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工信部装备司文件首提数字孪生关键技术

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发表时间:2020-05-08 16:15


2020年4月30日,工信部装备工业二司船舶处发布公告,为《智能船舶标准体系建设指南》征求意见。该建设指南在建设内容之“关键技术应用标准”中,明确指出了要建设“数字孪生(体)”。

在列举智能船舶关键技术应用中,共列举了7项关键技术,它们分别是信息感知、网络与通信、网络安全与信息安全、数据管理与应用、系统集成、分析与控制、数字孪生(体)。建设指南中对于数字孪生(体)的说明如下:“数字孪生标准主要包括数字映射、协同交互等标准。其中:数字映射标准主要对智能船舶物理场景和数字孪生模型场景的实时同步映射进行规定,用于指导智能船舶虚实融合场景的构建;协同交互标准主要对数字孪生模型场景与实际物理场景的信息协同交互要求进行规定,用于实现智能船舶虚实融合场景协同交互。”在强调数字孪生体重点的时候,建设指南明确:“典型场景数字孪生模型构建、虚实融合场景实时映射技术等数字映射标准,模型场景与物理场景间多物理量信息协同交互标准。”数字孪生体联盟理事长胡权表示,工信部关注到“数字孪生体”非常重要,借此可以加强数字孪生体的研究,通常“数据交换”(Data Exchange)是国外上个世纪的工作目标,我国应该准确认识到“数据分享”(Data Sharing)才是主攻方向。
附录:《智能船舶标准体系建设指南》(征求意见稿)

一、前言

大力发展智能船舶是促进我国船舶工业产业结构调整、加快新旧动能转换、提升国际竞争力的重要途径之一,同时也是航运、港口、物流等行业实现降本增效的重要手段,已成为航运与造船领域发展的必然趋势。近年来,在市场需求和产业政策推动下,我国智能船舶技术攻关、系统研发与实船建造取得了积极进展,工程化应用成效初显,形成了一定的技术积累和产业基础,总体处于国际先进水平。在国际公约规则、标准规范方面,国际海事组织(IMO)成立了海上水面自主船舶(MASS)工作组,提出了MASS定义和4个自主化等级,启动了MASS相关法规梳理和适用性分析工作,并制定了MASS试航指南。国际船级社协会(IACS)发布了12项针对船舶网络安全的建议案,中国船级社、英国劳氏船级社、DNV GL船级社等国际主要船级社先后发布了有关智能船舶的规范指南。国际标准化组织(ISO)启动了“智能航运标准化路线图”制定工作,日本、韩国、中国、挪威等在MASS术语、网络安全、船载数据服务器、通信协议等方面积极制定国际标准;国际电工委员会(IEC)高度关注虚拟仿真、智能化、自动化、物联网、系统集成等技术标准的发展;国际电信联盟(ITU)正积极开展物联网大数据、物联网网关、智慧可持续发展城市等国际标准化工作。近年来,我国造船、航运、船检等有关单位围绕智能船舶术语、分级分类、信息资源标识、辅助自动驾驶、智能能效管理、智能机舱运维、智能系统测试与验证等开展了相关标准的研究与编制工作,取得了一定成效,但智能船舶标准体系仍未建立,智能船舶标准的范围、发展方向和建设重点仍不明确,在基础共性、关键技术应用、船舶研发设计与测试验证、岸基保障服务、船舶运营管理等领域仍存在较多标准缺项,参与国际标准化活动的广度和深度不足,无法为我国智能船舶的设计建造和运营管理提供全方位支撑。2018年12月,工业和信息化部、交通运输部、国防科工局联合印发《智能船舶发展行动计划(2019-2021年)》,将建立智能船舶标准体系列为行动目标和重点任务,明确提出研究制定智能船舶规范和标准体系建设指南。2019年5月,交通运输部、中央网信办、国家发展改革委、教育部、科技部、工业和信息化部、财政部等七部门联合发布《智能航运发展指导意见》,指出以法规、标准、规范制定为重点,加快构建智能航运治理体系。围绕上述发展要求,工业和信息化部联合国家标准委、交通运输部组织智能船舶相关标准化研究机构、设计院所、系统设备研制单位、建造企业、船检机构、航运企业、高等院校等研究编制《智能船舶标准体系建设指南》。

