數字孿生技術在船舶海工領域的應用前景

中國船舶工業經濟與市場研究中心 白雪梅

近日，國家發改委、中央網信辦印發《關于推進“上云用數賦智”行動 培育新經濟發展實施方案》。《方案》指出，加快數字化轉型共性技術、關鍵技術研發應用。支持在具備條件的行業領域和企業范圍探索大數據、人工智能、云計算、數字孿生、5G、物聯網和區塊鏈等新一代數字技術應用和集成創新。《方案》提出，鼓勵研究機構、產業聯盟舉辦形式多樣的創新活動，圍繞解決企業數字化轉型所面臨數字基礎設施、通用軟件和應用場景等難題，聚焦數字孿生體專業化分工中的難點和痛點，引導各方參與提出數字孿生的解決方案。

數字孿生的背景

盡管Gartner曾在2018年將數字孿生列為當年的十大戰略技術趨勢之一，但數字孿生并不是一項全新的技術。

早在美國國家航空航天局（NASA）的阿波羅項目中，NASA就制造了兩個完全相同的空間飛行器，可謂物理孿生，留在地球上的飛行器稱為孿生體(twin)。這個孿生體，在飛行準備期間被應用于訓練，在任務執行期間進行仿真實驗，該孿生體盡可能精確地反映和預測正在執行任務的空間飛行器的狀態，從而輔助航天員在緊急情況下做出最正確的決策。

而數字孿生，則是通過實體和虛體之間的映射，及時、準確、深入地在虛體世界反映實體的狀態和行為。

2012年，NASA發布的“建模、仿真、信息技術和處理”路線圖中，數字孿生被正式帶入公眾視野。之后，數字孿生從概念模型階段步入初步的規劃與實施階段。2015年，美國通用電氣（GE）公司計劃基于數字孿生，并通過Predix平臺，采用大數據、物聯網等先進技術，實現對發動機的實時監控、及時檢查和預測性維護。

數字孿生的應用發展現狀

1、技術處于創新觸發階段

最近幾年來，數字孿生在理論層面和應用層面均取得了快速發展，應用范圍也逐漸從產品設計階段向產品制造和運維服務等階段轉移。模型輕量化、MBD、基于物理的建模等模型數字化表達技術逐漸成熟并得到廣泛應用，大數據、物聯網、移動互聯網、云計算等新一代信息與通信技術的快速普及與應用，大規模計算、高性能計算、分布式計算等計算機科學技術的快速發展，以及機器學習、深度學習等智能優化算法的不斷涌現，使得產品動態數據的實時采集、可靠與快速傳輸、存儲、分析、決策、預測等成為可能，為虛擬空間和物理空間的實時關聯與互動提供了重要的技術支撐，數字孿生的形態和概念不斷豐富。

不過在應用方面，數字孿生還有很長的路要走。數字孿生技術目前處于創新觸發階段，這本身就意味著低使用率，目前主要局限于研究機構和公司的研發部門。從技術周期的規律來看，新興技術可能要在未來的5～10年才能達到被廣泛應用的程度。數字孿生技術有著諸多的技術難點，從落地的角度來看，發展還處于起步階段。但可以肯定的是：數字孿生將會在未來幾年里以不同的解決方案來應對不同的挑戰。盡管數字孿生尚處于發展初期，也必然面對一些階段性的問題，但前途無疑是光明的。

2、大型制造公司主導對數字孿生技術的大規模應用

數字孿生技術在工業領域有著非常廣闊的應用場景。不過，從目前的發展情況來看，對數字孿生技術的大規模采用由大型制造公司主導。幾乎所有的行業都可采用某種形式的數字孿生技術，但興趣最大的可能是工業設備(如加熱和冷卻系統、泵送液壓系統等)和能源行業(如風力渦輪機、石油和天然氣等)。

