基于數字孿生的艦船蒸汽動力總體模型框架研究

楊元龍，孫玲，張曉濱，吳金祥，程寧

中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064

0 引 言

艦船蒸汽動力系統作為復雜的系統工程，具有耦合性強、研制周期長、試驗難度高、協調流程長等特點，涉及流動、熱工、振動、核物理、燃燒、結構、機械及控制等多個學科領域。蒸汽動力總體設計是對蒸汽動力的分系統和設備進行優化配置的綜合設計技術，具有綜合性、反演性、極值性及復雜性等特點[1]，表現為全周期、全維度、全流程、全要素、全學科的綜合集成技術特征。在傳統的艦船蒸汽動力系統總體設計過程中，一般采用母型設計法、統計資料法、逐次近似法及規范設計法等系統集成方法[1]，但當以數字化、網絡化及智能化的艦船動力系統為靶向需求時，傳統方法在設計效率、驗證準確性及迭代高效性等方面尚存在諸多不足。

隨著大數據、物聯網、云計算、人工智能等新一代信息技術的廣泛應用，以及機器學習、深度學習等智能算法的快速涌現，以“德國工業4.0”、“美國工業互聯網”及“中國制造2025”為代表的發展戰略引領了數字化技術的高速發展[2]，其先后經歷了計算機輔助設計、計算機集成設計、網絡化設計及智能設計等4 代發展歷程[3-4]，其中數字孿生技術是實現智能設計的關鍵抓手，已在航天器系統工程領域得到成功應用。李凱等[4]分析了基于數字孿生的數字化艦船總體構架、關鍵技術及應用方向；王建軍等[5]提出了航天器系統的數字孿生技術內涵、體系結構和實現途徑；Tao[6]分析了任務規劃、概念設計、詳細設計及虛擬驗證等階段的數字孿生技術框架；Li 等[7]提出了廣義模塊化結構數據的建模方法；Singh 等[8]研究了基于數字工程總體設計決策的數字孿生定義；Johnston 等[9]評估了數字虛擬樣機的結構裝配流程；Rosen 等[10]分析了自動化和數字孿生技術在未來制造業的應用情況；Grieves[11]研究了產品生命周期管理的新范式。

目前，對于復雜的艦船蒸汽動力系統，鮮有數字孿生技術方面的研究成果。為此，本文擬提出基于數字孿生的艦船蒸汽動力系統總體設計思想模型和頂層框架，研究其在概念論證、系統設計、總體建造、試驗試航及運維保障等全生命周期階段的虛實驗證體系，并最終構建艦船蒸汽動力系統總體設計的數字孿生模型。

1 數字孿生技術的內涵

數字孿生技術是指在全生命周期內將現實空間對象的組成、功能、性能、過程及狀態等全要素在虛擬空間進行數字映射和孿生體模型重構的方法[3]。從數字孿生技術的內涵角度而言，數字孿生是實現過程和方法，是一種充分利用數據、模型并集成多學科的數字化技術，起著連接現實空間和虛擬空間的紐帶作用，可為現實空間實現對象擴展及功能新增。然而，數字孿生體是虛擬模型和數據，這是一種集成的多學科、多尺度、高效智能及超寫實的數字模型，不僅涵蓋現實空間對象的宏觀組成、微觀結構、功能特性等狀態方面的數字模型，還包括現實對象的加工制造、試驗測試及運行維護等過程行為的數字模型，因此，數字孿生體可以模擬、監控、診斷及預測現實空間對象在全生命周期內的形成狀態、過程和行為。

數字孿生可以依據實體對象信息和虛擬模型數據進行超寫實映射，并將孿生數據反饋傳遞給現實空間，從而為實體對象提供信息參考和決策支持，并及時準確地增強實體對象與數字孿生體的耦合時效[5]。數據孿生的承載體是軟件系統，基于軟件平臺融入大數據及人工智能等數字化技術，即可獲取超出現有認知的數據和信息，進而預判現實空間的未來發展趨勢。同時，通過虛實融合、以虛控實，從而令實體對象通過感知、控制及物聯系統即可實現對數字孿生體虛擬分析信息的傳遞接收，最終推動現實對象的優化和提升。

