數(shù)字孿生是個(gè)普遍適應(yīng)的理論技術(shù)體系，可以在眾多領(lǐng)域應(yīng)用，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造、醫(yī)學(xué)分析、工程建設(shè)等領(lǐng)域應(yīng)用較多。在國(guó)內(nèi)應(yīng)用最深入的是工程建設(shè)領(lǐng)域，關(guān)注度最高、研究最熱的是智能制造領(lǐng)域。

數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程。數(shù)字孿生是一種超越現(xiàn)實(shí)的概念，可以被視為一個(gè)或多個(gè)重要的、彼此依賴的裝備系統(tǒng)的數(shù)字映射系統(tǒng)。

數(shù)字孿生技術(shù)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(dāng)時(shí)在密歇根大學(xué)任教)被認(rèn)為是2002年首次將數(shù)字孿生概念應(yīng)用于制造業(yè)，并正式宣布了數(shù)字孿生軟件概念。最終，美國(guó)宇航局的約翰維克斯在2010年引入了一個(gè)新術(shù)語(yǔ)——“數(shù)字孿生(Digital Twin，DT)”。然而，使用數(shù)字孿生作為研究物理對(duì)象的手段的核心思想實(shí)際上可以更早地見(jiàn)證。事實(shí)上，可以說(shuō)NASA在1960年代的太空探索任務(wù)中率先使用了數(shù)字孿生技術(shù)，當(dāng)時(shí)每艘航行的航天器都被精確復(fù)制成一個(gè)地球版本，供NASA工作人員用于研究和模擬目的。

數(shù)字孿生技術(shù)包含物理實(shí)體、虛擬模型、人工智能等3部分。物理實(shí)體將其設(shè)計(jì)、優(yōu)化、維護(hù)和操作等關(guān)鍵信息傳遞給虛擬模型，并由人工智能完成數(shù)據(jù)分析，最終將優(yōu)化策略反饋回物理實(shí)體。

數(shù)字孿生智能機(jī)艙初探

中國(guó)船級(jí)社《智能船舶規(guī)范2020》第4章“智能機(jī)艙”強(qiáng)調(diào)，智能機(jī)艙應(yīng)具有如下基本功能：

1.對(duì)機(jī)艙內(nèi)主推進(jìn)相關(guān)的設(shè)備與系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；

2.基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)設(shè)備與系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、健康狀況進(jìn)行分析和評(píng)估；

3.根據(jù)分析與評(píng)估結(jié)果，提出合理建議，為設(shè)備與系統(tǒng)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(jìn)裝置應(yīng)能由駕駛室控制站遠(yuǎn)程控制，機(jī)器處所包括機(jī)艙集控站(室)周期無(wú)人值班；

5.無(wú)人值班周期內(nèi)，機(jī)艙內(nèi)的設(shè)備及系統(tǒng)應(yīng)能連續(xù)正常運(yùn)行。

針對(duì)以上要求，我們以船舶機(jī)艙為例，構(gòu)建基于數(shù)字孿生技術(shù)的智能機(jī)艙框架，包含實(shí)體對(duì)象、虛擬模型和人工智能三個(gè)基本模塊(見(jiàn)圖1)：

(1)實(shí)體對(duì)象(物理實(shí)體，即實(shí)體機(jī)艙)。包含機(jī)艙內(nèi)的動(dòng)力設(shè)備及系統(tǒng)、安裝在動(dòng)力設(shè)備上的信息采集裝置、機(jī)艙內(nèi)的系統(tǒng)信息以及機(jī)艙的運(yùn)行環(huán)境和生態(tài)。

(2)虛擬模型(數(shù)字孿生體，即虛擬機(jī)艙)。包含機(jī)艙中各動(dòng)力設(shè)備、輔助設(shè)備、各動(dòng)力系統(tǒng)等各個(gè)環(huán)節(jié)中從不同角度描述機(jī)艙各方面的特征、運(yùn)行運(yùn)模型等。

(3)人工智能(物理實(shí)體與數(shù)字孿生體的聯(lián)系體，即智能數(shù)據(jù)分析)。包含將物理實(shí)體中傳來(lái)的關(guān)鍵信息傳遞給虛擬模型，由人工智能完成數(shù)據(jù)分析，最終將優(yōu)化策略反饋回物理實(shí)體。

圖1 機(jī)艙數(shù)字孿生技術(shù)結(jié)構(gòu)

通過(guò)建立上述的數(shù)字孿生技術(shù)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)方面的功能：

1.實(shí)現(xiàn)船舶動(dòng)力系統(tǒng)的信息融合：應(yīng)用已有和增加的傳感器、船舶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等方式，對(duì)船舶和機(jī)艙環(huán)境(如天氣、風(fēng)浪、洋流、海水溫度等)、船舶航行信息(如船速、船位、航向等)、各機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)(如停止/運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù))、目的港動(dòng)態(tài)(如貨物準(zhǔn)備情況、靠泊安排)等要素進(jìn)行采集歸納，為保障船舶安全航行提供可靠參考數(shù)據(jù)。

