团 体 标 准
T/CSNAME 155—2025
沿海内河船舶智能设备虚实融合测试方法
Virtual-real fusion testing method for intelligent equipment of coastal and inland
waterway vessels
2025-12-31 发布 2026-03-31 实施
中国造船工程学会 发 布
前 言
本文件按照GB/T 1.1—2020《标准化工作导则 第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。
请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。
本文件由中国造船工程学会船舶标准化专业委员会提出。
本文件由中国造船工程学会归口。
本文件起草单位：武汉船用机械有限责任公司、武汉理工大学、上海船舶运输科学研究所有限公司。
本文件主要起草人：李熙、卢明剑、王强、胡茂、陈强、覃刚、王恒智、甘正林、王献忠、储兰芳、胡彬彬、李强、吴诗寒、杜明雅。
沿海内河船舶智能设备虚实融合测试方法
1 范围
本文件规定了沿海内河船舶智能设备的虚实融合测试方法，包含虚拟融合测试的的测试目的、测试对象、测试体系架构、测试准备、测试流程和测试数据管理。
本文件适用于沿海内河船舶智能设备在虚实融合环境下的功能验证、性能评估，覆盖产品开发阶段、测试阶段、运行阶段。
2 规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T 26100—2010 机械产品数字样机通用要求
GB/T 36457—2018 复杂产品虚拟样机建模方法
GB/T 42383.5—2023 智能制造 网络协同设计 第5部分：多学科协同仿真
T/CSNAME 146—2025 沿海内河船舶智能设备与系统标准指南
3 术语和定义
GB/T 26100—2010、GB/T 36457—2018和GB/T 42383.5—2023界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
数字样机 digital mock-up，DMU
对机械产品整机或具有独立功能的子系统的数字化描述,这种描述不仅反映了产品对象的几何属性,还至少在某一领域反映了产品对象的功能和性能。
3.2
虚拟试验 virtual testing
基于数字样机技术，通过定义边界条件对目标系统进行仿真计算，得到对应不同工况的试验结果。 3.3
虚实融合测试 virtual-real fusion testing
通过模拟、仿真和实际测试相结合，验证和评估设备性能、可靠性和安全性的测试技术。
3.4
多学科协同仿真 multidisciplinary collaborative simulation
根据系统分析的目的，在分析系统各要素性质及其相关关系的基础上，建立能描述系统结构或行为过程，且具有一定逻辑关系或数量关系的多个学科或专业协同的仿真模型和仿真流程，并进行多学科或专业的协同仿真分析。
3.5
模型在环 model-in-the-loop
将数学模型(如数字样机模型)嵌入到闭环测试环境中，通过虚拟环境验证系统行为。通过模型在环仿真测试，实现在虚拟仿真环境中对特定模型或系统进行测试和评估。
3.6
硬件在环 hardware-in-the-loop
将真实的设备被测传感器、控制器或执行器中部分硬件实体嵌入仿真测试环境中，测试硬件响应、软硬件交互性能的方法。其核心在于以实时性和高精度仿真替代物理原型，加速复杂系统的测试与验证。
3.7
数字孪生 digital twin
通过数据驱动的虚拟模型，对物理实体(如设备、系统、流程)的全生命周期进行实时映射、仿真和预测的技术体系。其核心在于构建与物理世界“同生共长”的数字化镜像，实现从描述性分析到决策优化的闭环赋能。
4 测试目的
利用有限的物理试验数据、虚实融合测试方法，对沿海内河船舶智能设备的功能、性能进行测试验证，测试方法能够服务于产品方案论证、研发设计流程，以提高产品设计效率，降低测试成本。
5 测试对象
T/CSNAME 146—2025中3.1所定义的智能设备。
6 测试体系架构
6.1 测试体系架构图
典型虚实融合测试体系架构如图1所示。
图1 典型虚实融合测试体系架构
6.2 硬件层
虚实融合测试环境构建的硬件载体，针对不同的测试环境，对硬件的需求不同：