根據數字孿生的技術內涵及功能定義，其4 項基本特性具體如下：

1） 多尺度性。數字孿生將實體對象在虛擬空間內進行數字化模型構建，其孿生程度可以是宏觀幾何級，也可以是微觀原子級。其不僅需要表達現實空間實體對象的形狀、尺寸、公差等宏觀特性，還需描述實體對象的材料剛度、強度及硬度等微觀特性，故實際上是涵蓋了多種物理結構模型、材料模型的多尺度集成模型。

2） 多維度性。數字孿生需在廣度和深度上全面表達現實空間的對象全特性，即在廣度維度上應表述實體對象的不同組件、部件、零件及材料結構等物理信息，在深度維度上應表述全生命周期內實體對象的狀態、過程、行為等穩動態信息，從而實現數字孿生體與實體對象在組成功能、過程行為等多個維度上的基本相同，才能實時模擬和反映實體對象的狀態和行為。

3） 多過程性。在論證、設計、制造、測試、運維等全生命周期的各階段，通過與實體對象之間進行數據傳遞和信息交互，推動現實對象的不斷完善。只有通過在各階段中感知現實空間對象的數據，然后反饋至虛擬空間的數字孿生體，才能實現多源數據的集成管理與深度融合，并利用數字孿生體實現對實物對象狀態和行為的實時可視化監控，從而具備全生命周期內各過程數據的超寫實映射及信息交互能力。

4） 多學科性。數字孿生涉及計算科學、流體力學、熱力學、機械振動學、電子信息科學、材料力學等多個學科，是這些學科的交叉和融合[3]。

2 基于數字孿生的蒸汽動力總體設計思想

艦船蒸汽動力系統的總體設計流程主要具備以下4 個方面的特征：1）全系統應按照全生命周期進行總體設計，即以論證、設計、總裝、試驗及運維等過程進行迭代推演；2）按照單機設備、子系統、系統及總體的體系框架，從總體至設備進行指標的層層分解及傳遞，從設備至總體進行循序反饋及迭代；3）多學科高度交互融合，涉及流動、熱工、振動、核物理、燃燒、結構、機械及控制等多個專業領域；4）在研制過程中，不僅需要進行理論計算和仿真分析，還需要開展單機設備測試鑒定、陸上聯調試驗、系泊航行試驗等，用以驗證并明確動力系統的技術狀態，其間涵蓋了信息、流程、資源等過程要素，也跨越了實船空間和虛擬空間。

圖1 所示為基于數字孿生的艦船蒸汽動力系統總體設計思想。通過引進人工智能、大數據、物聯網等先進的數字化技術，建立了物理對象、過程要素、生命周期及虛擬空間這4 個維度的艦船蒸汽動力總體數字孿生的思想模型（以下簡稱“四維思想模型”）。通過在虛擬空間中重構實船蒸汽動力系統實體對象（例如，單機設備、熱力系統、控制系統、工藝系統等）的虛擬數字模型（例如，虛擬單機設備模型、虛擬熱力系統模型、虛擬控制系統模型、虛擬工藝系統模型等），即可實現實船空間和虛擬空間的實時雙向交互，以及信息、資源、流程、數據和系統物理對象之間的連接，從而形成全過程、全要素、全系統、全學科等多源數據的集中融合。通過逐步迭代優化艦船蒸汽動力系統的總體設計，即可完成需求論證、架構設計、性能分析、系統集成、工藝評估、運維評估及退役管控等各種任務功能。本文提出的“四維思想模型”覆蓋了艦船蒸汽動力系統總體設計的生命周期和物理對象層級，聚合了多學科和多要素數據，實現了概念論證、系統設計、總裝建造、試驗試航及運維保障等全生命周期中蒸汽動力系統總體設計數字孿生的使能技術。

