一种大型船舶任务系统数字孪生模型构建方法技术方案

本发明专利技术提出了一种大型船舶任务系统数字孪生模型构建方法，包括：描述船舶任务系统的物理实体参数，通过物理实体参数构建船舶任务系统实体模型；通过数据采集设备采集船舶任务系统的实时数据和历史数据，通过实时数据和历史数据构建船舶任务系统孪生数据模型；通过舰载数据通信方法结合指定数据格式构建船舶任务系统连接交互模型，通过船舶任务系统连接交互模型进行船舶任务系统实体模型和船舶任务系统孪生数据模型之间的动态连接和数据交互。通过构建船舶任务系统的实体模型、孪生数据模型和连接交互模型，将船舶任务系统的物理实体参数、动态运行数据以及实时状态数据同时描述在一个船舶任务系统数字孪生模型，提高船舶任务决策的效率和安全性。务决策的效率和安全性。务决策的效率和安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种大型船舶任务系统数字孪生模型构建方法


[0001]本专利技术涉及船舶任务决策
，尤其涉及一种大型船舶任务系统数字孪生模型构建方法。

技术介绍

[0002]随着航运事业的迅猛发展，水域上的船舶管理会更加复杂。同时，船舶管理影响着船舶航行安全、水域环境、人员安全等多个方面，专业化的船舶管理可以最大限度的提高资源使用效率，降低成本，确保船员安全，提高服务质量等。船舶的任务系统升级改进周期长，数据采办效率待提升，任务系统软件对于有效发挥任务能力至关重要。当前的软件采办仍沿用20世纪90年代的方法，软件研发被划分为需求开发、方案分析、技术开发、工程与制造开发生产部署和使用保障等阶段，只有完成本阶段任务并满足下一阶段标准后才能继续推进。
[0003]中国专利CN116029215A《船舶任务执行模型训练与船舶任务执行方法及相关设备》公开了一种船舶任务执行模型训练与船舶任务执行方法及相关设备，通过船舶任务执行模型根据监测船舶对应的船舶特征，获得监测船舶的预测类别与预测到港时间。然而上述专利执行船舶任务时需要依次完成各阶段的任务，才能推进整个船舶任务执行，缺乏有效的连续分析手段，多方位预测未来船舶平台性能和海洋环境情况。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提出了一种大型船舶任务系统数字孪生模型构建方法，通过构建船舶任务系统的实体模型、孪生数据模型以及实体模型和孪生数据模型之间的连接交互关系，将船舶任务系统各个平台任务系统的部署效率提高，通过物理实体和虚拟空间二者的结合，解决了目前船舶任务执行效率偏低，且缺乏有效的连续分析手段的问题。
[0005]本专利技术的技术方案是这样实现的：本专利技术提供了一种大型船舶任务系统数字孪生模型构建方法，包括以下步骤：
[0006]S1，描述船舶任务系统的物理实体参数，通过物理实体参数构建船舶任务系统实体模型；
[0007]S2，通过数据采集设备采集船舶任务系统的实时数据和历史数据，通过实时数据和历史数据构建船舶任务系统孪生数据模型；
[0008]S3，通过舰载数据通信方法结合指定数据格式构建船舶任务系统连接交互模型，通过船舶任务系统连接交互模型进行船舶任务系统实体模型和船舶任务系统孪生数据模型之间的动态连接和数据交互。
[0009]优选的，步骤S1包括以下步骤：
[0010]S11，根据船舶任务过程涉及的静态物理属性，进行对象属性参数初始化；
[0011]S12，根据船舶任务过程涉及的动态物理属性，构建孪生系统模型；
[0012]S13，根据静态物理属性之外的物理实体参数，构建船舶航行运动学模型、雷达扫
描器运动学模型和声呐基阵动力学模型；
[0013]S14，描述物理实体的虚拟可视化属性，建立组件库管理实体模型，存放所述虚拟可视化属性。
[0014]优选的，所述静态物理属性包括船舶重量、排水量、吃水深度、航行速度、材质以及任务支援系统的初始反应时间、双波段雷达的最大探测范围、拖曳阵列声纳的最大搜索深度。
