舰船动力系统数字孪生技术体系研究

来源：中国舰船研究

作者：周少伟 吴炜等

近年来，数字孪生技术得到了广泛关注，已被列为十大战略科技发展趋势之一，也被美国洛克希德•马丁公司列为未来国防和航天工业6 大顶尖技术之首。除了在工业领域应用外，数字孪生技术还被国内外军工行业列入发展重点且已有应用案例[1-4]。例如，美国国家航天航空局（ NASA）将数字孪生技术应用到了飞机、飞行器、运载火箭等飞行系统的健康管理中[5]，美国空军研究实验室(AFRL) 利用数字孪生技术开展了基于数字孪生的飞机结构寿命预测[6]，美国通用公司采用数字孪生技术开展预测维修性 服务，采集飞行过程中的飞行数据、环境和其他数据，建立了分析模型，经仿真可完整透视实际飞行过程中的发动机运行，判断磨损情况并预测维修的合理时机，实现故障预测和监控。此外， 美国通用电气公司与ANSYS 公司携手合作，打造基于模型的数字孪生技术，为不同领域提供数字孪生解决方案；海军宙斯盾作战系统项目办公室积极推动虚拟宙斯盾系统的研发，海军信息战系统司令部目前已完成首个数字孪生模型的搭建，将安装到“林肯”号航母上，以提高航母的信息战能力。

数字孪生技术可以反映实体装备的全寿期过程，具有虚实融合与实时交互、迭代运行与优化以及全要素、全流程、全业务数据驱动等特点。国内一些行业对其开展了相关探索及应用研究，但主要集中在航空航天领域，且呈现出了爆炸式发展态势，舰船领域的应用研究也处在开展之中[7]，例如，动力系统作为舰船的心脏和能量来源，其性能指标、可靠性和维护保障对舰船作战效能和装备完好性有着关键影响。该系统的全寿期研制过程涵盖了许多阶段，包括系统论证、概念设计、性能优化设计、装备装配研制、单机及系统试验验证、可靠性摸底增长及验证、故障预测与视情维修、装备退役等，而数字孪生技术应用因领域研究的重点不同而有差异。例如，航空航天领域对装备安全性要求更高，更注重装备的健康管理和维修保障；而在舰船动力系统应用数字孪生技术着重于全寿期的全流程数字化设计，基于该系统研制的特点来构建全寿期数字工程生态环境，经流程融合、数据共享，实现系统设计与试验的有机整合，以及提高设计精度，加快系统试验验证速度，化解系统装舰风险和提升设计效率。

数字孪生技术在舰船动力系统的落地应用，需要构建顶层技术体系及规范指导[8]，除此之外，还需要解决舰船动力系统的数字孪生综合平台开发、多学科系统模型构建、高保真仿真、虚实融合与实时化等技术难点。因此，本文拟将舰船动力系统全寿期研制特征与数字孪生技术特点相结合，开展舰船动力系统的数字孪生体系架构研究，以明确该系统数字孪生技术的内涵及体系框架，包括技术规范、数字孪生平台构建、关键技术、数字孪生体、集成验证与示范应用，为从事舰船动力系统数字孪生技术应用的研究人员提供参考。

舰船动力系统数字孪生技术体系以计算机网络和数字化模型为基础，借助数字孪生体，在数字化舰船动力系统中实现物理系统的全寿期研制，并与陆上或舰上系统实时交换数据。在舰船动力系统研制过程中，包含了数字化设计、性能优化、半物理仿真、虚拟试验、可靠性验证、实时状态监控、故障预测与健康管理等。动力设备模型作为动力系统数字孪生体众多模型中的子模型，只输出与动力系统总体设计相关的特性参数，而动力设备数字孪生体则作为与动力系统数字孪生体有接口关系的独立模块，其内部可实现产品全寿期的大数据管理与分析。