從國外一些研究數字孿生技術的先驅來看，現階段走在前列的多是像GE、西門子、美國參數技術公司（PTC）、美國安世公司（ANSYS）這樣的大企業。目前國內外數字孿生技術應用得比較好的企業主要是數字化水平高、有一定網絡化基礎、存在智能化轉型升級的大企業，這與企業自身的基礎有一定關系。

美國工業互聯網聯盟有關數字孿生的解讀

2020年2月18日，美國工業互聯網聯盟（IIC）正式發布《工業應用中的數字孿生》白皮書。白皮書從工業互聯網的視角闡述了數字孿生的定義、商業價值、體系架構以及實現數字孿生的必要基礎，隨著該技術快速發展及創新應用研究，未來IIC還將考慮在其工業互聯網參考架構中融入數字孿生要素。

表 數字孿生的定義、數據解讀及趨勢細分

圖1 全球造船業競爭格局變化趨勢（以造船完工量計）

圖2 數字孿生體之間的三種關系

1、工業互聯網視角的數字孿生關系

根據業務需求不同，可構建復雜程度不同的數字孿生。如圖1所示，針對關鍵零部件，構建零部件孿生體；針對設備，構建包含多個關鍵零部件孿生體的設備孿生體；針對復雜系統，構建包含多個設備孿生體的系統孿生體。

數字孿生之間的關系主要有三種：層次型、關聯型和點對點型。為了實現虛擬信息空間與實際物理世界的深度融合，孿生體在信息空間的關系與其對應物理實體在物理世界的關系相同，如圖2所示。層次型，如單個零部件孿生體與多個零部件孿生體組建的復合孿生體之間的關系。關聯型，如天然氣管道數字孿生體與天然氣生產使用設備孿生體之間的關系。點對點型，如電網中多個風力發電機孿生體之間的關系。

2、全生命周期中數字孿生帶來巨大商業價值

（1）數字孿生解決信息孤島問題，為全局優化決策提供重要支撐。現階段工業生產中包含大量信息，由于多源異構、異地分散的特征易形成信息孤島，影響信息自動流通沒有發揮應有價值。例如生產制造中，各設備運行狀態信息保存在各自固件里，導致生產線或車間無法基于各設備實際運行狀態優化決策。數字孿生技術利用每個孿生體為代理，收集對應實體數據、利用不同模型進行計算分析決策、通過集成接口提供給不同業務目的應用，保障生命周期信息流通實現全局優化決策。例如通過建立關鍵設備孿生體構建車間孿生體，利用感知設備收集對應實體數據進行分析，通過集成接口將決策信息下達各設備控制系統優化全車間范圍的生產運行活動。

（2）數字孿生提供單一接口，為實體全生命周期信息流暢提供重要保障。實體的孿生體是訪問其生命周期信息單一接口。如圖3所示，產品制造商在數字空間構建產品類型的孿生體，包含市場分析、計算機輔助設計圖紙、設計文檔；構建產品的孿生體，在其中包含產品生產信息、從客戶方收集的維保信息等；產品類型孿生體和產品孿生體構成復合產品孿生體，為產品制造商提供所有信息單一接口。

（3）數字孿生能為工業應用帶來巨大商業價值。一是數字孿生與人工智能、機器學習互為基礎協同發展。二是數字孿生促進高精度虛擬傳感器研發，解決關鍵物理量無法測量問題。三是數字孿生助力傳感器失靈漂移矯正，提高感知質量避免誤報警誤停機等事故。四是數字孿生減少信息查詢、格式轉換、信息導入時間，助力協同工程。五是數字孿生助力運維問題，減少宕機時間經濟成本。六是數字孿生使用實時更新，助力提質增效。七是數字孿生不受時間地點限制快速準確響應，最大化利用專家知識。

（4）數字孿生技術激發無限的產業潛力與市場動能。當前，全球工業互聯網發展如火如荼，為數字孿生提供良好孵化床，各種應用場景加速落地，應用領域范圍不斷拓寬。IIC發布的白皮書為進一步數字孿生技術研究及工業中的應用推廣奠定了重要基礎。隨著我國“新基建”的快速推進，將會推動數字孿生技術在各個行業的深入應用與蓬勃發展，從而激發出無限的產業潛力與市場動能。