[0015]优选的，所述船舶航行运动学模型考虑船舶受到攻击、外界作用力、海浪速度以及船舶航向、航速的影响而产生的摇摆，通过谱分析法进行各种异构影响要素之间不规则函数关系的分析，建立船舶任务过程中摇荡运动的运动谱与异构要素谱之间的关系：
[0016]所述雷达扫描器运动学模型构建过程为：通过建立地面、横滚组件固连、方位组件固连和俯仰组件固连四套坐标系以及三个转角来表示这四套坐标系之间的相对位置，通过简化扫描器结构建立扫描器CAE模型，结合实际运动情况设置约束条件，并通过控制俯仰、方位、横滚方向的最大角速度和角加速度在规定范围内为驱动条件，建立三个运动方向的6个驱动方程，得到雷达扫描器运动学模型：
[0017][0018][0019]其中，ω
俯仰
(t)，ω
方位
(t)和ω
横滚
(t)为三个运动方向的角速度，α
俯仰
(t)，α
方位
(t)和α
横滚
(t)为三个运动方向的角速度，d为弧度单位，time为船舶任务执行时间；
[0020]所述声呐基阵动力学模型构建过程为：建立惯性坐标系、首向坐标系、舰体坐标系和声呐基阵坐标系，结合声呐基阵原理结构建立外框架坐标系、中框架标系和内框架坐标系以及外框架坐标系、中框架标系和内框架坐标系之间的变换矩阵，建立各框架的速度、角速度、惯量阵和动量矩间的变换关系，然后运用刚体动量定理和动量矩定理建立声呐基阵内框架、内
‑
中框架组合体及内
‑
中
‑
外框架组合体的三自由度矢量形式的旋转运动方程，得到声呐基阵动力学模型：
[0021][0022]其中L为各框架的动量矩，t为时间，Ω为各框架的角速度，U为各框架的速度，H为各框架的转矩。
[0023]优选的，步骤S2包括以下步骤：
[0024]S21，使用数据采集设备实时采集船舶任务系统的实时数据和历史数据，由实时数据和历史数据组成船舶任务系统孪生数据；
[0025]S22，对船舶任务系统孪生数据进行动态统一建模，得到船舶任务状态数据统一本体模型；
[0026]S23，完成动态统一建模后，通过数据填补、数据去噪、数据去冗余和数据清洗对船舶任务系统孪生数据进行集成化管理；
[0027]S24，集成化管理完成后，对船舶任务系统孪生数据进行动态分析，获取船舶任务过程中船舶任务系统的主要信息，生成与任务目标和船舶任务相关性更高的信息。
[0028]优选的，所述动态统一建模过程为：采用基于本体的船舶任务过程数据统一建模技术，通过定义船舶任务状态数据的规范概念，采用RDP形式化系统概述、XML形式化语法分析和RDF形式化语义分析，建立数据信息之间的属性关联，描述概念属性的约束关系，建立包括船舶结构本体、船舶子系统本体和船舶航行过程本体的船舶任务状态数据统一本体模型。
[0029]优选的，所述集成化管理过程为：
[0030]采用数据填补、数据去噪、数据去冗余和数据清洗对船舶任务系统孪生数据进行检测，发现其中存在的不一致以及错误，剔除或修正错误数据，对数据缺失值进行填补；
[0031]取数据集为A(B1，...，B
n
)，B
i
(i∈[1，n])为子系统，n为子系统的数量，子系统的数据特征分布为B
i
(b
i1
，b
i2
，...，b
im
)，m为特征的数量；
[0032]对数据集A(B1，...，B
n
)中的缺失数据选择同一列的其他已知数据进行填补，得到数据集A
′
；
[0033]使用数据集A
′
训练关系模型，根据训练得到的关系模型对数据集进行插补过程为：
[0034][0035]其中，Pr(b
′
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大型船舶任务系统数字孪生模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，描述船舶任务系统的物理实体参数，通过物理实体参数构建船舶任务系统实体模型；S2，通过数据采集设备采集船舶任务系统的实时数据和历史数据，通过实时数据和历史数据构建船舶任务系统孪生数据模型；S3，通过舰载数据通信方法结合指定数据格式构建船舶任务系统连接交互模型，通过船舶任务系统连接交互模型进行船舶任务系统实体模型和船舶任务系统孪生数据模型之间的动态连接和数据交互。