摘 要：數(shù)字孿生技術(shù)賦能船舶與海上設(shè)施領(lǐng)域是國(guó)內(nèi)重點(diǎn)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，碳達(dá)峰是當(dāng)前國(guó)際重大議題。為解決面向低碳的船舶航行過(guò)程數(shù)字孿生模型缺乏精準(zhǔn)化設(shè)計(jì)這一問(wèn)題，文章提出了一種以最小化碳排放為目標(biāo)，綜合考慮船舶綜合電力系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)和故障預(yù)測(cè)系統(tǒng)，建立數(shù)字孿生模型的框架，并針對(duì)能量管理過(guò)程建立面向低碳的船舶航行多目標(biāo)數(shù)學(xué)模型，以期對(duì)船舶航行的碳排放進(jìn)行監(jiān)控與優(yōu)化控制。

關(guān)鍵詞：船舶航行;數(shù)字孿生;模型框架;低碳

中圖分類號(hào)：U661.4"""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

2021年中國(guó)政府提出了碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，2022年4月1日，中國(guó)工程院《我國(guó)碳達(dá)峰碳中和戰(zhàn)略及路徑》[1]進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)，其中第七條明確要求以數(shù)字化、數(shù)智化推進(jìn)數(shù)字化綠色降碳發(fā)展。

2022年9月1日，中國(guó)船級(jí)社（CCS）發(fā)布的《船舶與海上設(shè)施數(shù)字孿生系統(tǒng)指南》生效，該指南作為船舶行業(yè)內(nèi)首發(fā)的數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用指導(dǎo)性文件，提出以數(shù)字孿生技術(shù)賦能船舶與海上設(shè)施領(lǐng)域的發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，表明數(shù)字孿生技術(shù)在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用將成為國(guó)家級(jí)重點(diǎn)發(fā)展戰(zhàn)略[2]。

在此背景下，提高船舶能效水平、降低能源消耗、減少碳排放等綠色發(fā)展理念已成為行業(yè)共識(shí)。為了推動(dòng)船舶綠色發(fā)展，在新一輪技術(shù)革命下，需對(duì)船舶航行過(guò)程進(jìn)行數(shù)字化建模并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化控制，數(shù)字孿生技術(shù)作為一種新興技術(shù)手段，能夠?yàn)槠涮峁┬滤悸泛托路椒ā?/p>

因此，文章以最小化碳排放為目標(biāo)，進(jìn)行了船舶航行過(guò)程數(shù)字孿生模型框架構(gòu)建研究，從數(shù)字孿生理論體系、框架構(gòu)建、關(guān)鍵技術(shù)等方面開展研究工作。

1理論基礎(chǔ)

1.1數(shù)字孿生概念

數(shù)字孿生（Digital Twin，DT）源于1969年，最早應(yīng)用于航空航天工業(yè)[3]，是通過(guò)數(shù)字技術(shù)對(duì)物質(zhì)（如設(shè)備、系統(tǒng)等）的整個(gè)生命周期進(jìn)行建模和仿真，以反映物質(zhì)（如設(shè)備、系統(tǒng)等）的實(shí)際運(yùn)行狀況并相互影響的過(guò)程，總體旨?xì)w為“由實(shí)到虛、虛實(shí)交互、以虛控實(shí)”。

1.2數(shù)字孿生一般性架構(gòu)

最初，Grieves 和 Vickers[4]定義了數(shù)字孿生三維模型，該模型包括物理空間、虛擬空間和兩個(gè)空間之間的數(shù)據(jù)傳輸3部分。近年，隨著大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展，傳感器、工業(yè)攝像機(jī)等硬件設(shè)備的更迭，工程模擬方法獲得了蛻變式的進(jìn)步，使得數(shù)字孿生模型的構(gòu)建、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性精準(zhǔn)獲取、算法迅速響應(yīng)成為可能，有力地支撐了數(shù)字孿生發(fā)展。在此背景下，陶飛等[5]提出了數(shù)字孿生五維概念模型，是國(guó)內(nèi)當(dāng)前應(yīng)用范圍最廣、最經(jīng)典的數(shù)字孿生模型一般性架構(gòu)，但是其中缺乏應(yīng)對(duì)突發(fā)故障應(yīng)對(duì)系統(tǒng)和故障排查系統(tǒng)，模型整體的穩(wěn)定性不足。

2關(guān)鍵問(wèn)題與技術(shù)

