基于數字孿生技術的船舶智能機艙

數字孿生是個普遍適應的理論技術體系，可以在眾多領域應用，在產品設計、產品制造、醫學分析、工程建設等領域應用較多。在國內應用最深入的是工程建設領域，關注度最高、研究最熱的是智能制造領域。

數字孿生技術

數字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、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，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。數字孿生是一種超越現實的概念，可以被視為一個或多個重要的、彼此依賴的裝備系統的數字映射系統。

數字孿生技術的想法最早是1991年由David Gelernter出版的Mirror Worlds提出的。然而，Michael Grieves博士(當時在密歇根大學任教)被認為是2002年首次將數字孿生概念應用于制造業，并正式宣布了數字孿生軟件概念。最終，美國宇航局的約翰維克斯在2010年引入了一個新術語——“數字孿生(Digital Twin，DT)”。然而，使用數字孿生作為研究物理對象的手段的核心思想實際上可以更早地見證。事實上，可以說NASA在1960年代的太空探索任務中率先使用了數字孿生技術，當時每艘航行的航天器都被精確復制成一個地球版本，供NASA工作人員用于研究和模擬目的。

數字孿生技術包含物理實體、虛擬模型、人工智能等3部分。物理實體將其設計、優化、維護和操作等關鍵信息傳遞給虛擬模型，并由人工智能完成數據分析，最終將優化策略反饋回物理實體。

數字孿生智能機艙初探

中國船級社《智能船舶規范2020》第4章“智能機艙”強調，智能機艙應具有如下基本功能：

1.對機艙內主推進相關的設備與系統運行狀態進行監測；

2.基于狀態監測數據，對設備與系統的運行狀態、健康狀況進行分析和評估；

3.根據分析與評估結果，提出合理建議，為設備與系統的使用、操作和控制、檢修、管理等方面的決策提供支持；

4.主推進裝置應能由駕駛室控制站遠程控制，機器處所包括機艙集控站(室)周期無人值班；

5.無人值班周期內，機艙內的設備及系統應能連續正常運行。

針對以上要求，我們以船舶機艙為例，構建基于數字孿生技術的智能機艙框架，包含實體對象、虛擬模型和人工智能三個基本模塊(見圖1)：

(1)實體對象(物理實體，即實體機艙)。包含機艙內的動力設備及系統、安裝在動力設備上的信息采集裝置、機艙內的系統信息以及機艙的運行環境和生態。

(2)虛擬模型(數字孿生體，即虛擬機艙)。包含機艙中各動力設備、輔助設備、各動力系統等各個環節中從不同角度描述機艙各方面的特征、運行運模型等。

(3)人工智能(物理實體與數字孿生體的聯系體，即智能數據分析)。包含將物理實體中傳來的關鍵信息傳遞給虛擬模型，由人工智能完成數據分析，最終將優化策略反饋回物理實體。

圖1 機艙數字孿生技術結構

通過建立上述的數字孿生技術結構，可以實現以下幾個方面的功能：

1.實現船舶動力系統的信息融合：應用已有和增加的傳感器、船舶網絡技術等方式，對船舶和機艙環境(如天氣、風浪、洋流、海水溫度等)、船舶航行信息(如船速、船位、航向等)、各機械設備的狀態(如停止/運行狀態、運行參數)、目的港動態(如貨物準備情況、靠泊安排)等要素進行采集歸納，為保障船舶安全航行提供可靠參考數據。

2.實現船舶動力系統的智能決策和評估：通過對機艙動力系統以往和實時運行數據(如各種溫度、壓力、液位、轉速、扭矩、功率和油耗等)的匯集，對這些數據的海量存儲，經過對該大數據的運算和應用，優化機艙動力系統的參數設定和運行，提供智能化的動力系統狀態監控、趨勢預測、故障診斷、應用集成等，并通過對上述各階段收集的數據信息融合、進行分析處理，進而實現智能分析評估(如主機的綜合性能評估)、智能預測決策(確定是否需要檢修和大修)等功能。

3.實現船舶動力系統所有信息的船岸一體化運維：通過以高速數據通信(如5G通訊)為主要手段構建船岸一體化信息平臺，實現船岸的高速通信，建立除船端數字孿生體以外的岸基孿生體，通過岸基孿生體的遙控功能，進而達到機艙動力系統的遠程遙控目的，為實現無人船舶提供可能(見圖2)。

圖2 船舶系統的多端孿生

4.實現動力系統生命周期的智能服務：通過基于信息融合、自主決策評估、船岸一體化的智能系統運算，智能動力系統能為機務部門提供全新的維保思路——通過智能化處理實現對機械及零部件使用壽命的預測，降低動力設備的運營成本，實現動力系統的智能化管理。

數字孿生與船舶檢驗

利用數字孿生技術，在船舶檢驗中也可以有所作為。

1.對于本船級社系統內設計、建造中的船舶：可以在設計階段就建立起數字孿生船體、孿生機械動力設備等，以備為建造期間數字化安裝、調試和試航等服務。如很多項目可以在數字孿生船舶平臺進行實時仿真后，檢驗其性能和測量其各項參數，減少實船測試的項目。同時，設計建造期間建立的數字孿生船舶模型，可以用于將來實船營運時為船舶檢驗服務。

2.對于本船級社系統內的營運船舶：可以對每一艘船舶建立多端數字孿生船舶體，由本船級社技術人員對實船進行數字監控、仿真模擬、檢測檢驗和優化控制。岸端的數字孿生一路可以指向船務公司，進行業務和技術管理；另一路指向本船級社，向本船級社提供船舶各項過往和實時的海量數據，供船級社分析，檢驗和提出建議用。由于每一艘船的孿生體都有長期的監管記錄，在需要對該船舶進行年度檢驗時，可以直接從數據庫得出檢驗報告而無需驗船師上船實體檢驗。

3.對于非本船級社的營運船舶：可以利用標準化的數字孿生船舶平臺（見圖3）,與實船建立臨時的孿生關系，以便對該船進行臨時檢驗和委托的相關檢驗，得出相關的檢驗報告。

圖3 孿生船舶

數字孿生技術，目前在岸上的工農業生產、建筑制造等領域的應用已非常廣泛。但應用于航運領域還處于起步階段。隨著高速通訊網絡技術和智能技術的發展，以及數字孿生技術的越來越成熟，可以樂觀地相信，該技術廣泛應用于船舶行業也會越來越普遍，范圍也會越來越寬廣。特別是多端數字孿生體的建立，可以將這些多端孿生體共生給船舶建造修理行業、金融業、航運公司、船舶檢驗、海事管理和海事法院等各領域，真正建立起一個智能化的全球航運世界。