數字孿生技術在大型海工裝備上的遠程應用與實踐1

譚桂花，孟 旭，張 葉，胡聞嘉，沈柳鋒

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

海上風電安裝平臺、鉆井平臺、全回轉起重打樁船、鋪管船等大型海工裝備具有作業環境惡劣、運行工況復雜、作業區域分散等特點。一旦設備發生故障，則需要立即進行故障排除和維護。隨著船舶裝備的技術含量不斷提升，船員技能有時候很難覆蓋新的維護需求，此時需要工程師上船解決問題。若工程師無法立即到達現場，則會導致工程中斷，對施工進度產生影響，甚至會威脅船舶設備和人員的安全。

工業動畫仿真已廣泛應用于工業的各個環節，在提高企業開發效率，加強數據采集、分析、處理能力，減少決策失誤，降低企業風險等方面起到了重要作用。數字孿生技術通過實船和海工裝備仿真模型之間的映射，及時、準確、深入地在海工裝備仿真模型上反映實體的狀態和行為。近年來，計算機網絡技術和數據庫技術快速發展，遠程監控技術日趨成熟，均為海洋工程裝備的遠程監控和診斷奠定了基礎。

本文提出一種基于數字孿生的海工裝備遠程監控系統，該系統首先創建海工裝備數字孿生體和海上場景，再通過衛星通信向陸地傳輸船上各系統的狀態數據，最后利用狀態數據驅動信息空間中各設備和子系統的狀態演變，進而實現遠程可視化監控。該系統能幫助工程師進行遠程故障診斷。

1 國內外研究現狀

近年來，我國在數字孿生技術在船舶與海洋工程中的應用方面取得了豐碩的成果。朱軍[1]開發了一種數字孿生遠程監控系統，該系統完成了專家遠程在線對船舶工程的建設成果驗收。蔣愛國等[2]開發了一種數字孿生驅動的半潛式鉆井平臺智能監測系統，該系統通過數字孿生技術將平臺實體映射到數字孿生模型中，實現了鉆井平臺關鍵設備狀態監測和智能預測預警。蔡笑馳等[3]分別針對船舶研制階段和營運階段提出了適用的數字孿生應用框架。白雪梅[4]為船舶智能化、數字化發展以及數字孿生技術在船舶行業的應用提供了思路和建議。滕宇[5]提出了數字孿生技術在海上采油平臺開發應用所需的基礎、實施方法和發展前景，并闡明了此項技術的重要意義。

國外在船舶數字化建設方面取得了突破性進展。NIKOLOPOULOS 等[6]提出了基于全船數字孿生的船舶設計方法。PERABO 等[7]利用功能模型接口（Functional Mock-up Interface，FMI）進行聯合仿真，設計并構建了一艘船舶及其推進系統的可測試虛擬原型。CHU 等[8]對一種使用FMI 的虛擬原型起重機的設計方法進行了介紹。

對于數字孿生技術在操作階段的應用，ELLEFSEN 等[9]提出了一種應用于自主渡輪的在線故障檢測系統，該系統可在船/岸上進行故障預測和剩余有效壽命評估。GREEN[10]提出了一種新型船上故障預測維護系統。LI 等[11]提出了一種基于Agx的海上作業虛擬原型架構，能通過衛星通信對作業時間進行實時監測，可通過海上系統或陸地上遠程操作中心對水下遠程操作設備（Remotely Operated Vehicle，ROV）進行控制。

在利用數字孿生測量船舶周圍狀態的方面，HALSTENSEN 等[12]對基于雷達的短期波預測在機載決策支持系統中的使用情況進行了演示，該系統使用了起重機和船舶數字孿生體，但缺少陸上控制中心和場景分析。

綜上所述，數字孿生技術在船舶與海洋工程中的應用蓬勃發展，已廣泛應用于預測性維護、海上操作、船檢等領域，但在各子系統和機構狀態以及模型開發方面仍處于起步階段。本文提出的基于數字孿生的遠程監控系統可在通信良好的狀態下實現實船聯動作業。當船舶發生故障時，專家可通過該系統遠程指導船上工程師排查故障。

2 系統設計

2.1 系統架構

針對海工裝備結構復雜、工作環境惡劣、工況復雜等特點，構建海工裝備數字孿生系統。該系統由顯示層、數據層和設備層組成，見圖1。設備層通過可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）和傳感器對浮吊系統、升降系統等子系統的數據進行采集，通過profinet 接口、交換機和人機界面（Human Machine Interface，HMI）將數據傳輸至數據層，并保存至實船數據庫。數據庫對數據進行處理和過濾，提取出驅動三維動畫的孿生數據，再通過遠程傳輸技術將實船上的孿生數據傳輸至陸上數據庫和虛擬海工裝備。