2.1物理實(shí)體數(shù)字化

在船舶航行過(guò)程中，物理實(shí)體通常由多個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)組成，為了實(shí)現(xiàn)船體結(jié)構(gòu)、機(jī)艙設(shè)備、推進(jìn)系統(tǒng)等多個(gè)子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)工作，需要建立各子系統(tǒng)之間的關(guān)系模型。此外，還需要建立虛擬空間中船舶航行過(guò)程與現(xiàn)實(shí)空間中船舶航行過(guò)程相關(guān)的物理實(shí)體之間的關(guān)系模型。

2.2數(shù)據(jù)集成

數(shù)據(jù)集成是數(shù)字孿生的核心技術(shù)之一，也是數(shù)字孿生中最困難的部分，其主要內(nèi)容包括：（1）數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建與管理。由于物理實(shí)體和虛擬實(shí)體具有不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)方式，因此需要建立不同的數(shù)據(jù)模型，并對(duì)其進(jìn)行管理，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。（2）數(shù)據(jù)模型間的映射與共享。需建立一種高效的數(shù)據(jù)映射機(jī)制，將不同類型、結(jié)構(gòu)和格式的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行統(tǒng)一，并在此基礎(chǔ)上對(duì)這些數(shù)據(jù)模型進(jìn)行管理、更新和維護(hù)。（3）數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)查詢與分析。物理實(shí)體和虛擬實(shí)體之間存在大量的、復(fù)雜的、多維的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)關(guān)系，因此需要建立一種高效、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)庫(kù)查詢與分析方法，以快速查詢出數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)間存在的關(guān)聯(lián)關(guān)系。（4）數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)象間關(guān)系映射。當(dāng)物理實(shí)體與虛擬實(shí)體之間存在大量復(fù)雜關(guān)系時(shí)，需要將這些復(fù)雜關(guān)系映射到一個(gè)統(tǒng)一、高效、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)庫(kù)中。（5）物理實(shí)體與虛擬實(shí)體間交互。當(dāng)物理實(shí)體與其數(shù)字孿生進(jìn)行交互時(shí)，意味著它們之間存在一種連接，使得數(shù)字孿生能夠獲取來(lái)自物理實(shí)體的數(shù)據(jù)，反之亦然。

2.3實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)測(cè)

實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)測(cè)主要包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理和智能決策。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集是指利用傳感器、控制器等設(shè)備，根據(jù)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)；數(shù)據(jù)預(yù)處理指對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，去除噪聲和異常值，并提取有用的信息；智能決策是指根據(jù)數(shù)字孿生模型中的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的物理實(shí)體進(jìn)行智能決策，如自動(dòng)駕駛、智能避障等。

在船舶航行過(guò)程中，首先，通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)采集船舶航行過(guò)程的溫度、濕度、流速、壓力[6]等信息，以這些數(shù)據(jù)生成數(shù)字孿生模型，反映實(shí)際航行過(guò)程的動(dòng)態(tài)變化；其次，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行清理、轉(zhuǎn)換和規(guī)范化處理，從而確保模型的準(zhǔn)確性與可靠性；最后，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的不斷輸入使數(shù)字孿生能夠及時(shí)調(diào)整模型，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，能夠及時(shí)接收到該異常情況并做出未來(lái)趨勢(shì)預(yù)測(cè)，為決策者提供實(shí)時(shí)決策依據(jù)，以防止意外事故的發(fā)生。

2.4人機(jī)交互問(wèn)題

在船舶航行數(shù)字孿生系統(tǒng)中，數(shù)字孿生模型和物理實(shí)體的數(shù)據(jù)交互可以通過(guò)傳感器、控制器等設(shè)備收集到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包含了物理實(shí)體的各種屬性信息，如設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、安全性能等信息。利用這些數(shù)據(jù)可以構(gòu)建出虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界的交互模型，在這個(gè)交互模型中實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的控制、診斷、維修等操作。

3面向低碳的數(shù)字孿生框架設(shè)計(jì)

3.1模型構(gòu)建技術(shù)流程

（1）數(shù)字孿生體構(gòu)建

通過(guò)傳感器獲取船舶航行過(guò)程中的各類數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)與數(shù)字孿生模型進(jìn)行交互和計(jì)算，并對(duì)其進(jìn)行分析和處理。

（2）數(shù)據(jù)采集與處理

在數(shù)字孿生體建立完成后，需要對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。通過(guò)傳感器獲取船舶航行過(guò)程中的各類數(shù)據(jù)，如時(shí)間序列數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、振動(dòng)信號(hào)等。利用數(shù)據(jù)采集設(shè)備對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將這些數(shù)據(jù)與數(shù)字孿生體模型進(jìn)行交互和計(jì)算。

