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基于数字孪生的舰船蒸汽动力总体模型框架研究

杨元龙 孙玲 张晓滨 吴金祥 程宁

杨元龙, 孙玲, 张晓滨, 等. 基于数字孪生的舰船蒸汽动力总体模型框架研究[J]. 中国舰船研究, 2020, 0(X): 1–11 doi:  10.19693/j.issn.1673-3185.01884
引用本文: 杨元龙, 孙玲, 张晓滨, 等. 基于数字孪生的舰船蒸汽动力总体模型框架研究[J]. 中国舰船研究, 2020, 0(X): 1–11 doi:  10.19693/j.issn.1673-3185.01884
YANG Y L, SUN L, ZHANG X B, et al. Research on the overall model framework of ship steam power based on digital twin[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2020, 0(0): 1–11 doi:  10.19693/j.issn.1673-3185.01884
Citation: YANG Y L, SUN L, ZHANG X B, et al. Research on the overall model framework of ship steam power based on digital twin[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2020, 0(0): 1–11 doi:  10.19693/j.issn.1673-3185.01884

基于数字孪生的舰船蒸汽动力总体模型框架研究

doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01884
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51709249)
详细信息
    作者简介:

    杨元龙,男,1986年生,硕士,工程师。研究方向:舰船蒸汽动力总体集成设计。E-mail:yylongmail@126.com

    通讯作者:

    杨元龙

  • 中图分类号: U664.11

Research on the overall model framework of ship steam power based on digital twin

  • 摘要:   目的   为了实现舰船蒸汽动力系统的数字化、网络化和智能化,提出总体数字孪生模型应用体系。   方法   从物理对象、过程要素、生命周期及虚拟空间这4个维度,提出基于数字孪生的舰船蒸汽动力系统总体“四维思想模型”,并创建总体全生命周期的“五阶体系模型”,涵盖概念论证、系统设计、总装建造、试验试航及运维保障等5个典型阶段。通过引入大数据、物联网、云计算、人工智能和基于模型的系统工程等先进技术,形成由物理层、接口层、数据层、模型层、调度层、功能层及应用层组成的舰船蒸汽动力系统总体数字孪生“7层架构模型”。   结果   舰船蒸汽动力系统虚拟设计分析及试验平台的验证结果表明,数字孪生体系框架可以有效支撑系统方案设计、操作运行分析及试验方案评估,从而实现舰船全生命周期中物理空间与虚拟空间的交互协同。   结论   研究成果可为舰船蒸汽动力系统的总体数字化设计提供参考。
  • 图  1  基于数字孪生的舰船蒸汽动力系统总体设计思想

    Figure  1.  General design idea of ship steam power system based on digital twin

    图  2  基于数字孪生的舰船蒸汽动力系统顶层框架

    Figure  2.  Top frame of ship steam power system based on digital twin

    图  3  基于数字孪生的概念论证体系模型

    Figure  3.  A model of conceptual argumentation system based on digital twin

    图  4  基于数字孪生的系统设计体系模型

    Figure  4.  System design model based on digital twin

    图  5  基于数字孪生的总体建造体系模型

    Figure  5.  Overall construction system model based on digital twin

    图  6  基于数字孪生的试验试航体系模型

    Figure  6.  Trial test system model based on digital twin

    图  7  基于数字孪生的运维保障体系模型

    Figure  7.  Operation and maintenance guarantee model based on digital twin

    图  8  基于数字孪生的舰船蒸汽动力系统总体架构模型

    Figure  8.  Overall structure model of ship steam power system based on digital twin

    图  9  基于V-Dats平台的蒸汽动力试验系统构架

    Figure  9.  The structure of steam power test system based on V-Dats platform

    图  10  基于V-Dats平台的虚拟试验流程

    Figure  10.  Virtual test process based on V-Dats platform

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-01-16
  • 修回日期:  2020-05-31

基于数字孪生的舰船蒸汽动力总体模型框架研究

doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01884
    基金项目:  国家自然科学基金资助项目(51709249)
    作者简介:

