陸 萍

(江蘇航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226010)

0 引 言

船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過程，需要綜合機(jī)械、電子、控制、信息等多種學(xué)科，在國家大力推進(jìn)船舶智能化的今天，關(guān)于船舶航行情況的預(yù)測、監(jiān)控與維護(hù)等方面越來越重要[1]，因此對船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也提出了更高的要求，然而使用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和理念進(jìn)行船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，生產(chǎn)出來的艦船在多系統(tǒng)、多維度協(xié)調(diào)任務(wù)作業(yè)中性能較差，因此如何提高船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平和效率是重點(diǎn)問題。

近年來數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)制造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2]，通過構(gòu)建船舶的數(shù)字孿生體能夠模擬船舶的航行狀態(tài)，從而對艦船進(jìn)行各種研究和評估。楊元龍等[3]根據(jù)四維思想，構(gòu)建了艦船全生命周期的五階體系模型，并通過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算等技術(shù)組成了數(shù)字孿生架構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)了艦船蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計(jì)。周少偉等[4]在艦船動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中，采用數(shù)字孿生技術(shù)，融合虛擬與現(xiàn)實(shí)，構(gòu)建了艦船動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)字孿生應(yīng)用體系，實(shí)現(xiàn)了艦船動(dòng)力系統(tǒng)的虛擬化數(shù)字化設(shè)計(jì)與應(yīng)用。但是上述2 種方法在船體設(shè)計(jì)方面還存在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、效率低、多任務(wù)協(xié)調(diào)性差、準(zhǔn)確性驗(yàn)證不足、輔助決策功能不成熟等一系列問題。

隨著數(shù)字孿生技術(shù)不斷地完善和發(fā)展，科學(xué)界對于數(shù)字化三維建模等各個(gè)方面都進(jìn)行了深入的研究和應(yīng)用，這些新技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。本文研究了基于數(shù)字孿生技術(shù)的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，使用三維建模技術(shù)構(gòu)建船體結(jié)構(gòu)的數(shù)字孿生體，實(shí)現(xiàn)船舶的虛擬呈現(xiàn)和航行模擬，最終達(dá)到迭代優(yōu)化船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的。

1 基于數(shù)字孿生技術(shù)的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生技術(shù)是一個(gè)比較抽象的概念，沒有固定的結(jié)構(gòu)和模式，它可以通過數(shù)字化的方式復(fù)制或者模擬現(xiàn)實(shí)中的裝備設(shè)施，并在虛擬空間當(dāng)中進(jìn)行測試，其概念模型如圖1 所示。數(shù)字孿生是一個(gè)綜合各方面尺度和概率的仿真程序，它集成了多物理量和多學(xué)科，結(jié)合各種傳感器、物理模型和歷史數(shù)據(jù)等，將實(shí)際物體映射到虛擬空間當(dāng)中，從而完整地模擬實(shí)際物體的全生命周期[5]。

1.2 基于數(shù)字孿生的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是根據(jù)研制要求，通過一步步的設(shè)計(jì)，分析和論證，最終確定設(shè)計(jì)方案的一系列過程[6]。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足艦船智能化的需求，新的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用數(shù)字孿生技術(shù)，在初始設(shè)計(jì)和整體論證階段，直接構(gòu)建一個(gè)整船數(shù)字模型，對全船的各個(gè)結(jié)構(gòu)和設(shè)備進(jìn)行全方面的模擬。在高擬真的虛擬現(xiàn)實(shí)情況下，研究人員可以利用數(shù)字化模型，測試船體結(jié)構(gòu)性能高低，從而不斷地進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，使總體設(shè)計(jì)更加完美。進(jìn)行樣機(jī)聯(lián)調(diào)時(shí)，設(shè)計(jì)人員將數(shù)字化船體進(jìn)行更新迭代，使之與真實(shí)的物理系統(tǒng)趨于統(tǒng)一，精確反映船體的實(shí)際情況。同時(shí)在驅(qū)動(dòng)方式上使用高擬真度仿真驗(yàn)證，基于數(shù)字孿生的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程如圖2 所示。

圖2 船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程圖Fig. 2 Hull structure design flow chart

1.3 構(gòu)建船體數(shù)字孿生模型

1.3.1 船體數(shù)字孿生模型設(shè)計(jì)架構(gòu)

船舶生命周期的每一個(gè)階段都可以使用船體結(jié)構(gòu)的數(shù)字孿生模型，本文對船體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分進(jìn)行研究，其數(shù)字孿生模型總體架構(gòu)如圖3 所示?？芍?，本文設(shè)計(jì)的船體數(shù)字孿生模型主要包括：一是整個(gè)船體的虛擬呈現(xiàn)，二是船舶的模擬航行。根據(jù)船舶的物理材質(zhì)和形狀信息等對船體進(jìn)行三維建模，同時(shí)模擬船舶四周的航行環(huán)境，即可將船舶進(jìn)行虛擬呈現(xiàn)。船舶的模擬航行主要是采集各種仿真航行數(shù)據(jù)，進(jìn)行多源數(shù)據(jù)融合、目標(biāo)識(shí)別、態(tài)勢重構(gòu)、航行預(yù)測等，通過船體水動(dòng)力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)模擬航行輔助的功能。

