0 引　言

水下释放装置是一种水下航行器新型救生保障装备^{[1 - 2]}。该装置通常安装于水下航行器外侧顶部，并长期浸泡在海水环境^[3]中。因受恶劣海况影响，目前缺少稳定可靠的监测手段全方位了解装置的实时状态，导致航行器内部操作人员无法及时获知装置状态和进行信息交互。因此亟待开发一种基于虚实仿真的水下释放装置数字孪生系统用于该装置状态感知与信息交互。

数字孪生^[4]（Digital Twin）是一种新兴的战略技术，它通过数字化手段构建物理实体的多维度、跨学科和多物理量动态虚拟模型，以模拟和描述物理实体在真实环境中的特性、行为及规律^[5]。该技术充分利用设备的物理模型以及传感器测量数据，在数字虚拟空间^[6]中实现设备映射，驱动物理模型与数字模型的更新与优化，从而实现虚拟模型与实际状态和信息的高度一致性^[7]。张保威等^[8]针对纺纱车间可视化程度低以及车间管控依赖现场人工巡视等问题，开发了纺纱车间可视化管控系统。杨云帆等^[9]利用多源异构建模协同仿真技术与数字孪生技术解决复杂系统仿真困难的问题为船舶运动的数字化研究提供借鉴和参考。郎世铮^[10]基于数字孪生技术提出了一种船舶装配过程虚拟仿真方法，实现了船舶无碰撞装配。

因此，针对水下释放装置缺少有效监测手段问题，本文提出一种基于虚实仿真的水下释放装置数字孪生监测系统。包含虚实映射、释放仿真、数据监测等功能，通过数字孪生技术，达成对水下释放装置的实时监测。

1 数字孪生系统框架

水下释放装置的数字孪生系统架构可分为物理实体层、虚拟实体层、数据采集层和应用交互层，如图1所示。

物理实体层是整个数字孪生系统的基础和核心，包括水下释放装置本身、传感器以及数据采集终端，该层主要功能在于提供水下释放装置的三维模型及其实时运行状态数据。虚拟实体层利用三维建模技术，对水下释放装置进行精确映射，包含其几何形状、动态行为及物理属性，能够模拟其在不同环境条件下的反应，为分析与优化提供全面的虚拟环境。数据交互层的主要功能是连接数字孪生系统的各个组件，确保数据的高效采集、传输与分析，并将数据传输至虚拟实体层和应用交互层，通过综合分析这些数据，该层支持模型的实时更新与优化，从而确保数字孪生模型能够准确反映物理实体的状态与变化。应用交互层实现了对水下释放装置的实时状态监测、释放仿真及历史数据查询，通过集成实时监测功能，用户可以跟踪装置的运行状态、性能指标及环境条件，确保在操作过程中各项参数均处于预期范围内。此外，本文还使用Simulink软件建立了水下释放装置的机理模型。该模型通过模拟装置的物理行为、控制逻辑及动态反应，精确再现了装置在实际工作中的释放动作，进一步增强了数字孪生系统的实用性和可靠性。

2 数字孪生系统构建流程 2.1 三维模型

数字孪生系统中，三维模型的构建是数字化描述的核心步骤。本系统使用Solidworks、3DSMAX与Unity3D软件联合构建了水下释放装置的高保真三维模型。

首先，通过精确测量获取水下释放装置的几何特征数据，包括形状、尺寸和装配关系。然后，使用SolidWorks软件建立零件的几何模型，并进行装配，同时利用3DSMAX软件调整模型的材料、材质和坐标轴属性，以满足虚拟环境中的仿真需求。最后，将处理后的三维模型导入Unity3D软件进行实时渲染和交互展示。

2.2 数据交互模型

为精确监控水下释放装置的工况数据，本文建立了一套全面的数据采集系统，涵盖温度、湿度、六轴加速度、压力、位置和图像传感器。采用STM32单片机进行数据收发，实时采集多源数据，并通过RS485发送至接收端，确保数据传输的可靠性和实时性。此外，为确保数据的传输的可靠性、高保真性，本文研究还构建了一个数据传输环节。

数据传输过程中，单片机负责将采集到的传感器数据格式化并传送到客户端。Unity3D客户端则作为数据接收和处理的关键组件，通过RS485接收到来自单片机的数据后，将数据进一步处理，并与MySQL数据库建立连接。用户可以通过数据库管理系统调用历史数据进行查询。

2.3 机理模型

根据水下释放装置组成要素、相互作用和释放过程建立水下释放装置机理模型。组成要素涵盖了装置的基本结构和关键部件，具体包括：承压球壳、紧固带、紧固带释放装置、多级气缸、气动马达和安装平台，见图2^[3]。在水下释放装置各组成要素的相互作用下，承载救生物品的承压球壳被固定在安装平台内部。承压球壳释放流程如图3所示。具体顺序为气动马达先转动，进而带动紧固带释放装置动作，一段时间后释放紧固带。随后多级气缸开始推顶，承压球壳在浮力和推力的作用下释放。