舰船动力系统数字孪生技术应用实现的路线分为5 个步骤，包括数字孪生体系构建、数字孪生平台开发、数字孪生体关键技术突破、动力装备数字孪生体建模、集成验证与示范应用。实现过程中，采取分步实施、逐步逼近的原则，最终实现落地。图1 所示为舰船动力系统数字孪生技术体系框架，是用于指导具体项目落地应用的顶层框架。其中，技术规范体系规定了动力系统数字孪生实施过程中应遵循的准则、标准及技术要求等；数字孪生技术是物理实体在虚拟世界的映射，数字孪生技术平台提供了虚拟世界的运行环境、工作界面及应用服务等；数字孪生技术融合了多学科、多领域的相关技术，只有突破了关键技术，才能真正实现数字孪生技术的应用；集成验证与示范应用主要是针对动力系统研制的全寿期，剖析各阶段研制的内容，规定了数字孪生技术在各阶段的服务内容。

在数字孪生的理论研究与应用实践中，处于不同的领域、需求和层次的人员对数字孪生的理解与认识是存在差异的，这是因为舰船动力系统应用数字孪生技术尚处于初期探索阶段，对其的定义和理解因人而异，如果要顺利实施，需有赖于完整系统的技术标准和规范体系。因此，构建舰船动力系统数字孪生技术的规范体系，对于各级设计师达成概念共识、建立统一研究标准、形成规范设计方法具有重大意义。

舰船动力系统数字孪生技术规范体系由运行环境、建模标准、接口协议、虚实映射、测试标准等组成，如图2 所示。其中，运行环境规定数字孪生技术应用的软硬件环境，软件环境规定孪生平台开发工具、运行环境、开发语言、编码规则等；硬件环境规定了计算机及外围设备组成的物理系统，是数字孪生平台的工作载体；建模标准根据系统各设备特点，按照类别规定各个对象数字孪生体的建模方法、建模语言、模型扩展、模型可视化、输入输出接口、封装格式等；接口协议规定物理实体与虚拟实体信息交互的数据格式、硬件接口方式、三维接口、虚拟现实/增强现实（ VR/AR）交互接口、组件调用接口、带宽、网络安全性、传输方式等的相关要求；虚实映射反映物理实体与虚拟实体的对应关系，不同的应用对象，根据不同的服务需求，虚实映射的范围和深度有所不同。此外，还规定映射数据范围、数据修正、大数据处理、知识数据、自学习等相关要求；测试标准则针对数字孪生平台软硬件、数字孪生模型、系统仿真精度、测试脚本、实时仿真提出测试要求。

舰船动力系统数字孪生技术继承了智能制造4.0 产品数字孪生技术和计算机集成制造系统的思想，但同时又具有自身的特点。舰船动力系统数字孪生平台涉及一系列管理功能，负责如下资源的管理：数字孪生模型库，试验台架与实物，仿真数据与试验数据，虚实信号接口，各仿真软件的流程集成与管理，实时仿真硬件平台，智能运维算法训练、部署与管理，虚拟试验环境与数据，性能设计优化算法，数据可视化及显示控制等，如图3 所示。

舰船动力系统数字孪生体系架构总体上分为4 个层级：基础资源层、平台服务层、平台应用层与平台门户层。基础资源层包含了船舰动力装备数字孪生技术平台数据库与软硬件基础。其中，数据库提供数字孪生技术的数据、模型、算法、规范以及相应标准，硬件部分提供数字孪生体建模与运行、孪生数据分析、基础网络服务的硬件条件，以及试验台架、动力装备实物与虚拟信号转换设备，软件部分则提供了专业分析软件、应用算法训练软件、数字孪生体集成与调试软件等。

平台服务层针对数字孪生体的不同应用场景，充分调配基础资源层的数据库与软、硬件资源，构建动力系统部件级与系统级数字孪生体，按照不同应用需求生成对应的流程与模板，可以快速实现虚拟试验、智能运维算法训练与部署等研究。平台应用层基于平台服务层的研究内容，在平台中开发专门的应用模块，对数字孪生体、设备、数据、算法、规范等，进行集中管理、运行与分析，结合应用需求进行决策控制，通过显示控制中心对设备运行状态、设备故障状态、虚实结合试验结果、设计优化结果等进行展示。平台门户层提供用户与数字孪生技术平台交互的界面，定制开发页面的组件模块，对不同用户的权限进行集中管理，用户按所需的服务和应用进入对应的模块，调用平台的软、硬件资源，进行设计、验证与运维工作。

