楊少龍，孫延浩，向先波，王 卓，潘新祥

(1.華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.廣東海洋大學(xué)，廣東 湛江 524088)

1 問題的提出

船舶工業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展是我國(guó)建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)和海洋強(qiáng)國(guó)的重要?jiǎng)幽?。隨著新一代信息技術(shù)（如物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)）與船舶技術(shù)的跨界融合，船舶工業(yè)迎來了提質(zhì)增效發(fā)展的新機(jī)遇。建設(shè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的智能制造技術(shù)已成為全球船舶工業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)。針對(duì)我國(guó)船舶工業(yè)，工信部相繼印發(fā)了《推進(jìn)船舶總裝建造智能化轉(zhuǎn)型行動(dòng)計(jì)劃（2019–2021 年）》《智能船舶發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2019–2021 年）》和《智能航運(yùn)發(fā)展指導(dǎo)意見》，旨在促進(jìn)我國(guó)船舶工業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，提升核心競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展[1]。這些重大發(fā)展戰(zhàn)略與行動(dòng)計(jì)劃的共同目標(biāo)之一是推進(jìn)“船舶智能化+船廠數(shù)字化”。而實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的瓶頸之一是如何基于船舶單一數(shù)據(jù)源，建立船舶物理空間與信息空間的交互與共融，推進(jìn)船舶全生命周期的智能化服務(wù)與一體化發(fā)展。船舶是船舶工業(yè)的典型代表，串聯(lián)從概念設(shè)計(jì)到制造檢驗(yàn)，再到運(yùn)營(yíng)管理的全生命周期過程。本文將從船舶設(shè)計(jì)制造、船舶運(yùn)營(yíng)管理等角度分析探討解決上述瓶頸問題的新途徑。

如圖1 所示，本文從物理空間與信息空間2 個(gè)維度梳理了船舶設(shè)計(jì)制造、船舶運(yùn)營(yíng)管理等環(huán)節(jié)。截至目前，船舶工業(yè)化和信息化可認(rèn)為已經(jīng)經(jīng)歷了3 個(gè)階段[1–2]。第1 階段，船舶設(shè)計(jì)、制造及運(yùn)營(yíng)等環(huán)節(jié)均僅限于物理空間范疇。第2 階段，隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用及自動(dòng)控制技術(shù)普及，船舶信息空間誕生，使得在信息空間利用計(jì)算機(jī)輔助船舶的設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)營(yíng)等環(huán)節(jié)成為可能。盡管這一階段，運(yùn)用計(jì)算機(jī)及自動(dòng)控制技術(shù)的范圍、程度與功能不斷擴(kuò)展，但是物理空間與信息空間交互甚少、彼此獨(dú)立。第3 階段，船舶設(shè)計(jì)建造進(jìn)入三維一體化時(shí)代，衛(wèi)星通信技術(shù)發(fā)展也促使遠(yuǎn)程監(jiān)控成為可能。這一階段，信息空間和物理空間的交互不斷增強(qiáng)，但交互信息有限，且船舶設(shè)計(jì)、制造及運(yùn)營(yíng)等環(huán)節(jié)信息孤立，缺少全流程管理。本文將深入分析船舶設(shè)計(jì)制造、船舶運(yùn)營(yíng)管理2 個(gè)環(huán)節(jié)。

圖1 船舶工業(yè)化與信息化融合發(fā)展演變歷程Fig.1 Evolution of ship industrialization and informatization

1.1 船舶設(shè)計(jì)建造環(huán)節(jié)

船舶屬于復(fù)雜單件定制產(chǎn)品，船舶制造是典型的離散型生產(chǎn)，船舶設(shè)計(jì)建造過程已經(jīng)歷了3 個(gè)發(fā)展階段。當(dāng)前，船舶制造業(yè)已能一定程度實(shí)現(xiàn)物理空間與信息空間的交互與融合，滿足船東個(gè)性化需求以及適應(yīng)大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)集成要求。第1 階段，傳統(tǒng)船舶制造業(yè)以手工設(shè)計(jì)、繪圖、放樣為主，一切生產(chǎn)制造活動(dòng)完全依賴物理空間。設(shè)計(jì)、工藝、檢驗(yàn)等信息通過人工記錄并存在紙質(zhì)媒介，其傳遞、交流困難，且信息利用率低。隨著計(jì)算機(jī)繪圖技術(shù)發(fā)展，CAD/CAM（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助制造）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，信息傳遞與交流得到一定程度提升，船舶制造業(yè)由整船散裝法進(jìn)入“分段+總段”的造船新模式。由此，船舶制造業(yè)進(jìn)入第2 階段。盡管CAD 設(shè)繪模式將紙質(zhì)圖紙升級(jí)為計(jì)算機(jī)文件，但這些文件在制造現(xiàn)場(chǎng)仍主要以紙質(zhì)印刷品方式交流，設(shè)計(jì)與制造部門的數(shù)據(jù)交互少、實(shí)時(shí)性差。近年來，物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日趨成熟，通過數(shù)控機(jī)床、無線射頻電子標(biāo)簽（RFID）、條形碼（或二維碼）等應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了主要加工過程、物料及零部件等造船數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。與此同時(shí)，船舶設(shè)計(jì)模式也由二維圖紙發(fā)展為三維模型（如Tribon，CATIA），造船廠的生產(chǎn)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)院的三維模型實(shí)現(xiàn)一定程度交互[3]。船舶制造業(yè)由此進(jìn)入第3 階段。然而，造船廠感知的生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息量有限，且設(shè)計(jì)院的三維模型側(cè)重結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及幾何尺寸等信息，導(dǎo)致船舶的設(shè)計(jì)、工藝及質(zhì)檢等多源信息的集成度低、共享難。因此，船舶物理空間與信息空間未能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、充分的交互與共融，導(dǎo)致造船質(zhì)量、交付周期及智能化水平相對(duì)較差。主要造船企業(yè)的三維數(shù)字化交付能力難以滿足“中國(guó)制造2025”、“工業(yè)4.0”等先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略將智能制造作為產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)主攻方向的需求。