圖1 基于數字孿生的艦船蒸汽動力系統總體設計思想Fig. 1 General design idea of ship steam power system based on digital twin

3 基于數字孿生的蒸汽動力總體框架體系

3.1 頂層框架

圖2 所示為基于數字孿生的總體設計頂層框架。根據艦船總體設計的“四維思想模型”，可以將艦船蒸汽動力系統的生命周期劃分為概念論證、系統設計、總裝建造、試驗試航及運維保障這5 個階段（以下簡稱“五階體系模型”），進而構建實船空間和虛擬空間，并涵蓋實船空間全生命周期數據、虛擬空間系統分析數據及虛擬融合數據。隨著論證、設計、總裝等階段中虛擬模型的持續更新，通過與實船空間的數據信息進行交互，即可為艦船蒸汽動力系統的總體設計及驗證提供數據支撐。

在概念論證階段，根據艦船的總體任務需求，通過充分利用母型艦船的設計準則、數據及知識經驗進行蒸汽動力系統的需求分析，即可初步設計面向任務需求的蒸汽動力系統架構方案，進而構建虛擬系統模型。在此基礎上，通過開展系統論證方案的迭代設計，即可篩選最優的系統方案并明確其技術可行性，最終完成概念論證階段的蒸汽動力系統總體方案閉環。

在系統設計階段，根據蒸汽動力系統的總體方案及分配指標，即可開展蒸汽動力單機設備、子系統及系統的深化方案設計、技術設計和施工設計，并將設備及系統的設計數據與虛擬空間進行交互融合，從而優化并生成各設計階段的虛擬系統模型，最終實現蒸汽動力系統總體集成方案的驗證和閉環。

在總裝建造階段，根據蒸汽動力系統的最終技術方案，即可開展設備及系統管路的工藝設計、建造及總船裝配，并基于建造數據來優化虛擬系統模型，進而檢驗蒸汽動力系統及設備的總裝建造工藝，最終完成實船總裝建造的閉環。

在試驗試航階段，通過開展蒸汽動力系統的船塢系泊試驗和海上航行試驗，可以將試驗數據與虛擬空間系統模型進行深入的反饋迭代及優化，最終完成實船蒸汽動力系統研制的總體閉環。

在運維保障階段，根據艦船的總體使用任務需求，即可對實船蒸汽動力系統進行在航運維和退役保障，通過采用經運維保障數據優化之后的虛擬系統模型，進而實現實船蒸汽動力系統的在航及退役保障管控。

3.2 概念論證體系

基于數字孿生的概念論證體系模型如圖3 所示，主要按照需求分析、架構設計、指標分解及虛擬驗證的流程體系開展概念論證工作。首先，從艦船的總體任務需求出發，細化蒸汽動力系統與艦船的總體接口需求，明確艦船總體對蒸汽動力系統的約束，進而從頂層層面規劃蒸汽動力系統的功能需求和性能需求；接著，根據蒸汽動力系統的總體設計需求進行架構設計，提出包括蒸汽動力裝置選型、功率傳遞系統設計、汽水循環方式設計等的總體配置方案；然后，結合艦船的總體任務功能需求，劃分蒸汽動力系統的操作指揮模式及使用運行工況，并對蒸汽動力系統方案進行初步總體布置，再根據蒸汽動力系統總體多方案配置架構，提出蒸汽動力各子系統及設備的內部接口及其與艦船其他系統之間的外部接口，從而配置蒸汽動力系統內/外部接口的保障資源；最后，開展熱力系統的熱平衡估算，量化蒸汽動力系統總體相關的熱力指標（例如，功率、溫度、壓力等）、結構指標（例如，尺寸、重量等）及六性指標（例如，可靠性、維修性、可用性、安全性、保障性及防護性等）。在此基礎上，借鑒母型艦船蒸汽動力系統總體設計的經驗模型，在虛擬空間中構建當前可參考的特定數字化模型，從而對實船各層級蒸汽動力系統的需求、架構及指標進行交互驗證。

