Российские ученые верифицировали цифрового двойника судна на реальных данных

Исследователи Tazmar Maritime в тесном сотрудничестве с учеными ГМУ имени адмирала Ф. Ф. Ушакова (Новороссийск), Томского политехнического университета, Московского политеха, Новосибирского государственного технического университета, Сибирского федерального университета (Красноярск), Сибирского государственного университета науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева (Красноярск) и МГТУ им. Н. Э. Баумана успешно провели частичную верификацию цифрового двойника судна на реальных данных. Объединение моделей различных подсистем в единую цифровую модель судна дает возможность комплексно проанализировать их взаимодействие, найти скрытые проблемы. Верификация же моделей на реальных данных повышает доверие к результатам моделирования. Результаты исследования опубликованы в международном научном журнале Energies.

Автономные судовые системы являются критически важными для безопасной и эффективной работы современных судов. Они включают в себя широкий спектр компонентов — от систем навигации и управления движением до энергетических установок и механизмов. Сбои или неоптимальная работа таких систем могут привести к серьезным последствиям, авариям, простоям судна, финансовым потерям.

При этом судовые системы функционируют в сложных и изменчивых условиях морской среды. На них воздействуют различные внешние факторы — волнение, ветер, течения, температура, соленость и т. д. Также имеет место взаимовлияние между различными судовыми подсистемами, которое не всегда очевидно учесть на этапе проектирования. Все это создает предпосылки для возникновения нештатных ситуаций.

Другой вызов — растущая сложность и интеллектуализация судовых систем, особенно с внедрением технологий автономного судовождения. Алгоритмы управления становятся все более продвинутыми, обрабатывают огромные массивы данных от многочисленных сенсоров. Возможные ошибки в логике их работы, некорректные настройки чреваты непредсказуемым поведением судна.

Всесторонняя отладка и тестирование автономных судовых систем видятся обязательным этапом при их разработке и совершенствовании. Это позволяет выявить потенциальные проблемы, отклонения в работе на ранних стадиях и устранить их. Тем самым повышается надежность, безопасность и эффективность эксплуатации судов.

В ходе исследования командой ученых была разработана методология объединения математических моделей различных подсистем судна (гребного вала, главного двигателя, синхронного генератора, системы управления и др.) в единую цифровую модель. Для ряда ключевых моделей, таких как модели износа поршневых колец двигателя, вибраций гребного вала и дефектов генератора, верификация проведена на данных реального контейнеровоза COSCO Long Beach (ММО 9285677), построенного компанией HHI в 2004 году.

На основе данных по износу поршневых колец, полученных в ходе эксплуатации контейнеровоза, построена нейросетевая модель, связывающая износ с режимами работы двигателя. Модель позволяет прогнозировать износ по показаниям датчиков и планировать обслуживание.

Предложенный инструментарий интеграции моделей с геоинформационной платформой создает, по сути, виртуальный полигон, на котором можно безопасно и эффективно тестировать и отлаживать автономные судовые системы с учетом влияния среды. Все это направлено на повышение их надежности и безаварийности работы в реальных условиях.

По словам Игоря Бойчука, к. т. н., руководителя исследовательских проектов Tazmar Maritime, ключевая идея заключается в комбинировании различных типов моделей — аналитических, имитационных, логических, алгоритмических. Это позволило всесторонне описать разнообразные физические процессы, протекающие в судовых системах, и их взаимодействие. Алексей Лукьянов, генеральный директор Tazmar IT-Solutions, отмечает, что интеграция моделей с платформой GISMA позволила получить мощную систему цифровой реальности, которая открывает новые возможности для создания эффективных и безопасных беспилотных судов.

Результаты верификации подтвердили адекватность моделей и их применимость для решения практических задач. Разработанный комплекс программных средств обеспечил описание функционирования судна с учетом специфики различных акваторий и условий. Проведено численное моделирование динамики судна и его критически важных систем.

Во-первых, эксперты отмечают комплексность и многоуровневость предлагаемого моделирования. Авторы исследования применяют широкий спектр методов (аналитические, имитационные, логические, алгоритмические модели, нейросети, цифровые двойники) и объединяют модели различных судовых подсистем в единую цифровую модель судна. Такой многогранный подход позволяет учесть множество факторов и взаимосвязей между ними, что зачастую невозможно при использовании какого-либо одного метода моделирования или разрозненных моделей отдельных систем.

Во-вторых, важным достоинством является привязка разработанных моделей к реальным данным, полученным в ходе эксплуатации контейнеровоза COSCO Long Beach. Верификация на основе эмпирической информации повышает достоверность моделирования по сравнению с чисто теоретическими подходами. В-третьих, интеграция моделей в геоинформационную среду открывает возможности для пространственного моделирования и анализа влияния внешней обстановки на работу судовых систем.

Исследования проводились с использованием программного обеспечения GISMA, зарегистрированного в реестре российского ПО. Разработчики планируют дальнейшее развитие платформы и методов моделирования для повышения уровня автономности судов и расширения условий их применения.

Татьяна Мейлахс