总体要求

(一)指导思想

以国家建设制造强国、海洋强国、交通强国战略部署为指导,以《智能船舶发展行动计划(2019-2021年)》、《智能航运发展指导意见》为行动纲领,以加快推进造船、航运智能化转型并实现国际接轨为目的,建立智能船舶标准体系,为相关标准的制定和管理提供依据,充分发挥标准在智能船舶研发、设计、生产、管理与服务等全过程中的支撑和引领作用,全面提升产业创新能力和国际综合竞争力,实现高质量发展。

(二)发展原则

1、聚焦船舶、面向航运,落实智能船舶、智能航运发展国家战略要求。紧密围绕《智能船舶发展行动计划(2019-2021年)》、《智能航运发展指导意见》的行动目标和重点任务,建立形成覆盖智能船舶研发设计、测试验证、运营管理的标准体系,统筹兼顾造船、航运、海事等发展需求,支撑智能船舶、智能航运产业发展。

2、国际接轨、主动占位,与国际海事公约规则、标准规范顶层要求总体协调。与IMO、IACS、ISO等制定和颁布的国际要求总体协调,同时做好具体支撑与细化落实。积极采用先进适用的国际标准和国外先进标准,主导制定国际标准,加快提升标准的国际化程度和水平。

3、需求牵引、技术推动,与智能船舶科技和产业发展阶段相适应、相同步。聚焦当前及今后一段时期智能船舶科技和产业发展需要,紧密结合智能船舶相关技术和产品的市场需求和应用需求,与信息化、网络化、智能化技术应用以及智能船舶设计、智能船载系统设备研制、智能船舶测试与验证、岸基服务、运营管理等技术发展相适应、相同步。

4、突出特色、融合发展,重点建设船舶、航运等智能化功能实现所需专用标准。标准体系重点围绕船舶信息化、网络化、智能化功能实现要求进行构建,着重反映信息感知、网络与通信、网络安全与信息安全、数据管理与应用、系统集成、分析决策与控制等关键技术在船舶、航运领域的应用需求,为相关标准制定提供指导依据,加速技术融合与产业融合。

(三)建设目标

以《智能船舶发展行动计划(2019-2021年)》、《智能航运发展指导意见》等要求为顶层指导,围绕智能船舶研发设计、测试验证、产业配套、检验认证、运营管理等发展需要,明确标准体系建设的原则、范围、方向和重点,构建智能船舶标准体系,为智能船舶核心技术攻关、智能系统设备研制、典型示范应用、测试与验证能力提升等提供标准化技术支撑与保障,引领智能船舶、智能航运、智能服务与监管等产业发展。第一阶段(2020年至2021年),智能船舶术语定义、分级分类等基础共性标准形成支撑,信息感知、通信协议与接口、数据传输与交换、网络安全与信息安全、数据处理、系统集成等关键技术应用标准取得突破,智能船舶设计、智能船载系统及设备、智能船舶测试与验证标准初步满足实船建造需要,完成约60项标准研究与编制,主导研制国际标准立项数量不少于5项,夯实基础,满足智能船舶辅助决策、安全防护等要求。第二阶段(2022年至2025年),智能船舶基础共性、关键技术应用、智能船舶设计、智能船载系统及设备、智能船舶测试与验证专业标准体系基本形成,岸基服务、运营管理标准配套完善,标准体系进一步健全,标准总数约120项,主导研制国际标准立项总数约10项,满足智能船舶设备智能化升级、测试与验证能力提升以及实现远程控制等要求,引领智能船舶、智能航运、智能服务与监管产业发展。本指南根据《智能船舶发展行动计划(2019-2021年)》所提出的行动目标及重点任务,结合当前制约我国智能船舶发展的基础、共性、关键技术问题,提出2020年至2021年标准建设重点,后期标准建设重点将根据国内外市场需求、国际公约规则与标准规范变化、产业政策调整和技术发展进行逐步完善。

