【虚拟专题推荐】舰船数字孪生与增强现实技术

 

虚拟专题简介

随着科技的飞速发展，数字化技术已经深入到各个领域，为人类带来了前所未有的便利。舰船数字孪生技术是一种将现实世界中的舰船与其虚拟模型相互关联的技术。基于舰船的各种数据，如结构、动力、导航、通信等，构建一个高度真实的虚拟舰船模型，为决策者提供直观的信息支持。同时，数字孪生技术还可以模拟舰船在不同条件下的性能表现，为舰船的设计优化和故障诊断提供依据。

本文整理了《中国舰船研究》近年来已出版的【舰船数字孪生】方向的论文，带您了解如何利用数字孪生技术提高舰船的性能、降低运行成本、提高安全性和可靠性，以及如何应对未来海洋领域的挑战。文章按照发表时间排序，欢迎阅读、引用和转载！

01  数字孪生技术在水路运输领域的应用及研究

【研究方法】数字孪生是在计算机系统中对物理实体进行全面精准刻画的数字化模型，其应用可助力提升水路运输智能化管理水平。基于大数据监测与分析、数字孪生体构建、虚实模型的信息实时匹配与交互和数字驱动控制，以及动态可视化等水路运输数字孪生关键使能技术的分析，详细阐述基于数字孪生的船舶系统智能制造、运营管理、全生命周期智能运维、虚拟场景构建与虚拟实验的研究与应用现状，在此基础上，对水路运输装备的数字孪生技术进行归纳与展望，为数字孪生技术在水路运输领域的发展与应用提供参考。

【引用格式】王凯, 徐浩, 张梦妍, 等. 数字孪生技术在水路运输领域的应用及研究 [J]. 中国舰船研究, 2023, 18(5): 1–10

02  基于 MBSE 的船舶动力工程总体设计方法研究

【研究方法】为提升船舶动力工程的总体正向设计能力，研究船舶动力系统工程的数字化设计方法。将基于模型的系统工程（ MBSE）方法理论与系统工程方法进行融合，基于自主研发 的 V-Dats 软件平台和图形化 的SysML 语言，从发电机组辅助系统的需求、行为、结构和参数 4 个维度进行建模，完成了系统需求—功能—逻辑—物理的过程分析，得到了系统需求架构、功能架构及物理架构模型，并在系统层级开展了闭环验证和确认。通过总结船舶动力工程总体设计流程的体系顶层框架，提出了基于 MBSE 的总体正向设计方法，研究成果可有效支撑船舶动力工程总体论证与设计。

【引用格式】杨元龙, 何庆林, 吴炜, 等. 基于 MBSE 的船舶动力工程总体设计方法研究 [J]. 中国舰船研究, 2023, 18(5):11–21.

03  特种压力容器温度数字孪生系统设计与实现

【研究方法】数字孪生技术和物联网技术在结构健康监测得到了广泛的应用，但在特殊压力容器装备中的应用尚处于萌芽阶段。鉴于压力容器全生命周期安全监测要求，通过物联网实现对结构的温度数据采集，采用 VUE+Flask 框架编写了结构监测系统。通过 Three.js 库建立容器模型，利用温度数据实现数字孪生模型的实时驱动，另外为检验系统的可行性，在 ANSYS 仿真的基础上开展相关温度实验。

【引用格式】陈三桂, 王泽, 徐峰, 等. 特种压力容器温度数字孪生系统设计与实现 [J]. 中国舰船研究, 2023, 18(5): 22–30.

04  沉浸式船舶机舱仿真交互系统的设计与实现

【研究方法】为改善传统船舶机舱仿真交互系统仿真形式单一、沉浸感和真实感较差的问题，设计并实现一种分为半实物（HIL）仿真和三维虚拟现实（VR）系统两个部分的新型沉浸式船舶机舱仿真交互系统。采用实时仿真技术，VR 系统与 HIL 仿真系统基于 5G 网络融合，同时对沉浸式立体投影系统和多站位 VR 系统进行集成与数据整合。

【引用格式】邓佳佳, 龚梅杰, 杜志鹏, 等. 沉浸式船舶机舱仿真交互系统的设计与实现 [J]. 中国舰船研究, 2023, 18(5):31–39.

