隨著(zhù)船舶設計中使用的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)的數據進(jìn)行融合，以便能全面模擬船舶性能。3D模型可以應用在多個(gè)方面，比如預測航行表現和疲勞壽命。這些模型不僅是準確模擬船舶性能的關(guān)鍵，而且還有助于縮小當前船舶數據方面存在的差距，使不具備完整傳感器解決方案的船舶能夠享受到類(lèi)似于物聯(lián)網(wǎng)解決方案所帶來(lái)的優(yōu)勢。專(zhuān)家指出，3D建模功能將成為構成船舶工業(yè)4.0解決方案的必要組成部分。
目前，要想充分利用大量附加數據還面臨著(zhù)兩項主要挑戰。第一是要保證所收集數據的準確性，第二是要確保相同的數據不會(huì )安靜地長(cháng)眠在黑匣子里無(wú)人問(wèn)津。它們必須轉化為有用的信息，并且得到最佳的商業(yè)化運用。
當前，由于收集的數據不完整，還有很多空白需要填補，這使得上述兩項挑戰更加嚴峻。NAPA航運服務(wù)和解決方案公司在今年年初對船東和船管公司進(jìn)行數據收集和航行優(yōu)化習慣調查時(shí)發(fā)現，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（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)得每次都能得到準確評估船舶性能所需的測量數據。比如說(shuō)，一艘船可能沒(méi)有配備足夠的傳感器來(lái)測量螺旋槳的功率，即使配備了，這些數據也不一定會(huì )向所有利益相關(guān)者披露。船東或許不會(huì )將測量結果透露給可能支付油費并對船舶的實(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據收集方法，午報仍然是目前船東推斷船舶性能水平的主要手段。
但是午報太過(guò)簡(jiǎn)單，不可避免地具有局限性。如果每天只有一個(gè)數據點(diǎn)，我們對它又能有多少信任呢？此外，日間的天氣可能會(huì )發(fā)生相當大的變化，從而極大地改變消耗量——這些信息午報都無(wú)法報告。由于風(fēng)速、浪高和燃料消耗等因素之間的關(guān)系是非線(xiàn)性的，這意味著(zhù)午報中未包含的天氣變化會(huì )對船舶性能產(chǎn)生不合理的影響。
要想讓數據更加豐富，常見(jiàn)的解決方案是將天氣信息與可公開(kāi)獲得的AIS數據相互關(guān)聯(lián)，這樣我們就能得到不同船舶位置所對應的天氣狀況。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），則很難對其性能做出假設。
這就是船舶設計和建模領(lǐng)域知識的用武之處！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，我們可以運用艦艇水動(dòng)力學(xué)和船舶設計方面的知識和經(jīng)驗來(lái)建造船舶的數字孿生。如此一來(lái)，我們就能克服午報缺少可用數據所帶來(lái)的一些挑戰。
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。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)化信號相結合，進(jìn)一步擴充我們的數據集，進(jìn)而增強這些模型。借助這些數字模型，我們可以提取信息，監控船舶性能，開(kāi)展更好、更精確的運營(yíng)計劃。
NAPA的船舶性能模型可以應用水動(dòng)力模型，該模型考慮到了風(fēng)、浪、洋流和淺水的耦合效應，并結合了完整的推進(jìn)系統和發(fā)動(dòng)機系統模型，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。
可用的數據多了，準確性也會(huì )得到提升。在研究船隊的三年時(shí)間里（平均而言），收集三個(gè)月的數據后，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數據結合起來(lái)還可以更好地估計疲勞壽命。把這些數據集與先進(jìn)的結構分析相結合，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字孿生船舶。利用這類(lèi)信息來(lái)給船舶做財務(wù)評估也是有可能的。
為這些結構和波浪估計提供基礎的科學(xué)研究并不罕見(jiàn)。它們是過(guò)去十年來(lái)大量實(shí)證調查的結果，其潛在效果已經(jīng)得到驗證。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)損疲勞檢測方法相比，這種組合能夠優(yōu)化檢測體驗，相比常規測試還能大大降低檢驗成本。
所有這些都可以用來(lái)增強船舶運營(yíng)計劃的準確性，提供有關(guān)污垢影響、海洋邊緣、預估消耗量以及航行時(shí)間等方面的有用信息。NAPA認為，3D模型的應用在可預見(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。
下一步是要研究如何以最佳形式將3D結構模型與其他組件的數字模型結合起來(lái)。通過(guò)創(chuàng )建船舶、發(fā)動(dòng)機和相關(guān)系統的虛擬實(shí)時(shí)副本，我們可以更好地監測、分析以及預測船舶性能，從而實(shí)現更加安全高效的運營(yíng)。
全面開(kāi)發(fā)這些系統需要對數字孿生采取多學(xué)科的方法。海軍建筑師傾向于將形狀、鋼材和結構視為數字孿生，而它實(shí)際上則要復雜得多，且更為碎片化。例如，目前很少有數字孿生能模擬整艘船的電氣系統，盡管它們對運營(yíng)至關(guān)重要，液壓系統和燃料系統也是如此。接下來(lái)要解決的問(wèn)題是，使用不同的格式在不同的CAD系統中構建實(shí)體零件的數字版本時(shí)，這數以百萬(wàn)計的零件要如何協(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，以數字方式連接所有這些部件如何能使最終買(mǎi)單的人（即船東或租船人）受益？
從NAPA與大宇造船、發(fā)動(dòng)機研究所AVL以及韓國海事大學(xué)最近聯(lián)合開(kāi)展的一項合作中，我們可以看到實(shí)現上述目標所需采取的下一步措施的一個(gè)示例。這項合作旨在創(chuàng )建最全面的數字孿生，包括高質(zhì)量機械數據、船舶性能以及氣象數據的獲取和處理，以及培訓、模擬和人機交互，這對于將有關(guān)船舶運營(yíng)數據的見(jiàn)解轉化為實(shí)際效率不可或缺。
在組件和系統級別上構建和集成高級實(shí)時(shí)模型所需的工作量相當龐大，但是這樣做絕對是值得的。首先，它有助于我們改進(jìn)通常被視為數字孿生經(jīng)典用例的系統仿真：測試子系統之間的兼容性和交互操作性。隨著(zhù)船東逐漸意識到數字化的益處，以及通過(guò)更好地融合傳感器和自動(dòng)化系統，在設計階段證明船舶經(jīng)得起未來(lái)考驗的需要，設計師和船廠(chǎng)也開(kāi)始越來(lái)越重視電子和數字解決方案的設計。優(yōu)化數字孿生模型使我們能夠更好地模擬這些系統的交互作用，從而為船舶的數字化設計提供諸如CFD給船體線(xiàn)型那樣的支持。
上述合作項目的成果遠不止于此。憑借AVL的專(zhuān)業(yè)技術(shù)和詳盡的發(fā)動(dòng)機性能數據庫，項目組還可以更大程度地豐富模型細節，更好地模擬發(fā)動(dòng)機表現。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)機模型，可以將針對不同發(fā)動(dòng)機現象的考慮因素納入現有的性能模型。
我們要克服的挑戰是實(shí)時(shí)能力與模型保真度之間的權衡；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 )建駕駛臺輔助系統和模擬器以進(jìn)行培訓。
此外，數字孿生還可以應用在船舶設計階段。通過(guò)創(chuàng )建發(fā)動(dòng)機和船體線(xiàn)型的精細模型，我們可以仿真和迭代針對特定性能目標進(jìn)行過(guò)優(yōu)化的更優(yōu)設計。有了更好的模型和更詳細的發(fā)動(dòng)機信息，我們就能更好地利用這些迭代設計解決方案。
