基于数字孪生的智慧船闸建设方案研究

李巍 袁媛 陈冬 吴彬彬

摘要 在交通运输领域新型基础设施建设的总体要求下，将数字孪生的理念、技术与船闸运营管理业务相结合，提出了智慧船闸的建设方案，实现基于数字孪生三维可视化平台的船闸运营管控，对探索智慧船闸建设思路、提升船闸数字化及智能化水平具有重要意义。

关键词 智慧船闸;运营管控;数字孪生

中图分类号 U612 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）02-0021-03

0 概述

近年来，随着5G、大数据、人工智能等新一代信息技术的飞速发展，国家对交通基础设施发展提出明确的现代化、高质量要求。对船闸基础设施而言，将5G、BIM、物联网、大数据等新兴技术与船闸监测、调度、指挥、运维等业务深度结合，实现船闸运行调度自动化、基础设施养护管理智能化、通航服务信息透明化，是船闸数字化转型、智能化升级的主要发展目标和方向。

1 数字孪生技术在港航运营管理中的应用

1.1 数字孪生技术的概念

2002年，Michael Grieves第一次提出了数字孪生的概念，即通过采集物理对象的数据，在虚拟空间中构建真实反映该物理设备的虚拟模型及子系统，同时在物理对象和虚拟空间之间创建一个联系通道，紧密结合物理对象的整个生命周期。从数字孪生的特点来看，数字孪生主要用于阐述物理世界与信息空间之间的融合状态，适用于实际工程的应用优化，可以有效处理复杂多变的工程应用问题。

1.2 数字孪生技术在港航运营管理中的应用

数字孪生的理念和技术最早应用于智能制造领域，近年来，国内专家学者开始尝试将数字孪生技术应用于港航运营管理领域。黄永军等[1]在港口运营管理系统中引入数字孪生技术，将大量数据融合和统一，实现了基于三维世界的港口环境状态感知和船舶智能服务。李明伟等[2]基于数字孪生概念，开发了基于数字孪生的船闸安全智慧管理系统，可实现船闸安全数据实时监测、结构仿真计算、安全风险智能预报，提升了船闸安全管理智能化水平。由此可见，将数字孪生思想与船闸运营管理相结合，构建具有实时感知、智能分析等功能的船闸智慧数字孪生体，是实现智慧船闸的重要途径。

2 智慧船闸运营管控体系

2.1 智慧船闸功能模块

智慧船闸的价值主要体现在提供高效的运营效率、高水平的通航保障和高品质的运输服务上。根据监控、调度、指挥、运维等业务需求，智慧船闸功能模块主要包括船闸运营管理、设备设施管理、船闸信息服务等。其中，船闸运营管理模块包括船闸智能调度及智能过闸安全管理，主要实现船闸调度自动化，同时通过机器视觉等多种手段，对过闸过程中船舶超速、超警戒线等安全隐患进行实时识别，提高过闸安全水平;设备设施管理模块通过船闸设备设施监测，实现船闸设备设施精准养护管理、预防性养护管理;船民信息服务模块通过App、甚高频、网络电话等多种方式向船舶发布通航环境信息、过闸信息等。通过协同应用，实现船闸运营的自动化、智能化，提省船闸运行效率和安全性（如图1）。

2.2 智慧船闸运营管控平台系统架构

围绕智慧船闸业务需求及功能模块设计，同时结合未来发展趋势[3]，智慧船闸运营管控平台系统架构可分为5层，即全要素感知层、网络层、数据层、应用层及展示层（如图2）。

（1）船闸全要素感知层。针对船闸设备设施、船闸环境、船舶等感知对象，通过各类智能感知设备，实现全要素动态地全面感知，为智慧船闸应用提供数据支撑。

（2）网络层。通过建设光纤网络、4G/5G等，实现感知、控制、服务等信息的全天候、高可靠传输。

（3）数据层。对各类结构化和非结构化数据进行采集、清洗、转换、汇总，应用海量数据分布存储技术、数据挖掘技术，实现数据存储及数据价值挖掘。

（4）应用层。通过船闸运营管理、设备设施管理、船闸服务等智能化应用系统的开发，实现船闸运营的自动化、智能化。

（5）展现层。通过大屏、PC端、手机端等多种方式向管理人员、船民进行展示。

3 基于数字孪生的智慧船闸关键内容建设方案

3.1 船闸运行状态综合感知及传输

根据船舶申报、登记、缴费、调度、待闸、过闸的全流程以及船闸智能安全管理、智能调度、智能养护管理的功能需求，船闸感知对象主要分为三类，即船闸设施设备的信息、船闸环境的信息及船舶动态的信息，具体船闸运行状态综合感知内容如图3。