圖3 數字孿生為實體全生命周期信息流暢提供重要保障

數字孿生在船舶海工行業的應用場景

1、海工裝備結構裝配。在數字孿生應用平臺中，對裝備模型進行仿真裝配和建造。提升裝配建造效率，確保裝配的準確無誤。傳統上，船舶從設計到生產制造通常基于CAD/CAE等工業設計軟件，且多局限于設計分析階段，在生產制造階段三維模型仿真技術的應用偏少。船舶建造方面信息流對生產設備僅僅是離散型驅動，并且僅局限于船體部件加工階段，船體建造過程中的集成度、自動化程度和數字化程度還相當低。

2、對工程作業等進行遠程實時監控與維護。數字孿生還有望改變企業在對產品和機器進行預測性維護的方式。機器內嵌入的傳感器將性能數據實時傳輸到數字孿生體，這不僅可以預先識別和解決故障，還可以定制服務和維護計劃，更好地滿足客戶的個性化需求。如中船重工數字孿生遠程監控系統，該項目投入應用以后，實現了對船舶工程現場的遠程實時監控，通過該系統完成了專家遠程在線對船舶工程的建設成果驗收。項目背景就是利用了數字孿生技術，利用現場圖像采集和設備數據采集等手段，遠程實時監控設備現場的工作情況和運行狀態，從而實現對現場的遠程管理（圖4）。此外，荷蘭皇家殼牌公司近期啟動了一項為期兩年的數字孿生計劃，以幫助石油及天然氣運營商更加高效地管理海上資產，加強工人安全保障，及探索可預見的維護時機。

3、船舶功能仿真測試。在數字孿生應用平臺中，對海洋環境、船舶結構進行仿真模擬，進行功能及性能仿真試驗測試，為船體的設計優化提供可靠依據，大幅提高試驗效率，節約成本。

4、船舶操控VR培訓。利用VR技術，培訓船員的駕駛技能。為船員提供沉浸式的培訓體驗，增強培訓效果。

圖4 中船重工數字孿生系統設計

相關建議

1、加強數字化轉型的頂層設計，實現以科技賦能產業可持續發展。數字化轉型要形成行業軟硬件的全面協同，真正做到數字化、信息化、智能化，打通企業內部的全數據鏈，以高效、敏捷的速度在數字化浪潮中成長壯大，更能有條不紊地應對諸如新冠肺炎疫情等突發事件。建議統籌謀劃，從全局戰略性高度出發，加強數字化轉型的頂層設計，未雨綢繆占領科技前沿制高點，形成先發優勢，實現以科技賦能產業發展，進一步以數據為資產，以技術為手段，構建能夠支持業務可持續發展的創新技術平臺體系。

2、發展數字孿生技術是推動企業數字化轉型的有力抓手。從5G、數據中心、人工智能到工業互聯網，這些概念不是割裂的，而是環環相扣的，他們構成了數據采集、傳輸、計算、分析、應用的數據閉環，對于目前數字孿生技術而言，其應用水平也與工業互聯網平臺息息相關。工業互聯網平臺建設的關鍵是要實現這些技術的群體性突破和協同性創新。建議以推進數字孿生技術為抓手，明晰制造企業數字化轉型的路徑，讓數字孿生技術，引領海工裝備發展，提升船舶制造效率，重塑船舶設計形式，助力產業轉型升級。

3、多方協同，構建智慧型的現代化企業模式。對未來的理解可以有助于制定早期的計劃及建立合作關系，從而使未來獲得回報成為可能。建議參考先進制造模式，以造船過程的知識融合為基礎，以數字化建模仿真與優化為特征，將信息技術全面應用于船舶的產品開發、設計、制造、管理、經營和決策的全過程。最終達到快速設計、快速建造、快速檢測、快速響應和快速重組的目的，盡早實現海工裝備和船舶建造的數字化與智能化。