数字孪生技术在船舶海工领域的应用前景
以下文章来源于中国船检 ，作者白雪梅
近日，国家发改委、中央网信办印发《关于推进“上云用数赋智”行动 培育新经济发展实施方案》。《方案》指出，加快数字化转型共性技术、关键技术研发应用。支持在具备条件的行业领域和企业范围探索大数据、人工智能、云计算、数字孪生、5G、物联网和区块链等新一代数字技术应用和集成创新。《方案》提出，鼓励研究机构、产业联盟举办形式多样的创新活动，围绕解决企业数字化转型所面临数字基础设施、通用软件和应用场景等难题，聚焦数字孪生体专业化分工中的难点和痛点，引导各方参与提出数字孪生的解决方案。
数字孪生的背景
尽管Gartner曾在2018年将数字孪生列为当年的十大战略技术趋势之一，但数字孪生并不是一项全新的技术。
早在美国国家航空航天局(NASA)的阿波罗项目中，NASA就制造了两个完全相同的空间飞行器，可谓物理孪生，留在地球上的飞行器称为孪生体(twin)。这个孪生体，在飞行准备期间被应用于训练，在任务执行期间进行仿真实验，该孪生体尽可能精确地反映和预测正在执行任务的空间飞行器的状态，从而辅助航天员在紧急情况下做出最正确的决策。
而数字孪生，则是通过实体和虚体之间的映射，及时、准确、深入地在虚体世界反映实体的状态和行为。
2012年，NASA发布的“建模、仿真、信息技术和处理”路线图中，数字孪生被正式带入公众视野。之后，数字孪生从概念模型阶段步入初步的规划与实施阶段。2015年，美国通用电气(GE)公司计划基于数字孪生，并通过Predix平台，采用大数据、物联网等先进技术，实现对发动机的实时监控、及时检查和预测性维护。
数字孪生的应用发展现状
01技术处于创新触发阶段
最近几年来，数字孪生在理论层面和应用层面均取得了快速发展，应用范围也逐渐从产品设计阶段向产品制造和运维服务等阶段转移。模型轻量化、MBD、基于物理的建模等模型数字化表达技术逐渐成熟并得到广泛应用，大数据、物联网、移动互联网、云计算等新一代信息与通信技术的快速普及与应用，大规模计算、高性能计算、分布式计算等计算机科学技术的快速发展，以及机器学习、深度学习等智能优化算法的不断涌现，使得产品动态数据的实时采集、可靠与快速传输、存储、分析、决策、预测等成为可能，为虚拟空间和物理空间的实时关联与互动提供了重要的技术支撑，数字孪生的形态和概念不断丰富。
不过在应用方面，数字孪生还有很长的路要走。数字孪生技术目前处于创新触发阶段，这本身就意味着低使用率，目前主要局限于研究机构和公司的研发部门。从技术周期的规律来看，新兴技术可能要在未来的5～10年才能达到被广泛应用的程度。数字孪生技术有着诸多的技术难点，从落地的角度来看，发展还处于起步阶段。但可以肯定的是：数字孪生将会在未来几年里以不同的解决方案来应对不同的挑战。尽管数字孪生尚处于发展初期，也必然面对一些阶段性的问题，但前途无疑是光明的。
02大型制造公司主导对数字孪生技术的大规模应用
数字孪生技术在工业领域有着非常广阔的应用场景。不过，从目前的发展情况来看，对数字孪生技术的大规模采用由大型制造公司主导。几乎所有的行业都可采用某种形式的数字孪生技术，但兴趣最大的可能是工业设备(如加热和冷却系统、泵送液压系统等)和能源行业(如风力涡轮机、石油和天然气等)。
从国外一些研究数字孪生技术的先驱来看，现阶段走在前列的多是像GE、西门子、美国参数技术公司(PTC)、美国安世公司(ANSYS)这样的大企业。目前国内外数字孪生技术应用得比较好的企业主要是数字化水平高、有一定网络化基础、存在智能化转型升级的大企业，这与企业自身的基础有一定关系。
美国工业互联网联盟
有关数字孪生的解读
2020年2月18日，美国工业互联网联盟(IIC)正式发布《工业应用中的数字孪生》白皮书。白皮书从工业互联网的视角阐述了数字孪生的定义、商业价值、体系架构以及实现数字孪生的必要基础，随着该技术快速发展及创新应用研究，未来IIC还将考虑在其工业互联网参考架构中融入数字孪生要素。
表1 数字孪生的定义、数据解读及趋势细分
01工业互联网视角的数字孪生关系
根据业务需求不同，可构建复杂程度不同的数字孪生。如图1所示，针对关键零部件，构建零部件孪生体；针对设备，构建包含多个关键零部件孪生体的设备孪生体；针对复杂系统，构建包含多个设备孪生体的系统孪生体。
图1 不同复杂程度的数字孪生
数字孪生之间的关系主要有三种：层次型、关联型和点对点型。为了实现虚拟信息空间与实际物理世界的深度融合，孪生体在信息空间的关系与其对应物理实体在物理世界的关系相同，如图2所示。层次型，如单个零部件孪生体与多个零部件孪生体组建的复合孪生体之间的关系。关联型，如天然气管道数字孪生体与天然气生产使用设备孪生体之间的关系。点对点型，如电网中多个风力发电机孪生体之间的关系。
图2 数字孪生体之间的三种关系
02全生命周期中数字孪生带来巨大商业价值
