基于多領(lǐng)域建模與數(shù)字孿生的船舶熱力系統(tǒng)應(yīng)用研究現(xiàn)狀*

曾國(guó)慶 陳國(guó)兵 王學(xué)峰 謝旭陽(yáng)

（海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

船舶熱力系統(tǒng)是一個(gè)典型的多領(lǐng)域物理系統(tǒng)，涉及電氣、機(jī)械、控制、熱力等方面［1］。對(duì)于這樣一個(gè)復(fù)雜的多領(lǐng)域物理系統(tǒng)，要想精確地掌握其運(yùn)行的動(dòng)態(tài)特性是比較困難的。與陸地核電站所使用的熱力設(shè)備不同，船舶熱力設(shè)備在運(yùn)行時(shí)，受航行特殊情況的影響，需要時(shí)常改變航速；且船舶運(yùn)行環(huán)境也較為復(fù)雜，各地海況不太一樣等。所以船舶需要經(jīng)常在變工況下運(yùn)行，這也就增大了熱力設(shè)備的負(fù)荷，同時(shí)也提高了對(duì)船舶熱力設(shè)備的控制要求［2］。目前，有關(guān)于熱力設(shè)備的建模與仿真研究絕大多數(shù)是以陸地核電站以及火電廠所使用的熱力設(shè)備為對(duì)象［3］，對(duì)于船舶熱力設(shè)備的研究還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，所以無(wú)法很好地掌握船舶熱力設(shè)備運(yùn)行的動(dòng)態(tài)特性。而對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的船舶熱力設(shè)備來(lái)說(shuō)，掌握其運(yùn)行狀態(tài)特性是非常有必要的。但傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試存在一定的弊端［4］，受船舶運(yùn)行狀況的影響，無(wú)法對(duì)其在大幅度變工況以及故障工況運(yùn)行下分析狀態(tài)特性。且船舶熱力設(shè)備作為復(fù)雜的多領(lǐng)域物理系統(tǒng)，傳統(tǒng)的建模方法難以滿足熱力設(shè)備數(shù)字化智能化的發(fā)展需求，而在數(shù)字孿生技術(shù)框架下結(jié)合多領(lǐng)域建模方法可以克服傳統(tǒng)建模方法的弊端。

為進(jìn)一步推動(dòng)基于多領(lǐng)域建模的船舶熱力系統(tǒng)數(shù)字孿生模型構(gòu)建技術(shù)的應(yīng)用，本文針對(duì)該技術(shù)在船舶動(dòng)力系統(tǒng)的應(yīng)用研究現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，概述了數(shù)字孿生技術(shù)的研究進(jìn)展、船舶熱力系統(tǒng)建模仿真的研究進(jìn)展、基于多領(lǐng)域建模的仿真研究進(jìn)展以及基于多領(lǐng)域建模與數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用研究進(jìn)展，并提出了基于多領(lǐng)域建模與數(shù)字孿生技術(shù)的船舶熱力系統(tǒng)模型構(gòu)建的技術(shù)路線以及框架。通過(guò)對(duì)比常規(guī)分析方法以及建模思想，運(yùn)用模塊化建模方法以及多領(lǐng)域物理統(tǒng)一建模語(yǔ)言Modelica［5～7］與Mworks［8～11］系統(tǒng)建模仿真平臺(tái)構(gòu)建熱力系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型，提出融合在線∕離線數(shù)據(jù)、數(shù)值計(jì)算、仿真分析等虛實(shí)映射方法，以評(píng)估船舶熱力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)特性，解決其數(shù)字孿生構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)，為熱力設(shè)備健康管理奠定基礎(chǔ)。

2 數(shù)字孿生與多領(lǐng)域建模基本概念

2.1 數(shù)字孿生基本概念

數(shù)字孿生（Digital Twin，DT）是一種實(shí)現(xiàn)物理系統(tǒng)向信息空間數(shù)字化虛實(shí)映射的技術(shù)，被美國(guó)洛克希德·馬丁公司列為未來(lái)國(guó)防和航天工業(yè)6 大頂尖技術(shù)之一［12］，也被認(rèn)為將在船舶熱力系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)、智能維護(hù)等設(shè)備健康管理中發(fā)揮重要作用。實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)，其核心在于實(shí)現(xiàn)熱力設(shè)備物理模型和數(shù)字孿生模型的虛實(shí)映射［13］。數(shù)字孿生不是對(duì)物理對(duì)象詳盡細(xì)節(jié)的描述，只要滿足研究要求，便可將其視為研究對(duì)象的數(shù)字孿生體［14］。2011 年3 月，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室的Pamela A. Kobryn 和Eric J.Tuegel，做了有關(guān)于“Condition-based Maintenance Plus Structural Integrity（CBM+SI）& the Airframe Digital Twin”的演講，其主要內(nèi)容是基于“狀態(tài)維護(hù)+結(jié)構(gòu)完整性”的戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)體數(shù)字孿生，其中明確提到了數(shù)字孿生概念，并希望運(yùn)用數(shù)字孿生這一創(chuàng)新方法來(lái)實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)斗機(jī)維護(hù)工作的數(shù)字化、智能化。美國(guó)國(guó)家造船研究計(jì)劃（NSRP）運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)開展艦載三維環(huán)境技術(shù)項(xiàng)目，旨在通過(guò)虛擬模型測(cè)試物理實(shí)體的運(yùn)行狀態(tài)和評(píng)估解決方案，提高系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，降低人員風(fēng)險(xiǎn)，從而實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)維的目標(biāo)。圖1為NSRP提出的船舶運(yùn)維數(shù)字孿生框架。