三、体系框架

标准体系框架由三层架构组成:第一层为标准体系顶层;第二层为部分,包括基础共性,关键技术应用,智能船舶设计、智能船载系统及设备、智能船舶测试与验证,岸基服务,运营管理七个部分;第三层为专业及领域,包括38个专业及领域。

四、建设内容

(一)基础共性标准

基础共性标准包括基础标准和共性技术标准,其中:基础标准用于明确智能船舶相关概念、界面及相互间关系, 包括术语、分级分类、标识编码等标准;共性技术标准用于规定智能船舶电磁兼容、质量与可靠性、安全运行与风险评估等共性技术要求。

1、术语

术语标准主要对相关术语、定义(或解释性说明)及所对应的英文名称等进行规定,主要用于统一智能船舶、智能航运相关概念,说明其内涵或外延。

2、分级分类

分级分类标准主要根据智能船舶船型、应用场景及智能化功能对所涉及的相关系统设备进行分类,对智能船舶及系统设备智能化水平与自主程度等级进行划分,用于明确各级各类智能船舶属性特征、能力要求和涵盖范围。

3、标识编码

标识编码标准主要对智能船舶系统设备等对象进行唯一标识与解析,用于建立涵盖船舶全寿期的、统一的实体标识和编码体系,便于对船舶系统设备等对象的识别与管理,包括智能船舶设计标识、设备标识等标准。

4、电磁兼容

电磁兼容标准主要对智能船舶相关的电气、电子设备及系统的电磁兼容性要求进行规定,包括相关系统设备电磁兼容等级和性能、测试方法等标准,明确相关产品在实际电磁环境中能够正常工作的基本要求。

5、质量与可靠性

质量与可靠性标准主要对智能船舶系统设备的质量和可靠性的管理、控制、评价等要求进行规定,包括智能船舶系统设备质量与可靠性要求、质量与可靠性管理、综合保障等工程管理标准,质量控制与实现、可靠性设计、可靠性试验等技术方法标准,为相关系统设备的研制、质量认证和可靠性评价提供依据。

6、安全运行与风险评估

安全运行与风险评估标准主要对智能船舶全船、系统、设备、软件以及岸基中心安全运行与应急处置需满足的技术要求及所采取技术措施进行规定,主要包括产品功能安全、安全产品和系统、风险评估、应急管理、事故救援等标准。

基础共性标准建设重点

术语标准:智能船舶信息感知术语、智能船舶网络与通信术语、智能船舶数据管理与应用术语、智能船舶设计术语、智能船载系统和设备术语、智能船舶测试与验证术语、智能船舶岸基服务术语等标准。分级分类标准:智能船舶分类体系标准,智能船舶信息感知、数据传输与交换、数据分析与应用、辅助决策、自动控制、安全防护等分级标准。标识编码标准:智能船舶系统设备编码与标识标准,智能船舶设计文字标识标准。电磁兼容标准:智能船舶系统设备电磁抗扰和电磁干扰、电磁防护措施、电磁兼容性能测试等标准。质量与可靠性标准:智能船舶可靠性设计、可靠性试验与评估等标准。安全运行与风险评估标准:智能航行等关键系统设备功能安全与风险评估标准,应急响应管理、应急机制等标准。

(二)关键技术应用标准

关键技术应用标准用于对智能船舶信息采集设备选型应用与传感器组网、通信协议与接口设计、数据传输与交换、网络安全与信息安全、数据管理与应用、系统软硬件集成、分析与控制、数字孪生等关键技术应用要求进行规定。