05  基于数字孪生的过盈配合组件装配质量监测方法

【研究方法】针对过盈配合组件装配质量难以控制的问题，提出一种基于数字孪生的过盈配合组件装配质量监测方法。结合数字孪生技术，构建过盈配合组件装配质量监测系统框架；综合分析实际装配过程，设计基于压装力的装配过程实时监测流程；结合压装过程中压装力历史数据，建立了基于 Markov 的压装力状态预测模型。综合比较理论压装力、实际压装力以及压装力预测状态，实现过盈配合组件装配质量的综合判断。

【引用格式】盛毕武, 杨艳芳, 吕小波, 等. 基于数字孪生的过盈配合组件装配质量监测方法 [J]. 中国舰船研究, 2023, 18(5):40–49. 

06  基于数字孪生的船用柴油机曲轴应力预测

【研究方法】曲轴是船用柴油机的关键部件，为实时监测柴油机运行状态下的曲轴应力，保障船舶安全可靠运行，提出基于数字孪生的曲轴应力预测方法。基于数字孪生思想，提出船用柴油机智能运维的构架，以某型直列 6 缸船用中速柴油机为研究对象，在实机可获得数据的基础上，实现基于数字孪生的曲轴健康状态评估。首先，基于径向基（RBF）神经网络，利用缸盖振动加速度信号对缸内压力进行识别，计算曲柄销载荷，利用有限元法对曲轴进行应力和疲劳分析，获得影响曲轴寿命的关键位置，应用反向传播（BP）神经网络构造曲轴受力和应力的降阶模型。

【引用格式】余永华, 解美强, 李宝月, 等. 基于数字孪生的船用柴油机曲轴应力预测 [J]. 中国舰船研究, 2023, 18(5): 50–56.

07  基于有限测点的结构模型修正及载荷识别技术研究

【研究方法】高保真有限元模型和有效的载荷识别技术对于船体结构健康监测及评估至关重要。为此，提出一种基于改进粒子群算法的模型修正和载荷识别方法。使用 rastrigin 函数对改进粒子群算法和经典粒子群算法进行对比。采用工字梁结构，在梁中间位置施加压力，在其表面粘贴有限数量的应变片，并将其分为用于模型修正和载荷识别的实测点与用于验证的监测点两部分。进行对工字钢分块弹性模量的修正验证，并进行基于修正后的数值高保真模型的载荷识别验证。

【引用格式】李军, 于泽峰, 陈三桂, 等. 基于有限测点的结构模型修正及载荷识别技术研究 [J]. 中国舰船研究, 2023, 18(5): 57–64.

08  基于碳钢腐蚀的混合数字孪生的设计与实现

【研究方法】利用物联网技术及构建数字孪生模型，全面直接地反映全寿期内的金属结构腐蚀过程，实现对金属腐蚀的智能预测及维护，提高金属结构工作的可靠性。将有限元模型与实时数据驱动结合，提出一种大气腐蚀过程的混合数字孪生模型和物联网监测的实验平台设计方案，建立腐蚀数字化仿真与实际腐蚀过程的联系。通过将腐蚀物理建模与腐蚀实时数据驱动的结合，将二者组合成为一个“混合数字孪生体”，可实现对金属结构的全寿期管理。

【引用格式】李华峰, 刘炎, 陈建如, 等. 基于碳钢腐蚀的混合数字孪生的设计与实现[J]. 中国舰船研究, 2021, 16(5): 230–237.

09  舰船动力系统数字孪生技术体系研究

【研究方法】为了实现数字孪生技术在舰船动力系统中的应用，针对舰船动力系统集成度高、全寿期研制特点，梳理在动力系统研制中应用数字孪生技术的技术路线。利用数字孪生技术的虚实融合与实时交互、迭代运行与优化、全要素与全流程数据驱动等优势，开展符合动力系统研制特点的数字孪生技术体系研究。经研究，构建了舰船动力系统中应用数字孪生的技术体系，包括规范、平台构建、关键技术、数字孪生体建设、集成验证与示范应用。

【引用格式】周少伟, 吴炜, 张涛, 等. 舰船动力系统数字孪生技术体系研究[J]. 中国舰船研究, 2021, 16(2): 151–156.

10  基于数字孪生的舰船蒸汽动力总体模型框架研究

【研究方法】从物理对象、过程要素、生命周期及虚拟空间这4个维度，提出基于数字孪生的舰船蒸汽动力系统总体“四维思想模型”，并创建总体全生命周期的“五阶体系模型”，涵盖概念论证、系统设计、总装建造、试验试航及运维保障这5个典型的阶段。通过引入大数据、物联网、云计算、人工智能和基于模型的系统工程等先进技术，形成由物理层、接口层、数据层、模型层、调度层、功能层及应用层组成的舰船蒸汽动力系统总体数字孪生“7层架构模型”。舰船蒸汽动力系统虚拟设计分析及试验平台的验证结果表明，数字孪生体系框架可以有效支撑系统方案设计、操作运行分析及试验方案评估，从而实现舰船全生命周期中物理空间与虚拟空间的交互协同。

【引用格式】 杨元龙, 孙玲, 张晓滨, 等. 基于数字孪生的舰船蒸汽动力总体模型框架研究[J]. 中国舰船研究, 2021, 16(2): 157–167.

