Creating process-centric digital twins of a vessel principles

Abstract

This paper addresses the problem of creating digital twins of processes occurring on a vessel in operation. Emphasis is placed on operational processes such as maneuvering and the squat. It is shown that existing mathematical mod-els of vessel motion do not provide an absolutely accurate description of the maneuvering process and have limita-tions in their application, similar to the limitations of empirical formulas and algorithms for squat determining. As an alternative to virtual representation of vessel operational processes, it is proposed to use digital twins (DTs) of these processes. The paper substantiates the principles for creating digital twins of vessel operational processes. The article provides a rationale for the principles of forming such digital twins, which primarily includes a substantive analysis of the concept of “process”, including its definition, classifications, localization principles, parameters and characteristics, and particular states.. The conceptual distinction between mathematical and digital models of a vessel is explained.
The article presents the results of a substantive analysis of the concept of "digital twin" and presents a visualization of the concept of a digital twin of a marine vessel during its operation. The structure of a process operational digital twin of a vessel is substantiated. A digital twin is essentially a set of a vector space of parameter vectors and a vec-tor space of characteristic vectors. Solutions to some specific problems in creating a process operational twin are presented, related to the optimization of the representation of input and output quantities (parameters and charac-teristics). In conclusion, tasks for further research are set, the ultimate goal of which is the creation of a comprehen-sive methodological base for the formation and use of process operational twins of a vessel.

Keywords: vessel operational processes, parameters and characteristics, digital twins, principles of formation

References

Юдин Ю.И., Сотников И.И. Математические модели плоскопараллельного движения судна. Клас-сификация и критический анализ // Вестник МГТУ. Труды Мурманского государственного техни-ческого университета. 2006. Т. 9, № 2. С. 200-208.

Ермаков С.В., Шевчук Д.В. Концепция адаптивной системы оценки текущего и прогностических значений скоростного проседания судна // Балтийский морской форум: Материалы XI Междуна-родного Балтийского морского форума. В 8-ми томах, Калининград, 25-30 сентября 2023 года. Ка-лининград: Калининградский государственный технический университет, 2023. С. 25-28.

Шевчук Д.В., Ермаков С.В. Целеполагание для развития адаптивной системы оценки текущего и прогностического значений скоростного проседания судна // Вопросы безопасности. 2025. № 4. С. 1-14. DOI: 10.25136/2409-7543.2025.4.75846.

Ермаков С.В., Мулина Е.В., Малинин Н.Ж. Цифровой двойник судна в период эксплуатации и оцен-ка возможности его использования в целях построения и реализации траектории морских автоном-ных надводных судов // Вестник Астраханского государственного технического университета. Се-рия: Морская техника и технология. 2025. № 2. С. 48-58. DOI: 10.24143/2073-1574-2025-2-48-58.

РС: Цифровые двойники судов могут применяться для проверки и подтверждения принятых техни-ческих решений. URL: https://portnews.ru/news/364426/ (дата обращения 08.11.2025).

Алиев Т.И. Основы моделирования дискретных систем. СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. 363 с.

Новая философская энциклопедия: В 4 т. / Ин-т философии Рос. акад. наук, Нац. обществ.-науч. фонд; Науч.-ред. совет.: В. С. Степин [и др.]. М.: Мысль, 2010. Т. 3. 2010. 692 с.

Grieves, M., Vickers, J. (2017). Digital Twin: Mitigating Unpredictable, Undesirable Emergent Behavior in Complex Systems. In: Kahlen, J., Flumerfelt, S., Alves, A. (eds) Transdisciplinary Perspectives on Complex Systems. Springer, Cham. DOI:10.1007/978-3-319-38756-7_4.

Ершов Ю.Л., Палютин Е.А. Математическая логика. СПб.: Лань, 2004. 336 с.

Верещагин Н.К., Шень А. Лекции по математической логике и теории алгоритмов. Часть 1. Начала теории множеств. М.: МЦНМО, 2002. 128 с.

Author Biographies

Sergey V. Ermakov , Kaliningrad State Technical University, Kaliningrad, Russia

Ph.D. in Engineering Science, Associate Professor of Department of Navigation and Maritime Safety, Kaliningrad State Technical University, 6, Molodeznaya str., Kaliningrad, 236029

Nikita Zh. Malinin , Kaliningrad State Technical University, Kaliningrad, Russia

Lecturer of Department of Navigation and Maritime Safety, Kaliningrad State Technical University, 6, Molodeznaya str., Kaliningrad, 236029

Danila V. Shevchuk , Kaliningrad State Technical University, Kaliningrad, Russia

postgraduate student of Department of Navigation and Maritime Safety, Kaliningrad State Technical University, 6, Molodeznaya str., Kaliningrad, 236029

Published
21-09-2026
How to Cite
Ermakov, S. V., Malinin, N. Z., & Shevchuk, D. V. (2026). Creating process-centric digital twins of a vessel principles. Russian Journal of Water Transport, (88), 206-220. https://doi.org/10.37890/jwt.vi88.705
Section
Water transport operation, waterways, communications and hydrography