1、信息感知

信息感知标准主要包括信息采集、传感网络等标准。其中:信息采集标准主要对智能船舶各类传感器等信息采集设备及相关元器件技术参数和应用要求进行规定,用于指导智能船舶数据监测、态势信息感知设备的研制与应用;传感网络标准主要对智能船舶传感设备组网、数据质量等要求进行规定,用于指导和规范智能船舶感知网络建设。

2、络与通信

网络与通信标准主要包括有线网络、无线网络等标准。其中:有线网络标准主要对智能船舶船载有线网络、岸基有线网络的组网、通信协议与接口、数据传输与交换等要求进行规定,用于指导有线网络设备应用与网络建设;无线网络标准主要对WiFi、4G/5G、卫星通信等当前船舶常用的无线通信技术在智能船舶的船-船、船-岸、船-云通信时网络性能、通信协议、数据传输与交换等要求进行规定,用于指导和规范智能船舶无线通信及网络建设。

3、网络安全与信息安全

网络安全与信息安全标准主要包括网络安全、信息安全等标准。其中:网络安全标准主要对网络结构安全、环境安全、软硬件安全、访问限制、入侵防范等进行规定,用于指导智能船舶网络安全建设;信息安全标准主要对智能船舶数据信息安全管理、数据信息安全应用、数据信息安全防护、数据信息安全测试等要求进行规定,用于确保智能船舶数据信息的安全、完整、可用。

4、数据管理与应用

数据管理与应用标准主要包括数据处理、数据结构和格式、数据库、大数据应用等标准。其中:数据处理标准主要对数据清洗、数据集成、数据规约、数据转换等环节相关要求进行规定,用于提升数据质量;数据结构和格式标准主要对智能船舶数据结构和文件格式等进行统一规定,用于规范信息的交互和存储;数据库标准主要对数据库的内容、结构等要求进行规定,用于明确数据库建库要求;大数据应用标准主要对大数据技术在船舶领域应用所涉及的相关数据、云计算方法以及所提供的服务方式等进行规定。

5、系统集成

系统集成标准主要包括硬件集成、应用集成等标准。其中:硬件集成标准主要对智能船舶后台系统、传输系统、终端系统等硬件系统及设备集成要求、集成管理等进行规定,支撑船舶系统间互联互通互操作;应用集成标准主要对智能船舶应用功能和应用软件的集成要求、整合方法进行规定,用于构建一体化的、统一协调的应用系统。

6、分析与控制

分析与控制标准主要包括分析决策、控制执行等标准。其中:分析决策标准主要对智能船舶状态、活动、环境等信息的分析、判断、预测、决策以及机器自我学习(含深度学习)等要求进行规定,用于保障和提升智能船舶分析与决策的能力和水平;控制执行标准主要对智能系统控制方法和执行技术等要求进行规定,用于指导决策的精准物理实现。

7、数字孪生数字孪生标准

主要包括数字映射、协同交互等标准。其中:数字映射标准主要对智能船舶物理场景和数字孪生模型场景的实时同步映射进行规定,用于指导智能船舶虚实融合场景的构建;协同交互标准主要对数字孪生模型场景与实际物理场景的信息协同交互要求进行规定,用于实现智能船舶虚实融合场景协同交互。

关键技术应用标准建设重点

信息感知标准:传感器、可见光与红外景象目标识别设备等船舶航行态势感知设备以及水下环境感知设备标准,传感器组网、感知点布局等传感网络标准。网络与通信标准:船域网络组网、通信协议与接口、数据传输与交换、现场总线等有线网络标准,船-岸通信协议、数据传输与交换等无线网络标准。网络安全与信息安全标准:网络结构安全、链路安全、访问控制、密码体系等网络安全标准,数据安全管理、数据加密、数据恢复等信息安全标准。数据管理与应用标准:数据清洗、数据存储等数据处理标准,数据结构、数据格式等数据结构与格式标准。系统集成标准:智能船舶设备和软件集成能力要求、集成架构、调试方法、协同交互标准,船岸计算能力与资源管理能力集成标准。分析与控制标准:分析模型、信息-知识转化、信息推演与辅助决策等分析决策标准,多智能体协同优化控制、决策-执行命令转化等控制执行标准。数字孪生标准:典型场景数字孪生模型构建、虚实融合场景实时映射技术等数字映射标准,模型场景与物理场景间多物理量信息协同交互标准。