圖1 船舶運(yùn)維數(shù)字孿生框架

數(shù)字孿生作為一種新興的技術(shù)，是一種實(shí)現(xiàn)物理系統(tǒng)向數(shù)字化模型映射的關(guān)鍵技術(shù)。數(shù)字孿生將各領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)集成為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，并將PLM（產(chǎn)品生命周期管理）、MOM（生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)）和TIA（全集成自動(dòng)化）集成在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)下，實(shí)現(xiàn)價(jià)值鏈數(shù)據(jù)的整合［13］，這對(duì)于解決復(fù)雜熱力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)分析等健康管理難點(diǎn)有著明顯的優(yōu)勢(shì)。它充分利用物理模型、設(shè)備狀態(tài)、運(yùn)行環(huán)境等數(shù)據(jù)，集多學(xué)科、多領(lǐng)域、多時(shí)間尺度的仿真過(guò)程，在信息空間中完成虛實(shí)映射，從而反映出對(duì)應(yīng)實(shí)體裝備的全壽命周期過(guò)程［12］。數(shù)字孿生概念自2003年被首次提出，到2016 年取得較大進(jìn)展。從早先的數(shù)字孿生三維框架到如今專家教授所提出的數(shù)字孿生五維框架［15］，涵蓋了虛擬模型、物理實(shí)體、交互連接、孿生數(shù)據(jù)、服務(wù)系統(tǒng)［16］。其中，虛擬模型是物理實(shí)體的虛實(shí)映射，包括：物理模型、幾何模型、行為模型、規(guī)則模型；物理實(shí)體包括：?jiǎn)卧?jí)、分系統(tǒng)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)物理實(shí)體；交互連接包括：物理實(shí)體與虛擬模型、虛擬模型與孿生數(shù)據(jù)、孿生數(shù)據(jù)與服務(wù)系統(tǒng)、物理實(shí)體與孿生數(shù)據(jù)之間的交互連接；孿生數(shù)據(jù)包括運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)、仿真數(shù)據(jù)等；服務(wù)系統(tǒng)包括：狀態(tài)監(jiān)測(cè)、運(yùn)行維護(hù)等功能性服務(wù)。

隨著美國(guó)“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”、德國(guó)“工業(yè)4.0”及“中國(guó)制造2025”等國(guó)家戰(zhàn)略的提出，智能制造已成為全球制造業(yè)發(fā)展的共同趨勢(shì)與目標(biāo)［12］。數(shù)字建模技術(shù)的進(jìn)步和計(jì)算能力的提高，為數(shù)字孿生模型逐漸取代復(fù)雜的物理模型奠定了基礎(chǔ)。這些數(shù)字孿生體以極高的精度反映了物理系統(tǒng)在每個(gè)關(guān)鍵方面的行為。它能夠模擬物理系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并使用從傳感器捕獲的數(shù)據(jù)來(lái)檢測(cè)異常情況并診斷出問(wèn)題的原因，從而廣泛于全行業(yè)的生產(chǎn)制造、運(yùn)行維護(hù)等方面。這對(duì)于實(shí)現(xiàn)船舶動(dòng)力及熱力設(shè)備的科學(xué)管理、智能運(yùn)維有著明顯的優(yōu)勢(shì)。

2.2 多領(lǐng)域建模基本概念

多領(lǐng)域統(tǒng)一建模就是將機(jī)械工程、電力電子、控制工程、能源動(dòng)力等不同學(xué)科領(lǐng)域的組件模型封裝成為可以支持跨領(lǐng)域聯(lián)合仿真的系統(tǒng)模型［17］。雖然不同領(lǐng)域的組件模型表現(xiàn)出不同的宏觀結(jié)構(gòu)、物理特性以及動(dòng)態(tài)行為等，但是它們都能夠使用相類似形式的數(shù)學(xué)方程、離散方程等進(jìn)行描述，這也就為多領(lǐng)域統(tǒng)一建模的可能創(chuàng)造了條件。目前，多領(lǐng)域統(tǒng)一建模主要分為三種建模方式：基于接口的多領(lǐng)域建模［18］，基于圖表示的多領(lǐng)域建模［19］和基于物理建模語(yǔ)言的多領(lǐng)域統(tǒng)一建模［17］。

基于接口的建模方法主要是發(fā)揮不同商業(yè)軟件的優(yōu)勢(shì)，可分為三種方式：

1）通過(guò)單領(lǐng)域建模仿真軟件提供接口連接的方式實(shí)現(xiàn)不同領(lǐng)域的協(xié)同仿真，如：利用Solidworks建立三維模型通過(guò)Matlab 的Simmechanics link 插件導(dǎo)入到Matlab 中進(jìn)行仿真分析。這種方式是需要兩種領(lǐng)域的建模軟件有相互支持的接口。

2）基于高層體系結(jié)構(gòu)［20］（High Level of Architecture，HLA）規(guī)范的聯(lián)合仿真，主要是針對(duì)計(jì)算機(jī)仿真的通用體系，為不同領(lǐng)域的仿真軟件之間的協(xié)同仿真設(shè)置了一個(gè)接口規(guī)范。高層體系結(jié)構(gòu)于2000年被電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）所認(rèn)可。

