数字孪生建模，推动海洋工程技术发展
Anders Thorin
CEA List（隶属于法国原子能和可再生能源委员会的智能数字平台研究机构）交互模拟实验室研究工程师
法国CEA-List实验室利用数字孪生技术开发了一款软件用于海上作业模拟。那么什么是数字孪生技术？它具有怎样的优势？数字孪生还可以应用在哪些场景和行业？
数字孪生指把现实世界中的物理对象用软件建模的形式数字化的过程。用户能通过计算机与孪生体交互。
法国的科研机构开发了一款名为CETO的软件包，将数字孪生技术应用于海洋工程项目。
使用数字孪生技术，能在项目实施之前模拟验证各种情况。
数字孪生技术有三大优势：降低项目成本、提高安全性、较高的模拟易拓展性。
数字双胞胎不仅用于预测，还可用于在安全的环境下培训海上作业人员。
数字孪生，又称数字映射，指把现实世界中的物理对象用软件建模的形式数字化的过程。定义之所以如此笼统，是因为数字孪生的适用性极广。人类可以通过跟踪传感器、控制机构（操纵杆等）或力反馈接口（触觉接口），操作数字孪生体，从而与虚拟环境进行交互。数字孪生技术具有极强的跨学科性质，因为涉及的学科既有机械、又有热学乃至生物学，其应用领域也十分广泛，涵盖医学甚至海洋工业。
Anders Thorin是法国CEA-List（隶属于法国原子能和可再生能源委员会的智能数字平台研究机构）交互式模拟实验室的研究工程师，过去二十年间致力于与团队共同开发XDE物理模拟软件，用于为机器人设备创建数字孪生体。法国德希尼布能源公司（Technip Energies）看到了该软件在海洋工业项目中的潜在应用，于是向CEA-List表达了合作意愿。CEA-List团队根据德希尼布的要求，开发了一系列新功能，并将XDE整合到一个名为“CETO”的软件包中，专门用于海上作业交互式模拟，比如海上漂浮平台上起重机内的环境模拟、复杂起重作业的预测和风险评估、乃至员工培训。
01
重现海洋环境及物体
CETO软件可通过交互式模拟再现海洋的物理特征与环境，以及集装箱船、港口起重机、电缆、管道等海上物体。
软件研发的首要步骤是将研究的环境对象用多个物理变量表述，以此为基础建模。Thorin 介绍：“模拟大海的涌动，我们要使用600个频谱分量。每个分量对应一个正弦波，而每个正弦波都有几个参数：振幅（从波峰到波谷）、方向、相位和频率。此外还必须考虑其他环境条件，如风力、洋流等。”
图片来源：Marinet[1] - 正弦波叠加产生不规则信号
建立了初始模型后，研究人员通过提高细节水平以增加模拟的精度和真实性，并将螺旋桨、电缆、起重机等物体纳入模型，以预测或验证这些物体如何与海浪、风相互作用。“并不是所有的物体都有必要物理化建模，需视具体目的而定。但若确定要建立交互性模型，就意味着物理方程必须实时求解，因此涉及到对物理模型进行简化。”
例如，细长的刚性结构在建模时会简化为相应尺寸的“梁结构”，从而能在XDE软件中进行实时模拟。但基于简化的数字孪生体，真的能准确地再现实物吗？Thorin对此并不担心：“在理科中，使用理想化模型可谓是司空见惯。即使是简简单单的一个直角，在自然界中也不存在。数字孪生在交互模拟中既要足够精确，又要符合实际应用的要求——找到这个平衡点并不容易。此外，模型中选用的方程必须能够在现有的计算机硬件条件下快速求解出来。有实际用处的结果并不需要太高的精度，何况单纯追求高精度是无法实现的。”
以可变形管道的水下安装为例。将管道按照“梁结构”模拟，足以让实验人员在虚拟世界中根据天气条件和起重机操作判断其升降过程中能承受多大的力。实验者还能灵活调整各种参数，交互模拟出多种场景，以评估管道是否能够承受搬运。这种模拟不需要太高的精度就能完成，而且比用实物测试更安全经济。
02
从预测到培训
数字孪生可用于海洋项目实施前的预验证，其用途数不胜数，优点也相当可观。Thorin说：“这种模拟确实有好处。首先是有利于控制成本，因为所需的时间短，不必搬运设备或使用实体模型等。其次是拓展性高：同一个模型只要改变参数就能改变场景，从而对多种情况进行验证。”
“数字孪生的用途数不胜数，而且优点可观。”
例如，假设要对比船只在平静的海面上与波涛汹涌的海面上运动方式的差异，只需在模型中改变影响水流和风动力学的参数（如风向、风速和风频等）即可。Thorin补充道：“操作者可以预定义风、浪、洋流等条件，对各种情况进行预判。”
然而，数字孪生的应用并不局限于“场景预测”，在技能培训中也有用武之地。用户可以通过VR头盔访问虚拟世界，进入一个逼真的模拟环境。“德希尼布特制了一个实体起重机机舱，配备真实的驾驶椅。接受培训的人员可以进入舱内，戴上VR头盔，使用摇杆控制虚拟物体。虚拟培训可以作为实操培训的辅助。”
数字孪生低成本和强拓展性的两个主要优势，必将大幅提升起重机操作员培训的效果，特别是极端情况（如大风）应对能力的训练。
作者
Pablo Andres
编辑
Meister Xia
1. Marinet: Best practice manual for wave simulation– https://www.marinet2.eu/wp-content/uploads/2017/ 04/D2.8Best-Practice-Manual-for-Wave-Simulation.pdf
