一种基于数字孪生的船舶分段建造方法与流程

1.本发明涉及数字孪生技术领域，具体涉及一种基于数字孪生的船舶分段建造方法。


背景技术：

2.船舶建造涉及工种多、工艺复杂、周期长、资金与劳动力密集、工程量大,是典型的离散型制造。船厂需要具备完善配套的基础设施及专业设备、大量各工种的技术工人与管理人员、完备的供应商、良好的港口环境、足够的资金等条件才能顺利完成船舶建造任务。目前，船厂制造技术、模式、水平的落后也是制约船舶制造业发展的瓶颈之一。传统的船舶建造方式数字化水平不足。船舶建造是劳动力密集型产业，船坞及码头建造阶段的工作基本需要人工完成，导致生产活动以人为主导，沟通以会议、电话、邮件等为主。生产硬件及辅助软件在生产活动中覆盖面不足，介入程度不深。相关生产活动未转化为数字化信息。仿真程度不足，船舶制造现场情况复杂多变，无论是对于生产车间还是生产过程的模拟仿真，都存在无法完全映射全属性的问题。虚拟模型的仿真能力不足，直接导致建造活动的优化质量不高。
3.利用数字孪生技术可以实现在船舶建造之前的数字化模拟，从而实现带有回路反馈的全生命跟踪的全生命周期概念。这样，就可以真正在全生命周期范围内，保证数字与物理世界的协调一致。各种基于数字化模型进行的各类仿真、分析、数据积累、挖掘，甚至人工智能的应用，都能确保它与现实物理系统的适用性。
4.但是目前的数字孪生船舶建造技术还存在的缺陷如下：（1）缺乏全面感知能力，目前船舶建造过程职工的数据为孤岛形式，并没有进行数据整合，无法获取某个船舶分段运作时整个船舶整体的几何属性、物理属性、动作、能耗等相关数据，使数字孪生在模拟仿真时缺失足量有效数据；（2）故障捕捉难。故障的发生往往是多种因素综合性的结果，之间的关联非常复杂，同时故障发生引起的损坏又为后期事故调查带来障碍。利用历史数据及实时数据很难发现故障形成机制。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于数字孪生的船舶分段建造方法，以解决现有技术中的技术问题。
6.为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：一种基于数字孪生的船舶分段建造方法，包括以下步骤：步骤100、将船体三维设计图作为数字孪生图的物理结构，且依据船舶建造顺序将船舶分段划分为多个建造节点，将所述数字孪生图对应每个所述建造节点划分为多个建造板块；步骤200、在所述数字孪生图内建立每个所述建造板块内的多个船舶组件之间的
映射联动关系以及两个相邻所述建造板块内的所述船舶组件之间的映射联动关系，将同一个所述建造板块以及两个相邻建造板块内具有映射联动关系的多个船舶组件对应一个船舶性能类别；步骤300、实时监控每个所述建造节点内的船舶组件的建造数据，利用同一个所述建造板块内多个船舶组件的映射联动关系预算所述船舶组件对当前所述建造板块的影响系数，且利用两个相邻所述建造板块内的船舶组件的映射联动关系预算所述船舶组件对相邻所述建造板块的影响系数；步骤400、预计每个所述建造板块的建造分数以及整个船舶构造的整体分数，根据预计的整体分数调整每个所述建造节点的船舶组件，以使得根据所述船舶组件建造数据预算的所述船舶构造的整体分数符合需求。
7.作为本发明的一种优选方案，在步骤100中，所述船体三维设计图作为所述数字孪生图的静态物理模型，且单个所述建造板块内每个所述船舶组件的建造数据作为所述数字孪生图的动态传感数据，每个所述建造板块将具有映射联动关系的多个所述船舶组件定义对应船舶应用的一个船舶性能类别，且所述数字孪生图根据多个所述船舶组件之间的映射联动关系建立动态演示系统；所述动态演示系统接收到所述船舶组件的建造数据后，先模拟同一个所述建造板块内与该船舶组件具有映射联动关系的船舶组件之间的联动状态，并确定具有映射联动关系的船舶组件之间的联动状态对当前所述建造板块的直接影响状态，且所述动态演示系统再模拟两个相邻的所述建造板块的船舶组件之间的联动状态以及多个所述建造板块的联动状态对整个船舶构造的最终影响状态。