3）基于功能樣機(jī)接口（Functional Mock-up Interface，F(xiàn)MI）規(guī)范的聯(lián)合仿真方式［19］。FMI 接口是規(guī)范不同領(lǐng)域仿真軟件輸出C 代碼，使得其它建模仿真軟件能夠讀取模型C 代碼。且FMI 接口是支持離散方程、代數(shù)方程等數(shù)學(xué)方程描述的模型。

基于接口的建模方法雖然在一定程度上可以實(shí)現(xiàn)從單領(lǐng)域建模與仿真到多領(lǐng)域建模與仿真，但基于接口的方式也存在一定的缺陷，這就需要不同領(lǐng)域的建模仿真軟件有相互支持的接口以及通用規(guī)范，否則就實(shí)現(xiàn)不了協(xié)同仿真；對(duì)于一些比較復(fù)雜的系統(tǒng)模型，尤其是多領(lǐng)域的耦合系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真則存在一定的困難。

基于圖表示的多領(lǐng)域建模方法主要是通過(guò)以鍵合圖［21］、線性圖、框圖的方式來(lái)表示可視化建模。框圖的基礎(chǔ)是控制理論，具有代表性的軟件有美國(guó)集成公司開發(fā)的SystemBuild 以及美國(guó)Math-Works 公司開發(fā)的Simulink 等，通過(guò)基本的運(yùn)算環(huán)節(jié)，如：乘法環(huán)節(jié)、加法環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)等來(lái)定義模型的輸入以及輸出，可以認(rèn)為這是一種基于控制信號(hào)的系統(tǒng)建模方法，由于定義了模型每個(gè)環(huán)節(jié)的輸入以及輸出信號(hào)，所以框圖是因果建模方式的一種。基于圖表示的建模方法雖然在一定程度上可以實(shí)現(xiàn)從單領(lǐng)域建模與仿真到多領(lǐng)域建模與仿真，但基于圖表示的建模方法也存在一定的不足，如AMESim 主要為一維動(dòng)力學(xué)仿真，而Simulink 則廣泛用于控制和信號(hào)處理的仿真和設(shè)計(jì)。

基于物理建模語(yǔ)言［22］的多領(lǐng)域統(tǒng)一建模方法的主要是Simscape［23］以及Modelica。Simscape 是由MathWorks 公司于2007 年推出的支持多領(lǐng)域物理系統(tǒng)建模與仿真的工具，采用基于物理網(wǎng)格的方法支持多領(lǐng)域物理建模，其本質(zhì)與Modelica 相一致，模型由組件和接口構(gòu)成，且考慮了與Matlab的兼容性。歐洲仿真界綜合了先前多種建模語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)，并借鑒了Java部分語(yǔ)法要素于1997年提出的Modelica語(yǔ)言。其主要特點(diǎn)是面向?qū)ο蠼！⒍囝I(lǐng)域統(tǒng)一建模、基于非因果建模、連續(xù)離散建模。Modelica作為一種基于方程的多領(lǐng)域物理統(tǒng)一建模語(yǔ)言，由隆德大學(xué)的Elmqvist H。在其博士論文中首次提出，后經(jīng)歐洲仿真協(xié)會(huì)（EUROSIM）于1997 年被正式提出。2000 年成立了國(guó)際仿真組織——Modelica協(xié)會(huì)，定期召開相關(guān)的學(xué)術(shù)會(huì)議以及探討相關(guān)軟件研究進(jìn)展。經(jīng)過(guò)廣泛的國(guó)際合作，Modelica 語(yǔ)言從1997 年9 月的1.0 版本到如今的3.2.3 版本，取得了較大的進(jìn)展。目前，在國(guó)內(nèi)外已廣泛用于復(fù)雜的多領(lǐng)域系統(tǒng)的建模與仿真，如：航空航天、液壓控制、電力系統(tǒng)、船舶工業(yè)、汽車系統(tǒng)等。Modelica 語(yǔ)言3.2.3 版本標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)包括可直接使用的1360 個(gè)模型、模塊以及1280個(gè)功能。

目前國(guó)內(nèi)外基于Modelica 語(yǔ)言建模與仿真的平臺(tái)主要有：法國(guó)Dassault Systems 公司開發(fā)的Dymola、美國(guó)Wolfram 公司開發(fā)的Mathmodelica、德國(guó)ITI公司開發(fā)的SimulationX以及蘇州同元公司開發(fā)的Mworks等。Mworks仿真平臺(tái)是華中科技大學(xué)與蘇州同元軟控信息技術(shù)有限公司基于Modelica 語(yǔ)言開發(fā)出來(lái)的，在提供Modelica標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)所有組件的前提下，又自主研發(fā)了航天、航空、汽車、能源動(dòng)力等專業(yè)領(lǐng)域模型庫(kù)。航天模型庫(kù)包括控制與動(dòng)力學(xué)模型庫(kù)、航天器電源系統(tǒng)模型庫(kù)、液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)模型庫(kù)、環(huán)熱控模型，航空模型庫(kù)包括起落架系統(tǒng)模型庫(kù)、飛控系統(tǒng)模型庫(kù)、模擬飛行模型庫(kù)、飛機(jī)液壓能源系統(tǒng)模型庫(kù)。Mworks的主要功能與特征有：