圖3 基于數字孿生的概念論證體系模型Fig. 3 A model of conceptual argumentation system based on digital twin

針對多維度概念論證方案，虛擬模型與實船系統將在整個概念論證過程中不斷交互協同，逐漸辨析艦船需求、概念方案和海洋場景的可行性，并識別蒸汽動力系統內、外部的耦合關系，從而建立蒸汽動力單機設備、子系統、系統及總體之間需求、架構和指標的分配與集成關系?；谔摂M驗證的多方案經權衡迭代之后，即可獲取最優的蒸汽動力系統總體方案。

3.3 系統設計體系

基于數字孿生的系統設計體系模型如圖4 所示。蒸汽動力系統設計包含設備研制選型、系統集成設計、系統分析及系統驗證等過程，根據總體分配指標，即可對關鍵屬性的工藝設備（例如，蒸汽發生裝置、主汽輪機、主減速器、軸系、汽輪輔機等）和監控設備（例如，調節閥、傳感器、控制柜等）進行研制和選型，從而使單機設備的外特性參數滿足且匹配蒸汽動力系統的總體性能指標?；趩螜C設備的實際參數，即可在虛擬空間中同步開展工藝設備建模、監控設備建模及組態建模，從而實現單機設備虛擬模型與實船研制設備的交互驗證。在此基礎上，將各蒸汽動力單機設備相應構建成工藝子系統及監控子系統，即可實現單機設備及子系統跨向蒸汽動力全系統的集成設計。在每個階段內，基于虛擬空間的系統集成虛擬模型，即可同步對實船系統進行交互驗證，進而提出艦船蒸汽動力系統的總體技術方案。

完成單機設備選型和系統集成之后，即可利用蒸汽動力系統的虛擬模型開展系統性能分析和校核驗證。通過對系統方案進行虛擬交互和迭代優化，即可最終固化艦船蒸汽動力系統的總體技術方案。

3.4 總體建造體系

基于數字孿生的總體建造體系模型如圖5 所示，將總體建造劃分為了工藝可行性分析、工藝詳細設計、船塢建造、總段裝配及檢驗檢測這5 個階段。在工藝可行性分析階段，通過在虛擬空間中開展工藝建模集成、工藝特性分析及工藝參數分析，即可確定實船各層級蒸汽動力系統的工藝方案、可制造性及工藝參數。在工藝詳細設計階段，通過開展虛擬空間的工藝全流程虛擬設計分析，即可明確實船各層級蒸汽動力系統的物料清單、關鍵工序及工藝規程。在船塢建造和總段裝配階段，通過建立總體建造的數字孿生工藝模型，即可感知蒸汽動力系統總體建造的人、機、料、法、環等工藝信息，從而實現實體船塢與數字船塢的同步互聯和深度融合；通過分析虛擬工藝裝配的系統流程及約束條件，即可規劃實船裝配的系統流程及布局。在工藝設計及總段裝配的基礎上，即可在虛擬空間中完成實船系統加工精度、建造公差及生產效率的虛擬分析檢驗。

基于虛擬系統模型，即可提取工藝參數、物料清單、關鍵工序、系統布局等工藝信息，并針對工藝管道制造、艙段建造、蒸汽動力裝置總裝、大型輔機總裝及總段裝配等工藝過程，建立蒸汽動力系統數字孿生模型，從而驅動虛、實船塢之間數據信息的集成交互。通過對各階段的工藝過程信息及參數進行檢測，即可實現總體建造全過程中物質流、數據流、信息流和能量流等全要素的工藝設計及驗證。

