(kù)源的基礎(chǔ)上，從需求、結(jié)構(gòu)及狀態(tài)等維度，利用系統(tǒng)建模語(yǔ)言構(gòu)建性能分析模型、系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型、工藝建造模型、系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ图斑\(yùn)維保障模型等超寫(xiě)實(shí)的虛擬數(shù)字化模型，即可開(kāi)展概念論證、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、總裝建造、試驗(yàn)試航及運(yùn)維保障等全生命周期的總體協(xié)同設(shè)計(jì)。

5） 調(diào)度層。

主要由模型調(diào)度、算法定制及代碼編譯等組成。通過(guò)利用人工智能技術(shù)，即可創(chuàng)建并定制適用于艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)生命特性的算法。在模型層的基礎(chǔ)上，即可開(kāi)展虛擬數(shù)字模型的代碼自動(dòng)編譯，從而實(shí)現(xiàn)虛擬數(shù)字模型向計(jì)算機(jī)代碼的轉(zhuǎn)換；同時(shí)，根據(jù)功能層的需求信息，即可對(duì)模型層中的相應(yīng)模型進(jìn)行有效的調(diào)度和快速選取，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)模型的綜合調(diào)度和管控。

6） 功能層。

主要由需求論證、架構(gòu)設(shè)計(jì)、熱力分析、結(jié)構(gòu)分析、系統(tǒng)集成、工藝制定、健康管理、故障預(yù)測(cè)、壽命評(píng)估等組成。針對(duì)艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)全生命周期內(nèi)的業(yè)務(wù)流程，構(gòu)建面向總體設(shè)計(jì)服務(wù)的功能構(gòu)架，并將系統(tǒng)所需的應(yīng)用需求分解為各項(xiàng)服務(wù)功能。根據(jù)總體設(shè)計(jì)的顆粒度大小，將模型、算法及數(shù)據(jù)封裝組合為實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)的子功能流程，從而實(shí)現(xiàn)艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、總裝、運(yùn)行及運(yùn)維等總體設(shè)計(jì)功能。

7） 應(yīng)用層。

該層是向艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及運(yùn)行相關(guān)人員提供各種業(yè)務(wù)的操作界面?；诿嫦蛉芷诘臉I(yè)務(wù)需求，在概念論證及系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，需采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（virtual reality，VR）為總體設(shè)計(jì)人員提供虛擬動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)環(huán)境。在總裝建造、試驗(yàn)試航及運(yùn)維保障等階段，需采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（augmented reality，AR）和混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)（mixed reality，MR），將機(jī)電船員與海洋環(huán)境下艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的總裝建造、試驗(yàn)操作、運(yùn)行維護(hù)等應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行交互，從而實(shí)現(xiàn)總體設(shè)計(jì)全周期、全業(yè)務(wù)的應(yīng)用支持。

5 應(yīng)用案例分析

鑒于蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型橫跨了整個(gè)生命周期的各個(gè)階段，本文將以試驗(yàn)階段的系統(tǒng)試驗(yàn)流程設(shè)計(jì)為案例，開(kāi)展蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)總體數(shù)字孿生模型框架的“落地”應(yīng)用分析。

圖9 基于V-Dats 平臺(tái)的蒸汽動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)架Fig. 9 The structure of steam power test system based on V-Dats platform

圖10 基于V-Dats 平臺(tái)的虛擬試驗(yàn)流程Fig. 10 Virtual test process based on V-Dats platform

如圖9 所示，本文基于數(shù)字孿生體系框架，自主研發(fā)了一套艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)虛擬設(shè)計(jì)分析及試驗(yàn)平臺(tái)（virtual-design analysis test structure，VDats）。V-Dats 虛擬平臺(tái)具備系統(tǒng)集成、性能分析及試驗(yàn)設(shè)計(jì)等功能，已在大型動(dòng)力系統(tǒng)陸上試驗(yàn)工程中得到應(yīng)用[12]。基于V-Dats 虛擬平臺(tái)的虛擬試驗(yàn)流程如圖10 所示：在系統(tǒng)試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，根據(jù)蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，在平臺(tái)的試驗(yàn)流程模塊中生成試驗(yàn)?zāi)_本，由平臺(tái)的運(yùn)行管理模塊進(jìn)行試驗(yàn)規(guī)劃和模型調(diào)度，并按照實(shí)際試驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)及操作流程開(kāi)展系統(tǒng)虛擬試驗(yàn)，進(jìn)而分析并驗(yàn)證試驗(yàn)操作數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)及試驗(yàn)指令之間的匹配性；在系統(tǒng)試驗(yàn)運(yùn)行階段，在V-Dats 虛擬平臺(tái)的集中調(diào)度和管理下，試驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)信息平臺(tái)網(wǎng)和OPC 接口接收V-Dats 虛擬平臺(tái)發(fā)出的試驗(yàn)指令，并將V-Dats 虛擬平臺(tái)所需的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋至試驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)持續(xù)的虛、實(shí)交互數(shù)據(jù)，即可迭代優(yōu)化V-Dats 平臺(tái)的虛擬數(shù)字孿生模型；在試驗(yàn)分析階段，V-Dats 虛擬平臺(tái)可以調(diào)用試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、回放、分析及試驗(yàn)方案評(píng)估，最終將試驗(yàn)分析結(jié)果回傳并儲(chǔ)存至V-Dats 虛擬平臺(tái)運(yùn)行管理系統(tǒng)。

多年的大型蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)陸上試驗(yàn)結(jié)果表明，V-Dats 虛擬平臺(tái)可以有效支撐蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)、操作運(yùn)行分析及試驗(yàn)方案評(píng)估，同時(shí)也成功積累了一套艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的專(zhuān)用數(shù)字孿生模型庫(kù)。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外數(shù)字孿生技術(shù)的研究成果，提煉了數(shù)字孿生多尺度性、多維度性、多過(guò)程性及多學(xué)科性的技術(shù)內(nèi)涵，從物理對(duì)象、過(guò)程要素、生命周期及虛擬空間這4 個(gè)維度挖掘了基于數(shù)字孿生的艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)總體“四維思想模型”。采用數(shù)字孿生方法，提出了艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)總體全生命周期的“五階體系模型”，涵蓋概念論證、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、總裝建造、試驗(yàn)試航及運(yùn)維保障這5 個(gè)典型階段。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了由物理層、接口層、數(shù)據(jù)層、模型層、調(diào)度層、功能層及應(yīng)用層組成的總體數(shù)字孿生“7 層架構(gòu)模型”。同時(shí)，基于自主創(chuàng)建的V-Dats 虛擬平臺(tái)開(kāi)展了虛擬試驗(yàn)的應(yīng)用案例分析，探討了艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)總體數(shù)字孿生模型在實(shí)際工程中的實(shí)現(xiàn)途徑。然而，目前數(shù)字孿生技術(shù)在艦船蒸汽動(dòng)力領(lǐng)域仍存在諸多空白，該技術(shù)的“落地”還需進(jìn)一步深入開(kāi)展理論分析和方法研究。