1）多工程領(lǐng)域的系統(tǒng)建模，Mworks 具備機(jī)械、電氣、液壓、控制、熱力學(xué)等眾多工程學(xué)科領(lǐng)域的系統(tǒng)建模，能夠建立及求解復(fù)雜的耦合系統(tǒng)模型。

2）多文檔多視圖建模環(huán)境，Mworks 提供多文檔多視圖的建模環(huán)境，每個(gè)文件具有模型文本、模型圖標(biāo)、組件連接圖、信息說(shuō)明等多個(gè)視圖，支持同時(shí)編輯和瀏覽多個(gè)不同模型。

3）多種形式建模支持，Mworks 支持簡(jiǎn)單的拖拽式建模與文本編輯建模等方式，提供代碼檢查、代碼框架、編碼助手、代碼注釋等輔助建模功能。

4）豐富的模型庫(kù)，Mworks在提供Modelica標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的基礎(chǔ)上，還支持模型庫(kù)定制功能，以滿足不同專業(yè)學(xué)科領(lǐng)域的建模需求。

5）物理單位推導(dǎo)與檢查，Mworks 全面支持SI國(guó)際單位制，可根據(jù)所編寫的模型方程進(jìn)行單位推導(dǎo)，并自動(dòng)檢測(cè)單位不匹配的錯(cuò)誤，并支持計(jì)算單位與顯示單位的分離。

6）仿真代碼自動(dòng)生成，Mworks 通過(guò)模型編譯生成模型方程系統(tǒng)，通過(guò)模型推導(dǎo)與符號(hào)簡(jiǎn)化生成模型求解序列，基于標(biāo)準(zhǔn)C 語(yǔ)言，自動(dòng)生成模型仿真代碼，進(jìn)而生成可獨(dú)立運(yùn)行的參數(shù)化仿真分析程序，無(wú)需手動(dòng)求解。

7）良好的可擴(kuò)展性，Mworks 支持對(duì)外部C∕Fortran 函數(shù)和外部應(yīng)用的嵌入與調(diào)用，提供了與Matlab∕Simulink 的接口，可以將模型輸出為S-Function形式。同時(shí)，借助KineTrans 插件，可以實(shí)現(xiàn)Solidworks、UG、Pro∕E 中三維模型的多體導(dǎo)入。

基于Modelica 語(yǔ)言在多領(lǐng)域建模與仿真的優(yōu)勢(shì)，MWorks 平臺(tái)可廣泛應(yīng)用于航空航天、能源動(dòng)力、汽車系統(tǒng)、液壓控制、船舶工業(yè)等多領(lǐng)域系統(tǒng)工程領(lǐng)域，以解決復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的多領(lǐng)域耦合問(wèn)題。例如：在航空工業(yè)中對(duì)飛機(jī)起落架數(shù)字化綜合控制系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)及半物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、起落架機(jī)液耦合故障影響分析、飛機(jī)飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段的仿真試驗(yàn)、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油流量伺服控制系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證；在航天工業(yè)中對(duì)航天器控制軟件與動(dòng)力學(xué)環(huán)境集成驗(yàn)證、運(yùn)載火箭的飛行故障仿真分析、航天器能源系統(tǒng)架構(gòu)建模與仿真驗(yàn)證、空間站總體方案設(shè)計(jì)與多系統(tǒng)綜合仿真分析；在能源動(dòng)力行業(yè)中對(duì)核反應(yīng)堆熱工水力虛擬仿真分析、二回路系統(tǒng)的氣液兩相流耦合分析、汽-水循環(huán)動(dòng)力裝置在海洋條件下的虛擬試驗(yàn)；在汽車系統(tǒng)中對(duì)汽車動(dòng)力學(xué)和燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析、電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)特性分析；在船舶工業(yè)中分析液壓控制舵及其動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

3 數(shù)字孿生技術(shù)的研究進(jìn)展

數(shù)字孿生技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已取得較大的發(fā)展，近十年來(lái)，有關(guān)于數(shù)字孿生技術(shù)的文獻(xiàn)數(shù)量達(dá)2344篇（數(shù)據(jù)來(lái)源于Web of Science）。其在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面、加工制造方面、故障診斷與監(jiān)測(cè)方面以及智能運(yùn)行和維護(hù)方面都發(fā)揮了重要的作用。

Darya Botkinaa［24］等提出了作為切削刀具的數(shù)字孿生模型、數(shù)據(jù)格式和結(jié)構(gòu)、信息流和數(shù)據(jù)管理，以及進(jìn)一步應(yīng)用和生產(chǎn)率分析的可能性。基于開發(fā)的具有物聯(lián)網(wǎng)功能的驅(qū)動(dòng)線路信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)（LISA），在整個(gè)生產(chǎn)生命周期內(nèi)以準(zhǔn)確的方式收集數(shù)據(jù)。數(shù)字孿生體進(jìn)行存儲(chǔ)、細(xì)化并傳遞到工藝規(guī)劃中，以獲得優(yōu)化的加工解決方案。Robert Goraj［25］針對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行了基于一步載荷譜的疲勞壽命預(yù)測(cè)分析，使用西門子PLM Nx Nastran 中構(gòu)建的高保真數(shù)字孿生作為有限元模型（FEM）估計(jì)與時(shí)間相關(guān)的法向和剪切應(yīng)力分量，分析了線性和離心加速度以及陀螺力矩、電機(jī)扭矩、螺旋槳推力和熱負(fù)荷，得出了轉(zhuǎn)軸至轉(zhuǎn)子輪轂連接的循環(huán)利用度和抗滑動(dòng)安全裕度。Dr. Leonid Moroz［26］等將數(shù)字孿生的概念應(yīng)用于預(yù)測(cè)非設(shè)計(jì)工況下燃?xì)廨啓C(jī)的性能，為166MW 燃?xì)廨啓C(jī)創(chuàng)建了數(shù)字孿生模型，進(jìn)行了燃?xì)廨啓C(jī)變工況性能研究，并通過(guò)計(jì)算數(shù)據(jù)與測(cè)試數(shù)據(jù)相比較，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體與虛擬模型的數(shù)據(jù)映射。所建立的燃?xì)廨啓C(jī)數(shù)字孿生模型如圖2所示。