2.如权利要求1所述的一种大型船舶任务系统数字孪生模型构建方法，其特征在于，步骤S1包括以下步骤：S11，根据船舶任务过程涉及的静态物理属性，进行对象属性参数初始化；S12，根据船舶任务过程涉及的动态物理属性，构建孪生系统模型；S13，根据静态物理属性之外的物理实体参数，构建船舶航行运动学模型、雷达扫描器运动学模型和声呐基阵动力学模型；S14，描述物理实体的虚拟可视化属性，建立组件库管理实体模型，存放所述虚拟可视化属性。3.如权利要求2所述的一种大型船舶任务系统数字孪生模型构建方法，其特征在于，所述静态物理属性包括船舶重量、排水量、吃水深度、航行速度、材质以及任务支援系统的初始反应时间、双波段雷达的最大探测范围、拖曳阵列声纳的最大搜索深度。4.如权利要求2所述的一种大型船舶任务系统数字孪生模型构建方法，其特征在于，所述船舶航行运动学模型考虑船舶受到攻击、外界作用力、海浪速度以及船舶航向、航速的影响而产生的摇摆，通过谱分析法进行各种异构影响要素之间不规则函数关系的分析，建立船舶任务过程中摇荡运动的运动谱与异构要素谱之间的关系：所述雷达扫描器运动学模型构建过程为：通过建立地面、横滚组件固连、方位组件固连和俯仰组件固连四套坐标系以及三个转角来表示这四套坐标系之间的相对位置，通过简化扫描器结构建立扫描器CAE模型，结合实际运动情况设置约束条件，并通过控制俯仰、方位、横滚方向的最大角速度和角加速度在规定范围内为驱动条件，建立三个运动方向的6个驱动方程，得到雷达扫描器运动学模型：控制最大角速度控制最大角加速度其中，ω
俯仰
(t)，ω
方位
(t)和ω
横滚
(t)为三个运动方向的角速度，α
俯仰
(t)，α
方位
(t)和α
横滚
(t)为三个运动方向的角速度，d为弧度单位，time为船舶任务执行时间；所述声呐基阵动力学模型构建过程为：建立惯性坐标系、首向坐标系、舰体坐标系和声呐基阵坐标系，结合声呐基阵原理结构建立外框架坐标系、中框架标系和内框架坐标系以
及外框架坐标系、中框架标系和内框架坐标系之间的变换矩阵，建立各框架的速度、角速度、惯量阵和动量矩间的变换关系，然后运用刚体动量定理和动量矩定理建立声呐基阵内框架、内
‑
中框架组合体及内
‑
中
‑
外框架组合体的三自由度矢量形式的旋转运动方程，得到声呐基阵动力学模型：其中L为各框架的动量矩，t为时间，Ω为各框架的角速度，U为各框架的速度，H为各框架的转矩。5.如权利要求1所述的一种大型船舶任务系统数字孪生模型构建方法，其特征在于，步骤S2包括以下步骤：S21，使用数据采集设备实时采集船舶任务系统的实时数据和历史数据，由实时数据和历史数据组成船舶任务系统孪生数据；S22，对船舶任务系统孪生数据进行动态统一建模，得到船舶任务状态数据统一本体模型；S23，完成动态统一建模后，通过数据填补、数据去噪、数据去冗余和数据清洗对船舶任务系统孪生数据进行集成化管理；S24，集成化管理完成后，对船舶任务系统孪生数据进行动态分析，获取船舶任务过程中船舶任务系统的主要信息，生成与任务目标和船舶任务相关性更高的信息。6.如权利要求5所述的一种大型船舶任务系统数字孪生模型构建方法，其特征在于，所述动态统一建模过程为：采用基于本体的船舶任务过程数据统一建模技术，通过定义船舶任务状态数据的规范概念，采用RDP形式化系统概述、XML形式化语法分析和RDF形式化语义分析，建立数据信息之间的属性关联，描述概念属性的约束关系，建立包括船舶结构本体、船舶子系统本体和船舶航行过程本体的船舶任务状态数据统一本体模型。7.如权利要求5所述的一种大型船舶任务系统数字孪生模型构建方法，其特征在于，所述集成化管理过程为：采用数据填补、数据去噪、数据去冗余和数据清洗对船舶任务系统孪生数据进行检测，发现其中存在的不一...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡洋，徐文君，冯浩，陈杰，郑冕，陈曦，许梓健，李松，
申请(专利权)人：中国舰船研究设计中心，
类型：发明
国别省市：