圖5 基于數字孿生的總體建造體系模型Fig. 5 Overall construction system model based on digital twin

圖6 基于數字孿生的試驗試航體系模型Fig. 6 Trial test system model based on digital twin

3.5 試驗試航體系

圖6 所示為基于數字孿生的試驗試航體系模型。在艦船蒸汽動力設備研制、子系統設計、工藝及總裝過程中所建立的虛擬模型基礎上，即可構建用于實船試驗的數字孿生模型。通過與實船試驗數據進行虛實融合交互，并對各階段試驗進行全流程推演，即可驗證并優化蒸汽動力系統及設備的集成功能、性能及接口等方面的完整適配性。

實船試驗可以劃分為單機恢復系泊試驗、系統冷態系泊試驗、系統熱態系泊試驗、系統聯調系泊試驗及海上航行試驗等階段。在單機恢復試驗階段，通過將單機設備的研制數據反饋至虛擬孿生體空間，即可生成單機恢復試驗的虛擬數字孿生模型，可用于分析包括蒸汽動力裝置單機恢復、主汽輪機組單機恢復、主減速齒輪裝置單機恢復及汽輪電動輔機單機恢復等試驗，并驗證單機設備控制、安保、啟停及裕度等能力。在系統冷、熱態系泊試驗階段，通過利用蒸汽動力試驗系統的數字孿生模型，即可在冷態和熱態工況下開展蒸汽系統效用、凝給水系統效用，以及滑油、燃油、控制空氣系統效用和槳軸系統效用試驗的虛擬分析，從而檢驗蒸汽動力子系統的完整性及接口準確性。在系統聯調試驗階段，通過采用在試驗調試階段已完善的蒸汽動力系統虛擬數字孿生模型，即可開展岸基及實船蒸汽全系統的虛擬試驗分析，從而驗證蒸汽動力全系統的運行性能及接口參數。在海上試驗階段，通過與岸基的實船蒸汽動力系統試驗數據進行交互迭代，即可驅動總體虛擬試驗的數字孿生模型，從而開展正車穩定航行、倒車穩定航行、起停車機動航行以及正倒車轉換航行等虛擬試驗分析，最終驗證艦船蒸汽動力系統與總體之間的適配能力。

3.6 運維保障體系

圖7 所示為基于數字孿生的運維保障體系模型。基于實船蒸汽動力系統在概念論證、系統設計、總裝建造、試驗試航期間所生成的虛擬數字孿生模型，即可在虛擬空間中構建在航運行保障的數字孿生模型，將實船蒸汽動力系統在航行期間的實際數據與虛擬空間的數字孿生模型狀態實時同步，從而實現健康管理、故障預測、趨勢分析及壽命評估等應用功能。

在在航運行使用階段，基于數字孿生模型可以提前對在航訓練任務進行虛擬推演，預先發現運維問題并提高在航保障的任務成功率；同時，通過將實船的在航運行數據實時反饋至虛擬空間的數字孿生模型，即可開展訓練評估、健康管理及故障預測等工作。在退役保障階段，利用蒸汽動力系統的在航實時數據、試驗試航數據、陸上聯調試驗數據及歷史母型退役管理數據，結合有效的算法和模型，即可在虛擬空間中生成蒸汽動力系統退役運維的數字孿生模型，從而開展退役決策、趨勢分析及壽命評估等深度應用。

圖7 基于數字孿生的運維保障體系模型Fig. 7 Operation and maintenance support model based on digital twin

4 蒸汽動力總體數字孿生架構模型

圖8 所示為基于數字孿生的艦船蒸汽動力系統總體架構模型。本文根據“五階體系模型”，提出了由物理層、接口層、數據層、模型層、調度層、功能層和應用層這7 層構成的總體數字孿生模型架構（以下簡稱“7 層架構模型”）。針對每層系統架構模型的功能需求，基于大數據、物聯網、云計算、人工智能等先進技術，采用功能分層和模塊集成的方式，實現艦船蒸汽動力系統全生命周期、全過程、全業務、全要素的數字孿生。

