Chinese Journal of Ship Research
基于数字孪生的舰船蒸汽动力总体模型框架研究
引用格式：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, 2021, 16(2): 157–167. YANG Y L, SUN L, ZHANG X B, et al. Analysis on the overall model framework of ship steam power based on digital twin[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2021, 16(2): 157–167.
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，提出一种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这5个典型的阶段。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。关键词：蒸汽动力；总体设计；数字孪生；架构模型中图分类号: U664.11 文献标志码:A DOI：10.19693/j.issn.1673-3185.01884
0 引 言
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、机械及控制等多个学科领域。蒸汽动力总体设计是对蒸汽动力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]，但当以数字化、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到成功应用。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[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，并最终构建舰船蒸汽动力系统总体设计的数字孪生模型。
1 数字孪生技术的内涵
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，从而令实体对象通过感知、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。其不仅需要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，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阶段，通过与实体对象之间进行数据传递和信息交互，推动现实对象的不断完善。只有通过在各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，是这些学科的交叉和融合[3]。2 基于数字孪生的蒸汽动力总体设计思想
舰船蒸汽动力系统的总体设计流程主要具备以下4个方面的特征：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，从总体至设备进行指标的层层分解及传递，从设备至总体进行循序反馈及迭代；3）多学科高度交互融合，涉及流动、热工、振动、核物理、燃烧、结构、机械及控制等多个专业领域；4）在研制过程中，不仅需要进行理论计算和仿真分析，还需要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总体设计思想。通过引进人工智能、大数据、物联网等先进的数字化技术，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（以下简称“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，虚拟单机设备模型、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。3 基于数字孪生的蒸汽动力总体框架体系
3.1 顶层框架
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个阶段（以下简称“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。在概念论证阶段，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。在总装建造阶段，根据蒸汽动力系统的最终
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。
3.4 总体建造体系
基于数字孪生的总体建造体系模型如图5所示，将总体建造划分为了工艺可行性分析、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
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。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，从而实现实体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。基于虚拟系统模型，即可提取工艺参数、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。
3.5 试验试航体系
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