8.作为本发明的一种优选方案，在步骤200中，同一个所述建造板块内具有映射联动关系的多个所述船舶组件之间存在同节点联动状态，其中一个所述船舶组件的建造数据与设定数据不等时，该同节点联动状态内的其他所述船舶组件的建造数据随之与对应的设定数据不等；相邻两个所述建造板块内具有映射联动关系的多个所述船舶组件之间存在异节点联动状态，在其中一个所述船舶组件的建造数据与设定数据不等时，该异节点联动状态内的其他所述船舶组件的建造数据随之与对应的设定数据不等。
9.作为本发明的一种优选方案，在步骤300中，根据实时监测的所述船舶组件的主动建造数据与所述船舶组件对应的设定数据之间的差值所处范围确定该所述船舶组件的组件建造分数以及所述船舶组件对建造板块的影响系数，当前所述建造板块在所述船舶组件影响下的节点建造分数为组件建造分数与所述影响系数的乘积；实时所述船舶组件所在的船舶性能类别与相邻的所述建造板块的船舶性能类别存在映射联动关系，根据当前所述建造板块内的船舶组件的被动建造数据与所述船舶组件对应的设定数据之间的差值所处范围确定该所述船舶组件的联动影响分数以及所述船舶组件对建造板块的联动影响系数，当前所述建造板块在所述船舶组件影响下的节点影响分数为联动影响分数与所述联动影响系数的乘积。
10.作为本发明的一种优选方案，两个所述建造板块之间形成拼接面，且所述拼接面的拼接参数对两个所述建造节点均存在影响系数，且当具有映射联动关系的多个所述船舶组件对应多个误差类别时，整个船舶构造的最终影响状态为多个所述建造节点内的每个所
述误差类别对应的影响系数叠加之和。
11.作为本发明的一种优选方案，在步骤300中，确定当前的建造板块的节点影响分数与相邻的所述建造板块的节点建造分数之间影响关系的实现方法为：确定每个所述建造板块内的多个所述船舶性能类别以及每个所述船舶性能类别的组件建造分数，获取当前所述建造板块在单个所述船舶性能类别影响下的节点建造分数；建立两个相邻所述建造板块的多个所述船舶性能类别之间的匹配关系，确定其中一个所述建造板块内的单个所述船舶性能类别的节点建造分数所处范围对另一个所述建造板块的所述船舶性能类别的联动影响分数和联动影响系数，获得另一个所述建造板块的所述船舶性能类别的节点影响分数。
12.作为本发明的一种优选方案，当前所述建造板块的所述船舶组件与相邻所述建造板块的船舶组件不存在映射联动关系时，确定所述船舶组件的建造数据与设定数据的差值确定节点建造分数以及对当前建造节点的影响系数，根据每个建造板块内所有船舶组件的组件建造分数以及所述船舶组件对该建造板块的影响系数以计算所述建造板块的节点建造分数；且根据相邻所述建造板块与当前所述建造板块之间的联动关系，根据相邻所述建造板块的所述船舶性能类别的联动影响分数和联动影响系数计算当前所述建造板块的节点影响分数；当前所述建造板块的建造分数为当前所述建造板块的多个船舶性能类别对应的节点建造分数与所述船舶性能类别受到的联动状态影响的节点影响分数之和。
13.作为本发明的一种优选方案，所述船舶组件与相邻的所述建造板块存在映射联动关系时，计算当前所述建造板块的建造分数的实现步骤为：确定每个所述建造板块内具有映射联动关系的多个建造组件的标准分数，且将具有映射联动关系的多个建造组件划分为同一个船舶性能类别，根据具有映射联动关系的多个建造组件内至少一个建造组件的建造数据确定该船舶性能类别的团体建造数据，根据团体建造数据与设定数据之间的差值确定该船舶性能类别的组件建造分数以及所述船舶组件对该建造节点的影响系数，计算所述建造板块的节点建造分数；确定当前建造板块内受到相邻的所述建造板块内的船舶组件存在映射联动关系的船舶组件，计算当前建造板块内受到相邻所述建造板块影响的船舶性能类别的同步误差，根据受到相邻所述建造板块影响的船舶性能类别的团体建造数据与设定数据之间的差值确定该船舶性能类别的联动影响分数和联动影响系数，以计算当前所述建造板块的节点影响分数；确定相邻所述建造板块的船舶性能类别与当前所述建造板块之间的映射联动关系，计算相邻所述建造板块的船舶性能类别的团体建造数据所处范围确定对当前所述建造板块的同一船舶性能类别的组件影响分数以及对应的三阶影响系数，以计算当前所述建造板块的节点映射分数所述建造板块的节点映射分数，当前所述建造板块的建造分数为节点建造分数、节点影响分数和节点映射分数的叠加总和；所述船舶组件与相邻的所述建造板块存在映射联动关系时，根据所述整个船舶构造的最终影响状态确定单个所述建造板块内每个所述船舶组件的最大影响偏差，在所述船舶组件与相邻的所述建造节点不存在映射联动关系时，根据对所述建造节点的节点建造分
