隨著船舶設(shè)計(jì)中使用的3D模型越來(lái)越富有綜合性和靈活性，我們可以將其與通過(guò)傳感器和其他渠道得來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，以便能全面模擬船舶性能。3D模型可以應(yīng)用在多個(gè)方面，比如預(yù)測(cè)航行表現(xiàn)和疲勞壽命。這些模型不僅是準(zhǔn)確模擬船舶性能的關(guān)鍵，而且還有助于縮小當(dāng)前船舶數(shù)據(jù)方面存在的差距，使不具備完整傳感器解決方案的船舶能夠享受到類似于物聯(lián)網(wǎng)解決方案所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。專家指出，3D建模功能將成為構(gòu)成船舶工業(yè)4.0解決方案的必要組成部分。
利用3D模型彌合數(shù)據(jù)鴻溝
目前，要想充分利用大量附加數(shù)據(jù)還面臨著兩項(xiàng)主要挑戰(zhàn)。第一是要保證所收集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，第二是要確保相同的數(shù)據(jù)不會(huì)安靜地長(zhǎng)眠在黑匣子里無(wú)人問(wèn)津。它們必須轉(zhuǎn)化為有用的信息，并且得到最佳的商業(yè)化運(yùn)用。
當(dāng)前，由于收集的數(shù)據(jù)不完整，還有很多空白需要填補(bǔ)，這使得上述兩項(xiàng)挑戰(zhàn)更加嚴(yán)峻。NAPA航運(yùn)服務(wù)和解決方案公司在今年年初對(duì)船東和船管公司進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和航行優(yōu)化習(xí)慣調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，他們的選擇十分廣泛，但是每一種情況都無(wú)一例外地需要依靠船舶午報(bào)（noon reports），無(wú)論使用的是物聯(lián)網(wǎng)還是傳感器解決方案。
這說(shuō)明我們不見(jiàn)得每次都能得到準(zhǔn)確評(píng)估船舶性能所需的測(cè)量數(shù)據(jù)。比如說(shuō)，一艘船可能沒(méi)有配備足夠的傳感器來(lái)測(cè)量螺旋槳的功率，即使配備了，這些數(shù)據(jù)也不一定會(huì)向所有利益相關(guān)者披露。船東或許不會(huì)將測(cè)量結(jié)果透露給可能支付油費(fèi)并對(duì)船舶的實(shí)際性能水平感興趣的租船人。由于這些因素的影響，無(wú)論船舶采用了哪些額外的數(shù)據(jù)收集方法，午報(bào)仍然是目前船東推斷船舶性能水平的主要手段。
但是午報(bào)太過(guò)簡(jiǎn)單，不可避免地具有局限性。如果每天只有一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，我們對(duì)它又能有多少信任呢？此外，日間的天氣可能會(huì)發(fā)生相當(dāng)大的變化，從而極大地改變消耗量——這些信息午報(bào)都無(wú)法報(bào)告。由于風(fēng)速、浪高和燃料消耗等因素之間的關(guān)系是非線性的，這意味著午報(bào)中未包含的天氣變化會(huì)對(duì)船舶性能產(chǎn)生不合理的影響。
要想讓數(shù)據(jù)更加豐富，常見(jiàn)的解決方案是將天氣信息與可公開(kāi)獲得的AIS數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)，這樣我們就能得到不同船舶位置所對(duì)應(yīng)的天氣狀況。不過(guò)這也有其局限性。如果船舶沒(méi)有配備傳感器（很多都沒(méi)有），則很難對(duì)其性能做出假設(shè)。