1.2 船舶運(yùn)營(yíng)管理環(huán)節(jié)

船舶是高度集成的海上運(yùn)輸工具，伴隨著自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，船舶運(yùn)營(yíng)管理同樣經(jīng)歷了3 個(gè)發(fā)展階段，使得船岸一體化、網(wǎng)絡(luò)化的信息交互與融合成為現(xiàn)實(shí)。第1 階段，傳統(tǒng)的船舶營(yíng)運(yùn)過程依賴大量繁重的人工操縱與瞭望駕駛，海員依靠紙質(zhì)海圖與指南針航海，航行及機(jī)艙設(shè)備狀態(tài)通過航行日志與輪機(jī)日志記錄于紙質(zhì)文件，信息交流困難、記錄準(zhǔn)確性較差。船舶運(yùn)營(yíng)管理活動(dòng)局限于物理空間。隨后在電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)蓬勃發(fā)展基礎(chǔ)上，船舶步入自動(dòng)化時(shí)代，即發(fā)展至第2 階段。大量設(shè)備級(jí)的自動(dòng)控制系統(tǒng)替代人工操縱[4]，在信息空間實(shí)現(xiàn)船舶運(yùn)營(yíng)管理逐漸成熟。盡管自動(dòng)舵、集中監(jiān)控、電子海圖等技術(shù)顯著提升了船舶運(yùn)營(yíng)的安全性與可靠性，但是物理空間內(nèi)船舶航行及設(shè)備狀態(tài)記錄仍以紙質(zhì)日志為主，且信息空間僅僅局限于在船舶本地與物理空間的交互。進(jìn)入第3 階段，在遠(yuǎn)程衛(wèi)星通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支撐下，無人機(jī)艙與遠(yuǎn)程監(jiān)控等現(xiàn)代監(jiān)控技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。大量的航行及設(shè)備狀態(tài)信息得以通過局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)船內(nèi)共享，同時(shí)通過衛(wèi)星通信實(shí)現(xiàn)船岸共享，船舶物理空間與信息空間的交互進(jìn)一步拓展，船舶營(yíng)運(yùn)部門的信息化水平進(jìn)一步提升[5]。然而，受商業(yè)敏感信息限制，船舶、港口、海事主管機(jī)關(guān)等部門卻信息共享困難，信息空間難以實(shí)現(xiàn)來自航運(yùn)產(chǎn)業(yè)鏈多源數(shù)據(jù)的融合以及一體化服務(wù)。因此，從船舶運(yùn)營(yíng)管理的各利益相關(guān)方角度考慮，船舶物理空間與信息空間仍需進(jìn)一步加強(qiáng)交互與共融，從而迎接“互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代”智能船舶、智能航運(yùn)帶來的新機(jī)遇。

綜上分析可知，在前3 個(gè)階段發(fā)展基礎(chǔ)上，加強(qiáng)船舶物理空間與信息空間的實(shí)時(shí)交互與深度融合將是船舶工業(yè)跨入第4 階段所面臨的重要難題之一。虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）交互設(shè)計(jì)、互聯(lián)網(wǎng)+應(yīng)用、智能船舶及數(shù)字化造船等技術(shù)的推進(jìn)[6–7]，將助力船舶工業(yè)向“智能化、服務(wù)化”轉(zhuǎn)型升級(jí)。

2 數(shù)字孿生技術(shù)

近年來，數(shù)字孿生（Digital Twin）作為一種溝通物理空間與信息空間的有效方法，得到了廣泛關(guān)注與應(yīng)用[8–9]。數(shù)字孿生是一種集成了多物理量、多尺度、多概率的仿真過程。數(shù)字孿生以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，通過虛實(shí)交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，為物理實(shí)體的全生命周期服務(wù)。數(shù)字孿生面向產(chǎn)品全生命周期過程，充分利用模型、數(shù)據(jù)、智能手段，發(fā)揮連接物理空間和信息空間的橋梁和紐帶作用，提供更加實(shí)時(shí)、高效、智能的服務(wù)。