2.4 仿真模型 2.4.1 紧固带释放装置

紧固带一端固定在安装平台，另一端为带有槽口的金属块，固定在紧固带解锁装置末端。紧固带解锁装置通过旋转末端固定组件解锁紧固带，简化后的紧固带释放装置结构如图4所示，释放时，气动马达带动双螺纹连杆机构n旋转，2个滑块A、C分别向相反的方向移动，带动连杆BC回收，连杆回收的同时带动末端固定组件E旋转，使凸起部分脱离槽口完成紧固带的释放。紧固带释放装置运动模型如图4所示。

可得紧固带释放装置运动方程为：

$ \left\{ \begin{aligned} &\vartriangle {l_1} = \frac{{{p_h}}}{{2{\text{π}} }}nt，\\ &\vartriangle {\alpha _1} = \arcsin \frac{{\vartriangle {l_1}}}{{{l_3}}} ，\\ &\vartriangle {l_2} = {l_2} - {l_3}\sin({\alpha _1} - \vartriangle {\alpha _1})，\\ &{\alpha _2} = \arcsin \frac{{\vartriangle {l_2}}}{r}。\\ \end{aligned} \right. $

(1)

式中：${\alpha _1}$为BC段和OC段的夹角；${\alpha _2}$为紧固带释放装置末端转动的角度；${l_2}$为OB段的长度；${l_3}$为BC段的长度；${P_h}$为螺纹导程；$n$为螺纹连杆转动的速度；$t$为时间；$r$为CD段长度。

2.4.2 多级气缸

多级气缸是推顶机构的主要运动部件。工作时，通过气路接口给气缸充压，每级气缸的驱动力与缸体的受力面积成正比，因此气缸会按顺序伸出。一级气缸首先伸出，当其到达极限位置时，上限位凸台会卡住一级缸的下限位凸台，形成限位。继续充压时，二级缸在一级缸的限制下伸出，之后三级缸、四级缸、五级缸和六级缸会依次伸出，最终实现多级气缸的最大行程900 mm。多级气缸如图5所示。

1）流量特性方程

本文采用质量流量表示气体的流量特性。气动元件的质量流量计算公式为：

$ {{\text{Q}}_m} = \frac{{{A_e}{p_u}}}{{\sqrt {R{T_u}} }}\psi (\sigma )，$

(2)

$ \psi (\sigma ) = \left\{ \begin{aligned} &\sqrt {2\sigma (1 - \sigma )}，\quad b < \sigma = \frac{{{p_d}}}{{{p_u}}} \leqslant 1 ，\\ & \frac{{\sqrt 2 }}{2} ，\quad \sigma = \frac{{{p_d}}}{{{p_u}}} \leqslant b 。\\ \end{aligned} \right. $

(3)

式中：${A_e}$为进气管道系统总有效面积，$ \mathrm{m}^2 $；${p_u}$、${p_d}$分别为上下游压力，${\rm{MPa}}$。

2）多级气缸腔内与推顶部件压力方程

根据恒定气源压力向有限容积绝热充气的能量方程$ KRT_s\mathrm{d}M_s=V\mathrm{d}p+kp\mathrm{d}v $和$ Q_m=\mathrm{d}M_s/\mathrm{d}t $，可得腔内压力方程：

$ \stackrel{·}{{p}_{1}}=\frac{{k}R{T}_{s}{Q}_{m}}{{V}_{1}}-\frac{k{p}_{1}}{{V}_{1}}{\stackrel{·}{V}}_{1} ，$

(4)

$ {V_1} = {A_1}({x_0} + x) 。$

(5)

式中：${V_1}$为进气腔容积，${{\rm{m}}^3}$；${A_1}$为进气腔气体有效作用面积，${{\rm{m}}^2}$；${p_1}$为腔内绝对压力${\rm{Pa}}$；$x$为活塞位移距离，${\rm{m}}$；${x_0}$为腔内余隙容积当量长度，${\rm{m}}$；$k$为气体绝热系数；$R$为气体常数；${Q_m}$为气体流经气管的质量流量，${\rm{kg/s}}$；${T_s}$为气源温度，K。

气缸推顶部件受到的压力方程为：

$ {p_2} = \frac{{l \cdot g \cdot \rho }}{{{A_2}}}。$

(6)

式中：$l$为多级气缸的深度，$ \mathrm{m} $；$g$为重力加速度；$\rho $为海水密度，$ \mathrm{kg}/\mathrm{m}^3 $。