圖2 燃?xì)廨啓C(jī)數(shù)字孿生模型

Felix Gimbringer［27］建立了燃燒爐的數(shù)字孿生模型，并在兩種不同的設(shè)置中對(duì)其進(jìn)行了評(píng)估。第一個(gè)是OpenModelica 中由PID 控制器控制的非交互式設(shè)置；第二個(gè)是交互式實(shí)時(shí)模擬SIMIT 中的FMU，該FMU使用HMI進(jìn)行控制，HMI通過(guò)OPCUA服務(wù)器與PLC上的模型和控制邏輯進(jìn)行通信；用以評(píng)估與測(cè)試燃燒爐的耐火性，從而在產(chǎn)品制造與設(shè)計(jì)減少損耗。Yu Zheng［28］等從廣義和狹義兩方面解釋了Digital Twin 的概念和特點(diǎn)。并在此基礎(chǔ)上，提出了Digital Twin 在產(chǎn)品生命周期管理中的應(yīng)用框架。在物理空間中，詳細(xì)討論了生產(chǎn)的全要素信息感知技術(shù)。在信息處理層，構(gòu)建了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)映射三個(gè)主要功能模塊。在虛擬空間中，描述了全參數(shù)化虛擬建模的實(shí)現(xiàn)過(guò)程和Digital Twin應(yīng)用子系統(tǒng)的構(gòu)建思路。最后，對(duì)某焊接生產(chǎn)線的Digital Twin案例進(jìn)行了搭建和研究。

北京航空航天大學(xué)的陶飛教授等［29～32］基于數(shù)字孿生框架下提出了數(shù)字孿生的五維模型以及十大領(lǐng)域應(yīng)用，推動(dòng)了數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)提出了基于數(shù)字孿生的數(shù)字孿生車間（Digital Twin Shop-floor，DTS）新概念，分析了DTS的運(yùn)行原理和實(shí)施辦法、DTS 的核心支撐和目前存在的問(wèn)題等，為企業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生車間提供了參考。同時(shí)，為了提高預(yù)測(cè)和健康管理（PHM）的精度和效率，陶飛等針對(duì)復(fù)雜設(shè)備提出了一種實(shí)現(xiàn)物理-虛擬融合的新興技術(shù)—數(shù)字孿生（DT）。首先構(gòu)造了一種適用于復(fù)雜設(shè)備的通用數(shù)字孿生方法，然后提出了一種利用DT 驅(qū)動(dòng)的PHM 的新方法，有效地利用了DT 的交互機(jī)制和融合數(shù)據(jù)。并以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為例，說(shuō)明了該方法的有效性。葉倫寬［33］等提出了一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷的數(shù)字參考模型。討論了建立數(shù)字孿生模型的要求，提出了一種基于參數(shù)敏感性分析的模型修正方案，以提高模型的適應(yīng)性。從模擬不平衡故障及其發(fā)展的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。然后將數(shù)據(jù)輸入到轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的數(shù)字雙模型中，以研究其不平衡量化和故障診斷定位的能力。龐宇［34］針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的行星齒輪系統(tǒng)工作故障率高，壽命周期短等問(wèn)題，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，建立了風(fēng)電機(jī)組中行星齒輪系統(tǒng)的故障診斷數(shù)字孿生模型，該模型可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)行星齒輪系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，并確保對(duì)風(fēng)電齒輪機(jī)組進(jìn)行故障診斷及壽命預(yù)測(cè)，同時(shí)利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，驗(yàn)證了行星齒輪系統(tǒng)故障診斷數(shù)字孿生模型的準(zhǔn)確性。

4 船舶熱力系統(tǒng)建模仿真的研究進(jìn)展

對(duì)船舶熱力系統(tǒng)的仿真研究關(guān)系到工程熱力學(xué)，傳熱學(xué)，流體力學(xué)等相關(guān)專業(yè)范疇的知識(shí)，由于熱力設(shè)備組成復(fù)雜，工作機(jī)理解析困難，與之相關(guān)的熱力系統(tǒng)的建模與仿真研究一直以來(lái)都是研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)［35］。盡管熱力系統(tǒng)的仿真研究相對(duì)來(lái)說(shuō)比較困難，但還是有很多學(xué)者運(yùn)用Simu-Works、Matlab∕Simulink、Dymola 等軟件對(duì)熱力系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，也取得了一定的進(jìn)展［36］。