這就是船舶設(shè)計(jì)和建模領(lǐng)域知識(shí)的用武之處！通過(guò)獲取來(lái)自AIS的所有信息以及有關(guān)船舶的公開(kāi)信息，我們可以運(yùn)用艦艇水動(dòng)力學(xué)和船舶設(shè)計(jì)方面的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)建造船舶的數(shù)字孿生。如此一來(lái)，我們就能克服午報(bào)缺少可用數(shù)據(jù)所帶來(lái)的一些挑戰(zhàn)。
這給我們提供了可以覆蓋各種船舶的通用模型，為我們奠定了可以開(kāi)始進(jìn)行分析的基礎(chǔ)。接下來(lái)，我們可以將其與來(lái)自安裝有傳感器的船舶的自動(dòng)化信號(hào)相結(jié)合，進(jìn)一步擴(kuò)充我們的數(shù)據(jù)集，進(jìn)而增強(qiáng)這些模型。借助這些數(shù)字模型，我們可以提取信息，監(jiān)控船舶性能，開(kāi)展更好、更精確的運(yùn)營(yíng)計(jì)劃。
NAPA的船舶性能模型可以應(yīng)用水動(dòng)力模型，該模型考慮到了風(fēng)、浪、洋流和淺水的耦合效應(yīng)，并結(jié)合了完整的推進(jìn)系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)模型，能夠在船舶的實(shí)際位置、實(shí)際操作速度以及實(shí)際風(fēng)浪條件下解決所有這些因素的力平衡問(wèn)題。
可用的數(shù)據(jù)多了，準(zhǔn)確性也會(huì)得到提升。在研究船隊(duì)的三年時(shí)間里（平均而言），收集三個(gè)月的數(shù)據(jù)后，消耗量估值的不確定性小于7.5％。半年后，不確定性就可降到5％以下。
將3D模型和AIS數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)還可以更好地估計(jì)疲勞壽命。把這些數(shù)據(jù)集與先進(jìn)的結(jié)構(gòu)分析相結(jié)合，可以創(chuàng)建出一艘能夠可靠地估算剩余疲勞壽命和安全性能的數(shù)字孿生船舶。利用這類信息來(lái)給船舶做財(cái)務(wù)評(píng)估也是有可能的。
為這些結(jié)構(gòu)和波浪估計(jì)提供基礎(chǔ)的科學(xué)研究并不罕見(jiàn)。它們是過(guò)去十年來(lái)大量實(shí)證調(diào)查的結(jié)果，其潛在效果已經(jīng)得到驗(yàn)證。但是，直到最近我們才得以將它們組合成一個(gè)簡(jiǎn)單易用的程序包。
與其他無(wú)損疲勞檢測(cè)方法相比，這種組合能夠優(yōu)化檢測(cè)體驗(yàn)，相比常規(guī)測(cè)試還能大大降低檢驗(yàn)成本。
所有這些都可以用來(lái)增強(qiáng)船舶運(yùn)營(yíng)計(jì)劃的準(zhǔn)確性，提供有關(guān)污垢影響、海洋邊緣、預(yù)估消耗量以及航行時(shí)間等方面的有用信息。NAPA認(rèn)為，3D模型的應(yīng)用在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)將成為通向更全面的物聯(lián)網(wǎng)解決方案的重要橋梁。
真正的數(shù)字孿生應(yīng)涵蓋各個(gè)角度
下一步是要研究如何以最佳形式將3D結(jié)構(gòu)模型與其他組件的數(shù)字模型結(jié)合起來(lái)。通過(guò)創(chuàng)建船舶、發(fā)動(dòng)機(jī)和相關(guān)系統(tǒng)的虛擬實(shí)時(shí)副本，我們可以更好地監(jiān)測(cè)、分析以及預(yù)測(cè)船舶性能，從而實(shí)現(xiàn)更加安全高效的運(yùn)營(yíng)。