数确定单个所述建造节点内每个所述船舶组件的最大影响偏差。
14.作为本发明的一种优选方案，根据当前建造板块的节点建造分数计算对相邻的建造节点的节点影响分数的实现方式为：先确定具有映射联动关系的所述船舶组件对应当前的所述建造节点的误差类别，根据当前所述建造节点的误差类别确定对相邻所述建造节点的影响系数值域；再根据具有映射联动关系的所述船舶组件的建造数据与对应的设定数据之间的差值所处范围确定对相邻所述建造节点的影响分数，且根据所述影响分数所处范围确定对相邻所述建造节点的影响系数个值，将所述影响系数个值作为联动影响系数。
15.作为本发明的一种优选方案，在步骤400中，整个船舶构造的整体分数的实现步骤：先单个建造节点的分数及其对整个船舶构造的影响系数乘积，得到单个建造节点对船舶构造的影响分数；再将所有建造节点的影响分数叠加作为整个船舶构造的分数；当整个船舶构造的分数与设定分数的误差范围超过设定值域时，则需要对引起联动状态的所述建造组件重新组装。
16.本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：本发明在船舶建造之前完成对船舶建造的数字化模型，通过数字孪生技术将船舶制造活动分段建造，并将建造过程中的数据转化为多段的传感数据，从而将来源不同的数据进行集成化处理，预判分段生产的数据信息对船舶分段建造的影响以及对整个船舶建造的性能影响，从而实现船舶建造精度的放大化处理，方便生产控制。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
18.图1为本发明实施例提供的船舶分段建造方法的流程示意图。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.如图1所示，本发明提供了一种基于数字孪生的船舶分段建造方法，本实施方式在船舶建造之前完成对船舶建造的数字化模型，通过数字孪生技术将船舶制造活动分段建造，并将建造过程中的数据转化为多段的传感数据，从而将来源不同的数据进行集成化处理，预判分段生产的数据信息对船舶分段建造的影响以及对整个船舶建造的性能影响，从而实现船舶建造精度的放大化处理，方便生产控制。
21.具体包括以下步骤：
步骤100、将船体三维设计图作为数字孪生图的物理结构，且依据船舶建造顺序将船舶分段划分为多个建造节点，将所述数字孪生图对应每个所述建造节点划分为多个建造板块。
22.所述船体三维设计图作为所述数字孪生图的静态物理模型，且单个所述建造板块内每个所述船舶组件的建造数据作为所述数字孪生图的动态传感数据，每个所述建造板块将具有映射联动关系的多个所述船舶组件定义对应船舶应用的一个船舶性能类别，且所述数字孪生图根据多个所述船舶组件之间的映射联动关系建立动态演示系统；所述动态演示系统接收到所述船舶组件的建造数据后，先模拟同一个所述建造板块内与该船舶组件具有映射联动关系的船舶组件之间的联动状态，并确定具有映射联动关系的船舶组件之间的联动状态对当前所述建造板块的直接影响状态，且所述动态演示系统再模拟两个相邻的所述建造板块的船舶组件之间的联动状态以及多个所述建造板块的联动状态对整个船舶构造的最终影响状态。
23.也就是说，在分段生产过程中，先归类每个建造板块中反映同一船舶建造性能且存在联动变化的船舶组件，实时监测归类为一个集合的每个船舶组件在生产时的建造数据，根据建造数据和联动状态确定该船舶建造性能预测数据以及对应的直接影响分数和直接影响系数，从而避免船舶制造过程中的所有船舶组件形成数据孤岛，本实施方式将数据进行联动处理来分析每段船舶的生产性能。
