Ocean | 清华大学张建民院士综述：数字孪生在海洋领域的应用与发展|中国海洋|张建民(1964年)|清华大学|研究院|科学|院士

1 导读

随着海洋资源开发向大规模、深海探索推进，传统分析与仿真技术已难以满足需求，数字孪生技术为解决海洋领域面临的挑战提供了潜在方案。本文聚焦海洋数字孪生，探讨其概念、应用框架、关键技术及未来发展，通过文献综述明确研究热点，提出海洋数字孪生定义与五层框架，分析核心技术及应用，为海洋领域数字化发展提供支撑。

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Citation：

Hu Z-Z, Liu Y, Zhang J-M. The application and development of digital twin in the marine domain. Ocean, 2025, 1(1): 9470001. https://doi.org/10.26599/OCEAN.2025.9470001

DOI:

https://doi.org/10.26599/OCEAN.2025.9470001

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2 背景介绍

海洋占地球表面积71%，蕴藏丰富的矿产、生物、能源资源，是经济发展与科学进步的重要领域，其利用涵盖资源开发、海岸防护等多元场景。当前海洋工程正朝着大型化、深海化演进，如“蓝鲸一号”钻井平台最大作业水深3658米，H260-18MW海上风电机组转子扫风面积达5.3万平方米，相应的工程建设难度与管理风险也同步提升。

海洋环境的复杂性制约了资源开发，“透明海洋”理念虽旨在实现环境信息实时获取，但高精度监测难题及数据集不一致性阻碍了深度应用。传统技术面临模型与环境耦合难、机器学习应用受限、分析仿真耗时等局限，而数字孪生通过构建虚实同步的数字模型，依托物联网实现实时交互，为解决上述问题提供了有效路径。

3 图文介绍

3.1 相关研究综述

数字孪生已在多领域广泛应用，通过Web of Science数据库检索筛选出183篇海洋孪生技术（Marine Digital Twin，MDT)相关文献，2018年起研究热度攀升，2023年发文量达68篇。关键词统计显示，“模型/建模”、“船舶”、“涡轮机”、“仿真”、“监测”为研究热点，覆盖船舶建模、风电机组监测等场景。

图 1 相关出版物数量年度分布

表 1 相关文献关键词分类统计信息

3.2 MDT应用体系

MDT定义为：以海洋工程设施、装备或过程为对象，整合数字模型与监测数据，在虚拟空间中模拟对象行为，实现虚拟对象状态及其所处环境与真实世界的实时同步，进一步支撑对象的分析与控制。其五层应用框架如下：

1. 感知层：采集传输实时监测数据；

2. 数据层：存储管理静动态数据；

3. 模型层：构建虚拟仿真模型；

4. 融合层：实现虚实状态同步；

5. 应用层：提供分析、诊断、控制功能。

图 2 MDT应用框架及关键技术

3.3 MDT关键技术

核心技术包括：

1. 数据采集与传输（传感器技术、物联网、有线/无线传输）；

2. 数据存储与管理（磁/光/闪存存储、分布式/云存储、关系型/非关系型数据库）；

3. 建模仿真（FEM/CFD建模、多领域/多尺度集成、数据驱动与物理建模融合）；

4. 监测分析评估（状态监测、模型更新、寿命评估、AI辅助诊断）；

5. 其他支撑技术（可视化、VR/AR、云计算、区块链等）。

图 3 MDT数据采集与传输技术

图 4 MDT数据存储与管理技术

图 5 MDT建模与仿真技术

图 6 MDT监测分析与评估技术

图 7 MDT其他支撑技术

3.4 MDT发展与应用展望

MDT在海洋工程全生命周期中具有重要价值，设计阶段支持虚拟测试，施工阶段实现过程监控，运维阶段提供故障诊断。其数字化智能化平台以数据库、算力底座为基础，支撑海洋工程全流程智能化应用。

图 8 海洋工程数智化数字孪生平台

4 总结与展望

本文系统梳理了MDT的研究现状与发展脉络，明确了MDT的定义与五层应用框架，详细阐述了数据采集传输、存储管理、建模仿真、监测分析与评估等核心技术及支撑技术体系，通过文献分析揭示了建模、船舶应用、海上风电、仿真监测等研究热点，并结合海洋工程案例展现了MDT的应用价值。

MDT发展面临海洋环境复杂性、数据整合难度大、核心模型缺失、研究碎片化、标准不统一、实时同步算力需求高、实际应用有限等挑战。未来需通过以下方向突破：

1. 跨学科融合与新兴技术集成，强化AI、大数据、物联网与MDT的深度结合；

2. 推进国际合作与标准化建设，制定MDT基本要素、评估指标等统一标准；

3. 深化海洋环境研究与数据质量管理，提升模型可信度；

4. 加强人才培养，提升海洋领域专业人员的数字素养与跨学科能力。

MDT作为海洋领域数字化、智能化发展的核心技术，在海洋能源开发、海洋运输、资源勘探等领域具有广阔应用前景。随着技术的持续迭代与应用场景的不断拓展，MDT将为海洋产业的安全、高效、可持续发展提供更强大的技术支撑，从而推动“透明海洋”建设与海洋资源的科学开发利用。

5 作者

通讯作者张建民

清华大学

清华大学教授、海洋工程研究院院长、深圳研究生院海洋工程研究院联席院长，崂山国家实验室副主任兼学术委员会主任，中国海洋工程研究院（青岛）院长，中国工程院院士。兼任住房与城乡建设部科技委标准化专委会主任，科技部海洋相关专项总体专家组组长，国务院学位委员会水利工程学科评议组召集人，中国振动工程学会副理事长等。获国家技术发明一等奖、国家科技进步一等奖（创新团队）和国家科技进步二等奖以及标准大师奖、光华工程科技奖、全国优秀科技工作者、全国五一劳动奖章、全国先进工作者、中国工程院士等荣誉。

第一作者胡振中

清华大学深圳国际研究生院

副教授，广东省粤港澳研究团队负责人，中国图学学会BIM专业委员会副主任委员、中国力学学会产学研工作委员会副主任委员、中国海洋发展研究会理事等。获中国图学学会科技进步奖一等奖和优秀科技工作者奖、华夏建设科学技术奖二等奖等科技奖励。发表学术论文160余篇，主编教材2部，参编标准4部，入选“中国知网高被引学者TOP1%”。

期刊简介

Ocean是清华大学主办的英文开放获取期刊，基于清华大学出版社SciOpen平台出版发行，主编团队由挪威科技大学的Torgeir Moan院士、中国科学院的王中林院士、以及清华大学的张建民院士共同组成。《海洋（英文）》致力于发布海洋科学、海洋工程、海洋科技领域相关的最新研究进展，通过开放获取的出版模式提升成果传播速度与影响力，助力科研合作与创新，启幕海洋相关领域的学术新征程。

收稿范围包括但不限于：海洋生物学与海洋生物制药、海洋生物地球化学过程、海洋地球科学、海洋自然资源、大气与气象学、海洋污染与生态学、海洋化学、海洋数学、遥感、海洋声学与光学、海洋环境与预测、海洋自动化与机器人技术、海洋信息学与数字孪生、海洋灾害与防治、海洋采矿、近海与海岸工程结构、海洋岩土工程、水产养殖工程、流体力学、水动力学、海底工程等主题的研究论文、综述、快报、专家观点和研究亮点。

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主编团队

Torgeir Moan

Norwegian University of Science and Technology, Norway

王中林

中国科学院，中国

张建民

清华大学，中国

编委团队

蔡文炬

崂山实验室，中国