    杨元龙,男,1986年生,硕士,工程师。研究方向:舰船蒸汽动力总体集成设计。E-mail:yylongmail@126.com

    通讯作者: 杨元龙
  • 中图分类号: U664.11

摘要:    目的   为了实现舰船蒸汽动力系统的数字化、网络化和智能化,提出总体数字孪生模型应用体系。   方法   从物理对象、过程要素、生命周期及虚拟空间这4个维度,提出基于数字孪生的舰船蒸汽动力系统总体“四维思想模型”,并创建总体全生命周期的“五阶体系模型”,涵盖概念论证、系统设计、总装建造、试验试航及运维保障等5个典型阶段。通过引入大数据、物联网、云计算、人工智能和基于模型的系统工程等先进技术,形成由物理层、接口层、数据层、模型层、调度层、功能层及应用层组成的舰船蒸汽动力系统总体数字孪生“7层架构模型”。   结果   舰船蒸汽动力系统虚拟设计分析及试验平台的验证结果表明,数字孪生体系框架可以有效支撑系统方案设计、操作运行分析及试验方案评估,从而实现舰船全生命周期中物理空间与虚拟空间的交互协同。   结论   研究成果可为舰船蒸汽动力系统的总体数字化设计提供参考。

English Abstract

杨元龙, 孙玲, 张晓滨, 等. 基于数字孪生的舰船蒸汽动力总体模型框架研究[J]. 中国舰船研究, 2020, 0(X): 1–11 doi:  10.19693/j.issn.1673-3185.01884
引用本文: 杨元龙, 孙玲, 张晓滨, 等. 基于数字孪生的舰船蒸汽动力总体模型框架研究[J]. 中国舰船研究, 2020, 0(X): 1–11 doi:  10.19693/j.issn.1673-3185.01884
YANG Y L, SUN L, ZHANG X B, et al. Research on the overall model framework of ship steam power based on digital twin[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2020, 0(0): 1–11 doi:  10.19693/j.issn.1673-3185.01884
Citation: YANG Y L, SUN L, ZHANG X B, et al. Research on the overall model framework of ship steam power based on digital twin[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2020, 0(0): 1–11 doi:  10.19693/j.issn.1673-3185.01884
    • 舰船蒸汽动力系统作为复杂的系统工程,具有耦合性强、研制周期长、试验难度高、协调流程长等特点,涉及流动、热工、振动、核物理、燃烧、结构、机械及控制等多学科领域。蒸汽动力总体设计是对蒸汽动力系统的分系统和设备进行优化配置的综合设计技术,具有综合性、反演性、极值性及复杂性等特点[1],表现为全周期、全维度、全流程、全要素、全学科的综合集成技术特征。在传统的舰船蒸汽动力系统总体设计过程中,一般采用母型设计法、统计资料法、逐次近似法及规范设计法等系统集成方法[1],但对于以数字化、网络化及智能化的舰船动力系统为靶向需求时,传统方法在设计效率、验证准确性及迭代高效性等方面尚存在诸多不足。

      随着大数据、物联网、云计算、人工智能等新一代信息技术的广泛应用,以及机器学习、深度学习等智能算法的快速涌现,以“德国工业4.0”、“美国工业互联网”及“中国制造2025”为代表的发展战略引领了数字化研发技术的高速发展[2],其先后经历了计算机辅助设计、计算机集成设计、网络化设计及智能设计等4代发展历程[3-4],其中数字孪生技术是实现智能设计的关键抓手,已在航天器系统工程领域得以成功应用。李凯等[4]分析了基于数字孪生的数字化舰船总体构架、关键技术及应用方向;王建军等[5]提出了航天器系统的数字孪生技术内涵、体系结构和实现途径;Tao[6]分析了任务规划、概念设计、详细设计及虚拟验证等阶段的数字孪生技术框架;Li等[7]提出了广义模块化结构数据的建模方法;Singh等[8]研究了基于数字工程总体设计决策的数字孪生定义;Johnston等[9]评估了数字虚拟样机的结构装配流程;Rosen等[10]分析了自动化和数字孪生技术在未来制造业的应用情况;Grieves等[11]研究了产品生命周期管理的新范式。