圖1 海工裝備數字孿生系統架構

此外，在獲得船東的許可下，三維虛擬海工裝備可以與實船進行交互反饋。在信號良好的情況下，可對實船進行操控。

2.2 關鍵技術

數字孿生技術針對現實世界中的物理實體對象，在數字化世界中構建完全一致的虛擬模型，通過數字化手段對實體對象進行動態仿真、監測、分析和控制。

物理實體對象是分析對象在當前空間和時間下的客觀存在，虛擬模型是物理實體在信息空間的1 1∶ 映射。通過虛擬現實技術，可形象逼真地展示海工裝備的各項功能特性，既能展示裝備造型，也能表現環境質感，從而提升海上各裝備狀態監測的可閱讀性。

海工裝備數字孿生系統通過PLC 采集起重機、升降系統等子系統的參數，通過數據采集與監視控制系統（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）采集主發電機、壓載等子系統的參數，進而實現對物理實體運行狀態的實時監測。在此基礎之上，將物理實體的運行狀態在虛擬模型上進行表達，進而實現遠程監控，為遠程故障診斷帶來便利。

3 應用實踐

下面以某海上風電安裝船為例，對海工裝備數字孿生系統的應用情況進行介紹。該風電安裝船主要包括全回轉起重系統、升降系統、推進系統、機艙設備、壓載系統及甲板設備等組成部分。

3.1 數據采集及傳輸

為獲得不同系統和設備的運行參數，將船上各系統和設備通過網絡交換機連接在一起，進行數據交互和融合，并采用消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）協議篩選所需的孿生數據，再通過MQTT 云平臺將數據傳輸到陸上。

數據采集方案見圖2。海工裝備數字孿生系統通過PLC 和傳感器采集各個設備和子系統的數據，再將浮吊系統、升降系統、閥門遙控系統、全船監測報警系統、本地工控機以及邊緣計算網關等一同接入網絡交換機，從而進行數據交互。經分析，數據采集到影響海工裝備運行的重點關鍵參數八百多組，間接影響參數一千八百多組，非關鍵參數三千多組，數據采集間隔時間為5 s。

圖2 數據采集方案

3.2 系統開發

在構建數字孿生體時，首先按照1 1∶ 映射關系建立三維虛擬模型和海上場景。再根據各個系統、機構和設備的特點對模型進行分組，要保證三維虛擬模型與實船在形狀、比例、顏色、運動機構上保持一致。

為實現孿生體和實船間的聯動，需要編寫驅動程序，該程序可將衛星傳輸過來的數據轉化為模型各機構運作的位置和角度，進而實現聯動。三維虛擬動畫的畫面運行流暢，幀率大于30 幀/秒，在接收到孿生數據后的延時小于500 ms。

衛星通信在海上的信號較弱，且傳輸數據量較大。在天氣良好的情況下，衛星通信信號較好，先將數據進行過濾和壓縮，再通過衛星網絡將數據上傳至MQTT 云平臺進行傳輸；在天氣惡劣的情況下，衛星通信中斷，將采集到的實時數據存到本地，待數據傳輸條件改善后，再將之前緩存的數據重新上傳至云平臺。要實現這種斷點續傳功能，需要編寫程序來不停掃描通信狀態。當通信正常時，正常傳輸；當判斷到通信斷開時，則將數據及時存在本地。掃描間隔時間為1 s。

通過驅動程序將傳輸到陸上的數據接入數字孿生體，通過數據處理使數字孿生體更加精確地展示實船的狀況。海工裝備數字孿生系統在實船全程升降實驗階段完成調試，運行效果見圖3。

圖3 海工裝備數字孿生系統運行效果

續圖3 海工裝備數字孿生系統運行效果

4 結論

本文提出了一種基于數字孿生的海工裝備遠程監控系統，該系統首先創建海工裝備數字孿生體和海上場景，再通過衛星通信向陸地傳輸船上各系統的狀態數據，最后利用狀態數據驅動信息空間中各設備和子系統的狀態演變，進而實現遠程可視化監控。該系統能幫助工程師進行遠程故障診斷。未來可在實船監測產生的大量數據的基礎之上，通過機器學習完善仿真能力，通過深度學習發現潛在風險，以期進一步完善海工裝備的故障預測、故障診斷和智能服務。