圖3 船體數(shù)字孿生模型總體架構(gòu)Fig. 3 Overall architecture of ship digital twin model

1.3.2 虛擬船舶呈現(xiàn)

1)構(gòu)建船體三維模型。在構(gòu)建設(shè)計(jì)船體三維模型時(shí)，需要對船體的各個(gè)結(jié)構(gòu)和裝備進(jìn)行精細(xì)化建模，主要部分有船身主體、甲板建筑、駕駛艙、底艙設(shè)施，還包括各種傳感器等設(shè)備。在船體三維模型構(gòu)建過程中注意參考已有的同類型實(shí)船設(shè)計(jì)和試航資料等，根據(jù)設(shè)計(jì)船體的外表與內(nèi)在物理特征、材料屬性等方面進(jìn)行建模，從而提高模型的逼真度[7]。

2)海洋環(huán)境模擬。為了重現(xiàn)真實(shí)的海洋信息，本文采用數(shù)值求解海洋環(huán)境矢量場，從而使設(shè)計(jì)船體的數(shù)字孿生模型當(dāng)中的海洋環(huán)境與現(xiàn)實(shí)更加統(tǒng)一。在海洋仿真當(dāng)中，NOAA 第三代波浪數(shù)值模型Wave-WatchⅢ(WW3)是應(yīng)用最廣泛的數(shù)學(xué)模型，仿真效果很好，再現(xiàn)真實(shí)海域環(huán)境的矢量場：

式中：Z為波作用密度譜；σ為相對頻率；為二維哈密頓算子；L為流速； bg為波群速度；α和β分別為波向和波速；y為方向 α的一個(gè)坐標(biāo)；c為與y垂直的坐標(biāo)；Y為波普的源項(xiàng)，包括線性輸入項(xiàng)Ya、風(fēng)輸入項(xiàng)Yn、非線性波浪互作用項(xiàng)Ym、耗散項(xiàng)Yl以及海底摩擦項(xiàng)Yk。

1.3.3 建立船舶水動(dòng)力學(xué)模型

通過剛體六自由度運(yùn)動(dòng)方程構(gòu)建船舶的水動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)船體的六自由度運(yùn)動(dòng)變量為：

其中：χ為地理固定坐標(biāo)系下的三維位置(r,e,s)和三軸朝向角(φ,θ,?)； δ為船舶附體坐標(biāo)系下的三軸線速度(u,i,o)和角速度(p,q,w)。

由于固定坐標(biāo)系和附體坐標(biāo)系之間存在變量關(guān)系，因此二者的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

其中：K為變換矩陣。

時(shí)域統(tǒng)一模型理論和模塊化概念是構(gòu)建船舶運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的基礎(chǔ)，其表達(dá)式如下：

式中：f為作用力；D、F、G分別為船體、螺旋槳、船舵產(chǎn)生的作用力；H、J、K、V分別為風(fēng)、海流、一階和二階波浪引起的環(huán)境干擾力；R為附加質(zhì)量矩陣；W為阻尼系數(shù)矩陣；Q為脈沖響應(yīng)函數(shù)矩陣；I為靜水恢復(fù)力矩陣；下標(biāo)O為非線性黏性力；η為坐標(biāo)系變量轉(zhuǎn)換系數(shù)。

構(gòu)建船舶水動(dòng)力學(xué)模型包括船舶操縱運(yùn)動(dòng)建模和波浪環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)建模等，本文采用分離型建模思想構(gòu)建船舶操縱水動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)合船舶型線圖數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。模型建好后需要對其精度進(jìn)行驗(yàn)證，不斷地修正模型參數(shù)，最終呈現(xiàn)高可靠的船舶水動(dòng)力學(xué)模型。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)對象

本文選用某科考船作為基于數(shù)字孿生技術(shù)的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究對象。該船總噸約3600 t，船長約85.2 m，型寬18.37 m，設(shè)計(jì)吃水6.5 m。定員50 人，經(jīng)濟(jì)航速可達(dá)12 kn，最大航速可達(dá)15 kn，續(xù)航力12000 n mile。

2.2 船體數(shù)字孿生體構(gòu)建實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用數(shù)字孿生技術(shù)以該科考船為母型船進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)科考船的原始設(shè)計(jì)資料和航行歷史信息，通過三維建模構(gòu)建完整的科考船三維模型。

為了使船體三維建模的效果更加逼真，不僅是整個(gè)科考船的外部，船艙的內(nèi)部，包括駕駛室、機(jī)艙內(nèi)的各種設(shè)備也都要進(jìn)行詳細(xì)的建模，使整個(gè)科考船的船體、甲板設(shè)備、船樓、機(jī)艙等三維環(huán)境更加逼真和動(dòng)態(tài)的在場景中進(jìn)行展示，在此基礎(chǔ)上研究人員能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)科考船的虛擬互動(dòng)，與各種船舶設(shè)備進(jìn)行交互操作，達(dá)到與真實(shí)船只相同的操作效果。