數(shù)字孿生概念最初誕生于航空航天領(lǐng)域，但該技術(shù)的各項(xiàng)特征與制造業(yè)匹配度極高。在NASA、GE、西門子、達(dá)索、IBM 等企業(yè)推動(dòng)下，數(shù)字孿生技術(shù)近年來在工業(yè)制造領(lǐng)域發(fā)展迅速[10–11]。例如，GE 通過Predix 云平臺(tái)構(gòu)建一套可以代表機(jī)器和流程的數(shù)字孿生系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于發(fā)電廠、渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)等實(shí)體的管理；西門子利用其工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)MindSphere 打通資產(chǎn)數(shù)字孿生、產(chǎn)品生命周期管理數(shù)字孿生與制造流程管理數(shù)字孿生，構(gòu)成數(shù)字孿生的互通和閉環(huán)；達(dá)索通過三維體驗(yàn)平臺(tái)，讓設(shè)計(jì)師與客戶在產(chǎn)品誕生之前或制造過程中就能利用數(shù)字孿生體實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品交互設(shè)計(jì)，并進(jìn)行產(chǎn)品測(cè)試與優(yōu)化等。與此同時(shí)，近年來，學(xué)術(shù)界同樣對(duì)數(shù)字孿生在制造業(yè)的潛在應(yīng)用進(jìn)行了積極探討，形成諸多理論成果[12–14]。

從這些制造業(yè)的應(yīng)用案例可知，數(shù)字孿生已發(fā)展成物理空間與信息空間交互與融合的一種有效手段。因此，本文基于數(shù)字孿生技術(shù)提出船舶數(shù)字孿生（Ship Digital Twin）概念，對(duì)船舶數(shù)字孿生的系統(tǒng)組成、運(yùn)行機(jī)制、關(guān)鍵技術(shù)等進(jìn)行研究，為船舶工業(yè)進(jìn)入第4 階段加強(qiáng)在全生命周期船舶的物理空間與信息空間的實(shí)時(shí)交互與深度融合提供理論與方法參考。

2.1 船舶數(shù)字孿生概念及組成

船舶數(shù)字孿生是依托新一代信息技術(shù)與船舶技術(shù)跨界融合，通過船舶在物理空間與信息空間的雙向映射與實(shí)時(shí)交互，實(shí)現(xiàn)物理空間、信息空間及服務(wù)系統(tǒng)的信息交互與數(shù)據(jù)融合，在船舶孿生數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)船舶設(shè)計(jì)制造與運(yùn)營(yíng)管理全過程在虛實(shí)空間迭代優(yōu)化的一種產(chǎn)業(yè)新模式。這種基于數(shù)字孿生的船舶工業(yè)新模式為實(shí)現(xiàn)船舶全產(chǎn)業(yè)鏈的信息物理系統(tǒng)（CPS）提供了新思路，同時(shí)也為智能船舶跨域協(xié)同測(cè)試、驗(yàn)證、評(píng)估及檢驗(yàn)?zāi)芰ㄔO(shè)提供了新的理念和工具。

如圖2 所示，船舶數(shù)字孿生主要包括智能船舶、虛擬船舶、服務(wù)系統(tǒng)、孿生數(shù)據(jù)4 部分。其中，智能船舶和虛擬船舶分別隸屬于物理空間和信息空間，并同屬于空間層；孿生數(shù)據(jù)屬于數(shù)據(jù)層，是感知數(shù)據(jù)、計(jì)算數(shù)據(jù)、服務(wù)數(shù)據(jù)以及跨空間融合數(shù)據(jù)的集合；服務(wù)系統(tǒng)屬于服務(wù)層，是船舶數(shù)字孿生所能提供的各階段各類型智能服務(wù)的集成。

圖2 船舶數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Framework of ship digital twin system

2.2 物理空間

智能船舶是客觀存在于物理空間的實(shí)體，根據(jù)服務(wù)系統(tǒng)的服務(wù)數(shù)據(jù)執(zhí)行特定任務(wù)，并將感知獲取的“人-船-環(huán)境”數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)映射傳輸至信息空間。實(shí)體船舶發(fā)展經(jīng)歷了“自動(dòng)化→數(shù)字化→網(wǎng)絡(luò)化→智能化”階段，進(jìn)入智能化時(shí)代，智能船舶在數(shù)字孿生系統(tǒng)中具備異構(gòu)多源實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)感知接入與融合分析能力，以及“人-船-環(huán)境”要素互聯(lián)與共融的能力。

對(duì)于異構(gòu)多源實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)感知接入與融合分析能力方面，需要建立與之適應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法。在船舶制造和運(yùn)營(yíng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，不同類型的傳感器節(jié)點(diǎn)采集異構(gòu)數(shù)據(jù)信息，為感知船舶所處的復(fù)雜物理空間提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源。這些結(jié)構(gòu)和類型不同的原始數(shù)據(jù)需要一套標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議與轉(zhuǎn)換方法才能將大量異構(gòu)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一整理，并存儲(chǔ)至孿生數(shù)據(jù)部分，進(jìn)而將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分享給虛擬船舶和服務(wù)系統(tǒng)。面對(duì)多類型、多尺度、多粒度的智能船舶物理空間數(shù)據(jù)，智能船舶的數(shù)據(jù)通信協(xié)議及轉(zhuǎn)換方法需要包括數(shù)據(jù)清洗、封裝等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可操作、可溯源的統(tǒng)一規(guī)劃化處理，并通過數(shù)據(jù)聚類、相關(guān)性分析等挖掘手段，實(shí)現(xiàn)智能船舶物理空間多源多模態(tài)數(shù)據(jù)的集成與融合。