11  虚拟装配中基于层次包围盒的空间快速验证

【研究方法】针对现有虚拟装配与维修中可移动空间计算的算法精度、效率较低，甚至缺少算法的问题，结合舰船虚拟装配、维修的实际需求，提出一种能够快速、准确计算零部件在移动空间中碰撞验证的算法。首先，以层次包围盒与三角面片相交检测算法为基础，改进层次包围盒与三角面片在移动空间中进行变换的方法；然后，根据二分法与递增法求得干涉距离，提出一种空间碰撞验证与空间距离验证的算法；最后，利用CATIA二次开发技术设计并开发空间快速验证模块，验证算法的合理性与准确性。实例结果表明，在复杂程度不同的2 000多个零件模型中，计算空间碰撞的时间在100 ms以内，计算空间距离的时间约为0.5 s。

【引用格式】方舟, 易朋兴, 杜玉娇, 等. 虚拟装配中基于层次包围盒的空间快速验证[J]. 中国舰船研究, 2021, 16(2): 64–70, 77.

12  智能船舶航行功能测试验证的方法体系

【研究方法】智能船舶航行核心技术的突破与软硬件系统的研发离不开完善的测试验证体系和健全的规范标准。对目前国内外智能船舶测试场现状进行综述，对以性能、能效、信息、智能为对象的智能船舶航行功能测试构想进行解析，最终提出以虚拟仿真为初试、模型测试为中试和实船验证为终试的智能船舶航行功能测试验证方法体系。

【引用格式】刘佳仑, 杨帆, 马枫, 等. 智能船舶航行功能测试验证的方法体系[J]. 中国舰船研究, 2021, 16(1): 45–50.

13  基于数字图像方法的加筋板屈曲失效路径试验研究

【研究方法】为记录和分析轴向受压加筋板的实际屈曲失效历程，开展基于三维数字图像相关（3D-DIC）方法的加筋板轴向受压屈曲失效路径试验研究。建立测量轴向受压加筋板的三维变形场方法，通过用有限元分析软件ABAQUS进行数值仿真计算，确定几种不同尺寸加筋板试件并开展加载试验，使用3D-DIC方法测量轴压加筋板屈曲失效全场位移和应变信息，获取轴压加筋板的屈曲失效路径。

【引用格式】杨弋, 孔祥韶, 袁天, 等. 基于数字图像方法的加筋板屈曲失效路径试验研究[J]. 中国舰船研究, 2020, 15(5): 132–140.

14  智能船舶远程辅助驾驶3D场景构建关键技术研究

【研究方法】为实现对智能船舶航行全寿期岸基远程监控和管理，研究基于虚拟现实技术的船舶远程辅助驾驶支持系统。通过实时采集和融合船舶航行态势信息及船舶周围动、静态目标信息，利用虚拟现实技术全方位、多视角地重构和呈现船舶航行场景，建立船舶碰撞风险预测模型，以三维动态形式显示船舶周边相对于本船航行的危险关系。

【引用格式】孙晓雪, 王胜正, 殷非, 等. 智能船舶远程辅助驾驶3D场景构建关键技术研究[J]. 中国舰船研究, 2020.

15  星型空压机曲柄连杆机构动力学特性分析

【研究方法】对比分析3种结构形式的星型往复式空压机惯性力和力矩的特点，得出该型空压机对惯性力有良好的自平衡能力，能在一定程度上减小惯性力矩。建立曲柄连杆机构虚拟样机，将推导的活塞受力构造SPLINE曲线加载到活塞质心，分别将曲轴和连杆柔性化，并将基于IMPACT函数的接触碰撞力模型嵌入到ADAMS虚拟样机中。

【引用格式】李超博, 楼京俊, 吴海平, 石迎潮. 星型空压机曲柄连杆机构动力学特性分析[J]. 中国舰船研究, 2018, 13(5): 97-102.