      目前,对于复杂的舰船蒸汽动力系统,鲜有数字孪生技术方面的研究成果。为此,本文拟提出基于数字孪生的舰船蒸汽动力系统总体设计思想模型和顶层框架,研究其在概念论证、系统设计、总体建造、试验试航及运维保障等全生命周期阶段的虚实验证体系,最终构建舰船蒸汽动力系统总体设计的数字孪生模型。

    • 数字孪生技术是指在全生命周期内将现实空间对象的组成、功能、性能、过程及状态等全要素在虚拟空间进行数字映射和孪生体模型重构的方法[3]。从数字孪生技术的内涵角度而言,数字孪生是实现过程和方法,是一种充分利用数据、模型并集成多学科的数字化技术,起着连接现实空间和虚拟空间的纽带作用,可为现实空间实现对象扩展及功能新增。然而,数字孪生体是虚拟模型和数据,这是一种集成的多学科、多尺度、高效智能及超写实的数字模型,不仅涵盖了现实空间对象的宏观组成、微观结构、功能特性等状态方面的数字模型,还包括了现实对象的加工制造、试验测试及运行维护等过程行为的数字模型,因此,数字孪生体可以模拟、监控、诊断及预测现实空间对象在全生命周期内的形成状态、过程和行为。

      数字孪生可以依据实体对象信息和虚拟模型数据进行超写实映射,并将孪生数据反馈传递给现实空间,从而为实体对象提供信息参考和决策支持,并及时准确地增强实体对象与数字孪生体的耦合时效[5]。数据孪生的承载体是软件系统,基于软件平台融入大数据及人工智能等数字化技术,即可获取超出现有认知的数据和信息,进而预判现实空间的未来发展趋势。同时,通过虚实融合、以虚控实,从而使实体对象通过感知、控制及物联系统,即可实现对数字孪生体虚拟分析信息的传递接收,最终推动现实对象的优化和提升。

      根据数字孪生的技术内涵及功能定义,其4项基本特性具体如下:

      1)多尺度性。数字孪生将实体对象在虚拟空间内进行数字化模型构建,其孪生程度可以是宏观几何级,也可以是微观原子级。不仅需表达现实空间实体对象的形状、尺寸、公差等宏观特性,还需描述实体对象的材料刚度、强度及硬度等微观特性,故其实际上是涵盖了多种物理结构模型、材料模型的多尺度集成模型。

      2)多维度性。数字孪生需在广度和深度上全面表达现实空间的对象全特性,即在广度维度上应表述实体对象的不同组件、部件、零件及材料结构等物理信息,而在深度维度上应表述全生命周期内实体对象的状态、过程、行为等稳动态信息,从而实现数字孪生体与实体对象在组成功能、过程行为等多个维度上的基本相同,才能实时模拟和反映实体对象的状态和行为。

      3)多过程性。在论证、设计、制造、测试、运维等全生命周期的各过程阶段,通过与实体对象之间进行数据传递和信息交互,从而推动现实对象在全过程内的不断完善。通过在各过程阶段中感知现实空间对象的数据,然后反馈至虚拟空间的数字孪生体,才能实现多源数据的集成管理与深度融合,并利用数字孪生体实现对实物对象状态和行为的实时可视化监控,从而具备全生命周期内各过程数据的超写实映射及信息交互能力。

      4)多学科性。数字孪生涉及计算科学、流体力学、热力学、机械振动学、电子信息科学、材料力学等多个学科的交叉和融合[3]

    • 舰船蒸汽动力系统的总体设计流程主要有以下4个特征:1)全系统应按照全生命周期进行总体设计,即以论证、设计、总装、试验及运维等过程进行迭代推演;2)按照单机设备、子系统、系统及总体的体系框架,从总体至设备层层分解及传递指标,从设备至总体循序反馈及迭代;3)多学科高度交互融合,涉及了流动、热工、振动、核物理、燃烧、结构、机械及控制等多专业领域;4)在研制过程中,不仅需进行理论计算和仿真分析,还需开展单机设备测试鉴定、陆上联调试验、系泊航行试验等,用以验证并明确动力系统的技术状态,其间涵盖了信息、流程、资源等过程要素,也跨越了实船空间和虚拟空间。