(三)智能船舶设计标准

智能船舶设计标准用于明确船舶智能功能及相关配套系统的具体设计要求,主要包括总体设计、感知布局设计、综合管控设计、数据中心设计、安全保障设计标准。

1、总体设计

总体设计标准主要对智能船舶系统架构、功能目标及配套系统设备功能与构成等进行规定,用于明确智能船舶及各智能系统的总体设计要求。

2、感知布局设计

感知布局设计标准主要从全船角度对感知层设计要求进行规定,实现对船舶环境、船舶状态、各系统和设备信息的高效采集。

3、综合管控设计

综合管控设计标准主要从可靠、安全、可信等角度对智能船舶分析、决策、执行等环节的管控设计要求进行规定,确保系统安全、可靠运行。

4、数据中心设计

数据中心设计标准主要对智能船舶信息集中处理、存储、传输、交换、管理的物理空间的总体布局、设备/系统布置、结构强度、舾装等要求进行规定,确保数据的安全、可靠、可信与节能。

5、安全保障设计

安全保障设计标准主要基于智能船舶不同等级的安全风险和事件类型对船舶安全保障措施和应急处理相关设计要求进行规定,指导建立智能船舶安全保障机制。

智能船舶设计标准建设重点

总体设计标准:智能船舶船载系统架构设计、智能功能及相关配套系统设计等总体设计标准。感知布局设计标准:主流船型感知布局设计、信息感知要求、数据采集质量标准。综合管控设计标准:智能船舶分析、决策、执行等环节的管控设计标准。数据中心设计标准:智能船舶数据中心总体布局、设备/系统布置、结构强度、舾装要求等标准。安全保障设计标准:基于风险评估的智能船舶安全保障措施、应急处理机制标准。

(四)智能船载系统及设备标准

智能船载系统及设备标准主要包括智能集成平台、智能航行系统、智能船体系统、智能机舱系统、智能能效管理系统、智能货物管理系统、智能甲板机械、智能舱室设备标准,主要对智能船舶各功能系统的系统架构、性能要求、选型应用、模型库和知识库构建、分析评估、决策控制、试验与检验等要求进行规定,用于指导智能船载系统及设备研制、选型与智能化升级。

智能船载系统及设备标准建设重点

智能集成平台标准:智能集成平台层次架构设计、性能要求、选型应用等标准。智能航行系统标准:智能导航、航路设计与优化、辅助/自动驾驶、自动避碰、智能航行设备、高精度海图、航行功能试验等标准。智能船体系统标准:船体状态监测与健康评估等标准。智能机舱系统标准:机舱设备监控、机舱设备辅助决策、智能运维管理、智能设备安装与调试等标准。智能能效管理系统标准:船舶能效参数监测、能耗分析与能效评估、基于能效的航行优化与船舶营运辅助管理等标准。智能货物管理系统标准:货物及货舱状态监测、船舶配载、自动装卸货、货物输送设备等标准。智能甲板机械标准:自动锚泊、系泊协同作业、起重智能运维、岸海一体化甲板作业等标准。智能舱室设备标准:智能空调系统、冷水机组等标准。

(五)智能船舶测试与验证标准

智能船舶测试与验证标准用于对智能船舶全船及系统设备测试与验证所涉及的测试技术、测试规程、测试条件、检测与评价方法等要求进行规定,主要包括模型测试与验证、仿真测试与验证、实船测试与验证、测试与验证条件等标准。