16  维修部位导向的可视性分析方法

【研究方法】从可视性与可触及性、操作空间等的耦合关系出发，提出一种以维修部位为导向的可视性分析方法。首先，分析传统的以人眼为导向的可视性分析方法的一般流程；然后，在此基础上提出一种以维修部位为顶点生成可视锥的方式来辅助开展可视性分析工作的流程，并对其主要的功能要素进行深入剖析。在Jack仿真软件的基础上，采用Tcl/Tk及Jackscript语言，设计并实现基于维修部位导向的可视性分析功能模块。应用案例表明，所提出的方法有助于在检查、验证维修部位的可视性时，快速确定虚拟人合适的站位与身体姿态。

【引用格式】 方雄兵, 李涛涛. 维修部位导向的可视性分析方法[J]. 中国舰船研究, 2017, 12(2): 137-142.

17  基于Top-down建模机制的三维虚拟人快速建模方法

【研究方法】提出一种基于自顶向下（Top-down）建模机制的三维虚拟人快速建模方法。在顶层实现虚拟人模型层次结构框架设计的基础上，逐级向下实现虚拟人模块化表达与各模块控制参变量设计，建立虚拟人各模块的接口与映射约束关系，完成尺寸与纹理参变量的定义，并形成支持虚拟人Top-down快速建模实践操作的标准化流程。最后，以中国籍船长角色的定制建模为例，进行Top-down建模机制下的虚拟人快速建模应用验证。

李涛涛, 方雄兵, 林锐, 陈捷捷. 基于Top-down建模机制的三维虚拟人快速建模方法[J]. 中国舰船研究, 2017, 12(1): 38-44.

18  舰船虚拟维修仿真应用系统的设计与实现

【研究方法】提出一种面向舰船维修仿真应用系统的架构，设计该系统的组成及各模块功能。该应用系统架构包括数据层、功能层、接口层及用户界面层4个层次：在数据层，可实现数据的数据库存储和本地存储；在功能层，设计了多个仿真数据管理功能、运动捕获数据处理功能以及可视性、可达性和舒适性等多个高级分析功能；在接口层，提供了与Teamcenter（TC）平台的数据集成功能，可实现从TC下载舰船JT模型至仿真系统中，以及将仿真结果和场景文件等上传至TC；在用户界面层，设计了人性化的系统操作界面，可实现客户与系统之间的友好交互和操作。最后，结合Jack仿真软件，实现舰船虚拟维修仿真应用系统的原型。

【引用格式】方雄兵, 陈颖, 李涛涛, 林锐. 舰船虚拟维修仿真应用系统的设计与实现[J]. 中国舰船研究, 2016, 11(6): 136-144.

19  维修工具使用的可达域计算及可视化方法

【研究方法】针对开展虚拟维修时相关仿真软件缺乏维修工具使用时的可达性分析功能之问题，提出一种可达域计算方法以及可达域的三维可视化方法。首先，根据虚拟人手臂结构特点，计算出虚拟人手臂尺寸；在此基础上，结合工具的外沿点位置，给出工具使用时的最远可达距离计算方法；基于该距离值及虚拟人手臂长度值计算可达域几何体放大尺度，利用该尺度可以对工具使用时的可达域进行三维可视化。最后，结合Jack 仿真软件，Tcl/Tk以及Python语言，实现了维修工具使用可达性的分析功能。 

【引用格式】方雄兵, 田正东, 林锐, 李涛涛. 维修工具使用的可达域计算及可视化方法[J]. 中国舰船研究, 2016, 11(5): 14-18,41.

20  基于数字样机的舰船维修性设计分析技术

【研究方法】基于虚拟样机建模、虚拟人建模与仿真、参数化维修动作建模与仿真、基于维修问题的维修性分析等关键技术,以包含界面层、应用层、对象层、技术支持层的系统框架为指导,在商业软件Jack 7.0的基础上,通过二次开发设计实现基于数字样机的舰船维修性设计分析系统。

【引用格式】方强, 王松山, 祝泓, 张平. 基于数字样机的舰船维修性设计分析技术[J]. 中国舰船研究, 2016, 11(1): 114-120. 

21  基于虚拟现实的舰船使用和维修性分析评价系统

【研究方法】以虚拟现实、计算机仿真和高性能图形系统作为共性支撑技术，同时依据虚拟现实技术与CAD，PDM以及与使用和维修相关的CAE的集成，构建舰船使用和维修性分析评价系统。该系统构建了面向使用和维修的功能样船和动素层人体姿态库，基于可达性和人因工程两个指标完成舰船使用和维修性分析评价，通过与PDM系统集成实现数据管控与总体设计并行开展。

【引用格式】张玉梅, 魏沁祺, 曾俊. 基于虚拟现实的舰船使用和维修性分析评价系统[J]. 中国舰船研究, 2013, 8(2): 6-12.