数字孪生在航道技术服务工作中的应用初探

2023-08-15高雪娟

中国水运 2023年12期

高雪娟

（长江武汉航道局，湖北武汉 430000）

1 引言

为顺应智慧航道发展趋势，紧紧抓住长江航运高质量发展的突破口，近年来，长江航道部门着眼现代科技发展前沿，有方向性地开展一系列智慧航道关键技术的前瞻性、基础性研究。2023 年4 月，长江航务管理局提出“131”智慧长江建设路径，预计到2025 年，通过数据融合治理、模拟仿真与预测决策支撑等建设，构建以数字孪生+全水域智能为“双核驱动”的长江航运数字孪生体系，构建集“精准感知、智能分析、监测预警、远程管理”等功能的长江立体数字化实景地图，实现“一图看长江、一图管航运”，全面支撑“131”智慧长江建设路径典型场景应用。

2 数字孪生内涵

数字孪生源自工业界的概念，是充分利用物理模型、传感器更新、历史运行数据等，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是个普遍适应的理论技术体系，可以在众多领域应用，在产品设计、产品制造、医学分析、工程建设等领域应用较多。在国内应用最深入的是工程建设领域，关注度最高、研究最热的是智能制造领域。

数字孪生网络业界尚无统一的定义,可以抽象理解为一个具有物理网络实体及虚拟孪生体,且二者可进行实时交互映射的网络系统。在此系统中,各种网络管理和应用可利用数字孪生技术构建的虚拟孪生体，基于数据和模型对物理实体进行高效的分析、诊断、仿真和控制。基于此定义,数字孪生应当具备4 个核心要素：数据、模型、映射和交互。

3 数字孪生在航道技术服务中应用的可行性及现状需求

3.1 数字航道为数字孪生提供坚实的数据与建模环境

近年，长江航道局数字航道建设实现了从“全线贯通”到“联通运行”再到“全面应用”的重大突破，建立了基础设施层、信息感知层、网络传输层、数据资源层、支撑平台层、应用服务层等构成的长江数字航道总体技术框架。

例如，在航道要素感知技术方面，研发了基于现代测绘的航道要素变化快速测量技术，构建了空天地水立体航道测绘技术体系，解决了大范围航道要素变化信息快速获取的问题。研发了基于物联网的航道典型要素异动实时监测技术，开发了航标遥测遥控系统、水位遥测遥报系统等，解决了主要航道要素运行状态在线感知的问题。在航道数据治理技术方面，建立了航道地理信息模型和航道要素分层分级转换模板，同时，研发了基于云网交互的航道数据资源构建技术，初步解决了海量航道数据资源的组织管理问题。

3.2 在航道技术服务中的应用需求

航道技术服务工作对数据采集、加工、分析的需求较大，实际应用中，现有的信息技术对该项工作的支撑性不强。

（1）数据整合利用单一。目前，在数字航道系统中以分批完成了2080 个码头、135 座桥梁、101 条架空过江管线、258 个取排水口、63 个锚地等10 项临跨河设施数据。但在数据分类中，仅只从航道通航条件影响评价、对外技术支持意见等4 项航道技术服务的有关工程情况信息予以分类录入，而且数字航道平台中“航道技术服务管理模块”应用功能较为单一，仅提供信息存储服务及检索，录入的临跨河设施信息未实质性发挥辅助决策功能。

（2）数据应用效益发挥不充分。以航道通航条件影响评价编制与审核工作为例，实际报告编制单位对航道通航条件影响论证理解深度不一，甚至提出的减小或者消除影响的对策措施存在不可行性，引用的图籍资料真实性也有待复核，这给技术审核部门带来大量繁重的基础性工作。其实，对航道通航条件影响论证所涉及到的，如枯洪水航道航标设置、AIS 轨迹大数据分析、长江河演冲淤分析等基础性数据已有采集，但没有形成统一的信息交换标准，系统之间数据交换难以实现，更缺乏数字化推演。

（3）数字建模及交互尚未实质突破。例如，在航道资源、航道通航条件、航道设施损毁程度的量化认定工作上，一直未有实质性突破，迫切需要通过数字孪生技术对航道水下地形、流速流向和陆域地形地貌等数据进行融合，建立水深、通航建筑、水下碍航物、水面助航标志、整治建筑物等航道要素实体模型，对船舶活动全过程进行精准化模拟，从而达成物理长江与数字孪生长江之间的同步仿真运行、虚实实时交互，为航道损毁定损提供支撑，提高航道保护工作的时效性、智能化、信息化程度。

4 数字孪生在航道技术服务中的主要技术及应用场景

4.1 三维可视化技术

可视化平台可将三维地形、要素图层、CAD 数据、物联网信息、导航信息、融合多源精细化3D 模型，包括传统手工建模、矢量批量建模、点云模型、BIM 模型等数据整合，搭建全要素可视化三维场景及对三维场景内对象和动作的控制，实现水上水下一体化、数字化、可视化、科学化管理。

4.2 智能分析技术

航道智能分析平台可以从航道要素感知方面入手，系统分析研究航道及航道保障设施自身及远控运行过程中的安全评价体系。通过梳理航道探测数据、航标调整规律性、航道保护划定范围、涉航建筑物资料归集、电子航道图要素更新等航道业务应用，记录各应用场景下数字航道智慧远控过程中如航道助航设施性能发挥、水文水流条件演变、航道航标调整布设等评估指标的短期与长期变化情况，在数据整合的基础上，形成辅助支撑模型，实现智能分析预警，给航道技术服务工作提供数字支撑。

4.3 应用场景

（1）基于数字孪生技术，结合河床历史演变、近期地形测图资料，对全河段历年岸线、深泓线、深槽、浅滩、冲淤变化等进行总体评价分析，同时也可以对指定水域进行河床演变趋势预测，能推演任意位置的河床断面数据，辅助提供与航道有关工程河段河床断面形态及冲深发展态势查询。

（2）结合航道测绘数据，对水情异常、航道尺度触底前进行可视化预警，便于航道维护单位及时掌握水情动态并为航道应急措施提供有效数据支撑，弥补传统航道河床地形测绘模式导致航道感知能力不足的问题。

（3）港区、桥区水域结合多源信息融合技术，通过海事AIS、港口CCTV 视觉监控系统的信息融合，整合多种类传感器的测量信息，提高船舶轨迹精度，为船舶的动静态参数信息及视觉特征提供现实参数，为优化调整桥区及港区专用航标提供航道技术支持。

（4）结合地理信息系统，形成辖区与通航有关工程建设框架，描述各工程建设规模及属性特点，实现航道数字孪生建设对通航建筑物建设及运行状态的精细化管理。此外，利用数值模拟手段，建立传感信息与电子航道数据间的融合模型，快捷获取拟建工程在枯、洪水期与航道的位置关系及航道通航影响，以利于研判工程施工建设对航道及航道设施的影响，科学提出航道保障措施。

（5）融合航标遥测遥控系统、航道视频监控系统、船舶AIS 航迹线等数据资源，对航道典型要素异动信息进行真实复现；对航道资源、航道通航条件、航道设施等起保护作用的区域设置警示区，超大场景1∶1 虚拟仿真还原，实时监测分析相关监测数据、异常数据，全面赋能航道保护业务应用，为现场航道人员处置非法采砂、破坏航道整治建筑物、破坏航道及航道设施等行为提供技术支持，提升应急处置效率，协同融合跨部门决策资源。