撰稿者

KIM Geohwa责任, LEE Eunjoo先任

数码化组

最近,随着人工智能、大数据、物联网等新技术的急剧发展,在所有产业中利用这些技术确保竞争力成为趋势。 适用于制造业、航空宇宙、智能城市、建设、医疗、物流等多种应用领域,造船海洋领域也出现了引进新技术的动向。该研究构建了船舶的数字孪生,并采用了船员或验船师可以方便使用的混合现实技术。

船舶的数字孪生架构如图1所示,分为4个部分组成。Part1是Digital Twin的物理模型,相当于原型应用程序的对象船舶。船舶起到收集船内外数据并传达给云系统的作用,为此,必须具备可以收集船内外数据的物联网传感器和陆地连接的海上通信设备。Part2是接收船舶数据,实现数字孪生模型的云上的数字模型,Part3是通过数字模型提供最佳解决方案的应用领域。Part4是可以视觉上确认船舶信息和云端信息的MR系统。

图1. 数字孪生架构

实现3D模型
为了提高数字孪生系统用户的直观性,使用了与实际船舶相似的3D数字模型。为了实现船舶的3D模型可视化,需要确保船舶及装备的3D CAD文件。对于设备模型,使用了设计阶段制作的CAD文件,对于船体模型,直接进行了建模。之后为了在应用程序中驱动相关文件,进行了3D型号轻量化工作。 用于数字孪生系统适用对象的船舶和MR系统的3D模型如图2所示。

图2. 数字孪生对象小型船舶（左）和用于MR系统的3D模型实现的船舶（右）

网络系统
船舶的通信系统和陆地支援中心使用VPN(Virtual Private Network)由一个网络组成。考虑到海上状态不稳定,船舶的通信由Wifi和LTE并行组成。为了将船舶的实时数据上传到云端,通过船内网络连接到Azure云端。在船内构建了基于TCP/IP的网络服务器和MR设备之间的合作业务的同步服务器。

实现原型
利用云计算实现了原型船舶的数字孪生应用程序。下面的图片是使用全息透镜2驱动应用程序的样子,如图3所示,可以确认左侧的实际船舶和右侧的3D模型。另外,如图4所示,可以通过仪表板确认电动机的实时信息。结果,利用船内通信网将实时数据传送到云端,通过应用程序确认了使用者可以实时确认船舶的信息。用户可以使用基于Mixed Reality的全息镜头和移动设备驱动应用程序,通过移动位置确认船舶的360度面貌和现状,通过画面触摸和手追踪功能与应用程序进行接口。

结论
开发出了可以适用之前分析的数字孪生的船舶系统重机关远程监控功能的原型应用程序。为了本研究,准备了8米大小的以电池为基础的电力推进船舶,利用Azure云实现了船舶用数字孪生架构。架构共有4个部分,由船舶物理模型、云系统、优化算法、应用程序组成,之后利用该架构开发了原型数字孪生系统,结果确认了系统可以成功应用。

目前正在进行的研究开发中,正在开发可以分析和展示船舶状态的PART3应用程序和MR系统使用者之间合作的同步系统。基于位置的同步系统不仅可以快速、准确地向船员和验船师提供船舶的信息,还可以将业务扩展到远程检验业务。