24.同时还建立了两个相邻建造板块之间的联动状态，当具有联动状态的某个船舶组件的生产数据偏离标准数据时，可以计算该船舶组件对相邻建造板块的影响能力，从而判断某个建造板块的某个船舶组件在建造时出现问题时对整体船舶的影响力，从而将船舶组件的建造从整体船舶的生产性能去放大判断，从而进一步的实现对船舶制造的精度控制。
25.步骤200、在所述数字孪生图内建立每个所述建造板块内的多个船舶组件之间的映射联动关系以及两个相邻所述建造板块内的所述船舶组件之间的映射联动关系，将同一个所述建造板块以及两个相邻建造板块内具有映射联动关系的多个船舶组件对应一个船舶性能类别。
26.同一个所述建造板块内具有映射联动关系的多个所述船舶组件之间存在同节点联动状态，其中一个所述船舶组件的建造数据与设定数据不等时，该同节点联动状态内的其他所述船舶组件的建造数据随之与对应的设定数据不等。
27.相邻两个所述建造板块内具有映射联动关系的多个所述船舶组件之间存在异节点联动状态，在其中一个所述船舶组件的建造数据与设定数据不等时，该异节点联动状态内的其他所述船舶组件的建造数据随之与对应的设定数据不等。
28.步骤300、实时监控每个所述建造节点内的船舶组件的建造数据，利用同一个所述建造板块内多个船舶组件的映射联动关系预算所述船舶组件对当前所述建造板块的影响系数，且利用两个相邻所述建造板块内的船舶组件的映射联动关系预算所述船舶组件对相邻所述建造板块的影响系数。
29.步骤400、预计每个所述建造板块的建造分数以及整个船舶构造的整体分数，根据预计的整体分数调整每个所述建造节点的船舶组件，以使得根据所述船舶组件建造数据预算的所述船舶构造的整体分数符合需求。
30.在步骤300中，根据实时监测的所述船舶组件的主动建造数据与所述船舶组件对
应的设定数据之间的差值所处范围确定该所述船舶组件的组件建造分数以及所述船舶组件对建造板块的影响系数，当前所述建造板块在所述船舶组件影响下的节点建造分数为组件建造分数与所述影响系数的乘积。
31.实时所述船舶组件所在的船舶性能类别与相邻的所述建造板块的船舶性能类别存在映射联动关系，根据当前所述建造板块内的船舶组件的被动建造数据与所述船舶组件对应的设定数据之间的差值所处范围确定该所述船舶组件的联动影响分数以及所述船舶组件对建造板块的联动影响系数，当前所述建造板块在所述船舶组件影响下的节点影响分数为联动影响分数与所述联动影响系数的乘积。
32.两个所述建造板块之间形成拼接面，且所述拼接面的拼接参数均两个所述建造节点均存在影响系数，且当具有映射联动关系的多个所述船舶组件对应多个误差类别时，整个船舶构造的最终影响状态为多个所述建造节点的内每个所述误差类别对应的影响系数叠加之和。
33.进一步说明的是，本实施方式的每个建造板块的性能都不完全独立，即使两个建造板块之间的建造组件不存在映射联动关系，那么由于一个建造板块的某一性能数据变化时，还可能会影响相邻建造板块的其他性能，比如说，即使两个建造板块之间的稳定性组件并不是联动的，但是当第一个建造板块的稳定性组件建造出现问题时，还有可能影响第二个建造板块的稳定性组件或者安全组件。
34.因此相当于说，一个建造板块的建造分数通过三个方面的影响，第一就是其自身的建造板块内包含的建造组件的性能数据，第二是，其自身的建造组件受其他的建造板块的建造组件同步影响，当其他建造板块的建造组件的数据超出设定阈值时，则该建造板块的某一建造组件以及同一个船舶性能类别的所有建造组件随之同步变化，超出设定阈值，导致建造分数受影响，第三是，当自身建造板块的建造组件与其他的建造板块的建造组件不存在映射联动关系时，当建造板块某一性能的数据变化对相邻建造板块的某一性能出现影响，则相邻建造板块的建造分数随着当前建造板块某一性能的数据变化而变化。
35.从而本实施方式通过上述三种分析方式，可以得到较为细致且较为精准的船舶建造联动关系，方便直接分析某一建造板块的某一建造组件性能发生变化时，对与其相邻板块的影响以及整个船舶性能的影响。