舰船动力系统数字孪生技术本质上是集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，反映对应的实体装备全寿期过程。为实现在动力系统中的实际应用，满足数字化研制需求，需要全面梳理实施过程中的关键影响要素，识别出关键技术，构建关键技术体系结构，如图4 所示。

数字孪生技术规范是在舰船动力系统实施的法规性文件，其中规定了工作内容、适用范围、技术要求、使用工具和流程，以及评估、验收和实施中应遵循的相关通用约束条件。舰船动力系统涉及了多个学科，例如，流体力学、传热学、气动力学、液压、测控、机械、噪声等，这些学科彼此相互耦合。因此，如何根据物理实体属性特征构建满足数字孪生技术研究所需的数字孪生体，是有待解决的关键技术之一，例如系统模型、部件模型、环境模型、载荷模型、故障模型、算法模型、退化模型等。这些涉及了各学科的模型复杂度高，计算规模大，数据传输速度缓慢，甚至无法计算。因此，可通过采用模型降阶技术，对复杂度高的系统进行模型轻量化处理，在保持模型计算精度的情况下降低计算规模。

可信性是复杂系统数字孪生技术有效应用的前提，而数字孪生技术所具有的高动态性、强交互性、不确定性等特征，使现有的模型验证及仿真系统可信度评估方法不再适用。数字孪生模型可信性验证技术是实现数字孪生高保真度、高可信度建模和验证的主要技术手段。传统动力系统仿真都是基于某个阶段的单一特性分析，缺乏全流程、全范围综合分析能力。数字孪生技术是系统级、全边界、全工况的分析验证，如要实现多领域物理系统模型之间的集成、调试、仿真，异构模型集成与求解技术则是重要手段，通过该技术有助于提升整个动力系统的设计指标。

虚实融合技术是基于物理空间与数字孪生虚拟空间的全要素信息融合理论和混合现实的可视化方法，借助先进传感器、自适应感知、大数据、精确仿真等技术，合理呈现出数字孪生的物理空间和虚拟空间的全要素信息。新一代信息技术主要包括人工智能、VR/AR、边缘计算、第5 代移动通信技术（5G）等。故障增强模型与健康管理是基于实际故障数据及已构建的故障模型，利用数据机器学习技术，选择和训练合适的分类或模式识别算法，使带故障模型的数字孪生体反映真实场景的映射，以达到数字模型修正与调校的目的。此外，该模型还可对故障进行仿真，预测实际装备的故障并对其健康状态进行管理。

船舰动力系统数字孪生技术的应用除了依赖于成熟的商业软件以外，还需要针对舰船动力系统研制的特点、验证范围，按照功能需求进行二次开发，例如虚拟试验软件、故障仿真软件等。数字孪生平台基于混合现实、计算机仿真、大数据等技术，以模块化、组件化、可视化、网络化、云端化的方式，集成二次开发软件、成熟商业软件以及计算机硬件资源，来构建完整的可供舰船动力系统应用数字孪生技术的数字化平台。数字孪生集成示范验证是数字孪生技术应用的最后环节，需要基于舰船动力系统设计流程，结合数字孪生理念，使数字孪生平台设计有效融合以及集成仿真与试验，实现知识自动化、全流程一致化、验证即正确的目的，最终完成虚拟世界与物理世界的逐一映射。