此外，智能船舶所處的物理空間還需要對(duì)“人-船-環(huán)境”要素實(shí)現(xiàn)互聯(lián)與共融，以適應(yīng)復(fù)雜多變的任務(wù)與環(huán)境。智能船舶時(shí)代，人機(jī)協(xié)同將是重要特征，面對(duì)復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境，人與智能船舶、智能裝備等需要在共存狀態(tài)下進(jìn)行交互與協(xié)作，協(xié)同完成作業(yè)任務(wù)。相比傳統(tǒng)以人的認(rèn)知為主導(dǎo)的造船業(yè)與航運(yùn)業(yè)，“人-船-環(huán)境”要素互聯(lián)與共融的物理空間將具有更高的智能化水平以及更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。

2.3 信息空間

從基于模型的系統(tǒng)工程角度出發(fā)，信息空間內(nèi)虛擬船舶（即數(shù)字孿生體）是貫穿于全生命周期的一系列子模型的集合[15]。針對(duì)虛擬船舶而言，模型可分為設(shè)備級(jí)和系統(tǒng)級(jí)，其中設(shè)備級(jí)模型包括描述要素與行為2 個(gè)層面的子模型，而系統(tǒng)級(jí)模型則包括眾多模塊化的設(shè)備級(jí)模型以及運(yùn)行規(guī)則模型。對(duì)于設(shè)備級(jí)模型，要素層面，包括對(duì)各種船舶設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)特征描述的幾何模型（如船體三維模型）以及對(duì)物理屬性進(jìn)行刻畫的物理模型（如船體材料模型）；行為層面，包括在給定輸入和外部環(huán)境擾動(dòng)作用下，對(duì)設(shè)備行為響應(yīng)進(jìn)行描述的行為模型（如動(dòng)力機(jī)械動(dòng)力學(xué)模型）。對(duì)于系統(tǒng)級(jí)模型，除具有模塊化的設(shè)備級(jí)模型（如主推進(jìn)裝置、發(fā)電柴油機(jī)、操舵裝置）外，從規(guī)則層面，還包括依據(jù)船舶任務(wù)和建造、航行規(guī)律建立的評(píng)估、優(yōu)化、預(yù)測(cè)、溯源等規(guī)則模型。

以船舶建造為例，船舶作為一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)工程，設(shè)計(jì)建造過程需要多部門、多學(xué)科配合才能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量造船。設(shè)計(jì)階段，船體設(shè)計(jì)部門先行繪制船舶三維模型（描述虛擬船舶的結(jié)構(gòu)和屬性特征），通過VR 交互方式與其他設(shè)計(jì)部門、船東等溝通，有助于提高交流效率與提升用戶體驗(yàn)。與此同時(shí)，借助虛擬船舶模型，對(duì)建造過程進(jìn)行迭代仿真分析，模擬真實(shí)建造全過程，優(yōu)化建造工藝和進(jìn)度安排，并將虛擬船舶模型與各設(shè)備供應(yīng)商提供的設(shè)備級(jí)模型集成，在信息空間提前評(píng)估船舶各個(gè)機(jī)電液子系統(tǒng)的匹配性，優(yōu)化整船系統(tǒng)的綜合性能。建造階段，虛擬船舶收集實(shí)船建造實(shí)時(shí)映射數(shù)據(jù)，對(duì)比分析虛擬仿真與實(shí)船建造數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整建造計(jì)劃并糾正生產(chǎn)缺陷。與此同時(shí)，根據(jù)實(shí)船設(shè)備質(zhì)檢數(shù)據(jù)，可進(jìn)一步修正虛擬船舶的設(shè)備級(jí)模型，提高虛擬船舶的保真度。在信息空間與物理空間的映射與反饋?zhàn)饔孟拢瑢?shí)現(xiàn)虛擬船舶與建造船舶的交互與共融。

2.4 孿生數(shù)據(jù)

孿生數(shù)據(jù)是指來自物理空間、信息空間、服務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，以及物理空間與信息空間融合產(chǎn)生的衍生數(shù)據(jù)的集合，是物理空間、信息空間、服務(wù)系統(tǒng)三者運(yùn)行與交互的基礎(chǔ)。物理空間的感知數(shù)據(jù)包括船舶制造、運(yùn)營(yíng)過程中產(chǎn)生的工藝數(shù)據(jù)、質(zhì)檢數(shù)據(jù)、工況數(shù)據(jù)等。信息空間的計(jì)算數(shù)據(jù)包括三維模型數(shù)據(jù)、流體仿真數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)計(jì)算數(shù)據(jù)、設(shè)備性能數(shù)據(jù)等。服務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)包括在設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)營(yíng)和管理各個(gè)階段產(chǎn)生的控制指令數(shù)據(jù)，如用戶交互數(shù)據(jù)、生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)、供應(yīng)鏈管理數(shù)據(jù)、交通調(diào)度數(shù)據(jù)等。此外，融合衍生數(shù)據(jù)是指對(duì)物理空間與信息空間的數(shù)據(jù)采用綜合、統(tǒng)計(jì)、關(guān)聯(lián)、聚類、演化、回歸以及泛化等操作產(chǎn)生的衍生數(shù)據(jù)[16]。