為了使科考船數(shù)字孿生體更加逼真，實(shí)驗(yàn)在船體三維建模的基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行海洋環(huán)境模擬，根據(jù)構(gòu)建的船舶水動(dòng)力學(xué)模型，真實(shí)模擬科考船在海中航行的情況，并根據(jù)船體多傳感器數(shù)據(jù)融合得到的信息，對科考船的航行進(jìn)行預(yù)測和輔助等操作。本文方法構(gòu)建的船舶數(shù)字孿生體效果非常逼真，同時(shí)在海洋環(huán)境中的航行模擬效果也非常好，完全可以用來進(jìn)行各種結(jié)構(gòu)和設(shè)備的性能測試，從而不斷地改進(jìn)船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最終達(dá)到更好的優(yōu)化效果。

2.3 船舶航行狀態(tài)模擬效果對比分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法構(gòu)建的船舶數(shù)字孿生體在模擬航行方面的性能，實(shí)驗(yàn)將科考船母型船的某段航行歷史進(jìn)行重現(xiàn)，使用科考船數(shù)字孿生體進(jìn)行一次模擬航行，分析二者的航行數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)使用真實(shí)的海域數(shù)據(jù)庫將當(dāng)時(shí)科考船航行的海洋環(huán)境進(jìn)行復(fù)刻，保持相同的海域和時(shí)間段。同時(shí)根據(jù)當(dāng)時(shí)采集的傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)離散螺旋槳轉(zhuǎn)速和舵角驅(qū)動(dòng)科考船的物理模型，控制信號(hào)輸入時(shí)保證數(shù)字孿生體與真實(shí)船舶達(dá)到一致。為了驗(yàn)證海洋環(huán)境模擬的效果，實(shí)驗(yàn)另外設(shè)置了3 種不同的海洋環(huán)境，具體的模擬航行數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)的對比結(jié)果如圖4 所示?？芍? 號(hào)數(shù)據(jù)是科考船的真實(shí)航行數(shù)據(jù)，2 號(hào)數(shù)據(jù)是只考慮風(fēng)向和風(fēng)速影響的海洋環(huán)境下模擬航行的數(shù)據(jù)，3 號(hào)數(shù)據(jù)是只考慮海流和海浪影響的模擬航行數(shù)據(jù)，4 號(hào)數(shù)據(jù)是全面考慮風(fēng)、海流和海浪等影響的海洋環(huán)境下模擬航行的數(shù)據(jù)。通過以上分析可得，1 號(hào)和2 號(hào)數(shù)據(jù)差距較大，說明只考慮風(fēng)向的模擬航行數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)偏差較大；1 號(hào)和3 號(hào)數(shù)據(jù)差距小一些，說明在綜合考慮海流和海浪影響后，模擬航行的偏差更?。? 號(hào)和4 號(hào)數(shù)據(jù)差距最小，即模擬航行的預(yù)測軌跡與實(shí)際數(shù)據(jù)的相對誤差最小，說明全面考慮所有因素對于海洋環(huán)境的影響，數(shù)字孿生體能夠逼真的模擬真實(shí)的海洋環(huán)境，從而增加模擬航行的準(zhǔn)確度，更加有利于船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化研究。

圖4 虛擬航行軌跡與真實(shí)數(shù)據(jù)對比Fig. 4 Comparison between virtual navigation trajectory and real data

為了進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)字孿生體在模擬航行中的航向誤差情況，實(shí)驗(yàn)在全耦合環(huán)境下對船舶的艏向和舵角進(jìn)行監(jiān)測，并根據(jù)二者的角度獲取航向，同時(shí)與真實(shí)的航行數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示?？芍?，模擬航行的艏向與舵角變化與真實(shí)的航行數(shù)據(jù)基本相同，即航向保持一致。當(dāng)模擬航行時(shí)間保持在2500 s以內(nèi)時(shí)，航向誤差小于4°，不會(huì)產(chǎn)生太大的影響，隨著模擬航行時(shí)間加長，航向誤差也會(huì)有所增加，在2 500 s 以后模擬航行的航向誤差會(huì)達(dá)到8°左右。

圖5 模擬航行航向誤差Fig. 5 Predicted heading error

實(shí)驗(yàn)說明，隨著科研船數(shù)組孿生體模擬航行時(shí)間的增加，產(chǎn)生的航向誤差也會(huì)變大，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中，30 min 左右的模擬航行完全可以滿足船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的需求。

3 結(jié) 語

本文研究基于數(shù)字孿生技術(shù)的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，使用三維建模技術(shù)構(gòu)建設(shè)計(jì)船舶的數(shù)字孿生體，達(dá)到優(yōu)化船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的。實(shí)驗(yàn)表明：本文方法構(gòu)建的船舶數(shù)字孿生體效果非常逼真，船體內(nèi)外結(jié)構(gòu)和設(shè)備都與實(shí)際相符，同時(shí)航行模擬效果也非常好，預(yù)測航向很準(zhǔn)確，相對誤差很小，根據(jù)模擬航行的測試結(jié)果可以優(yōu)化設(shè)計(jì)布局，最終確定更好的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。