2.實(shí)現(xiàn)船舶動(dòng)力系統(tǒng)的智能決策和評(píng)估：通過(guò)對(duì)機(jī)艙動(dòng)力系統(tǒng)以往和實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)(如各種溫度、壓力、液位、轉(zhuǎn)速、扭矩、功率和油耗等)的匯集，對(duì)這些數(shù)據(jù)的海量存儲(chǔ)，經(jīng)過(guò)對(duì)該大數(shù)據(jù)的運(yùn)算和應(yīng)用，優(yōu)化機(jī)艙動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定和運(yùn)行，提供智能化的動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、趨勢(shì)預(yù)測(cè)、故障診斷、應(yīng)用集成等，并通過(guò)對(duì)上述各階段收集的數(shù)據(jù)信息融合、進(jìn)行分析處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能分析評(píng)估(如主機(jī)的綜合性能評(píng)估)、智能預(yù)測(cè)決策(確定是否需要檢修和大修)等功能。

3.實(shí)現(xiàn)船舶動(dòng)力系統(tǒng)所有信息的船岸一體化運(yùn)維：通過(guò)以高速數(shù)據(jù)通信(如5G通訊)為主要手段構(gòu)建船岸一體化信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)船岸的高速通信，建立除船端數(shù)字孿生體以外的岸基孿生體，通過(guò)岸基孿生體的遙控功能，進(jìn)而達(dá)到機(jī)艙動(dòng)力系統(tǒng)的遠(yuǎn)程遙控目的，為實(shí)現(xiàn)無(wú)人船舶提供可能(見(jiàn)圖2)。

圖2 船舶系統(tǒng)的多端孿生

4.實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)生命周期的智能服務(wù)：通過(guò)基于信息融合、自主決策評(píng)估、船岸一體化的智能系統(tǒng)運(yùn)算，智能動(dòng)力系統(tǒng)能為機(jī)務(wù)部門提供全新的維保思路——通過(guò)智能化處理實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械及零部件使用壽命的預(yù)測(cè)，降低動(dòng)力設(shè)備的運(yùn)營(yíng)成本，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)的智能化管理。

數(shù)字孿生與船舶檢驗(yàn)

利用數(shù)字孿生技術(shù)，在船舶檢驗(yàn)中也可以有所作為。

1.對(duì)于本船級(jí)社系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計(jì)、建造中的船舶：可以在設(shè)計(jì)階段就建立起數(shù)字孿生船體、孿生機(jī)械動(dòng)力設(shè)備等，以備為建造期間數(shù)字化安裝、調(diào)試和試航等服務(wù)。如很多項(xiàng)目可以在數(shù)字孿生船舶平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真后，檢驗(yàn)其性能和測(cè)量其各項(xiàng)參數(shù)，減少實(shí)船測(cè)試的項(xiàng)目。同時(shí)，設(shè)計(jì)建造期間建立的數(shù)字孿生船舶模型，可以用于將來(lái)實(shí)船營(yíng)運(yùn)時(shí)為船舶檢驗(yàn)服務(wù)。

2.對(duì)于本船級(jí)社系統(tǒng)內(nèi)的營(yíng)運(yùn)船舶：可以對(duì)每一艘船舶建立多端數(shù)字孿生船舶體，由本船級(jí)社技術(shù)人員對(duì)實(shí)船進(jìn)行數(shù)字監(jiān)控、仿真模擬、檢測(cè)檢驗(yàn)和優(yōu)化控制。岸端的數(shù)字孿生一路可以指向船務(wù)公司，進(jìn)行業(yè)務(wù)和技術(shù)管理；另一路指向本船級(jí)社，向本船級(jí)社提供船舶各項(xiàng)過(guò)往和實(shí)時(shí)的海量數(shù)據(jù)，供船級(jí)社分析，檢驗(yàn)和提出建議用。由于每一艘船的孿生體都有長(zhǎng)期的監(jiān)管記錄，在需要對(duì)該船舶進(jìn)行年度檢驗(yàn)時(shí)，可以直接從數(shù)據(jù)庫(kù)得出檢驗(yàn)報(bào)告而無(wú)需驗(yàn)船師上船實(shí)體檢驗(yàn)。

3.對(duì)于非本船級(jí)社的營(yíng)運(yùn)船舶：可以利用標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字孿生船舶平臺(tái)（見(jiàn)圖3）,與實(shí)船建立臨時(shí)的孿生關(guān)系，以便對(duì)該船進(jìn)行臨時(shí)檢驗(yàn)和委托的相關(guān)檢驗(yàn)，得出相關(guān)的檢驗(yàn)報(bào)告。

圖3 孿生船舶

數(shù)字孿生技術(shù)，目前在岸上的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、建筑制造等領(lǐng)域的應(yīng)用已非常廣泛。但應(yīng)用于航運(yùn)領(lǐng)域還處于起步階段。隨著高速通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能技術(shù)的發(fā)展，以及數(shù)字孿生技術(shù)的越來(lái)越成熟，可以樂(lè)觀地相信，該技術(shù)廣泛應(yīng)用于船舶行業(yè)也會(huì)越來(lái)越普遍，范圍也會(huì)越來(lái)越寬廣。特別是多端數(shù)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(yè)、金融業(yè)、航運(yùn)公司、船舶檢驗(yàn)、海事管理和海事法院等各領(lǐng)域，真正建立起一個(gè)智能化的全球航運(yùn)世界。