一种面向船舶管理的数字孪生远程运维系统的制作方法

1.本发明涉及运维系统领域，尤其涉及一种面向船舶管理的数字孪生远程运维系统。


背景技术：

2.船舶航行过程中遇到的许多事故是由于设备老化、缺乏维修保养等问题所致。针对船舶设备维护保养不及时以及发生故障无法快速处理等诸多问题，一些航运公司研发并使用面向船舶设备保养检验的数据库管理系统，在船舶营运管理中提高了效率。但数据库管理系统对船体结构的保养仍然停留在电子数据表格及纸质图纸配合的层次，缺少一套供船务公司管理人员管理和分析船舶运营各阶段信息的船舶运维管理系统，未能形成完善统一的数字化处理体系。为了更有效掌握和共享船舶运营阶段各项信息，促进管理的智能化、规范化和集成化，船舶运维管理智能系统的研发尤显必要。
3.为解决上述问题，本技术中提出一种面向船舶管理的数字孪生远程运维系统。


技术实现要素：

4.(一)发明目的
5.为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种面向船舶管理的数字孪生远程运维系统，本发明模拟3d可视化；实时交互和集成；及时发现运维计划中可能存在的问题。
6.(二)技术方案
7.为解决上述问题，本发明提供了一种面向船舶管理的数字孪生远程运维系统，包括应用功能层、处理层、船舶实体层和数字孪生模型层；
8.船舶实体层：实际存在并发挥作用的实体集合，用于负责完成船舶的使用、接受运行维护，并提供船舶实体空间的里的数据；
9.处理层：处理层为船舶综合体的信息处理平台，对物理层和模型层的各类数据、模型、知识和规则进行处理分析，并将结果存储到数据库中，处理层中的处理分析成果可作为应用功能层的操作依据直接使用,模型经过封装可被直接调用进行运维活动的仿真优化，存储在处理层中的数据具有大的数据特征，处理层是实现物理层和模型层融合互联；
10.应用功能层：经过处理层的互联协作，实现船舶综合体全生命周期数字化管理，通过分析商业综合体的实际运维需求，依靠处理层的处理分析成果，应用层功能进行船舶实体层和数字孪生模型层的运行调控,具体功能包括商业综合体运维管理流程优化、运行成本分析、设备效率分析、能耗管理服务、设备健康管理服务和应急消防管理；
11.数字孪生模型层分别与船舶实体层连接和处理层连接；
12.船舶实体层与处理层连接；处理层与应用功能层连接。
13.优选的，船舶实体层包括船舶结构、相关设备、采集设备和监控设备；船舶实体层对船舶结构数据和设备数据状态发送至数字孪生模型层进行设备模型、船舶模型、操作模
型和环境模块的模拟、计算、交互和控制。
14.优选的，数字孪生模型层包含设备模型、船舶模型、操作模型和环境模块，用于交互、计算和控制。
15.优选的，处理层包括数据库、数据分析处理平台和模型库；数据分析处理平台依托模型库和数据库进行数据的转换、数据计算、数据清洗、数据分组、数据检索、数据挖掘、数据组装、数据排序和数据的可视化，并将数据发送至应用功能层。
16.优选的，应用功能层包括船舶实时监测、设备监控管理、应急消防管理、能耗管理服务、管理流程优化和设备效率分析单元。
17.本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
18.真正模拟整个运行维护过程，不断地和实体船舶交换数据保证模型的准确性，及时发现运维计划中可能存在的问题，并实时调整和优化；在运行维护中，数字船舶继续积累实时船舶物的实时数据和知识，不断规范和优化其运行和维护流程，同时，数字船舶的逼真3d可视化可以为用户创造身临其境和互动的感受，有利于灵感和效率；数字船舶模型和相关信息可以与实际船舶叠加和交互，实现数字船舶与物理船舶的无缝集成，实时交互和集成。
附图说明
19.图1为本发明提出的一种面向船舶管理的数字孪生远程运维系统的结构示意图。
具体实施方式
20.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
21.如图1所示，本发明提出的一种面向船舶管理的数字孪生远程运维系统，包括应用功能层、处理层、船舶实体层和数字孪生模型层；
22.船舶实体层：实际存在并发挥作用的实体集合，用于负责完成船舶的使用、接受运行维护，并提供船舶实体空间的里的数据；
23.处理层：处理层为船舶综合体的信息处理平台，对物理层和模型层的各类数据、模型、知识和规则进行处理分析，并将结果存储到数据库中，处理层中的处理分析成果可作为应用功能层的操作依据直接使用,模型经过封装可被直接调用进行运维活动的仿真优化，存储在处理层中的数据具有大的数据特征，处理层是实现物理层和模型层融合互联；
24.应用功能层：经过处理层的互联协作，实现船舶综合体全生命周期数字化管理，通过分析商业综合体的实际运维需求，依靠处理层的处理分析成果，应用层功能进行船舶实体层和数字孪生模型层的运行调控,具体功能包括商业综合体运维管理流程优化、运行成本分析、设备效率分析、能耗管理服务、设备健康管理服务和应急消防管理；
25.数字孪生模型层分别与船舶实体层连接和处理层连接；
26.船舶实体层与处理层连接；处理层与应用功能层连接。
27.在一个可选的实施例中，船舶实体层包括船舶结构、相关设备、采集设备和监控设
备；船舶实体层对船舶结构数据和设备数据状态发送至数字孪生模型层进行设备模型、船舶模型、操作模型和环境模块的模拟、计算、交互和控制。