孿生數(shù)據(jù)為船舶數(shù)字孿生提供了跨空間、跨時(shí)間的數(shù)據(jù)集成與平臺(tái)共享，消除了船舶生命周期各階段、各部門之間的信息孤島。在收集數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，孿生數(shù)據(jù)還進(jìn)行深度數(shù)據(jù)融合，豐富孿生數(shù)據(jù)信息價(jià)值，實(shí)現(xiàn)服務(wù)系統(tǒng)、物理空間與信息空間的兩兩數(shù)據(jù)交互。

2.5 服務(wù)系統(tǒng)

服務(wù)系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的各階段各類型服務(wù)的集成，主要負(fù)責(zé)在孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下，對(duì)船舶全生命周期過程提供智能化服務(wù)的支撐。例如，船舶設(shè)計(jì)階段，根據(jù)船東需求，在歷史孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下，服務(wù)系統(tǒng)快速生成滿足用戶需求的虛擬船舶原型，并與用戶進(jìn)行VR 可視化溝通，提高用戶體驗(yàn)感和滿意度。船舶建造之前，服務(wù)系統(tǒng)基于虛擬船舶進(jìn)行性能計(jì)算分析、建造流程仿真，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)方案的迭代優(yōu)化。船舶建造過程中，物理空間與信息空間的數(shù)據(jù)以及兩者融合數(shù)據(jù)傳至服務(wù)系統(tǒng)，服務(wù)系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行建造進(jìn)度調(diào)整和建造工藝優(yōu)化，從而適應(yīng)造船周期和建造質(zhì)量要求。服務(wù)系統(tǒng)面向船舶全生命周期提供優(yōu)化決策，從而提高整船的效率與效益。

3 船舶數(shù)字孿生運(yùn)行機(jī)制

船舶數(shù)字孿生技術(shù)在船舶全生命周期的運(yùn)行機(jī)制如圖3 所示。物理空間，實(shí)體船舶包含縮比船模、建造船舶、航行船舶、營(yíng)運(yùn)船舶4 個(gè)階段。與此同時(shí)，信息空間，虛擬船舶對(duì)應(yīng)包含三維模型、工藝模型、監(jiān)控模型、交通模型4 個(gè)模型。在各個(gè)階段，虛實(shí)空間產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)匯入孿生數(shù)據(jù)進(jìn)行集成、挖掘與共享?；趯\生數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，數(shù)字孿生服務(wù)系統(tǒng)為船舶全生命周期提供智能化服務(wù)。

圖3 船舶數(shù)字孿生運(yùn)行機(jī)制Fig.3 Operating mechanism of ship digital twin

設(shè)計(jì)階段，在輸入用戶期望后（如滿足某運(yùn)輸用途的造船計(jì)劃），設(shè)計(jì)院所基于歷史孿生數(shù)據(jù)快速設(shè)計(jì)船舶三維原型，向用戶提供VR 交互服務(wù)，再將信息空間仿真計(jì)算數(shù)據(jù)反饋至物理空間。物理空間建立縮比船模并進(jìn)行性能測(cè)試（如拖曳試驗(yàn)、自航試驗(yàn)），并將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)同步至信息空間，當(dāng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)存在偏差時(shí)，修正設(shè)計(jì)方案。如此反復(fù)迭代，直至最終結(jié)果滿足用戶期望和達(dá)到最優(yōu)的設(shè)計(jì)性能指標(biāo)。該階段所有實(shí)測(cè)與計(jì)算數(shù)據(jù)存入孿生數(shù)據(jù)庫(kù)，用于作為驅(qū)動(dòng)后續(xù)階段的基礎(chǔ)。

建造階段，信息空間內(nèi)，在設(shè)計(jì)院所三維模型數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下，造船廠建立工藝模型，仿真優(yōu)化建造工藝、資源配置與造船流程，實(shí)現(xiàn)廠所協(xié)同。將仿真計(jì)算結(jié)果傳入智能制造服務(wù)系統(tǒng)，協(xié)調(diào)編排造船廠內(nèi)各部門間的造船任務(wù)，實(shí)現(xiàn)廠內(nèi)協(xié)同。物理空間內(nèi)，造船廠各部門根據(jù)優(yōu)化后的造船任務(wù)建造船舶。與此同時(shí)，船級(jí)社將質(zhì)檢數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回信息空間。對(duì)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)，智能制造服務(wù)系統(tǒng)給出實(shí)時(shí)調(diào)控指令，控制造船質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)廠社協(xié)同。基于廠所協(xié)同、廠內(nèi)協(xié)同以及廠社協(xié)同實(shí)現(xiàn)建造階段的迭代優(yōu)化。該階段所有實(shí)測(cè)與計(jì)算數(shù)據(jù)同樣存入孿生數(shù)據(jù)庫(kù)，用于作為驅(qū)動(dòng)后續(xù)階段的基礎(chǔ)。

