数字孪生：降低现代船舶水声设备研制风险与成本的关键要素

声波是海洋中唯一能够有效传递远距离信息的载体，1000Hz的声波在海水中的每公里吸收衰减仅为0.067分贝，而在陆地上大显神通的电磁波由于受到海水高介电常数和高导电率的影响，因传播衰减量太大而无法通信。

声波在海洋中的传播也并非一帆风顺。海洋水声环境参数复杂多变，上有波涛汹涌的海表面，下有凹凸不平、底质各异的海底。位于不同深度的海水因其温度、含盐度及所受压力的不同，介质声速也大有不同。仅仅从声波在海水中传播时存在的折射与界面上的反射来看，声波就在海水中存在着复杂的多途结构及分布不匀的声场空间。实际操作中，还必须考虑到海洋中可能存在的涡旋、锋面、内波、湍流及冷热水团等因素，以及气象条件引起的近表面层水温周日或周年的变化。

只有充分掌握并有效利用声波在海水中传播的各种特性，才能较好地满足水声设备在海洋勘探、航海保障、渔业生产、环境监测、水下通讯及国防领域的各类需要。

水声设备的设计与制造涉及多个学科与技术领域，且其使用环境比一般陆用设备复杂得多，所以除了集成化、模块化等复杂电子硬件以外，其对应的嵌入式系统软件的开发、调试与设备集成也至关重要。由于船舶的研制成本较高，通常在没有物理样船的情况下要求研制一次性成功，因此对水声设备的可靠性与适装性要求较高。随着船舶的复杂程度不断提高和研制周期紧迫性不断加强，对船舶水声设备进行模拟仿真、搭建水声设备的“数字孪生”模型，成为降低研制风险和成本，缩短研制周期的关键要素和有效手段，已成为现代船舶技术水平高低的主要标志之一。

▲图源网络

SkyEye，全称天目全数字实时仿真软件，作为基于可视化建模的硬件行为级仿真平台，支持通过拖拽的方式实现水声设备控制器硬件行为级别的仿真和建模。

SkyEye的主要功能有：

建模&仿真

• 可模拟完整目标系统（包含标准SoC、处理器核心、外设、内存、存储器、总线等）并进行调试。

• 支持图形化拖拽搭建硬件模型。

• 可进行GPU和FPGA功能性仿真。

调试&测试

• 支持正向、逆向、插入断点、单步执行以提高调试效率。

• 系统级信息可视化（内存、反汇编、处理器寄存器、设备寄存器、地址映射）。

• 支持硬件行为级的故障注入。

便捷&协作

• 可对当前系统状态进行快照保存，并随时恢复。

• 可通过自动化脚本执行重复性任务。

• 可封装在Docker中部署到云环境。

• 可与现有软件开发环境或自动化流程进行集成。

为对应水声设备自身的复杂性，SkyEye具备仿真多个处理器的能力：

基于SkyEye构建的水声设备模块级仿真系统，支持DSP、PowerPC、ARM、MIPS等多种架构的处理器模型和多种设备接口模型。用户可基于该系统进行工程管理、应用软件仿真调试，减少对硬件环境的依赖，提高研发效率。

参考文献

[1] 吴瑾瑜. 水声设备数字化设计经济性分析探讨[C]//四川省声学学会,上海声学学会,山东声学学会,黑龙江省声学学会,重庆声学学会.2020'中国西部声学学术交流会论文集.[出版者不详],2020:494-496.DOI:10.26914/c.cnkihy.2020.017573.

[2] 杨士莪. 水声技术及在我国的发展[C]//中国科学技术协会.科技进步与学科发展——“科学技术面向新世纪”学术年会论文集.中国科学技术出版社,1998:47-50.