28.需要说明的是，此外，船舶实体的异构操作和维护元素需要通信以适应复杂和变化的环境。船舶要素个体既可以根据运行计划数据和扰动数据等规划自身的反应机制、也可以根据其他个体的请求做出响应,或者要求其他船舶要素在全局最优目标下响应并协调控制和优化他们各自的行为。
29.在一个可选的实施例中，数字孪生模型层包含设备模型、船舶模型、操作模型和环境模块，用于交互、计算和控制。
30.需要说明的是，该运维模型的数字孪生模型层本质上是各类模型的集合,包括三个层面的元素行为规则，在元素层面，数字孪生模型主要包括船舶物操作的数字化和人员，机器，船舶和环境等运行维护元素，通过数字化虚拟化的几何模型和物理模型，表征其物理属性，在行为层面，主要是在操作(例如日常工作)和干扰(例如紧急响应)情况下的一种行为模型,用于表征船舶运营维护的顺序,并发性和联动，在规则层面，它主要包括基于船舶物的众多操作和演化规律的评估，优化，预测和可追溯性的规则模型。
31.在运行时,操作和维护系统基于高度接近船舶物实体的模型执行操作和维护计划的迭代模拟分析。真正模拟整个运行维护过程，不断地和实体船舶交换数据保证模型的准确性，及时发现运维计划中可能存在的问题，并实时调整和优化。在运行维护中，数字船舶继续积累实时船舶物的实时数据和知识。不断规范和优化其运行和维护流程。同时，数字船舶的逼真3d可视化可以为用户创造身临其境和互动的感受，有利于灵感和效率。数字船舶模型和相关信息可以与实际船舶叠加和交互，实现数字船舶与物理船舶的无缝集成，实时交互和集成。
32.在一个可选的实施例中，处理层包括数据库、数据分析处理平台和模型库；数据分析处理平台依托模型库和数据库进行数据的转换、数据计算、数据清洗、数据分组、数据检索、数据挖掘、数据组装、数据排序和数据的可视化，并将数据发送至应用功能层。
33.需要说明的是，船舶孪生数据主要由四部分组成:与物理船舶相关的数据、虚拟船舶相关的数据、与船舶运行维护系统相关的数据，以及三者融合产生的数据。与物理船舶相关的数据主要包括船舶要素数据、使用活动数据以及操作和维护过程数据等。运行维护过程数据主要包括人员、设备、能源和其他协同效应，以完成船舶使用和运行的过程数据，如工作状态数据、能耗数据、设备健康数据等。虚拟船舶相关的数据主要包括虚拟船舶运行数据和操作所需数据，例如模型数据、模拟数据以及评估，优化和预测数据。与船舶物运行和维护系统相关的数据包括从企业的最高管理层到底层的操作和维护控制的数据，例如企业供应链管理数据，企业资源管理数据，销售/服务管理数据，运维管理数据，人事管理数据等。上述整合产生的数据是指物理船舶、虚拟船舶和船舶运营维护系统的数据整合。在统计、关联、聚类、演化、回归及泛化等操作下的衍生数据。
34.船舶孪生数据为数字孪生运维提供了全功能、全流程、全方位服务的数据集成和共享平台，消除信息孤岛。在整合的基础上，船舶孪生数据深入整合到数据中库，其数据不断更新和扩展，它是物理船舶，虚拟船舶，船舶运行和维护系统以及两者之间相互作用的驱动。
35.在数字孪生的运行和维护中,物理船舶,虚拟船舶和船舶运维系统不断互动，反复
优化。在运维过程中，虚拟船舶物实时监控物理船舶物的运行，根据物理船舶物的实时状态生成优化计划，并反馈指导物理船舶物的使用和运行维护。在迭代优化中，以最佳方案执行操作和维护过程。在上述三次迭代优化中，数字双胞胎操作和维护不断优化和改进。
36.在一个可选的实施例中，应用功能层包括船舶实时监测、设备监控管理、应急消防管理、能耗管理服务、管理流程优化和设备效率分析单元。
37.需要说明的是，当船舶运维系统接到一个操作指令(如调整空调功率)时，运行维护平台中的每个子系统(如能耗监测、设备健康管理等)由船舶物元素管理的历史数据和船舶物孪生数据中其他相关数据驱动，根据操作指令，管理和配置船舶元素，得到完成任务要求和约束条件并与其他相关环节关联的初始资源配置方案。运行维护平台获取物理船舶的人员、设备、能源等船舶元素的实时数据，并分析，评估和预测元素的状态，在此基础上，对初始资源分配方案进行了修订和优化，并以控制命令的形式将该方案发布到物理船舶。在控制指令的控制下，物理船舶将船舶物元素调整到合适的状态,并连续地将实时数据发送到操作和维护平台以进行评估和预测。当实时数据与解决方案冲突时，运行维护平台再次纠正解决方案并发出相应的控制指令。重复该迭代直到船舶要素的管理方案最优。
38.实体船舶接收上述操作指令，按照指令调整设备。在实际操作过程中，物理船舶物将实时数据传输到虚拟船舶,虚拟船舶物根据物理船舶物的实时状态更新状态，将物理船舶物的实际运行数据与预定义的生产计划数据进行比较。如果两者的数据不一致,则虚拟船舶物识别物理船舶物的干扰因素并在干扰因素的影响下模拟操作过程。虚拟船舶基于实时模拟数据，实时运营数据，历史运营数据和船舶孪生数据，从全要素、全流程、全方位服务的角度评估，优化和预测运营流程，它以实时控制指令的形式作用于物理船舶，并优化操作过程。重复此迭代，直到运行过程方案最佳。在此阶段生成的数据存储在船舶物数据库中，并与现有数据融合，作为后续阶段的驱动程序。
39.应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。