3.2 基于数字孪生的三维可视化平台

基于數字孪生的三维可视化平台以BIM和GIS为基础，通过场景地形建模、BIM模型轻量化、航道船闸BIM模型融合、动态水面建模等，为船闸一体化展示、查询、分析及全过程管理提供优质可视化信息支撑，是智慧船闸系统最重要的应用支撑平台。

（1）场景地形建模。场景地形建模主要应用倾斜摄影技术，基于详尽的航测数据，通过影像预处理、区域联合平差、多视影响匹配等一系列操作，批量建立高质量、高精度的三维GIS模型。

（2）BIM模型轻量化。BIM模型轻量化处理又叫重新拓扑，是将高分辨率模型转换成可以用于动画的较小模型的过程，处理过程可分为数模分离、三维几何数据轻量化处理、WEB浏览器或App端实时渲染及管理等步骤。

（3）航道船闸BIM模型融合。BIM模型与实景三维模型融合的重点在于BIM模型到3DTiles模型的转换与融合，融合与转换过程主要包括重构模型、几何信息转化、空间位置配准、语义映射等步骤（如图4）。

（4）动态水面建模。航道三维场景中水面占比大，对三维效果影响较大，动态水面建模重点提升水面反射、折射渲染效果。

3.3 船闸智能调度

船闸智能调度是船闸运营管理最重要的功能模块，船舶智能过闸流程可分为过闸申报及自动登记、船舶过闸缴费、船舶智能调度、船舶智能过闸等环节，基于船闸运行状态综合感知及三维可视化平台，船闸智能调度实现方案如下：

（1）过闸申报及自动登记。船舶到达船闸区域前，通过智能船载终端，在手机App上进行过闸远程申报;船舶进入船闸电子围栏后，通过手机App确认过闸，系统自动登记并分配过闸登记号。

（2）船舶过闸缴费。船舶过闸登记后，通过收费系统完成缴费;缴费完成的待闸船舶将根据类型分成普通货轮队列、普通船队队列、优先货轮队列、优先船队队列、危险货物船舶队列等五类排队队列。

（3）船舶智能调度。对排队队列，系统根据闸室分配算法及闸室排挡算法，自动生成船闸闸次计划和船闸排挡图，并将调度信息通过手机App、短信、微信网络电话等多种方式发送至过闸船舶。

（4）船舶智能过闸。船舶收到调度过闸指令后，进入船闸引航道/靠船墩等待闸区的指定档位停靠，并查验核对船舶身份、缴费情况、过闸闸次闸号等;船舶在智能过闸引导下驶入闸室指定档位，并在船舶超速检测、超警戒线检测等智能安全监管系统的监控下安全出闸，完成调度流程。

4 结语

船闸作为水路交通的节点，每时每刻都产生着大量的船闸环境数据、基础设施的运行动态数据、过闸船舶状态数据及船闸运营数据，对智慧船闸建设而言，实现数据的汇聚共享和业务应用的协同统一是需要解决的核心问题。基于数字孪生技术，以BIM和GIS为基础获得船闸数字孪生对象，通过构建多业务协同和可拓展的数字孪生平台，实现船闸的智慧运营管控，为智慧船闸建设提供建设思路。

参考文献

[1]黄勇军，王闰成，马枫，等.“云上港航”数字孪生系统助航解决方案[J].信息技术与信息化，2018（12）：67-70.

[2]李明伟，安小刚，潘士琦，等.基于数字孪生的船闸安全智慧管理方法[J].水运工程，2021（6）：212-217.

[3]童剑.京杭运河智慧航运建设方案研究[J].现代交通技术，2021（3）：83-87.