運(yùn)營(yíng)階段，信息空間內(nèi)，基于孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建立監(jiān)控模型，計(jì)算分析船舶航行動(dòng)態(tài)響應(yīng)行為。物理空間內(nèi)，智能船舶航行積累大量異構(gòu)多源原始數(shù)據(jù)傳回孿生數(shù)據(jù)庫(kù)，并同時(shí)映射至信息空間用于訓(xùn)練監(jiān)控模型?；诟兄獢?shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)以及兩者的融合數(shù)據(jù)，智能航行服務(wù)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障預(yù)測(cè)與健康管理（PHM）以及智能駕駛等功能，為智能化的運(yùn)營(yíng)服務(wù)、維修管理等提供決策支持，實(shí)現(xiàn)船舶高效、可靠、自主航行。該階段所有感知與仿真數(shù)據(jù)也存入孿生數(shù)據(jù)庫(kù)，用于作為驅(qū)動(dòng)后續(xù)階段的基礎(chǔ)。

管理階段，信息空間內(nèi)，基于船舶監(jiān)控模型以及航行狀態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，建立船舶運(yùn)輸交通模型，仿真優(yōu)化船舶航線設(shè)計(jì)、任務(wù)調(diào)度等航運(yùn)管理業(yè)務(wù)。物理空間內(nèi)，營(yíng)運(yùn)船舶根據(jù)優(yōu)化后的航運(yùn)管理任務(wù)組織生產(chǎn)，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳回孿生數(shù)據(jù)庫(kù)。以孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，智慧交通服務(wù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)迭代優(yōu)化船舶運(yùn)輸任務(wù)。

因此，在船舶全生命周期內(nèi)，信息空間與物理空間不斷迭代優(yōu)化，輸入造船計(jì)劃，輸出智能船舶，實(shí)現(xiàn)船舶制造與運(yùn)營(yíng)過程的最優(yōu)效率與最佳效益。

4 船舶數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)

船舶數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)依據(jù)其系統(tǒng)組成，主要分為四大類，包括智能船舶“人-船-環(huán)境”感知與融合技術(shù)；虛擬船舶的建模、仿真及驗(yàn)證技術(shù)；孿生數(shù)據(jù)融合與同步技術(shù)；服務(wù)系統(tǒng)智能化與迭代優(yōu)化技術(shù)。

1）智能船舶“人-船-環(huán)境”感知與融合技術(shù)

主要包括：

① 多源異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)同感知與優(yōu)化布局技術(shù)；

② 多源多模態(tài)感知數(shù)據(jù)的融合與封裝技術(shù)；

③ “人-船-環(huán)境”要素實(shí)時(shí)交互與協(xié)作技術(shù)；

④ 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)通訊與發(fā)布技術(shù)；

2）虛擬船舶的建模、仿真及驗(yàn)證技術(shù)

主要包括：

① 多物理場(chǎng)、多尺度、多學(xué)科的建模技術(shù)；

② 基于孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜系統(tǒng)的建模與驗(yàn)證技術(shù)；

③ 模塊化模型或系統(tǒng)集成的規(guī)范化技術(shù)；

④ 大尺度、跨學(xué)科復(fù)雜動(dòng)態(tài)模型協(xié)同仿真技術(shù)；

3）孿生數(shù)據(jù)融合與同步技術(shù)

主要包括：

① 跨空間多模態(tài)數(shù)據(jù)融合與協(xié)同感知技術(shù)；

② 多類型、多尺度、多粒度數(shù)據(jù)規(guī)劃與清洗技術(shù)；

③ 虛實(shí)空間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步與雙向映射技術(shù)；

④ 船舶大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)；

4）服務(wù)系統(tǒng)智能化與迭代優(yōu)化技術(shù)

主要包括：

① 基于虛擬現(xiàn)實(shí)或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的多方互聯(lián)交互技術(shù)；

② 基于網(wǎng)絡(luò)的船舶建造、運(yùn)營(yíng)等生產(chǎn)活動(dòng)調(diào)度管理技術(shù)；

③ 基于人工智能的整船及設(shè)備的故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)；

④ 船舶建造、運(yùn)營(yíng)等活動(dòng)的迭代運(yùn)行與優(yōu)化決策技術(shù)。

5 船舶數(shù)字孿生服務(wù)船舶全生命周期展望

針對(duì)船舶工業(yè)發(fā)展進(jìn)入第4 階段所面臨的挑戰(zhàn)，船舶數(shù)字孿生能夠利用具備多物理量、多尺度、多學(xué)科特征的高保真虛擬船舶模型，串聯(lián)從概念設(shè)計(jì)到制造檢驗(yàn)、再到運(yùn)營(yíng)管理的全生命周期過程。在船舶全生命周期各個(gè)階段，該技術(shù)集成物理空間、信息空間及跨空間的孿生數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)服務(wù)系統(tǒng)為整個(gè)船舶行業(yè)參與方（如設(shè)計(jì)院所、造船廠、船東、船級(jí)社、海事機(jī)構(gòu)）提供互聯(lián)互通的智能化服務(wù)，打破行業(yè)內(nèi)各利益相關(guān)方的信息隔閡，促進(jìn)船舶工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

盡管數(shù)字孿生技術(shù)已在一些工業(yè)制造業(yè)領(lǐng)域取得較好的示范應(yīng)用效果，但是針對(duì)船舶工業(yè)的應(yīng)用尚屬啟蒙階段，近年來僅有國(guó)內(nèi)外少數(shù)機(jī)構(gòu)開展初期研究[17–20]。為此，本文從設(shè)計(jì)、建造、航行和管理4 個(gè)階段探討船舶數(shù)字孿生的應(yīng)用形式及潛在價(jià)值。