a) 软件在环，在虚拟试验或模型在环场景中，根据计算规模，配备个人计算机、工作站或云计算中心;
b) 硬件在环，硬件需求为上位机(实物控制器、操作台)、实时仿真机、交换机等;
c) 数字孪生，传感器、数据采集器、网络通信设备(以太网、无线通信设备) 、计算机、可视化设备。
6.3 软件层
6.3.1 虚拟模型库
根据船舶智能设备特征，虚拟模型应能够反映智能设备的力学特性，根据不同学科要求，虚拟模型库应包括以下模型：
a) 基础数据模型，包含材料模型、三维几何模型、环境数据模型等;
b) 机械模型，通过对机械结构的力学建模，评估强度、刚度、疲劳寿命和振动特性等;
c) 流体模型，通过对流体机械及组件的力学建模，评估水动力、流速、对流散热等;
d) 液压系统模型，反映液压系统控制原理、液压元件动态特性， 评估液压系统压力、流量等动态特性;
e) 控制系统模型，通过对控制策略的建模，评估控制系统的动态特性、稳定性;
f) 故障模型，根据典型设备故障模式构建故障模型，将故障模型注入数字样机模拟故障行为。
6.3.2 虚拟试验流程模板
利用虚拟模型库搭建智能设备数字样机，结合数字样机、工况参数及接口， 开发智能设备虚拟试验流程模板。通过流程模板运行虚拟模型，实现对虚拟环境和虚拟设备的仿真，模拟不同的工作条件、故障场景等，为测试提供丰富的虚拟场景。
6.3.3 虚拟测试管理系统
对虚拟测试过程进行管理和控制，包括测试用例的创建、执行、结果记录等功能。
6.4 接口层
不同虚实融合测试方法的应用范围，可根据不同的测试需求和系统特性定义接口，包括但不限于如下接口类型：
a) 硬件接口，用于连接数字样机和智能设备控制器硬件。定义控制器硬件设备的连接方式、通信协议和数据格式等，以确保仿真平台能够正确地获取和处理被测系统的传感器数据和执行器控制信号;
b) 软件接口，用于连接数字样机和被测控制软件、连接不同仿真软件。对于仿真平台和被测软件，通过软件接口定义软件模块之间的通信方式、数据格式和调用方式等， 以确保仿真平台能够模拟被测系统软件的运行和交互;对于不同仿真平台进行模型在环测试的接口，即多学科联合仿真接口，支持 FMI(Functional Mock-up Interface)标准，能够进行多学科仿真数据实时交互;
c) 数字样机接口：用于数字样机参数的配置或标定，以及模型和模型、模型和硬件间的数据交互。
6.5 工具与环境层
包含了虚实融合测试需求的具体专业建模与仿真软件，能够按照特定流程进行模型构建、虚拟试验流程搭建、数据分析及优化等，具体要求如下：
a) 对于单一专业领域的数字样机构建，支持被测对象虚拟试验建模、边界条件施加、计算、后处理;
b) 对于多专业多学科的数字样机构建，支持多学科协同仿真，如机电液联合仿真;
c) 对于硬件在环的虚实融合测试，建模工具能够支持模型上传实时仿真机、模型调度等功能;
d) 对于数字孪生环境，建模工具能够满足可视化、实时通讯需求。
6.6 平台层
对于智能设备系统级别的虚实融合测试平台，应包含以下工具：
a) 测试用例设计工具：为测试人员提供方便的测试用例设计界面，支持快速设置物理工况对应的边界条件，帮助测试人员快速生成有效的测试用例;
b) 测试执行与监控工具：负责执行测试用例，并实时监控测试过程中的各种参数和状态，如测试设备的运行状态、测试数据的变化等，以便及时发现问题并进行处理;
c) 测试结果评估与报告工具：对测试结果进行评估和分析，并自动生成详细的测试报告，包括测试指标的统计分析、故障诊断结果、性能评估结论等， 为测试人员和相关决策者提供直观、全面的测试信息。
7 测试准备
7.1 测试需求分析
分析测试需求，包含被测对象的功能、性能点。根据测试目标，确认所需的软件、硬件环境及相关通讯协议。
7.2 设计输入确认
根据测试需求，收集归纳设计输入数据，包含材料数据、三维模型、液压系统原理、元件样本、控制策略、边界条件等。
7.3 数字样机构建
7.3.1 根据不同专业学科领域，使用虚拟模型库构建相应功能、性能数字样机。
7.3.2 对于多学科协同仿真测例，各专业数字样机建立数据交互接口;对于硬件在环虚实融合测试，需建立硬件-软件通信接口。
7.4 边界条件确认
根据不同工况，施加不同边界条件，包含模型约束、载荷等，且所有边界条件的施加方法需与物理试验人员或智能设备设计人员沟通确认。
7.5 数字样机调试