Mircea Dulau［37］等利用Matlab∕Simulink 對(duì)高、中、低壓汽輪機(jī)進(jìn)行仿真，分析了再熱器的影響、閥門開度變化以及位置高度的影響，提出了控制的關(guān)鍵是在汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)及其它控制器處于閉環(huán)連接時(shí)建立穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。Kulkowski K［38］等介紹了核電站汽輪機(jī)的動(dòng)態(tài)多變量模型，該模型以閥門開度和蒸汽特性（質(zhì)量流量和壓力）作為輸入，結(jié)合WWER-440 蒸汽輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，得出了該仿真模型在動(dòng)、靜態(tài)響應(yīng)符合實(shí)際。S.Dettori［39］等提出了兩種不同的汽輪機(jī)在線監(jiān)測(cè)的建模方法（混合熱力學(xué)方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法），兩種模型都可以預(yù)測(cè)功率和其它不易測(cè)量的量（出口蒸汽質(zhì)量、汽包出口壓力和溫度），并利用某高壓汽輪機(jī)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。Akpa J［40］等開發(fā)了除氧器模型來(lái)預(yù)測(cè)合適的機(jī)械除氧所需的實(shí)際蒸汽和排氣速率，并采用求解連續(xù)性方程來(lái)估算除氧器給水中的氧濃度，監(jiān)測(cè)除氧器的運(yùn)行趨勢(shì)。Vedran Medica-Viola［41］等采用穩(wěn)態(tài)質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律建立了凝汽器數(shù)值模型，該數(shù)值模型包括四個(gè)易于切換的傳熱系數(shù)（HTC）算法，并對(duì)算法進(jìn)行了描述和解釋，以某燃煤電廠冷凝器為例進(jìn)行了驗(yàn)證。

何靖蕓［42］等在建立“華龍一號(hào)”汽輪機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型后，利用RINSIN 仿真平臺(tái)，建立了整個(gè)汽輪機(jī)組的仿真模型，并對(duì)汽輪機(jī)控制系統(tǒng)模型進(jìn)行了邏輯驗(yàn)證。蔡鍇［43］建立了汽輪機(jī)主要設(shè)備模型，進(jìn)行了大量的動(dòng)、靜態(tài)仿真試驗(yàn)，并研究了運(yùn)行優(yōu)化控制算法，結(jié)合機(jī)組實(shí)際情況，提出了汽輪機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化的控制方法。田兆斐［44］針對(duì)核電站汽輪機(jī)組以及船舶核動(dòng)力二回路系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了二回路蒸汽系統(tǒng)從小擾動(dòng)到大擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)仿真以及故障工況的仿真，且達(dá)到了高精度的仿真計(jì)算。郭玉琪［35］采用集中參數(shù)法建立汽輪機(jī)主要系統(tǒng)模型，利用SimuWorks 仿真平臺(tái)搭建了汽輪機(jī)組整體模型，分析了汽輪機(jī)在全速工況、低工況、循環(huán)冷卻水流量擾動(dòng)以及除氧器閥門開度影響下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并監(jiān)測(cè)機(jī)組實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。史智俊［45］建立了主蒸汽鍋爐、渦輪增壓機(jī)組、主汽輪機(jī)、主齒輪箱、動(dòng)力輔助系統(tǒng)等模型，根據(jù)試航試驗(yàn)對(duì)仿真模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)校驗(yàn)，確保了仿真模型的精確性。并在SimuWorks 仿真平臺(tái)分析了蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)在逐級(jí)加速、正倒車轉(zhuǎn)換等動(dòng)態(tài)工況下的動(dòng)態(tài)變化。張思兵［46］通過(guò)Matlab∕Simulink 仿真平臺(tái)建立了核動(dòng)力二回路系統(tǒng)仿真模型，通過(guò)參考陸地核電站的運(yùn)行狀況對(duì)所建模型控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，并研究了升降負(fù)荷對(duì)核動(dòng)力二回路系統(tǒng)的影響。

5 多領(lǐng)域建模在復(fù)雜系統(tǒng)上的應(yīng)用研究

Modelica 是一種面向?qū)ο蟮摹⒁苑匠虨榛A(chǔ)的建模語(yǔ)言，適用于多領(lǐng)域物理統(tǒng)一建模，用于對(duì)大型、復(fù)雜和多樣化的物理系統(tǒng)進(jìn)行建模。S.Mortada［47］等在Dymola 仿真平臺(tái)開發(fā)了熱泵系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型，分析了熱泵系統(tǒng)在空氣溫度、空氣質(zhì)量流量等的擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。Francesco Casella［48］針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)-蒸汽輪機(jī)聯(lián)合電廠建立了Modelica仿真模型，論述了聯(lián)合發(fā)電廠快速啟動(dòng)的瞬態(tài)仿真分析，提出了一種電廠快速啟動(dòng)控制方法。Emil Larsson［49］等研究了基于模型的工業(yè)汽輪機(jī)故障診斷與監(jiān)測(cè)，開發(fā)了一個(gè)診斷與監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)化程序，提出了一種基于診斷模型的系統(tǒng)優(yōu)化方法，能對(duì)汽輪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。Tatsuro Ishibashi［50］等為了生成旋轉(zhuǎn)機(jī)械診斷數(shù)據(jù)，使用Modelica語(yǔ)言并基于轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)理論開發(fā)了旋轉(zhuǎn)機(jī)械模型庫(kù)。該模型庫(kù)包括轉(zhuǎn)子、軸、軸承、聯(lián)軸器、殼體和支架等基本部件，可以實(shí)時(shí)獲取轉(zhuǎn)子不平衡、軸彎曲和滾珠軸承故障等各種故障下的旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行數(shù)據(jù)。通過(guò)仿真生成轉(zhuǎn)子不平衡、軸彎曲、滾珠軸承故障和聯(lián)軸器未對(duì)準(zhǔn)等故障的旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的數(shù)據(jù)并運(yùn)行轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證。