5.1 設(shè)計(jì)階段

船舶設(shè)計(jì)是船體、動(dòng)力、機(jī)械、電氣、自動(dòng)控制、通信導(dǎo)航等多專業(yè)知識(shí)綜合運(yùn)用的典型代表，也是船舶數(shù)字化模型建立的主要階段。設(shè)計(jì)過程需要協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)院所內(nèi)各個(gè)部門、船東、供應(yīng)商、船級(jí)社等利益相關(guān)方才能獲得既符合船東需求又滿足檢驗(yàn)規(guī)范的合格產(chǎn)品。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程存在設(shè)計(jì)與建造銜接不暢、船舶機(jī)電液系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案難以驗(yàn)證、設(shè)計(jì)模型利用率不高等問題。引入數(shù)字孿生技術(shù)，在設(shè)計(jì)階段建立虛擬船舶模型，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一開放共享的交流平臺(tái)，為解決設(shè)計(jì)階段現(xiàn)存問題提供了新思路。例如，在法國(guó)達(dá)索三維體驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)上，江南造船公司二次開發(fā)融入該廠建造經(jīng)驗(yàn)和工藝知識(shí)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與工藝協(xié)同，將工藝、幾何、管理等信息融入三維模型，讓設(shè)計(jì)與制造銜接更緊密[21]。DNVGL 聯(lián)合Rolls Royce Marine、SINTEF Ocean 以及挪威科技大學(xué)建立開放仿真平臺(tái)（Open Simulation Platform）為船舶制造業(yè)提供1 套船舶仿真模型接口規(guī)范以及開放的協(xié)同仿真平臺(tái)，顯著降低了船舶機(jī)電液子系統(tǒng)集成與仿真驗(yàn)證難度，從而在設(shè)計(jì)階段便可靈活、高效的開展控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試驗(yàn)證[22]。此外，傳統(tǒng)的船舶設(shè)計(jì)模型僅在設(shè)計(jì)與制造階段發(fā)揮重要價(jià)值，船舶服役后，借助數(shù)字孿生技術(shù)，船舶設(shè)計(jì)模型將能繼續(xù)發(fā)揮作用，為船舶航行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、維修改造提供仿真評(píng)估平臺(tái)，與此同時(shí)船舶設(shè)計(jì)模型演變成高保真度的船舶航行性能模型，為新造船舶設(shè)計(jì)提供優(yōu)化決策依據(jù)，提高設(shè)計(jì)模型的利用率。

5.2 建造階段

船舶建造通常要經(jīng)歷板與型材加工、分段組裝、船體合攏、舾裝、下水、試航檢驗(yàn)等流程，船舶建造具有作業(yè)面廣、工作量大、工種多、安裝復(fù)雜等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的船舶建造階段面臨生產(chǎn)過程自動(dòng)化與智能化程度低、生產(chǎn)要素優(yōu)化配置弱、造船進(jìn)度難以實(shí)時(shí)跟蹤、船舶檢驗(yàn)偏重船體與機(jī)械輕視控制系統(tǒng)等問題。在整個(gè)船舶工業(yè)將智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)作為主攻方向的新形勢(shì)下，抓住數(shù)字孿生技術(shù)，充分利用虛實(shí)空間，船舶制造業(yè)將迎來新的發(fā)展機(jī)遇[23]。例如，近年來，南通中遠(yuǎn)海運(yùn)川崎船舶工程有限公司深入推進(jìn)信息化與工業(yè)化“兩化融合”，建設(shè)船舶制造智能化車間，形成船舶智能制造新模式，在船舶性能、生產(chǎn)效率和船舶質(zhì)量方面均取得良好效益[24]。另外建造前，在信息空間可利用虛擬船舶模型提前仿真優(yōu)化建造工藝及流程；建造中，利用物聯(lián)網(wǎng)等感知手段將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)映射傳回信息空間，并與仿真工藝及流程對(duì)比，實(shí)時(shí)調(diào)控生產(chǎn)進(jìn)度以及生產(chǎn)要素，實(shí)現(xiàn)建造過程迭代優(yōu)化，持續(xù)提高企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[25]。此外，伴隨著船舶自主化程度提升，船舶構(gòu)成將由“船體+機(jī)電設(shè)備+船員”逐步過渡至“船體+機(jī)電設(shè)備+智能控制系統(tǒng)”。因此，船舶檢驗(yàn)面臨重大變革，以DNVGL 為例，積極推進(jìn)船舶數(shù)字孿生技術(shù)，借助虛擬船舶模型進(jìn)行機(jī)電液控制子系統(tǒng)以及整船航行系統(tǒng)的仿真、驗(yàn)證與評(píng)估測(cè)試[26]（如Complex Ship System Modelling Simulation，COSSMOS），為迎接智能船舶時(shí)代做好充分準(zhǔn)備。