1、模型测试与验证

模型测试与验证标准主要对船舶智能化、无人化趋势所衍生出的新船型稳性、浮性及水动力性能模型测试与验证要求进行规定,用于规范智能船舶模型试验。

2、仿真测试与验证

仿真测试与验证标准主要对智能船舶仿真测试与验证资源、模型、方法等要求进行规定,用于确保仿真测试与验证的场景完备、有效,规范仿真测试与验证流程。

3、船测试与验证

实船测试与验证标准主要对基于实船试验场景的全船级和系统设备级测试与验证内容、方案等进行规定,用于指导实船测试与验证的开展。

4、测试与验证条件

测试与验证条件标准主要对智能船舶测试与验证的基础环境、系统、平台、试验场等进行规定,用于明确相关基础设施及配套条件建设要求。

智能船舶测试与验证标准建设重点

模型测试与验证标准:智能船舶航行模型测试、安全操控模型测试、模型测试场景等标准。仿真测试与验证标准:智能船舶仿真测试系统、虚实融合及协同测试方法等标准。实船测试与验证标准:智能船舶试航、系泊试验等全船级与智能集成平台、智能航行系统等系统设备级测试与验证标准。测试与验证条件标准:智能船舶测试资源能力要求、仿真测试场景、虚拟陪试系统、船基配套测试环境、综合测试与验证平台、实船测试场等标准。

(六)岸基服务标准

岸基服务标准用于对船舶远程监控与信息服务、岸基信息平台系统的建设与应用要求进行规定,主要包括远程监控服务、信息交互服务、岸基信息平台标准。

1、远程监控服务

远程监控服务标准主要对智能船舶航行、机舱、作业等业务远程监控规程、实施应用等要求进行规定,用于规范船舶远程监控服务。

2、息交互服务

信息交互服务标准主要对水文气象、航行通警告、船舶状态、货运等信息交互服务的接入、使用、管理、质量、提供方式等进行规定,用于实现船岸信息交互与协同决策。

3、基信息平台

岸基信息平台标准主要根据不同用户需求对平台功能、信息集成、运行维护、服务管理等要求进行规定,用于指导岸基信息平台开发与运营。

岸基服务标准建设重点

远程监控服务标准:远程监控功能设计、性能要求、测试验证标准,船舶驾驶、机舱运维等远程监控要求标准。信息交互服务标准:船岸信息交互服务方式、服务范围、服务要求标准。岸基信息平台标准:平台功能设计、信息集成、数据管理、运营服务标准。

(七)运营管理标准
运营管理标准用于对智能船舶操作和营运等相关要求进行规定,主要包括运行指令集、运营操控、船舶设备维护保养、教育与培训、人员管理标准。

1、运行指令集

运行指令集标准主要对智能船舶运行指令的报文结构、格式、语法、单位,指令集的子集划分,标准指令集框架等进行规定,用于统一智能船舶运行指令。

2、运营操控

营操控标准主要对智能船舶运营过程中船舶航行任务生成、执行、管理应遵循的操作要求进行规定,用于规范智能船舶营运程序。

3、船舶设备维护保养

船舶设备维护保养标准主要对智能船舶系统及设备的维护保养内容、组织方式、保养方法等进行规定,用于提升装备使用水平,降低设备维护保养成本。

4、教育与培训

教育与培训标准主要针对智能船舶上的信息化系统与装备,配套提出教育与培训要求与规范,降低从业人员使用系统和装备的难度。

5、人员管理

人员管理标准主要对智能船舶相关从业人员行为、制度等进行规定,维护智能船舶正常运营秩序。

运营管理标准建设重点

运行指令集标准:智能船舶运行指令术语、表达形式、运行指令集子集划分等标准。运营操控标准:智能船舶运营过程中数据获取及使用、设备操作、智能船舶运营管理、船舶及船队管理等标准。船舶设备维护保养标准:智能船舶系统及设备维护保养项目、组织管理、方式方法等标准。


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