36.当前所述建造板块的所述船舶组件与相邻所述建造板块的船舶组件不存在映射联动关系时，确定所述船舶组件的建造数据与设定数据的差值确定节点建造分数以及对当前建造节点的影响系数，根据每个建造板块内所有船舶组件的组件建造分数以及所述船舶组件对该建造板块的影响系数以计算所述建造板块的节点建造分数；且根据相邻所述建造板块与当前所述建造板块之间的联动关系，根据相邻所述建造板块的所述船舶性能类别的联动影响分数和联动影响系数计算当前所述建造板块的节点影响分数。
37.当前所述建造板块的建造分数为当前所述建造板块的多个船舶性能类别对应的节点建造分数与所述船舶性能类别受到的联动状态影响的节点影响分数之和。
38.所述船舶组件与相邻的所述建造板块存在映射联动关系时，计算当前所述建造板块的建造分数的实现步骤为：确定每个所述建造板块内具有映射联动关系的多个建造组件的标准分数，且将具有映射联动关系的多个建造组件划分为同一个船舶性能类别，根据具有映射联动关系的多
个建造组件内至少一个建造组件的建造数据确定该船舶性能类别的团体建造数据，根据团体建造数据与设定数据之间的差值确定该船舶性能类别的组件建造分数以及所述船舶组件对该建造节点的影响系数，计算所述建造板块的节点建造分数，确定当前建造板块内受到相邻的所述建造板块内的船舶组件存在映射联动关系的船舶组件，计算当前建造板块内受到相邻所述建造板块影响的船舶性能类别的同步误差，根据受到相邻所述建造板块影响的船舶性能类别的团体建造数据与设定数据之间的差值确定该船舶性能类别的联动影响分数和联动影响系数，以计算当前所述建造板块的节点影响分数，确定相邻所述建造板块的船舶性能类别与当前所述建造板块之间的映射联动关系，计算相邻所述建造板块的船舶性能类别的团体建造数据所处范围确定对当前所述建造板块的同一船舶性能类别的组件影响分数以及对应的三阶影响系数，以计算当前所述建造板块的节点映射分数所述建造板块的节点映射分数，当前所述建造板块的建造分数为节点建造分数、节点影响分数和节点映射分数的叠加总和。
39.所述船舶组件与相邻的所述建造板块存在映射联动关系时，根据所述整个船舶构造的最终影响状态确定单个所述建造板块内每个所述船舶组件的最大影响偏差，在所述船舶组件与相邻的所述建造节点不存在映射联动关系时，根据对所述建造节点的节点建造分数确定单个所述建造节点内每个所述船舶组件的最大影响偏差。
40.根据当前建造板块的节点建造分数计算对相邻的建造节点的节点影响分数的实现方式为：先确定具有映射联动关系的所述船舶组件对应当前的所述建造节点的误差类别，根据当前所述建造节点的误差类别确定对相邻所述建造节点的影响系数值域。再根据具有映射联动关系的所述船舶组件的建造数据与对应的设定数据之间的差值所处范围确定对相邻所述建造节点的影响分数，且根据所述影响分数所处范围确定对相邻所述建造节点的影响系数个值，将所述影响系数个值作为联动影响系数。
41.而在上述两种情况中，确定当前的建造板块的节点影响分数与相邻的所述建造板块的节点建造分数之间影响关系的实现方法相同，均包括以下方式：确定每个所述建造板块内的多个所述船舶性能类别以及每个所述船舶性能类别的组件建造分数，获取当前所述建造板块在单个所述船舶性能类别影响下的节点建造分数。
42.建立两个相邻所述建造板块的多个所述船舶性能类别之间的匹配关系，确定其中一个所述建造板块内的单个所述船舶性能类别的节点建造分数所处范围对另一个所述建造板块的所述船舶性能类别的联动影响分数和联动影响系数，获得另一个所述建造板块的所述船舶性能类别的节点影响分数。
43.在步骤400中，整个船舶构造的整体分数的实现步骤：先单个建造节点的分数及其对整个船舶构造的影响系数乘积，得到单个建造节点对船舶构造的影响分数；再将所有建造节点的影响分数叠加作为整个船舶构造的分数；当整个船舶构造的分数与设定分数的误差范围超过设定值域时，则需要对引起联动状态的所述建造组件重新组装。
44.以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围
由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。