（3）智能決策與優(yōu)化

在實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶航行過(guò)程進(jìn)行模擬仿真后，利用智能決策算法對(duì)船舶航行過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并根據(jù)不同的約束條件來(lái)選擇不同的優(yōu)化算法。

3.2數(shù)字孿生框架模型設(shè)計(jì)

文章基于上述數(shù)字孿生五維模型，對(duì)面向低碳的船舶航行過(guò)程數(shù)字孿生模型框架進(jìn)行了精準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)，如圖1所示。其中，船舶的低碳航行由以下5點(diǎn)設(shè)計(jì)內(nèi)容耦合實(shí)現(xiàn)：

（1）物理層的船舶能量管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)收集船用電機(jī)、柴油機(jī)、減速箱、齒輪箱等設(shè)備的功率、轉(zhuǎn)速等能耗相關(guān)數(shù)據(jù)；物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備收集海浪的波高、波幅、海風(fēng)風(fēng)速、洋流方向等數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)傳輸入算法層的數(shù)據(jù)庫(kù)。

（2）數(shù)據(jù)層將物理層輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、整合、分析并存儲(chǔ)至各數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便實(shí)現(xiàn)模型層航行判斷。

（3）模型層中的重點(diǎn)是建立航行能耗模型與機(jī)

組、儲(chǔ)能單元及推進(jìn)控制器仿真模型，模型的建立是以虛控實(shí)的基礎(chǔ)。

（4）功能層將分析模型車提供的關(guān)鍵數(shù)據(jù)指標(biāo)，反映到應(yīng)用層進(jìn)行航行狀態(tài)監(jiān)控和預(yù)測(cè)，以供船員進(jìn)行決策。

（5）應(yīng)用層中，航行能量管理控制臺(tái)和人機(jī)交互界面能夠提供控制方法，達(dá)到以虛控實(shí)的目的。

4 船舶航行能耗模型構(gòu)建

4.1 分析船舶航行能耗影響因素

影響船舶航行能耗的主要因素為：（1）船速，不同船速下的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是不同的，而轉(zhuǎn)速越高，發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)越費(fèi)油；（2）船舶航行阻力，由于船舶在海上航行時(shí)會(huì)受到風(fēng)浪、波浪等多種因素的影響，因此會(huì)產(chǎn)生一定的阻力；（3）船體阻力，包括螺旋槳阻力、海水阻力等。

4.2 確定需采集的數(shù)據(jù)

由于當(dāng)前船舶航行能量多由混動(dòng)力系統(tǒng)提供，因此，根據(jù)船舶航行過(guò)程中的具體需求，選取不同類型的設(shè)備作為傳感器，實(shí)時(shí)采集各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和能耗數(shù)據(jù)。其中，傳感器主要記錄包括船用電機(jī)、柴油機(jī)、減速箱、齒輪箱等設(shè)備的轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)。

具體來(lái)說(shuō)包括以下3部分：（1）船用電機(jī)（Ma?"""" rine motor）功率（ PM ）與電機(jī)轉(zhuǎn)速（n1）；（2）柴油機(jī)（Marine Diesel Engine）的功率（ PD ）和轉(zhuǎn)速（n2）；（3）減速箱及齒輪箱（Marine gearbox）的功率（ PG ）和工作軸的轉(zhuǎn)速（n3）。

通過(guò)采集船舶航行過(guò)程中所需傳感器的能耗數(shù)據(jù)，可以得到不同類型設(shè)備在不同工況下所消耗的能量指標(biāo)。

4.3 航行能耗計(jì)算數(shù)學(xué)模型建立

（1）建立各動(dòng)力系統(tǒng)功率計(jì)算公式

由于，船用電機(jī)的功率（ PM ）與電機(jī)轉(zhuǎn)速（n1）、柴油機(jī)的功率（ PD ）與柴油轉(zhuǎn)速（n2）、齒輪箱功率（ PG ）與傳動(dòng)轉(zhuǎn)速（n3）之間皆成正比，為近似線性關(guān)系。

因此，可以得到船舶航行能量消耗各部分的公式（1）—（3），式中α、β、?均為定值。

由于碳排放因子（Grid emission factor，EF）為定值，基于能耗公式，得到了混合動(dòng)力船舶航行過(guò)程中的碳排放公式（4）、（5）。如公式（5）所示，總碳排量等于總功率之和、時(shí)間和電網(wǎng)排放因子（EF）3者的乘積。

式中：E為碳排放量；EF為電網(wǎng)排放因子，具體數(shù)值由生態(tài)環(huán)境部發(fā)布，當(dāng)前可采用0.5839 t CO2/MWh。