      图1所示为基于数字孪生的舰船蒸汽动力系统的总体设计思想。通过引进人工智能、大数据、物联网等先进数字化技术,建立了物理对象、过程要素、生命周期及虚拟空间这4个维度的舰船蒸汽动力总体数字孪生的思想模型(下文简称为“四维思想模型”)。通过在虚拟空间中重构实船蒸汽动力系统实体对象(例如,单机设备、热力系统、控制系统、工艺系统等)的虚拟数字模型(例如,虚拟设备模型、虚拟热力系统模型、虚拟控制系统模型、虚拟工艺系统模型等),即可实现实船空间和虚拟空间的实时双向交互,以及信息、资源、流程、数据和系统物理对象之间的连接,从而形成全过程、全要素、全系统、全学科等多源数据的集中融合。通过逐步迭代优化舰船蒸汽动力系统的总体设计,即可完成需求论证、架构设计、性能分析、系统集成、工艺评估、运维评估及退役管控等各种任务功能。本文提出的“四维思想模型”覆盖了舰船蒸汽动力系统总体设计的生命周期和物理对象层级,聚合了多学科和多要素数据,实现了概念论证、系统设计、总装建造、试验试航及运维保障等全生命周期中蒸汽动力系统总体设计数字孪生的使能技术。

      图  1  基于数字孪生的舰船蒸汽动力系统总体设计思想

      Figure 1.  General design idea of ship steam power system based on digital twin

    • 图2所示为基于数字孪生的总体设计顶层框架。根据舰船总体设计的“四维思想模型”,可以将舰船蒸汽动力系统的生命周期划分为概念论证、系统设计、总装建造、试验试航及运维保障这5个过程阶段(下文简称为“五阶体系模型”),进而构建实船空间和虚拟空间,并涵盖实船空间全生命周期数据、虚拟空间系统分析数据及虚拟融合数据。随着论证、设计、总装等过程阶段中虚拟模型的持续更新,通过与实船空间的数据信息进行交互,即可为舰船蒸汽动力系统的总体设计及验证提供数据支撑。

      图  2  基于数字孪生的舰船蒸汽动力系统顶层框架

      Figure 2.  Top frame of ship steam power system based on digital twin

      在概念论证过程阶段,根据舰船的总体任务需求,通过充分利用母型舰船的设计准则、数据及知识经验进行蒸汽动力系统的需求分析,即可初步设计面向任务需求的蒸汽动力系统架构方案,进而构建虚拟系统模型。在此基础上,通过开展系统论证方案的迭代设计,即可筛选最优的系统方案并明确其技术可行性,最终完成概念论证阶段的蒸汽动力系统总体方案闭环。

      在系统设计过程阶段,根据蒸汽动力系统的总体方案及分配指标,即可开展蒸汽动力单机设备、子系统及系统的深化方案设计、技术设计和施工设计,并将设备及系统的设计数据与虚拟空间进行交互融合,从而优化并生成各设计阶段的虚拟系统模型,最终实现蒸汽动力系统总体集成方案的验证和闭环。

      在总装建造过程阶段,根据蒸汽动力系统的最终技术方案,即可开展设备及系统管路的工艺设计、建造及总船装配,并基于建造数据来优化虚拟系统模型,进而检验蒸汽动力系统及设备的总装建造工艺,最终完成实船总装建造的闭环。

      在试验试航过程阶段,通过开展蒸汽动力系统的船坞系泊试验和海上航行试验,可以将试验数据与虚拟空间系统模型进行深入反馈迭代及优化,最终完成实船蒸汽动力系统研制的总体闭环。

      在运维保障过程阶段,根据舰船的总体使用任务需求,即可对实船蒸汽动力系统进行在航运维和退役保障,通过采用经运维保障数据优化之后的虚拟系统模型,最终实现实船蒸汽动力系统的在航及退役保障管控。