1） 物理層。

主要由艦船蒸汽動力總體、感知系統及控制系統等組成。該層采用物聯網技術，在實船空間中創建了蒸汽動力系統的智慧化架構。通過結合艦船蒸汽動力系統的論證、設計、總裝、試驗及保障等總體需求，按流程對實船單機設備、動力系統、總裝、試驗及運維保障系統等物理實體開展了綜合設計。通過配置傳感器、檢測設備等感知系統，以實時感知實船單機設備、動力系統、總裝、試驗及運維保障系統的結構狀態、工藝流程、運行性能等相關參數，然后將獲得的數據信息傳遞給控制系統，進而利用控制器及控制終端等獲取感知數據和來自接口層的控制指令，最后將控制決策信息反饋給接口層，從而實現感知、控制及決策指令和信息動態的交互。

2） 接口層。

圖8 基于數字孿生的艦船蒸汽動力系統總體架構模型Fig. 8 Overall architecture model of ship steam power system based on digital twin

主要由局域網、現場總線、平臺網、服務器及客戶端等組成。該層采取基于過程控制的對象連接和嵌入技術（object linking and embedding for process control，OPC)來實現虛擬空間與實船系統的信息物理同步。通過利用局域網、現場總線及平臺信息網等通信系統，建立虛擬空間OPC 客戶端與實船系統OPC 服務器之間的通信接口網絡，并在數據映射的功能定義下，最終實現虛擬空間與實船系統之間的接口信息傳遞。

3） 數據層。

主要由實船數據和孿生數據組成。該層采用云計算和大數據技術來實現艦船蒸汽動力系統數據的采集存儲和處理分析。針對蒸汽動力系統論證、設計、總裝、試驗及運維等階段的實船數據和孿生數據，通過數據倉儲、時間戳、深度學習等技術途徑，提煉純凈有效的轉換數據，從而實現多源異構數據的關聯和傳遞；同時，基于大規模分布式的云計算平臺環境，開展艦船蒸汽動力系統大數據的儲存和計算處理。

4） 模型層。

主要由分析模型、設計模型、工藝模型、試驗模型及運維模型等組成。該層采用基于模型的系統工程（model based systems engineering，MBSE）技術，針對全生命周期內艦船蒸汽動力系統的總體設計過程，將設計、分析、工藝、試驗及運維等定義信息融合成虛擬數字模型，用以表達系統的靜態架構和動態行為，并隨著總體設計的不斷深入，實現動力系統工程模型的逐步轉換及同步。在已有母型數據和專用艦船動力模型庫源的基礎上，從需求、結構及狀態等維度，利用系統建模語言構建性能分析模型、系統設計模型、工藝建造模型、系統試驗模型及運維保障模型等超寫實的虛擬數字化模型，即可開展概念論證、系統設計、總裝建造、試驗試航及運維保障等全生命周期的總體協同設計。

5） 調度層。

主要由模型調度、算法定制及代碼編譯等組成。通過利用人工智能技術，即可創建并定制適用于艦船蒸汽動力系統生命特性的算法。在模型層的基礎上，即可開展虛擬數字模型的代碼自動編譯，從而實現虛擬數字模型向計算機代碼的轉換；同時，根據功能層的需求信息，即可對模型層中的相應模型進行有效的調度和快速選取，最終實現對蒸汽動力系統模型的綜合調度和管控。

6） 功能層。

主要由需求論證、架構設計、熱力分析、結構分析、系統集成、工藝制定、健康管理、故障預測、壽命評估等組成。針對艦船蒸汽動力系統全生命周期內的業務流程，構建面向總體設計服務的功能構架，并將系統所需的應用需求分解為各項服務功能。根據總體設計的顆粒度大小，將模型、算法及數據封裝組合為實現不同業務的子功能流程，從而實現艦船蒸汽動力系統設計、總裝、運行及運維等總體設計功能。