國(guó)內(nèi)許多高校、企業(yè)以及科研院所包括華北電力大學(xué)、華中科技大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、上海交通大學(xué)等已經(jīng)基于Modelica 語(yǔ)言開發(fā)了相應(yīng)的仿真模型并取得了一定的成果。華中科技大學(xué)CAD 軟件技術(shù)研究中心在國(guó)家“863”計(jì)劃的支持下，與蘇州同元軟控信息技術(shù)有限公司致力于多領(lǐng)域物理系統(tǒng)建模與仿真的研究，結(jié)合多領(lǐng)域物理統(tǒng)一建模理論、Modelica 語(yǔ)言語(yǔ)法體系以及系統(tǒng)框架的基礎(chǔ)上，突破了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，最終完成了基于Modelica 語(yǔ)言的物理統(tǒng)一建模仿真平臺(tái)Mworks。結(jié)合所建立的Mworks 系統(tǒng)建模仿真平臺(tái)以及Modelica 語(yǔ)言，針對(duì)艦船操舵液壓系統(tǒng)［51］、ABS電磁閥［52］、飛機(jī)起落架系統(tǒng)［53］等方面進(jìn)行了研究，此外，還針對(duì)一些多領(lǐng)域模型優(yōu)化研究［54］以及多領(lǐng)域建模與聯(lián)合仿真方面［55］做了大量的工作。華北電力大學(xué)利用Dymola 多領(lǐng)域建模仿真平臺(tái)，在開放式“Thermo Power”模型庫(kù)的基礎(chǔ)下，針對(duì)火電廠汽輪機(jī)組動(dòng)態(tài)仿真［56］問(wèn)題，開發(fā)了相對(duì)應(yīng)的熱力系統(tǒng)模型庫(kù)。哈爾濱工程大學(xué)的李文輝教授基于所開發(fā)的柴油機(jī)仿真模型庫(kù)對(duì)多種典型的柴油機(jī)進(jìn)行仿真研究，證明了所建模型的可靠性［57］。上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室［58］對(duì)轉(zhuǎn)子模型進(jìn)行建模，并引入了裂紋、松動(dòng)等故障模型，分析了轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性。

6 基于多領(lǐng)域建模與數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用研究

Christian Vering［59］將產(chǎn)品生命周期管理和數(shù)字孿生設(shè)計(jì)應(yīng)用于暖通空調(diào)系統(tǒng)（HVAC）中的能量回收通風(fēng)（ERV）裝置，基于Modelica 語(yǔ)言開發(fā)了其數(shù)字孿生模型，用于預(yù)測(cè)物理系統(tǒng)的行為，并根據(jù)物理模型的測(cè)量數(shù)據(jù)校準(zhǔn)模型，建立了一個(gè)數(shù)字孿生實(shí)例（DTI），DTI和物理模型通過(guò)MQTT接口相互通信，實(shí)現(xiàn)物理模型和數(shù)字孿生模型的雙向映射，可以提高能源和總成本方面的生命周期效率。Nikolaos Fotias［60］等基于Modelica 開發(fā)了電氣化動(dòng)力總成部件的模型庫(kù)，該庫(kù)包括一個(gè)多保真度、多尺度電池和電力電子子庫(kù)、一個(gè)模擬不同類型電機(jī)的電驅(qū)動(dòng)裝置（EDU）子庫(kù)，以及一個(gè)利用電池的模板模型電氣化推進(jìn)系統(tǒng)子庫(kù)，并把該庫(kù)用于在產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中構(gòu)建電氣化動(dòng)力系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型，旨在減少開發(fā)時(shí)間和成本、狀態(tài)監(jiān)控等。A. A.Malozemov［61］等針對(duì)發(fā)電廠的往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)，利用Modelica 語(yǔ)言開發(fā)了模型庫(kù)，使用“拖放”方法從模型庫(kù)元素中創(chuàng)建各種結(jié)構(gòu)（數(shù)字孿生）和邊界條件的電廠（虛擬試驗(yàn)臺(tái)）仿真模型，采用熱電廠原型的實(shí)驗(yàn)研究方法和使用數(shù)值模型的仿真方法對(duì)所建立的數(shù)字孿生模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明所建立的模型的動(dòng)態(tài)過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)虛實(shí)映射。