    • 基于数字孪生的概念论证体系框架如图3所示,主要按照需求分析、架构设计、指标分解及方案验证的流程体系开展概念论证工作。首先,从舰船的总体任务需求出发,细化蒸汽动力系统与舰船的总体接口需求,并明确舰船总体对蒸汽动力系统的约束,进而从顶层层面规划蒸汽动力系统的功能需求和性能需求;然后,根据蒸汽动力系统的总体设计需求进行架构设计,提出包括蒸汽动力装置选型、功率传递系统设计、汽水循环方式设计等总体配置方案;其次,结合舰船的总体任务功能需求,划分蒸汽动力系统的操作指挥模式及使用运行工况,并对蒸汽动力系统方案进行初步总体布置,再根据蒸汽动力系统总体多方案配置架构,提出蒸汽动力各子系统及设备的内部接口及其与舰船其他系统之间的外部接口,从而配置蒸汽动力系统内/外部接口的保障资源;最后,开展热力系统的热平衡估算,量化蒸汽动力系统总体相关的热力指标(例如功率、温度、压力等)、结构指标(例如尺寸、重量等)及六性指标(例如可靠性、维修性、可用性、安全性、保障性及防护性等)。在此基础上,借鉴母型舰船蒸汽动力系统总体设计的经验模型,在虚拟空间中构建当前可参考的特定数字化模型,从而对实船各层级蒸汽动力系统的需求、架构及指标进行交互验证。

      图  3  基于数字孪生的概念论证体系模型

      Figure 3.  A model of conceptual argumentation system based on digital twin

      针对多维度概念论证方案,虚拟模型与实船系统在整个概念论证过程中不断交互协同,逐渐辨析舰船需求、概念方案和海洋场景的可行性,并识别蒸汽动力系统内、外部的耦合关系,从而建立蒸汽动力单机设备、子系统、系统及总体之间需求、架构和指标的分配与集成关系。基于虚拟验证的多方案经权衡迭代之后,即可获取最优的蒸汽动力系统总体方案。

    • 基于数字孪生的系统设计体系框架如图4所示。蒸汽动力系统设计包含设备研制选型、系统集成设计、系统分析及系统验证等过程,根据总体分配指标,即可对关键属性的工艺设备(例如蒸汽发生装置、主汽轮机、主减速器、轴系、汽轮辅机等)和监控设备(例如调节阀、传感器、控制柜等)进行研制和选型,从而使单机设备的外特性参数满足且匹配蒸汽动力系统的总体性能指标。基于单机设备的实际参数,即可在虚拟空间中同步开展工艺设备建模、监控设备建模及组态建模,从而实现单机设备虚拟模型与实船研制设备的交互验证。在此基础上,将各蒸汽动力单机设备相应构建成工艺子系统及监控子系统,即可实现单机设备及子系统跨向蒸汽动力全系统的集成设计。在每个阶段内,基于虚拟空间的系统集成虚拟模型,即可同步对实船系统进行交互验证,进而提出舰船蒸汽动力系统的总体技术方案。

      图  4  基于数字孪生的系统设计体系模型

      Figure 4.  System design model based on digital twin

      完成单机设备选型和系统集成之后,即可利用蒸汽动力系统的虚拟模型开展系统性能分析和校核验证。通过对系统方案进行虚拟交互和迭代优化,即可最终固化舰船蒸汽动力系统的总体技术方案。

    • 基于数字孪生的总体建造体系框架如图5所示,将总体建造划分为工艺可行性分析、工艺详细设计、船坞建造、总段装配及检验检测这5个阶段。在工艺可行性分析阶段,通过在虚拟空间中开展工艺建模集成、工艺特性分析及工艺参数分析,即可确定实船各层级蒸汽动力系统的工艺方案、可制造性及工艺参数。在工艺详细设计阶段,通过开展虚拟空间的工艺全流程虚拟设计分析,即可明确实船各层级蒸汽动力系统的物料清单、关键工序及工艺规程。在船坞建造和总段装配阶段,通过建立总体建造的数字孪生工艺模型,即可感知蒸汽动力系统总体建造的人、机、料、法、环等工艺信息,从而实现实际船坞与数字船坞的同步互联和深度融合;通过分析虚拟工艺装配的系统流程及约束条件,即可规划实船装配的系统流程及布局。在工艺设计及总段装配的基础上,即可在虚拟空间中完成实船系统加工精度、建造公差及生产效率的虚拟分析检验。