全面開(kāi)發(fā)這些系統(tǒng)需要對(duì)數(shù)字孿生采取多學(xué)科的方法。海軍建筑師傾向于將形狀、鋼材和結(jié)構(gòu)視為數(shù)字孿生，而它實(shí)際上則要復(fù)雜得多，且更為碎片化。例如，目前很少有數(shù)字孿生能模擬整艘船的電氣系統(tǒng)，盡管它們對(duì)運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要，液壓系統(tǒng)和燃料系統(tǒng)也是如此。接下來(lái)要解決的問(wèn)題是，使用不同的格式在不同的CAD系統(tǒng)中構(gòu)建實(shí)體零件的數(shù)字版本時(shí)，這數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的零件要如何協(xié)同工作？如何模擬電流、水流以及其他流體？還有一個(gè)重要的問(wèn)題，以數(shù)字方式連接所有這些部件如何能使最終買單的人（即船東或租船人）受益？
從NAPA與大宇造船、發(fā)動(dòng)機(jī)研究所AVL以及韓國(guó)海事大學(xué)最近聯(lián)合開(kāi)展的一項(xiàng)合作中，我們可以看到實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)所需采取的下一步措施的一個(gè)示例。這項(xiàng)合作旨在創(chuàng)建最全面的數(shù)字孿生，包括高質(zhì)量機(jī)械數(shù)據(jù)、船舶性能以及氣象數(shù)據(jù)的獲取和處理，以及培訓(xùn)、模擬和人機(jī)交互，這對(duì)于將有關(guān)船舶運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)的見(jiàn)解轉(zhuǎn)化為實(shí)際效率不可或缺。
在組件和系統(tǒng)級(jí)別上構(gòu)建和集成高級(jí)實(shí)時(shí)模型所需的工作量相當(dāng)龐大，但是這樣做絕對(duì)是值得的。首先，它有助于我們改進(jìn)通常被視為數(shù)字孿生經(jīng)典用例的系統(tǒng)仿真：測(cè)試子系統(tǒng)之間的兼容性和交互操作性。隨著船東逐漸意識(shí)到數(shù)字化的益處，以及通過(guò)更好地融合傳感器和自動(dòng)化系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)階段證明船舶經(jīng)得起未來(lái)考驗(yàn)的需要，設(shè)計(jì)師和船廠也開(kāi)始越來(lái)越重視電子和數(shù)字解決方案的設(shè)計(jì)。優(yōu)化數(shù)字孿生模型使我們能夠更好地模擬這些系統(tǒng)的交互作用，從而為船舶的數(shù)字化設(shè)計(jì)提供諸如CFD給船體線型那樣的支持。
上述合作項(xiàng)目的成果遠(yuǎn)不止于此。憑借AVL的專業(yè)技術(shù)和詳盡的發(fā)動(dòng)機(jī)性能數(shù)據(jù)庫(kù)，項(xiàng)目組還可以更大程度地豐富模型細(xì)節(jié)，更好地模擬發(fā)動(dòng)機(jī)表現(xiàn)。例如，添加具有曲柄角度分辨率、實(shí)時(shí)性且基于物理學(xué)的發(fā)動(dòng)機(jī)模型，可以將針對(duì)不同發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)象的考慮因素納入現(xiàn)有的性能模型。
我們要克服的挑戰(zhàn)是實(shí)時(shí)能力與模型保真度之間的權(quán)衡；此外，在模型屬性和質(zhì)量方面，合作伙伴之間的互操作性和協(xié)調(diào)性也需要注意。為了進(jìn)一步優(yōu)化操作，我們還可以使用虛擬傳感器來(lái)創(chuàng)建駕駛臺(tái)輔助系統(tǒng)和模擬器以進(jìn)行培訓(xùn)。
此外，數(shù)字孿生還可以應(yīng)用在船舶設(shè)計(jì)階段。通過(guò)創(chuàng)建發(fā)動(dòng)機(jī)和船體線型的精細(xì)模型，我們可以仿真和迭代針對(duì)特定性能目標(biāo)進(jìn)行過(guò)優(yōu)化的更優(yōu)設(shè)計(jì)。有了更好的模型和更詳細(xì)的發(fā)動(dòng)機(jī)信息，我們就能更好地利用這些迭代設(shè)計(jì)解決方案。
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