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

FOLLOW US

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。

全文开放获取，免费阅读、下载。欢迎分享！

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

文章二维码 | 扫码阅读

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。

诚邀具有引领性、创新性和实用性的海洋领域相关文章的投稿！2028年底前投稿免APC！

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

段慧玲

北京大学，中国

Ahmed Youssef Elghazouli

香港理工大学，中国

Segen Farid Estefen

Federal University of Rio de Janeiro, Brazil

Leroy Gardner

Imperial College London, UK

Muk Chen Ong

University of Stavanger, Norway

Quek Ser Tong

National University of Singapore, Singapore

Chien Ming Wang

University of Queensland, Australia

联系方式

期刊网站：

https://www.sciopen.com/journal/3008-1203

投稿网址：

https://mc03.manuscriptcentral.com/ocean

邮箱：

Ocean@tup.tsinghua.edu.cn

• 信息来源：Ocean。

  转载请注明信息来源及海洋知圈编排。