      图  5  基于数字孪生的总体建造体系模型

      Figure 5.  Overall construction system model based on digital twin

      基于虚拟系统模型,可以提取工艺参数、物料清单、关键工序、系统布局等工艺信息,并针对工艺管道制造、舱段建造、蒸汽动力装置总装、大型辅机总装及总段装配等工艺过程,建立蒸汽动力系统数字孪生模型,从而驱动虚实船坞之间数据信息的集成交互。通过对各阶段的工艺过程信息及参数进行检测,即可实现总体建造全过程中物质流、数据流、信息流和能量流等全要素的工艺设计及验证。

    • 图6所示为基于数字孪生的试验试航体系模型。在舰船蒸汽动力设备研制、子系统设计、工艺及总装过程中所建立的虚拟模型基础上,即可构建用于实船试验的数字孪生模型。通过与实船试验数据进行虚实融合交互,并对各阶段试验进行全流程推演,即可验证并优化蒸汽动力系统及设备的集成功能、性能及接口等方面的完整适配性。

      图  6  基于数字孪生的试验试航体系模型

      Figure 6.  Trial test system model based on digital twin

      实船试验可以划分为单机恢复试验、系统冷态系泊试验、系统热态系泊试验、系统联调系泊试验及海上航行试验等阶段。在单机恢复试验阶段,通过将单机设备的研制数据反馈至虚拟孪生体空间,即可生成单机恢复试验的虚拟数字孪生模型,可用于分析包括蒸汽动力装置单机恢复、主汽轮机组单机恢复、主减速齿轮装置单机恢复及汽轮电动辅机单机恢复等试验,并验证单机设备控制、安保、启停及裕度等能力。在系统冷、热态系泊试验阶段,通过利用蒸汽动力试验系统的数字孪生模型,即可在冷态和热态工况下开展蒸汽系统效用、凝给水系统效用、滑油、燃油、控制空气系统效用及桨轴系统效用试验的虚拟分析,从而检验蒸汽动力子系统的完整性及接口准确性。在系统联调试验阶段,通过采用试验调试阶段已完善的蒸汽动力系统虚拟数字孪生模型,即可开展岸基及实船蒸汽全系统的虚拟试验分析,从而验证蒸汽动力全系统的运行性能及接口参数。在海上试验阶段,通过与岸基的实船蒸汽动力系统试验数据进行交互迭代,即可驱动总体虚拟试验的数字孪生模型,从而开展正车稳定航行、倒车稳定航行、起停车机动航行以及正倒车转换航行等虚拟试验分析,最终验证舰船蒸汽动力系统与总体之间的适配能力。

    • 图7所示为基于数字孪生的运维保障体系模型。基于实船蒸汽动力系统在概念论证、系统设计、总装建造、试验试航期间所生成的虚拟数字孪生模型,即可在虚拟空间中构建在航运行保障的数字孪生模型,将实船蒸汽动力系统在航运行期间的实际数据与虚拟空间的数字孪生模型状态实时同步,从而实现健康管理、故障预测、趋势分析及寿命评估等应用功能。

      在航运行使用阶段,基于数字孪生模型可以提前对在航训练任务进行虚拟推演,预先发现运维问题并提高在航保障的任务成功率;同时,通过将实船在航运行数据实时反馈至虚拟空间的数字孪生模型,即可开展训练评估、健康管理及故障预测等工作。在退役保障阶段,利用蒸汽动力系统的在航实时数据、试验试航数据、陆上联调试验数据及历史母型退役管理数据,结合有效的算法和模型,即可在虚拟空间中生成蒸汽动力系统退役运维的数字孪生模型,从而开展退役决策、趋势分析及寿命评估等深度应用。