7） 應用層。

該層是向艦船蒸汽動力系統總體設計及運行相關人員提供各種業務的操作界面?；诿嫦蛉芷诘臉I務需求，在概念論證及系統設計階段，需采用虛擬現實技術（virtual reality，VR）為總體設計人員提供虛擬動力系統的設計環境。在總裝建造、試驗試航及運維保障等階段，需采用增強現實技術（augmented reality，AR）和混合現實技術（mixed reality，MR），將機電船員與海洋環境下艦船蒸汽動力系統的總裝建造、試驗操作、運行維護等應用場景進行交互，從而實現總體設計全周期、全業務的應用支持。

5 應用案例分析

鑒于蒸汽動力系統的數字孿生模型橫跨了整個生命周期的各個階段，本文將以試驗階段的系統試驗流程設計為案例，開展蒸汽動力系統總體數字孿生模型框架的“落地”應用分析。

圖9 基于V-Dats 平臺的蒸汽動力試驗系統構架Fig. 9 The structure of steam power test system based on V-Dats platform

圖10 基于V-Dats 平臺的虛擬試驗流程Fig. 10 Virtual test process based on V-Dats platform

如圖9 所示，本文基于數字孿生體系框架，自主研發了一套艦船蒸汽動力系統虛擬設計分析及試驗平臺（virtual-design analysis test structure，VDats）。V-Dats 虛擬平臺具備系統集成、性能分析及試驗設計等功能，已在大型動力系統陸上試驗工程中得到應用[12]。基于V-Dats 虛擬平臺的虛擬試驗流程如圖10 所示：在系統試驗準備階段，根據蒸汽動力系統的試驗設計方案，在平臺的試驗流程模塊中生成試驗腳本，由平臺的運行管理模塊進行試驗規劃和模型調度，并按照實際試驗系統參數及操作流程開展系統虛擬試驗，進而分析并驗證試驗操作數據、運行數據及試驗指令之間的匹配性；在系統試驗運行階段，在V-Dats 虛擬平臺的集中調度和管理下，試驗系統通過信息平臺網和OPC 接口接收V-Dats 虛擬平臺發出的試驗指令，并將V-Dats 虛擬平臺所需的數據實時反饋至試驗系統，通過持續的虛、實交互數據，即可迭代優化V-Dats 平臺的虛擬數字孿生模型；在試驗分析階段，V-Dats 虛擬平臺可以調用試驗數據進行數據顯示、回放、分析及試驗方案評估，最終將試驗分析結果回傳并儲存至V-Dats 虛擬平臺運行管理系統。

多年的大型蒸汽動力系統陸上試驗結果表明，V-Dats 虛擬平臺可以有效支撐蒸汽動力系統的方案設計、操作運行分析及試驗方案評估，同時也成功積累了一套艦船蒸汽動力系統的專用數字孿生模型庫。

6 結 語

本文根據國內外數字孿生技術的研究成果，提煉了數字孿生多尺度性、多維度性、多過程性及多學科性的技術內涵，從物理對象、過程要素、生命周期及虛擬空間這4 個維度挖掘了基于數字孿生的艦船蒸汽動力系統總體“四維思想模型”。采用數字孿生方法，提出了艦船蒸汽動力系統總體全生命周期的“五階體系模型”，涵蓋概念論證、系統設計、總裝建造、試驗試航及運維保障這5 個典型階段。在此基礎上，構建了由物理層、接口層、數據層、模型層、調度層、功能層及應用層組成的總體數字孿生“7 層架構模型”。同時，基于自主創建的V-Dats 虛擬平臺開展了虛擬試驗的應用案例分析，探討了艦船蒸汽動力系統總體數字孿生模型在實際工程中的實現途徑。然而，目前數字孿生技術在艦船蒸汽動力領域仍存在諸多空白，該技術的“落地”還需進一步深入開展理論分析和方法研究。