（2）建立抵抗外部阻力所用時(shí)間公式

在實(shí)際航行過(guò)程中，航向控制操舵（低頻）上疊加橫搖減搖操舵（高頻），正確控制舵的動(dòng)作（包括幅度、方向、相位），就可有效地利用舵產(chǎn)生的橫搖力矩部分抵消波浪產(chǎn)生的橫搖擾動(dòng)力矩，實(shí)現(xiàn)在控制航向的同時(shí)減小橫搖。

此時(shí)涉及到相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率（η）概念，螺旋槳轉(zhuǎn)矩 QA 與螺旋槳實(shí)際扭矩 QB 之比值，為相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率，見公式（6）。

那么，為調(diào)整海浪、風(fēng)浪等外部阻力而造成的能耗（ W ）公式為：

其中，

式（6）、（8）代入式（7）中，即可得到航行過(guò)程中抵抗外部阻力所用的時(shí)間公式：

（3）雙目標(biāo)模型構(gòu)建與歸一化處理

以碳排放表達(dá)式（5）與時(shí)間表達(dá)式（9），建立碳排放最小、抵御外力耗時(shí)最小的雙目標(biāo)模型，如式（10）所示。

將式（10）進(jìn)行歸一化處理，簡(jiǎn)化求解過(guò)程，即可得到式（11）。

式中：ζ1+ζ2=1，ζ1，ζ2為2個(gè)目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重，可根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整權(quán)重比值；t ′ ， E ′為2個(gè)目標(biāo)函數(shù)的最低值，t″ ， E″為2個(gè)目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值。

最終，航行能耗計(jì)算數(shù)學(xué)模型即可服務(wù)于圖1所示的數(shù)字孿生框架模型。首先，物理層實(shí)時(shí)監(jiān)控電機(jī)轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，并向上傳遞至數(shù)據(jù)層；其次，處理后的數(shù)據(jù)將輸入模型層的航行能耗模型中；再次，功能層進(jìn)行能耗、能效分析；最后，分析結(jié)果顯示至航行能量管理控制臺(tái)，管理人員根據(jù)不同目標(biāo)權(quán)重進(jìn)行決策。

5 總結(jié)與展望

文章所提出的面向低碳的船舶航行過(guò)程數(shù)字孿生框架，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶航行過(guò)程中碳排放監(jiān)控與優(yōu)化控制，提高了船舶能效水平，減少能源消耗和碳排放。

未來(lái)，基于數(shù)字孿生模型的智慧航運(yùn)平臺(tái)構(gòu)建需要進(jìn)一步考慮：（1）熱損耗問(wèn)題；（2）航行過(guò)程中調(diào)諧減搖、阻尼減搖、平衡減等操作的能耗模型構(gòu)建問(wèn)題；（3）海浪波高與波幅、海風(fēng)風(fēng)速、洋流角度等外部因素問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張嘉毅.中國(guó)工程院發(fā)布《我國(guó)碳達(dá)峰碳中和戰(zhàn)略及路徑》報(bào)告[J].科技中國(guó)，2022（9）：103.

[2] 宗山雨.中國(guó)船級(jí)社發(fā)布《船舶與海上設(shè)施數(shù)字孿生系統(tǒng)指南》（2022）[J].科技中國(guó)，2022（9）：103.

[3] Rosen R，Von G，Lo G，et al. About the importance of au? tonomy and digital twins for the future of manufactur? ing[J]. IFAC-Papers on Line，2015，48（3）：567-572.

[4] Grieves M，Vickers J. Digital twin：Mitigating unpredict? able，undesirable emergent behavior in complex system[J]. Transdisciplinary Perspectives on Complex System，2017（8）：85-113.

[5] 陶飛，劉蔚然，張萌，等.數(shù)字孿生五維模型及十大領(lǐng)域應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2019，25（1）：1-18.

[6] 徐浩.基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的船舶能效動(dòng)態(tài)仿真與驗(yàn)證方法研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2022.

Research on the Digital Twin Framework Model for Low Carbon ShipNavigation

ZOU Xinhui

（School of Mechanical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang Liaoning 110870，China）

Abstract：Empowering the field of ships and offshore facilities with digital twin technology is a key strategic plan for China′s development， and achieving carbon peak is a major international issue at present. In order to ad ? dress the issue of the lack of precise design of the digital twin models for low-carbon ship navigation processes， this article proposes a framework for establishing the digital twin model with the goal of minimizing carbon emissions， taking into account the comprehensive power system， energy management system and fault prediction system，andes ? tablishes a low-carbon ship navigation multi-objective mathematical model for energy management processes， it is expected to monitor and optimize the carbon emissions of ship navigation.

Key words：ship navigation; digital twin; framework model; low carbon