      图  7  基于数字孪生的运维保障体系模型

      Figure 7.  Operation and maintenance guarantee model based on digital twin

    • 图8所示为基于数字孪生的舰船蒸汽动力系统总体架构模型,本文根据“五阶体系模型”,提出了由物理层、接口层、数据层、模型层、调度层、功能层和应用层等7层构成的总体数字孪生模型架构(下文简称为“7层架构模型”)。针对每层系统架构模型的功能需求,基于大数据、物联网、云计算、人工智能等先进技术,采用功能分层和模块集成的方式,实现舰船蒸汽动力系统全生命周期、全过程、全业务、全要素的数字孪生。

      图  8  基于数字孪生的舰船蒸汽动力系统总体架构模型

      Figure 8.  Overall structure model of ship steam power system based on digital twin

      1)物理层。

      主要由舰船蒸汽动力总体、感知系统及控制系统等组成,该层采用物联网技术在实船空间中创建了蒸汽动力系统的智慧化架构。通过结合舰船蒸汽动力系统的论证、设计、总装、试验及保障等总体需求,按流程对实船单机设备、动力系统、总装、试验及运维保障系统等物理实体开展综合设计。通过配置传感器、检测设备等感知系统,用以实时感知实船单机设备、动力系统、总装、试验及运维保障系统的结构状态、工艺流程、运行性能等相关参数,并将获得的数据信息传递给控制系统,进而利用控制器及控制终端等获取感知数据和来自接口层的控制指令,然后将控制决策信息反馈给接口层,最终实现感知、控制及决策的指令和信息动态交互。

      2)接口层。

      主要由局域网、现场总线、平台网、服务器及客户端等组成。该层采取基于过程控制的对象连接和嵌入技术(object linking and embedding for process control,OPC),从而实现虚拟空间与实船系统的信息物理同步。通过利用局域网、现场总线及平台信息网等通讯系统,建立虚拟空间OPC客户端与实船系统OPC服务器之间的通讯接口网络,并在数据映射的功能定义下,最终实现虚拟空间与实船系统之间的接口信息传递。

      3)数据层。

      主要由实船数据和孪生数据组成。该层采用云计算和大数据技术实现舰船蒸汽动力系统数据的采集存储和处理分析。针对蒸汽动力系统论证、设计、总装、试验及运维等阶段的实船数据和孪生数据,通过数据仓储、时间戳、深度学习等技术途径,提炼纯净有效的转换数据,从而实现多源异构数据的关联和传递;同时,基于大规模分布式的云计算平台环境,开展舰船蒸汽动力系统大数据的储存和计算处理。

      4)模型层。

      主要由分析模型、设计模型、工艺模型、试验模型及运维模型等组成。该层采用基于模型的系统工程(model based systems engineering,MBSE)技术,针对全生命周期内舰船蒸汽动力系统的总体设计过程,将设计、分析、工艺、试验及运维等定义信息融合成虚拟数字模型,用以表达系统的静态架构和动态行为,并随着总体设计的不断深入,实现动力系统工程模型的逐步转换及同步。在已有母型数据和专用舰船动力模型库源的基础上,从需求、结构及状态等维度,利用系统建模语言构建性能分析模型、系统设计模型、工艺建造模型、系统试验模型及运维保障模型等超写实的虚拟数字化模型,即可开展概念论证、系统设计、总装建造、试验试航及运维保障等全生命周期的总体协同设计。

      5)调度层。

      主要由模型调度、算法定制及代码编译等组成。通过利用人工智能技术,即可创建并定制适用于舰船蒸汽动力系统生命特性的算法。在模型层的基础上,即可开展虚拟数字模型的代码自动编译,从而实现虚拟数字模型向计算机代码的转换;同时,根据功能层的需求信息,即可对模型层中的相应模型进行有效调度和快速选取,最终实现对蒸汽动力系统模型的综合调度和管控。