5.3 航行階段

船舶航行過程主要關(guān)注航行性能和機(jī)電液設(shè)備的運(yùn)行狀況。對(duì)于絕大多數(shù)營(yíng)運(yùn)船舶，航行性能取決于駕駛?cè)藛T的操船水平；而機(jī)電液設(shè)備運(yùn)行狀況則與輪機(jī)人員的維修管理水平密切相關(guān)。研究表明[27]，人為因素對(duì)船舶航行安全與運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生重要影響。為此，將船舶數(shù)字孿生延伸至航行階段，融合船舶航行監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)以及虛擬船舶模型仿真數(shù)據(jù)，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)操船優(yōu)化與視情維修[28]。與此同時(shí)，船舶運(yùn)營(yíng)孿生數(shù)據(jù)還將為設(shè)計(jì)階段完善船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）以及檢驗(yàn)節(jié)能附體的節(jié)能效果提供決策依據(jù)。例如，芬蘭Eniram 公司以收集船舶及周邊環(huán)境的歷史與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的船舶航行數(shù)字孿生體，利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)模型實(shí)現(xiàn)情境感知與能效管理，降低船舶燃料消耗與污染排放[29]（如動(dòng)態(tài)縱傾/橫傾優(yōu)化、航線/航速優(yōu)化）。芬蘭瓦錫蘭公司采用先進(jìn)的三維建模、傳感及仿真技術(shù)建立數(shù)字孿生體，實(shí)現(xiàn)船用發(fā)動(dòng)機(jī)從設(shè)計(jì)、制造到運(yùn)行的全程優(yōu)化與健康管理，顯著提高設(shè)備維護(hù)管理水平[29]。此外，基于虛實(shí)空間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互以及云端孿生數(shù)據(jù)的跨空間融合，岸基船舶管理部門可借助虛擬船舶提供的智能服務(wù)隨時(shí)隨地關(guān)注船舶航行狀態(tài)、結(jié)構(gòu)健康及設(shè)備故障預(yù)警等重要信息（如軸系扭振、船體疲勞變形）[18,30–31]。與此同時(shí)，船舶管理部門還可在信息空間利用虛擬船舶進(jìn)行惡劣海況應(yīng)急航行演練、培訓(xùn)以及操船優(yōu)化，為船舶安全與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供新方式。

5.4 航運(yùn)管理階段

長(zhǎng)期以來，在“規(guī)模經(jīng)濟(jì)”思維的主導(dǎo)下，航運(yùn)業(yè)將注意力聚焦于運(yùn)力、碼頭等重資產(chǎn)上，忽視了作為服務(wù)業(yè)應(yīng)當(dāng)更加注重用戶體驗(yàn)的根本。在船舶工業(yè)向智能化、服務(wù)化轉(zhuǎn)型升級(jí)的浪潮下，提升服務(wù)體驗(yàn)成為航運(yùn)業(yè)發(fā)展的主要目標(biāo)。在船舶數(shù)字孿生技術(shù)支持下，航運(yùn)產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)利益相關(guān)方的服務(wù)水平與用戶體驗(yàn)將有望顯著提升。例如，馬士基航運(yùn)在2017 年率先實(shí)現(xiàn)集裝箱遠(yuǎn)程管理，利用冷藏集裝箱孿生數(shù)據(jù)向管理部門、港口和供應(yīng)商提供查詢冷藏集裝箱實(shí)時(shí)狀態(tài)、異常報(bào)警等服務(wù)，極大地改善了易腐貨物的安全運(yùn)輸。另外，對(duì)于海上交通管理，由于船舶數(shù)字孿生體包含實(shí)時(shí)、完整的船舶航行信息，因此，通過船舶數(shù)字孿生方式向業(yè)務(wù)主管部門提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)報(bào)告將能顯著提高海上通航及進(jìn)出港裝卸貨的服務(wù)效率。此外，航運(yùn)是由多方業(yè)務(wù)主體（如貨主、船東、船代、口岸）共同參與的龐大產(chǎn)業(yè)鏈，要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，可以利用船舶孿生數(shù)據(jù)提供各業(yè)務(wù)主體之間的鏈?zhǔn)綌?shù)字化協(xié)同。通過不斷累積的云端孿生數(shù)據(jù)，挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值提供更精準(zhǔn)的用戶服務(wù)，創(chuàng)建航運(yùn)新的業(yè)務(wù)模式。

6 結(jié) 語(yǔ)

船舶數(shù)字孿生是在新一代信息技術(shù)驅(qū)動(dòng)下船舶工業(yè)的新模式。在我國(guó)船舶工業(yè)由大到強(qiáng)的戰(zhàn)略關(guān)口，船舶數(shù)字孿生對(duì)實(shí)現(xiàn)制造業(yè)與航運(yùn)業(yè)向智能化、服務(wù)化轉(zhuǎn)型升級(jí)具有積極的推動(dòng)作用。面對(duì)“智能化、服務(wù)化”作為轉(zhuǎn)型升級(jí)所面臨的共同瓶頸問題：船舶物理空間與信息空間的交互與共融，本文提出了船舶數(shù)字孿生的概念，闡述了系統(tǒng)組成、運(yùn)行機(jī)制及關(guān)鍵技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合行業(yè)案例，探討了數(shù)字孿生在船舶全生命周期的應(yīng)用形式與潛在價(jià)值。

后續(xù)研究將圍繞船舶數(shù)字孿生在行業(yè)落地應(yīng)用涉及的關(guān)鍵技術(shù)、理論方法進(jìn)行深入研究，為推動(dòng)船舶工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)提供新途徑。