3）气缸倾斜角度方程

由于水下暗流影响，大多数情况下救生筏在释放时气缸推顶会发生偏移。本文通过读取MPU6050六轴加速度传感器的俯仰角和滚转角的实时数据，使用复合运动矩阵获得多级气缸偏移后的实时状态，并计算出此时多级气缸自身的z轴与无角度偏移时自身z轴的夹角。首先，定义无偏移情况下气缸的方向向量为$ \stackrel{\rightharpoonup }{{{\boldsymbol{V}}}_{0}}=(0,0,1) $，俯仰角、滚转角角度分别为$ \alpha 、\beta $，则偏移后气缸的方向向量$ \stackrel{\rightharpoonup }{{{\boldsymbol{V}}}_{1}}=\stackrel{\rightharpoonup }{{{\boldsymbol{V}}}_{0}}\cdot{{\boldsymbol{R}}}_{c}(\alpha )\cdot{{\boldsymbol{R}}}_{c}(\beta ) $，由向量点积公式$ \stackrel{\rightharpoonup }{A}\cdot\stackrel{\rightharpoonup }{B}=\Vert \stackrel{\rightharpoonup }{A}\Vert\cdot\Vert \stackrel{\rightharpoonup }{B}\Vert \cdot\mathrm{cos}(\theta ) $可以得到两向量之间的夹角$ \theta =\mathrm{arccos}(\stackrel{\rightharpoonup }{A}\cdot\stackrel{\rightharpoonup }{B}/\Vert \stackrel{\rightharpoonup }{A}\Vert \cdot\Vert \stackrel{\rightharpoonup }{B}\Vert ) $，所以气缸偏移角度方程为：

$ \theta =\mathrm{arccos}(\frac{(\stackrel{\rightharpoonup }{{{{\boldsymbol{V}}}}_{0}}\cdot{R}_{c}(\alpha )\cdot{{\boldsymbol{R}}}_{c}(\beta ))\cdot\stackrel{\rightharpoonup }{{{\boldsymbol{V}}}_{0}}}{\Vert \stackrel{\rightharpoonup }{{{\boldsymbol{V}}}_{0}}\cdot{{\boldsymbol{R}}}_{c}(\alpha )\cdot{{\boldsymbol{R}}}_{c}(\beta )\Vert \cdot\Vert \stackrel{\rightharpoonup }{{{\boldsymbol{V}}}_{0}}\Vert }) 。$

(7)

式中：${{\boldsymbol{R}}_c}(\alpha )$为旋转矩阵；$ \alpha 、\beta $分别为俯仰角和滚转角角度；$ \stackrel{\rightharpoonup }{{{\boldsymbol{V}}}_{0}} $为气缸初始状态下的方向向量$(0,0,1)$。

4）动力学方程

根据牛顿第二定律，气缸活塞在发生偏移情况下的运动方程为:

$ \frac{{{\rm{d}}}^{2}x}{{\rm{d}}{t}^{2}}=\frac{1}{M}((({P}_{1}-{P}_{0}){A}_{1}-({P}_{2}-{P}_{0}){A}_{2})\cdot\mathrm{cos}(\theta )-F)，$

(8)

$ \left\{\begin{aligned} & \frac{\mathrm{d}^2x}{\mathrm{d}t^2}=0,[x=0\cap p_2A_2+F > p_1A_1+p_0(A_2-A_1)]，\\ & \frac{\mathrm{d}^2x}{\mathrm{d}t^2}\ne0,[x\in(0,L)\cup(x=0\cap p_1A_1+ \\ & \qquad\; \; \; \; p_0(A_2-A_1) > p_2A_2+F)]。\end{aligned}\right. $

(9)

式中：$\theta $为1.3节中气缸偏移后的方向向量与无偏移情况下方向向量的夹角；$M$为活塞杆、负载等可动部件的总质量，${\rm{kg}}$；$x$为活塞位移，${\rm{m}}$；${p_0}$为标准大气压；$L$为气缸行程，${\rm{m}}$；$F$为负载，及除水压外，作用在推顶部件上的合力，${\rm{N}}$。

5）进气腔有效作用面积方程

在多级气缸的冲压过程中，初期由一级气缸驱动所有气缸，此时进气腔的有效作用面积为一级至第六级气缸的面积总和。当一级气缸达到最大行程后，二级气缸接管，进气腔的有效作用面积为二级至第六级气缸的面积总和。随着各子气缸达到最大行程，有效作用面积逐渐减小。进气腔有效作用面积的方程为：

$ {A_0} = \sum\limits_{i = k}^6 {{A_i}}，\quad 1 < k < 6。$

(10)

