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基于共轨单缸柴油机的数字孪生系统软硬件技术研究

摘要

柴油机作为一种动力装置，其热效率高、使用寿命长、功率范围广，广泛应

用于工业与能源领域，在汽车、船舶、发电机组、工程动力等领域占据着重要的

地位。随着社会经济的发展，尤其在环保、能源安全等领域不断提出新的需求，

柴油机所达到的技术指标要求不断提高，系统复杂程度也不断增大。柴油机内部

系统多学科耦合、交联耦合越来越复杂，控制优化难度不断提升，面向智能化发

展的趋势成为发展潮流中的巨涌，数字孪生是柴油机智能化发展的一条可行之路。

本文为根据柴油机智能化实际需求，基于TBD620共轨单缸柴油机试验台架，结

合数字孪生技术，进行软硬件系统设计，详细阐述了系统间各层次的区别和联系

及该系统在运行状态下实现远程监测、模型分析与可视化管理等功能。

首先，综合柴油机实际工作特点和数字孪生系统功能特点，提出了本文所用

的架构模型。该模型基于“物联网+工业+云平台”模式，探讨并研究了远程监测、

在线模型分析、可视化及数据管理等关键技术问题的实现方式。本文研究通过“物

联网+”模式实现远程监测的功能，用户通过网络终端远程接入云平台便可以实

时监测到硬件终端上传到云平台的柴油机运行状况数据，该模式打破了传统有线

监测的信息边界。数据传输协议主要采用基于TCP的MQTT协议，实现系统模

块的软连接，布置灵活方便。MQTT协议的消息代理端采用阿里云提供的云服务

器进行云端环境布置，云服务器操作系统为Ubuntu18版本，消息代理器采用开

源产品EMQX。

其次，基于韦伯方程和MFB50模型控制理论，以TBD620单缸柴油机试验

台架为对象，建立了缸内燃烧工作过程模型和MFB50燃烧优化模型作为数字孪

生系统模型。模型采用Python语言建立，可实时计算缸内温度变化和压力变化，

以及计算出的最佳喷油提前角。

再次，本文设计研究了基于Python语言开发的Qt软件应用平台和OpenGL

三维虚拟可视化的可行性。软件应用平台集成数据传输驱动、远程数据监测、动

态数据展示、静态数据显示、分析数据显示、动画模拟显示、模型分析显示以及

按钮事件功能于一体；三维虚拟显示通过解析OBJ格式的活塞三维模型获取三

维数据集，基于OpenGL实现三维虚拟渲染成像，为实现与柴油机运行数据结合

的运动仿真打下基础。

最后对系统整体的硬件和软件系统进行试验验证。结果表明，硬件终端能够

稳定的将柴油机的运行状态数据实时的上传到云服务器，软件平台能实时接收到

传输数据并且各项功能模块稳定运行。本文所设计系统在部署方面简单、便捷，

对于其他研究者研究数字孪生系统提供有价值性的参考。

关键词：船用柴油机；数字孪生；远程监测；可视化；燃烧控制模型

基于共轨单缸柴油机的数字孪生系统软硬件技术研究

Abstract

Asapowerunit,dieselenginehashighthermalefficiency,longservicelifeand

widepowerrange,whichiswidelyusedinindustryandenergyfields,andoccupiesan

importantpositioninautomobiles,ships,generatorsets,engineeringpowerandother

fields.Withthedevelopmentofsocialeconomy,especiallyinthefieldsof

environmentalprotectionandenergysecurity,newneedsareconstantlyputforward,

thetechnicalindexrequirementsofdieselenginesareconstantlyincreasing,andthe

complexityofthesystemisalsoincreasing.Themultidisciplinarycouplingandcr