王春曉［14］針對(duì)機(jī)床開發(fā)和使用過(guò)程中存在的設(shè)計(jì)調(diào)試、生產(chǎn)準(zhǔn)備周期長(zhǎng)的問(wèn)題，基于虛實(shí)映射的理念，在數(shù)字孿生框架下給出了一種基于機(jī)床多領(lǐng)域物理模型的虛擬調(diào)試解決方案。確定以多領(lǐng)域物理建模語(yǔ)言Modelica 作為數(shù)控機(jī)床多領(lǐng)域物理模型虛擬調(diào)試系統(tǒng)中機(jī)床模型的建立方法，并基于多領(lǐng)域建模平臺(tái)Mworks 建立機(jī)床多領(lǐng)域、多功能、參數(shù)化、對(duì)虛擬調(diào)試具有支持能力的模型。中國(guó)航天研究院為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空間站的運(yùn)行狀態(tài)，基于Modelica語(yǔ)言以及Mworks系統(tǒng)仿真平臺(tái)，建立了空間站核心艙、試驗(yàn)艙Ⅰ和試艙Ⅱ的動(dòng)力學(xué)與控制、能源、環(huán)熱控、推進(jìn)、信息、數(shù)管、測(cè)控七個(gè)分系統(tǒng)模型，涵蓋總體、分系統(tǒng)、關(guān)鍵單機(jī)設(shè)備，分別對(duì)分系統(tǒng)典型工況進(jìn)行仿真分析，并集成了空間站單艙、兩艙一字型、三艙T 字形全系統(tǒng)數(shù)字孿生模型，對(duì)交會(huì)對(duì)接、轉(zhuǎn)位等場(chǎng)景進(jìn)行分析驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了空間站系統(tǒng)級(jí)、全邊界、全工況的分析驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)實(shí)體與孿生模型的數(shù)據(jù)交互，虛實(shí)映射。所建立的空間站數(shù)字孿生模型如圖3所示。

圖3 空間站數(shù)字孿生模型（來(lái)源Mworks）

7 基于多領(lǐng)域建模與數(shù)字孿生的船舶熱力系統(tǒng)技術(shù)框架

船舶動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)本質(zhì)上是集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，反映對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備全壽期過(guò)程［62］。本文以船舶蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)為例，在基于多領(lǐng)域建模與數(shù)字孿生框架下，結(jié)合模塊化建模思想，將船舶蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)分為汽輪機(jī)本體、主蒸汽系統(tǒng)、凝給水系統(tǒng)、抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)等。充分分析各系統(tǒng)工作原理，在Mworks 系統(tǒng)仿真平臺(tái)上開發(fā)熱力系統(tǒng)模型庫(kù)，并搭建汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)、壓力，主蒸汽系統(tǒng)、凝給水系統(tǒng)，抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)等仿真模型，最終構(gòu)成了整個(gè)船舶蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)字孿生模型。數(shù)字孿生模型構(gòu)建路線圖如圖4所示。

圖4 模型構(gòu)建技術(shù)路線圖

根據(jù)所提出的模型構(gòu)建技術(shù)路線圖，在Mworks 仿真平臺(tái)上開發(fā)熱力系統(tǒng)模型庫(kù)。熱力系統(tǒng)模型庫(kù)主要包括汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)、壓力級(jí)，射流抽氣器，主凝汽器、輔凝汽器，除氧器，給水加熱器，閥門，管道，給水泵等，熱力系統(tǒng)模型庫(kù)組件如圖5所示。

圖5 模型庫(kù)組件圖

基于所開發(fā)的熱力系統(tǒng)模型庫(kù)的前提下，初步搭建了凝給水系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型，如圖6所示。

圖6 凝給水系統(tǒng)數(shù)字孿生模型圖

運(yùn)用所建立的凝給水?dāng)?shù)字孿生模型，分析了凝給水系統(tǒng)中凝汽器、除氧器的主要狀態(tài)參數(shù)變化情況，圖7 和圖8 反映的是除氧器在正常負(fù)荷工況運(yùn)行200s 后改變工況的情況下水箱水位以及內(nèi)部壓力的變化情況，通過(guò)與船舶實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了凝給水?dāng)?shù)字孿生模型的準(zhǔn)確性。

圖7 除氧器水位曲線

圖8 除氧器壓力曲線

在完成所有分系統(tǒng)數(shù)字孿生模型構(gòu)建后，搭建整個(gè)船舶蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)。并融合多源數(shù)據(jù)的虛實(shí)映射方法及算法，對(duì)數(shù)字孿生模型數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，建立熱力設(shè)備可調(diào)量與設(shè)備運(yùn)行性能之間的非線性動(dòng)態(tài)模型，實(shí)現(xiàn)模型與實(shí)體數(shù)據(jù)的虛實(shí)映射，從而實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)船舶運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)船舶動(dòng)力及熱力設(shè)備的科學(xué)管理、智能運(yùn)維。

8 結(jié)語(yǔ)

船舶熱力系統(tǒng)作為復(fù)雜的多領(lǐng)域物理系統(tǒng)，傳統(tǒng)的建模方法難以滿足熱力系統(tǒng)數(shù)字化智能化的發(fā)展需求。為解決這一現(xiàn)實(shí)需要，本文在充分總結(jié)基于多領(lǐng)域建模與數(shù)字孿生的船舶熱力系統(tǒng)應(yīng)用研究的前提下，提出了基于多領(lǐng)域建模與數(shù)字孿生技術(shù)的船舶熱力系統(tǒng)模型構(gòu)建的技術(shù)路線以及框架，并針對(duì)已經(jīng)建立的凝結(jié)水系統(tǒng)模型進(jìn)行了分析，所得的結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)一致，實(shí)現(xiàn)了物理模型對(duì)孿生模型的數(shù)據(jù)映射，可為船舶熱力系統(tǒng)數(shù)字化智能化發(fā)展提供參考。同時(shí)，本文所提出的基于多領(lǐng)域建模與數(shù)字孿生技術(shù)的模型構(gòu)建技術(shù)框架可適應(yīng)于其它熱力系統(tǒng)的仿真分析，可為相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者掌握熱力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性提供幫助。