式中：$k$为多级气缸中到达最大行程的最高级气缸的等级；${A_i}$为$i$级气缸有效作用面积。

3 系统应用与验证 3.1 应用实例

为验证所提出的水下释放装置数字孪生系统的可行性，本文以某型水下释放装置为基础，构建了一套监测系统，解决实时监测性差和可视化程度不足的问题。首先，针对水下释放装置进行了三维建模，并在Unity3D软件中搭建了虚拟场景和用户界面（UI）。通过数据交互，实现了孪生体模型的实时更新，从而完成了物理实体与虚拟实体的状态映射以及关键数据的实时监测。同时，采用UDP通信协议与Simulink进行实时通信，实现了水深、倾斜角度等关键仿真数据的实时更新，进而获取释放仿真相关结果，并在Unity3D中进行运动状态的映射，最终实现了释放仿真功能。通过上述方法，本系统有效提升了水下释放装置的实时监测能力和可视化效果。

3.2 仿真验证

按照紧固带释放装置设置相关参数，参数使用2.4节中的字母表示，相关参数如下：${l_1}$=17.2 $ \mathrm{mm} $；${l_2}$=56 $ \mathrm{mm} $；${l_3}$=58.6 $ \mathrm{mm} $；${\alpha _1}$=1.23 $ \mathrm{rad} $；${p_h}$=6 $ \mathrm{mm} $; $n$= 12.5 $ \mathrm{r}/\min $。仿真步长设置为0.05 s，紧固带释放装置末端转动角度达到释放角度45°后结束仿真。

紧固带释放装置末端转动的角度随时间变化如图6所示。

可知，末端旋转角度在6.4 s解锁紧固带并达到45°。双螺纹连杆机构转动为匀速转动，因此紧固带释放装置末端转动角度变化趋势为匀速上升，达到最大转动角度后气动马达停止运动。此外，为验证紧固带释放装置仿真结果的可靠性，还进行紧固带释放装置解锁实验，同时记录紧固带解锁时间，重复实验5次。紧固带解锁时间实验结果如表1所示。

可知，紧固带的解锁时间在真实值与仿真结果之间存在一定的误差。具体而言，最大误差为0.84 s，最小误差为0.25 s，均方根误差则为0.36 s，同时仿真结果与平均实验结果误差处于5%阈值内。综合考虑以上因素可知，实验结果上尽管存在一些误差，但整体上，仿真结果是可信的，足以用于后续的分析与应用。这为进一步优化仿真模型奠定了基础，并为工程实践提供了有价值的参考。

多级气缸部分参数如表2所示。

仿真模型结构框图如图7所示，为提高仿真模型的可读性，将全模型细分为5部分，最后将各部分连接得到最终的多级气缸动力学仿真模型。程序分别为充气腔子程序、动力学子程序、有效作用面积子程序、水压子程序和进气口流量子程序。仿真步长为0.001 s直至气缸达到最大行程后结束仿真，并将得到的仿真结果与实验得到的真实值进行对比。

为验证释放仿真结果的准确性，本文开展气缸推顶实验。推顶实验工况分为水上垂直推顶和水上纵倾30°。垂直推顶为释放装置正向放置，气缸推顶方向与地面垂直，纵倾30°工况下气缸推顶方向与地面夹角为30°。每种工况重复实验5次，气缸从初始状态开始推顶，达到最大行程后结束。图8～图9为气缸行程实时仿真结果。

可知，多级气缸在水深为10 m，倾斜角度为0°、30°工况下达到最大行程所需的时间为4.39、4.44 s。在仿真开始时，多级气缸的腔内气压与大气压相等。随着充气的开始，腔内气压逐渐上升，但活塞并未立即运动。当腔内压力超过水压和负载压力时，活塞才开始移动。随着腔内体积的增大，有效作用面积减小，这导致腔内压力缓慢下降，等效作用力减弱，可能不足以维持活塞的运动。与此同时，腔内气压的降低导致质量流量增加，活塞再次向上运动，活塞的运动不断重复这样的过程直到达到行程的末端。实验结果与仿真结果对比如表3所示。

结果表明，在垂直释放工况下，多级气缸推顶时间的真实值与仿真值之间的误差较小，最小误差为0.09 s，最大误差为0.53 s，平均误差为0.132 s，均方根误差为0.076 s，显示出仿真模型的有效性。在倾斜30°工况下，最小误差为0.02 s，最大误差为0.31 s，平均误差为0.042 s，均方根误差为0.01 s，进一步证明了仿真系统的准确性。综合2种工况结果，最大误差未超过0.6 s，均方根误差低于0.08 s，验证了仿真结果的可靠性，说明数字孪生系统在实际应用中具备较高的实用价值。

4 结　语

本文针对一种水下释放装置状态实时监测问题，提出一种基于虚实仿真的数字孪生系统构建方法。该系统实现了物理实体与虚拟实体的实时状态映射，建立了基于STM32微控制器的数据交互系统，设计了Unity3D人机交互系统，并通过对释放过程仿真实验，验证了所提方法的有效性，解决了水下释放装置状态无法实时感知的问题。