      6)功能层。

      主要由需求论证、架构设计、热力分析、结构分析、系统集成、工艺制定、健康管理、故障预测、寿命评估等组成。针对舰船蒸汽动力系统全生命周期内的业务流程,构建面向总体设计服务的功能构架,并将系统所需的应用需求分解为各项服务功能。根据总体设计的颗粒度大小,将模型、算法及数据封装组合为实现不同业务的子功能流程,从而实现舰船蒸汽动力系统设计、总装、运行及运维等总体设计功能。

      7)应用层。

      该层是向舰船蒸汽动力系统总体设计及运行相关人员提供各种业务的操作界面。基于面向全生命周期的业务需求,在概念论证及系统设计阶段,需采用虚拟现实技术(virtual reality,VR)为总体设计人员提供虚拟动力系统的设计环境。在总装建造、试验试航及运维保障等阶段,需采用增强现实技术(augmented reality,AR)和混合现实技术(mixed reality,MR),将机电船员与海洋环境下舰船蒸汽动力系统的总装建造、试验操作、运行维护等应用场景进行交互,从而实现总体设计全周期、全业务的应用支持。

    • 鉴于蒸汽动力系统的数字孪生模型横跨了整个生命周期的各个阶段,本文将以试验阶段的系统试验流程设计为案例,开展蒸汽动力系统总体数字孪生模型框架的“落地”应用分析。

      图9所示,本文基于数字孪生体系框架,自主研发了一套舰船蒸汽动力系统虚拟设计分析及试验平台(virtual-design analysis test structure,V-Dats)。V-Dats虚拟平台具备系统集成、性能分析及试验设计等功能,已在大型动力系统陆上试验工程中得以应用[12]。基于V-Dats虚拟平台的虚拟试验流程如图10所示:在系统试验准备阶段,根据蒸汽动力系统的试验设计方案,在平台的试验流程模块中生成试验脚本,由平台的运行管理模块进行试验规划和模型调度,并按照实际试验系统参数及操作流程开展系统虚拟试验,进而分析并验证试验操作数据、运行数据及试验指令之间的匹配性;在系统试验运行阶段,在V-Dats虚拟平台的集中调度和管理下,试验系统通过信息平台网和OPC接口接收V-Dats虚拟平台发出的试验指令,并将V-Dats虚拟平台所需的数据实时反馈至试验系统,通过持续的虚实交互数据,即可迭代优化V-Dats平台的虚拟数字孪生模型;在试验分析阶段,V-Dats虚拟平台可以调用试验数据进行数据显示、回放、分析及试验方案评估,最终将试验分析结果回传并储存至V-Dats虚拟平台运行管理系统。

      图  9  基于V-Dats平台的蒸汽动力试验系统构架

      Figure 9.  The structure of steam power test system based on V-Dats platform

      图  10  基于V-Dats平台的虚拟试验流程

      Figure 10.  Virtual test process based on V-Dats platform

      多年的大型蒸汽动力系统陆上试验结果表明,V-Dats虚拟平台可以有效支撑蒸汽动力系统的方案设计、操作运行分析及试验方案评估,同时也成功积累了一套舰船蒸汽动力系统的专用数字孪生模型库。

    • 根据国内外数字孪生技术的研究成果,提炼了数字孪生多尺度性、多维度性、多过程性及多学科性的技术内涵,从物理对象、过程要素、生命周期及虚拟空间这4个维度,挖掘了基于数字孪生的舰船蒸汽动力系统总体“四维思想模型”。采用数字孪生方法提出了舰船蒸汽动力系统总体全生命周期的“五阶体系模型”,涵盖了概念论证、系统设计、总装建造、试验试航及运维保障这5个典型阶段。在此基础上,构建了由物理层、接口层、数据层、模型层、调度层、功能层及应用层组成的总体数字孪生“7层架构模型”。同时,基于自主创建的V-Dats虚拟平台开展了虚拟试验的应用案例分析,探讨了舰船蒸汽动力系统总体数字孪生模型在实际工程中的实现途径。然而,目前数字孪生技术在舰船蒸汽动力领域仍存在诸多空白,该技术的“落地”还需进一步深入开展理论分析和方法研究。

参考文献 (12)

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