选取指定工况进行虚拟试验，对数字样机建模参数、数据接口进行调试及初步检验，对计算精度不做要求。需确保数字样机的初步计算结果符合基本物理规律，如变形趋势、运动规律等; 确保数据接口传输正确，包含数据格式、单位制等。
8 测试流程
8.1 测试流程
虚实融合测试流程如图2所示。
图2 虚实融合测试流程
8.2 工况确认
虚实融合测试工况包含物理试验工况和关键工况。
物理试验工况为进行数字样机可信度修正的工况，包含智能设备的物理试验数据。
关键工况为测试智能设备功能和性能的工况，如额定工况、极限工况、满载工况等。
8.3 明确虚实融合测试精度
明确虚拟试验精度需求，包括各学科虚拟试验精度、系统虚拟试验精度需求。
8.4 物理试验工况虚拟试验
根据物理试验工况，在数字样机中设置相应的工况参数，包括模型约束、载荷条件、材料参数等。虚拟试验具体内容如下：
a) 在 7.5 数字样机和 7.4 边界条件基础上，对物理试验工况进行虚拟试验。建议物理试验工况虚拟试验的工况覆盖率≥80%，工况覆盖率计算如公式(1)。
η = ················································································ (1)
式中：
η——工况覆盖率;
η0——物理试验工况数;
ηv——物理试验工况对应的虚拟试验工况数。
b) 需评估工况覆盖率的情况如下：
1) 前期指定的虚实融合测试工况，在实施过程中出现了技术能力无法实现虚拟试验时，通过工况覆盖率体现完成情况;
2) 对于数字样机的修正，出现无法确保所有物理试验工况的虚拟试验都满足试验精度的情况下，会排除部分工况，通过工况覆盖率体现虚拟试验精度。
c) 提取虚拟试验结果数据，要求如下：
1) 静态或准静态试验结果数据：对于设备的静态试验，如负载试验、压损试验等， 需要提取物理试验工况对应的虚拟试验数据。由于物理试验时，会出现多次试验参数不完全相等的情况，虚拟试验不完全枚举物理工况时，对工况参数偏差需说明;
2) 动态数据结果处理：对于动态试验，提取时域或频域等动态谱数据，根据需要对离散数据进行拟合、滤波等处理。
8.5 试验误差判断
将处理后的虚拟试验、物理试验数据根据公式(2)，计算并统计各工况试验误差。
ev
式中：
ev——虚拟试验精度;
dv——虚拟试验数据;
d0 ——物理试验数据。
如果虚拟试验精度满足8.3中确认的测试精度要求，可根据8.7要求进行关键工况虚拟试验。
如果虚拟试验精度不满足8.3中确认的测试精度要求，应根据8.6要求进行数字样机可信度修正并重新进行虚拟试验，直至满足测试精度要求。
8.6 数字样机可信度修正
数字样机可信度修正可通过调整参数方法具体如下：
a) 分析虚拟试验精度和影响精度的因素;
b) 对建模参数进行灵敏度分析并进行修正，以满足要求精度，建模参数包含从模型库调用的模型参数、边界条件参数、个性化建模参数(如有限元网格划分方法、尺寸等);
c) 对于硬件在环测试，除上述修正过程，还需对仿真实时性进行检查优化。如果无法满足实时性要求，需要对数字样机进行简化或降阶处理。
仿真模型需通过验证与确认，测试误差≤目标误差。不同专业领域的仿真模型的目标误差不同，建议结合专业发展、历史经验在需求分析时确认。
8.7 关键工况虚拟试验
利用已满足测试精度要求的数字样机，对关键工况进行虚拟试验，并记录试验结果。
9 交付物
虚实融合测试最终的交付物根据任务要求输出，一般包含以下内容：
a) 测试日志(含时间戳的原始数据);
b) 仿真模型，为满足虚拟试验精度的仿真模型，包含所有前处理模型、降级模型、参数设置、后处理结果等;
c) 虚实融合测试报告，包含测试方法说明、物理试验简要说明和数据、虚拟试验流程和数据，对于未能进行测试的物理试验工况需进行说明，包含测试环境影响分析、测试异常工况结果分析等。
10 测试数据管理
应对测试全流程数据设置数据查阅权限，保证数据存储的安全性和访问控制，包括以下数据：
a) 基础参数，包含材料参数、几何模型、物理试验数据;
b) 各工况下的数字样机模型文件，包含建模参数、工况参数、数据接口说明等;
c) 测试数据，包含各工况虚拟试验原始计算数据;
d) 测试分析报告，包含测试对象描述、测试工况说明、 物理试验简要说明、虚实融合测试流程、测试精度分析、测试结果等。
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