GCAir平台在船舶数字孪生上的应用与实践
数字孪生体是对物理对象或系统在全生命周期内的虚拟表达，表现为模型、数据和分析仿真工具的集成系统，作为实际运行的物理对象或系统的实例，通过使用系统仿真实现对物理实体全生命周期内活动和性能的预测，为决策者提供支持；并通过对物理实体的干预，实现对象或系统的优化。
近年来，国外高度重视数字孪生技术在船舶建造、维修、升级改造等方面的应用，并取得了一系列突破，促进了船舶行业的发展。在国内，目前由于船舶系统信息化水平相对较低，生产及航行过程产生的核心数据和关键信息并未被充分采集和有效利用，导致现有数据对船舶制造及运维过程所涉及的生产执行、协同优化、轨迹预测、健康管理等环节的支撑不够，因此更需要借助数字孪生技术对船舶系统进行建模，将船舶系统所包含的要素、行为和规则都在虚拟空间中对应设计一个数字化孪生映射，通过虚拟环境中的孪生体进行相应的操作，进而实现对物理对象快捷优化的目的。
为借助数字孪生技术更好地服务船舶用户，助力船舶行业数字化转型。世冠科技推出以GCAir系统仿真测试验证一体化平台（以下简称：GCAir平台）为主的系统设计工具链，以船舶系统为研究对象构建出了一套完整的数字孪生系统设计架构，如下图所示：
方案优势
该方案可以支持船舶系统建模、多源异构模型集成，从全虚拟仿真到半实物仿真的一键切换，通过GCAir平台建立的船舶数字体可以应用到船舶全生命周期的各个阶段，包括产品设计、制造、服务与运维等。该方案具备以下优势和特点：
复杂系统的高精度建模
通过对船舶系统实体的研究，以数学算法的方式建立与实体部件相对应的数学模型。为了方便数字孪生的构建以及快速将数学模型应用于物理实体，世冠科技提供完全自主研发的GCKontrol系统设计与仿真软件。
GCKontrol支持控制系统建模和被控对象建模，支持信号流建模、状态图建模、自带多种白盒实时模型包括：电机模型、电池模型、液压模型、机械传动模型等。
多种模型的联合仿真
船舶数字孪生体涉及多门学科，且学科间相互耦合、相互作用。基于GCAir平台的船舶数字孪生体设计以FMU的形式调用高精度的学科模型包括动力学模型、运动学模型、航路规划模型、液压系统模型、机电系统模型、导航系统模型、洋流模型等形成船舶数字孪生体虚体建设。如下图所示：
虚实映射与模型跟随
虚实映射与模型跟随主要目的是将真实的船舶物理数据与模型相结合，形成数字孪生体构建。基于GCAir数字孪生平台采用一套半实物仿真硬件用以实现虚实融合；通过GCAir平台提供的一键切换功能，将模型中的虚拟部分部分切换成被测硬件，在完成全虚拟仿真之后可以直接引入传感器物理信号形成数字孪生体，并不断通过虚实切换进行模型的优化、迭代和数字孪生体的完善。
数字交付
数字孪生工程的交付：
以GCAir为平台的数字孪生工程支持以独立的EXE可支持文件交付。
GCAir平台可以导出工程，包含“run-only”许可，可以限制时间。
可以隐藏内部工程消息。
工程包含所有的FMU模型，包括2D面板配置。
双击project.gcp，直接打开程序，不用做配置等。
数字孪生算法的交付：
如果数字孪生模型核心算法是GCKontrol工具构建，可以生成FMU、S-function或DLL文件被第三方平台调用和使用。
数字孪生云交付：
GCAir平台具有B/S架构方案，支持用户或使用方，在前端浏览器对数字孪生工程进行调度、管理和使用。
应用案例
某船舶单位以GCKontrol-GCAir基于模型的系统设计工具链为平台，搭建模型库、突破多学科协同设计、建立了船舶系统的数字孪生体系统。如下图所示：
通过数字孪生技术，轮机室内的舵手和机师可以远程的进行操控，包括控制船舶的速度和方向，同时获取实时数据。这样可以有效降低轮机室的工作难度和提高操作的安全性。
数字孪生技术可以通过虚实结合分析，实时更新船舶的状态和位置数据，对船舶进行全面分析和预测。这有助于船舶驾驶获取更多实时信息，提高驾驶的效率。
数字孪生技术可以根据船舶所处的位置和其他条件，预测未来的航行情况，优化航行路径以避免潜在的安全风险。
在船舶的设计和制造过程中，数字孪生技术可以发挥重要作用。通过虚拟测试，可以在船舶实际建造之前进行全面的性能和安全测试，从而提高制造的效率和安全性。
总结
基于GCAir平台的船舶数字孪生体系统可以快速便捷地实现多源异构的模型集成以及虚实映射，使得用户在最短的时间内完成船舶数字孪生体建设，打破了国外软件的垄断地位，并根据国内数字样机的发展情况提供了多种数字交付形式。
未来，面对机遇与挑战，世冠科技也将继续与时俱进，适应并促进当前船舶业的发展，利用自身技术不断推动我国船舶行业数字化转型升级。