(1) 数字孪生解决信息孤岛问题，为全局优化决策提供重要支撑。现阶段工业生产中包含大量信息，由于多源异构、异地分散的特征易形成信息孤岛，影响信息自动流通没有发挥应有价值。例如生产制造中，各设备运行状态信息保存在各自固件里，导致生产线或车间无法基于各设备实际运行状态优化决策。数字孪生技术利用每个孪生体为代理，收集对应实体数据、利用不同模型进行计算分析决策、通过集成接口提供给不同业务目的应用，保障生命周期信息流通实现全局优化决策。例如通过建立关键设备孪生体构建车间孪生体，利用感知设备收集对应实体数据进行分析，通过集成接口将决策信息下达各设备控制系统优化全车间范围的生产运行活动。
(2) 数字孪生提供单一接口，为实体全生命周期信息流畅提供重要保障。实体的孪生体是访问其生命周期信息单一接口。如图3所示，产品制造商在数字空间构建产品类型的孪生体，包含市场分析、计算机辅助设计图纸、设计文档；构建产品的孪生体，在其中包含产品生产信息、从客户方收集的维保信息等；产品类型孪生体和产品孪生体构成复合产品孪生体，为产品制造商提供所有信息单一接口。
图3 数字孪生为实体全生命周期信息流畅提供重要保障
(3) 数字孪生能为工业应用带来巨大商业价值。一是数字孪生与人工智能、机器学习互为基础协同发展。二是数字孪生促进高精度虚拟传感器研发，解决关键物理量无法测量问题。三是数字孪生助力传感器失灵漂移矫正，提高感知质量避免误报警误停机等事故。四是数字孪生减少信息查询、格式转换、信息导入时间，助力协同工程。五是数字孪生助力运维问题，减少宕机时间经济成本。六是数字孪生使用实时更新，助力提质增效。七是数字孪生不受时间地点限制快速准确响应，最大化利用专家知识。
(4) 数字孪生技术激发无限的产业潜力与市场动能。当前，全球工业互联网发展如火如荼，为数字孪生提供良好孵化床，各种应用场景加速落地，应用领域范围不断拓宽。IIC发布的白皮书为进一步数字孪生技术研究及工业中的应用推广奠定了重要基础。随着我国“新基建”的快速推进，将会推动数字孪生技术在各个行业的深入应用与蓬勃发展，从而激发出无限的产业潜力与市场动能。
数字孪生在船舶海工行业的应用场景
1、海工装备结构装配。在数字孪生应用平台中，对装备模型进行仿真装配和建造。提升装配建造效率，确保装配的准确无误。传统上，船舶从设计到生产制造通常基于CAD/CAE等工业设计软件，且多局限于设计分析阶段，在生产制造阶段三维模型仿真技术的应用偏少。船舶建造方面信息流对生产设备仅仅是离散型驱动，并且仅局限于船体部件加工阶段，船体建造过程中的集成度、自动化程度和数字化程度还相当低。
2、对工程作业等进行远程实时监控与维护。数字孪生还有望改变企业在对产品和机器进行预测性维护的方式。机器内嵌入的传感器将性能数据实时传输到数字孪生体，这不仅可以预先识别和解决故障，还可以定制服务和维护计划，更好地满足客户的个性化需求。如中船重工数字孪生远程监控系统，该项目投入应用以后，实现了对船舶工程现场的远程实时监控，通过该系统完成了专家远程在线对船舶工程的建设成果验收。项目背景就是利用了数字孪生技术，利用现场图像采集和设备数据采集等手段，远程实时监控设备现场的工作情况和运行状态，从而实现对现场的远程管理(图4)。此外，荷兰皇家壳牌公司近期启动了一项为期两年的数字孪生计划，以帮助石油及天然气运营商更加高效地管理海上资产，加强工人安全保障，及探索可预见的维护时机。
3、船舶功能仿真测试。在数字孪生应用平台中，对海洋环境、船舶结构进行仿真模拟，进行功能及性能仿真试验测试，为船体的设计优化提供可靠依据，大幅提高试验效率，节约成本。
4、船舶操控VR培训。利用VR技术，培训船员的驾驶技能。为船员提供沉浸式的培训体验，增强培训效果。
图4 中船重工数字孪生系统设计
相关建议
1、加强数字化转型的顶层设计，实现以科技赋能产业可持续发展。数字化转型要形成行业软硬件的全面协同，真正做到数字化、信息化、智能化，打通企业内部的全数据链，以高效、敏捷的速度在数字化浪潮中成长壮大，更能有条不紊地应对诸如新冠肺炎疫情等突发事件。建议统筹谋划，从全局战略性高度出发，加强数字化转型的顶层设计，未雨绸缪占领科技前沿制高点，形成先发优势，实现以科技赋能产业发展，进一步以数据为资产，以技术为手段，构建能够支持业务可持续发展的创新技术平台体系。
2、发展数字孪生技术是推动企业数字化转型的有力抓手。从5G、数据中心、人工智能到工业互联网，这些概念不是割裂的，而是环环相扣的，他们构成了数据采集、传输、计算、分析、应用的数据闭环，对于目前数字孪生技术而言，其应用水平也与工业互联网平台息息相关。工业互联网平台建设的关键是要实现这些技术的群体性突破和协同性创新。建议以推进数字孪生技术为抓手，明晰制造企业数字化转型的路径，让数字孪生技术，引领海工装备发展，提升船舶制造效率，重塑船舶设计形式，助力产业转型升级。
3、多方协同，构建智慧型的现代化企业模式。对未来的理解可以有助于制定早期的计划及建立合作关系，从而使未来获得回报成为可能。建议参考先进制造模式，以造船过程的知识融合为基础，以数字化建模仿真与优化为特征，将信息技术全面应用于船舶的产品开发、设计、制造、管理、经营和决策的全过程。最终达到快速设计、快速建造、快速检测、快速响应和快速重组的目的，尽早实现海工装备和船舶建造的数字化与智能化。
