近日，新加坡推出其首个海事数字孪生项目，该项目由新加坡港务局与新加坡政府技术局合作开发，包括实时船舶监控、可视化船体检查和清洁等。该项目的落地标志着数字孪生技术在海事领域的应用再出新成果。

作为船舶智能化发展的关键技术之一，数字孪生技术通过高精度的虚拟模型，可精准地实时映射物理船舶的全生命周期，涵盖从设计、建造到运营维护的各个环节，为船舶行业的数字化转型提供坚实的技术支撑。船舶设计是船舶制造的核心环节之一，是一个复杂的系统工程，涉及多学科、多部门协作，传统设计流程存在诸多挑战，如设计与建造衔接不畅、系统设计方案难以验证等。数字孪生技术通过构建高精度虚拟模型，实现设计阶段的虚拟与优化，为解决传统设计问题提供了新思路。

虚拟建模与协同设计

在最初的船舶设计阶段，数字孪生技术可实现虚拟建模和多学科协同设计，打破传统设计中的信息孤岛。通过构建高精度的虚拟模型，船体、动力、机械、电气等各系统的设计团队能够在同一虚拟平台上进行高效协作，实时共享设计数据。这种协同设计方式不仅提高了设计效率，还确保了设计方案的全面性和一致性，为后续的建造和运营奠定坚实基础。

首先，三维建模与多学科集成优化。通过数字孪生技术可构建高精度的虚拟船舶模型，实现船体、动力、机械、电气等多系统的集成设计。与此同时，还可将流体力学、结构力学、热力学等虚拟模块集成到同一孪生模型中，避免传统“分段优化”的局限性。设计部门、船东、供应商等利益相关方可以通过虚拟模型进行高效沟通，提升设计效率。例如荷兰达门造船集团利用数字孪生技术对船体进行优化设计，通过虚拟模型模拟不同的船体形状、结构和流体动力学性能，减少了水流阻力，提高了船舶航行效率。这种优化不仅提升了船舶性能，还降低了运营成本。哈尔滨工程大学开发了船舶数字孪生基础软件平台，目标是实现物理船和数字船的实时同步和信息交互，通过在线学习和迭代进化提升数字孪生模型的精度。为研究这套软件专门制造了实验船“海豚1”号，并在此基础上开展了多项实验，解决了模型修正、环境孪生等多个问题。通过机器学习，实现了航行模型的不断进化，使实验船的阻力估算精度提高了5%。

第三，设计与工艺协同。通过将设计模型与工艺知识深度融合，数字孪生技术能够实现从设计到制造的无缝衔接，显著提升船舶建造的效率和质量。这种融合不仅优化了设计流程，还确保了设计方案在实际建造中的可操作性和高效性。例如，江南造船基于达索系统公司的三维体验平台进行了二次开发，将丰富的建造经验和工艺知识融入到设计模型中。通过高精度的三维建模，设计团队能够在同一虚拟平台上进行高效协作，实时共享设计数据，提前发现并解决潜在的设计冲突。这种多学科协同设计方式不仅提高了设计的精准度，还缩短了建造周期，降低了成本。

设计方案验证与优化

通过数字孪生技术构建高精度的虚拟模型，设计师能够直观地评估船舶的空间布局、设备的可操作性和可维护性。这种虚拟环境使得设计团队能够在早期阶段就发现潜在的设计冲突，例如设备之间的干涉、空间不足或操作流程的不合理等问题。一旦发现问题，设计师可以迅速在虚拟模型中进行调整和优化，确保设计方案的可行性和高效性。这种基于数字孪生的验证和优化过程，不仅提高了设计质量，还减少了后期建造阶段的返工和修改，从而节省了时间和成本，提升了整个船舶设计和建造过程的效率。

首先，通过构建高精度的虚拟船舶模型，设计团队能够进行多轮次的迭代仿真分析，模拟从设计到建造的全过程。这种仿真分析不仅涵盖了船舶的结构强度、流体动力学性能，还包括设备的运行状态、系统的集成效果以及操作流程的合理性。借助虚拟模型，设计团队可以提前发现潜在问题，如结构缺陷、性能不足、系统兼容性问题等，并通过多次迭代优化设计方案。每次迭代都基于前一次的分析结果进行调整，确保设计方案在实际建造前达到最优状态。这种基于数字孪生的仿真分析与迭代过程，不仅提高了设计的精准度和可靠性，还显著缩短了设计周期，降低了设计成本，为船舶建造的顺利进行提供了坚实保障。例如，船级社联合多家机构建立开放虚拟平台，降低船舶机电液系统集成与虚拟验证难度。