舰船动力系统的类型众多，需要根据原动力形式划分，例如柴油机动力系统、燃气轮机动力系统、蒸汽动力系统、综合电力系统、核动力系统、吊舱推进系统以及由各主机组合而成的联合动力系统。舰船动力系统数字孪生体是物理实体设备各种属性的一一映射，具有物理实体的各种属性，其体系结构如图5 所示。物理实体设备的相关属性包括几何功能、内部接口、外部接口、材料属性、物理特性、行为特性、学科属性等。在研究人员不同、研究内容不同的情况下，数字孪生体的属性依据也不尽相同。例如，燃气轮机对于动力系统总体来说，只需关心模型中的输出功率、转速、油门、联锁控制等，而对于设备单位的数字孪生模型，除了上述要关心的要素之外，还需要注重燃气轮机内部各子部件的相关特性等。

舰船动力系统数字孪生体体系构建应涵盖所有动力系统设备，包括核能源发生系统、非核能源发生系统、推进机组、功率传递系统和推进器、推进保障系统、推进控制和监测系统下属的各级设备。除了需要建立相关设备的数字孪生体之外，还需要构建对应的工作介质数字孪生体，包括燃油、滑油、液压油、空气、蒸汽、海水、淡水等介质物性参数。舰船动力系统的运行离不开舰船的工作环境，只有将数字孪生体置于虚拟的舰船工作环境中，才能实现真正的数字孪生。因此，需要构建工作环境对应的数字孪生体（包括风浪流、舵特性、船阻力、盐雾、冲击、振动等）以及实现故障模式仿真及健康管理的故障数字孪生体。

舰船动力系统数字孪生集成验证是基于模型的系统工程（ MBSE）的实践，它结合了动力系统全寿期研制的特点，将舰船动力系统数字孪生集成验证归纳为4 个方面的应用， 涵盖了概念设计、性能优化、虚实试验、智能运维，如图6 所示。由于施工设计主要集中于总装厂的生产设计，属于装配范畴，所以不纳入集成验证体系。

概念设计应用主要是建立包含需求图、用例图、活动图、状态基图、块定义图的系统顶层系统方案模型，构建运行方案模型与架构方案模型之间的映射关系，实现动力系统的功能分析、逻辑设计、方案规划、多方案权衡、系统选型等。性能优化是基于总体对动力系统技术要求，实现动力系统技术指标最优，通过构建动力系统各系统和设备的模型库，针对特定对象，进行分系统仿真或多系统联合仿真，实现各方面设计的优化，包括动力辅助管网 特性、热力系统、轴系设计、操作流程、控制策略、船–机–桨匹配、系统集成等。

虚实试验是基于已完成集成验证的船舰动力装备数字孪生体及工作环境数字孪生体，构成虚拟试验验证场景，对虚拟试验模型进行实时化处理和实时解算，通过信号设备与试验台架或实物通信，实现动力装备的虚实结合试验，并与动态试验结果进行对比，以进一步提高模型精度。虚实试验由辅助系统试验、稳态工况试验、模式切换试验、机动性试验、特殊工况试验组成。若要考虑设备的材料属性及疲劳特性，虚实试验可以实现系统或设备的可靠性验证等。智能运维则是在高保真数字孪生体的基础上进行的。对舰船动力系统技术指标验收时，除了要验收实际物理系统以外，还要对动力系统数字孪生系统进行验收，以确保虚实指标在允许的误差范围之内。在动力系统实际运行中，可以结合运行数据对模型进行修正，以实现运行过程中的数字孪生。通过数字孪生模型可以实现运行状态监测、实操训练、故障诊断、增强现实展示、运行优化建议等智能运维工作。

为了充分发挥技术体系在舰船动力系统数字孪生技术落地应用过程中的指导、规范、引领和保障作用，本文针对舰船动力系统的全寿期研制特点，结合数字孪生技术特征，从系统总体顶层视角，探究建立了该系统数字孪生技术的体系框架、规范体系、平台构建体系、关键技术体系、数字孪生体建设体系、集成验证及示范应用体系。

本文期望相关工作能为舰船动力系统数字孪生技术实施应用起到推动作用，进一步实现该系统的全流程数字化设计。该技术具有外延性，可应用到舰船任何装备或系统全寿期的各阶段，对于舰船行业实现数字化设计、提高设计效率及精度、加快系统试验验证以及化解系统装舰风险将发挥重要作用。