其次，通过将虚拟船舶模型与设备供应商提供的设备级模型集成，设计团队可以在虚拟环境中对船舶的各个子系统进行详细的匹配性评估和性能优化。例如，通过模拟不同工况下的动力系统、推进系统、电气系统等的协同工作，提前发现潜在的兼容性问题，并进行优化调整。这种基于数字孪生的集成和优化过程，不仅提高了设计的精准度和可靠性，还可确保整船性能的最优化，减少后期建造和运营中的问题，提升船舶的整体质量和竞争力。

第四，虚拟风洞与水池测试。通过高保真CFD(计算流体动力学)虚拟模型替代部分物理模型试验，这不仅显著降低了设计和测试成本，还扩展了测试场景，包括极端波浪等复杂工况，提高了设计效率和质量，为船舶设计提供了更全面的性能评估和优化手段。例如美国NASA与Huntington Ingalls工业公司为航母设计开发数字孪生风洞，模拟甲板气流对舰载机起降的影响，实体风洞测试次数减少了大半。

可持续及体验优化

数字孪生技术还支持虚拟现实(VR)和增强现实(AR)技术的应用，为设计人员提供沉浸式的设计体验，进一步提升设计效率和质量。

首先，通过构建高精度虚拟模型，能够量化不同设计方案的碳排放、噪音污染等环境影响，为设计团队提供详尽的环境影响数据。基于这些数据，设计人员可以对比分析各方案的环境绩效，从而做出更绿色、更环保的设计决策。例如，通过模拟不同船体线型和推进系统的能效，选择最优方案以降低碳排放；评估各种材料和设备的噪音水平，优化设计以减少噪音污染。这种评估不仅有助于满足日益严格的环保法规，还能提升船舶的市场竞争力，推动船舶行业向绿色可持续方向发展。例如，德 国Meyer Werft船厂为某邮轮评估氢燃料电池与LNG双燃料方案的碳足迹，利用数字孪生技术构建了高精度的虚拟模型，设计团队能够详细模拟和评估不同燃料方案在全生命周期内的碳排放情况，结果显示前者全生命周期减排更优，这一评估结果为邮轮的技术选型提供了重要依据。

其次，通过在孪生模型中嵌入供应链数据，如钢材价格、设备交货周期等，设计团队能够实时评估设计变更对成本和工期的影响。这种模拟不仅涵盖了材料成本的动态变化，还考虑了设备供应的及时性，确保设计团队在做出决策时能够全面了解其对项目预算和进度的潜在影响。例如，当钢材价格波动或设备交货延迟时，设计团队可以迅速调整设计方案，以优化成本和缩短工期，从而提高项目的整体效率和经济效益。日本今治造船便应用数字孪生系统关联供应商数据库，设计阶段即预测某型散货船的建造成本波动，帮助船东锁定最佳订单窗口。

第三，结合VR与AR技术，该应用可为设计人员和工程师提供沉浸式设计体验。通过VR技术，设计团队可以身临其境地进入虚拟船舶模型，直观感受空间布局和设计细节，实时进行调整和优化。AR技术则支持远程协作，专家即使身处异地，也能通过增强现实设备实时指导现场操作，提升协同效率。同时，VR和AR技术还广泛应用于人员培训，通过模拟真实场景，让员工在安全的虚拟环境中进行操作演练，提前熟悉设备操作流程和应急处理方法，显著提升培训效果和人员操作技能。此外，通过VR交互，设计团队还可与船东、供应商等利益相关方能够高效沟通，提升设计效率。例如，独立集装箱船租赁船东Seaspan引入了3D沉浸式VR系统，开发了名为HoloShip的平台。该平台由可视化公司Virtalis定制开发，于2021年底安装在Seaspan公司总部。平台有一面5.6米的“活动墙”，多名船舶设计人员戴上3D眼镜，可以沉浸在同一个3D环境中，同时场外合作伙伴也可远程参与。通过该平台，设计师可以实时浏览和测试设计，优化组件装配和功能运行。