基于數(shù)字孿生的智慧船閘建設(shè)方案研究

李巍 袁媛 陳冬 吳彬彬

摘要 在交通運(yùn)輸領(lǐng)域新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的總體要求下，將數(shù)字孿生的理念、技術(shù)與船閘運(yùn)營(yíng)管理業(yè)務(wù)相結(jié)合，提出了智慧船閘的建設(shè)方案，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字孿生三維可視化平臺(tái)的船閘運(yùn)營(yíng)管控，對(duì)探索智慧船閘建設(shè)思路、提升船閘數(shù)字化及智能化水平具有重要意義。

關(guān)鍵詞 智慧船閘;運(yùn)營(yíng)管控;數(shù)字孿生

中圖分類號(hào) U612 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）02-0021-03

0 概述

近年來(lái)，隨著5G、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，國(guó)家對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展提出明確的現(xiàn)代化、高質(zhì)量要求。對(duì)船閘基礎(chǔ)設(shè)施而言，將5G、BIM、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)與船閘監(jiān)測(cè)、調(diào)度、指揮、運(yùn)維等業(yè)務(wù)深度結(jié)合，實(shí)現(xiàn)船閘運(yùn)行調(diào)度自動(dòng)化、基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)管理智能化、通航服務(wù)信息透明化，是船閘數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化升級(jí)的主要發(fā)展目標(biāo)和方向。

1 數(shù)字孿生技術(shù)在港航運(yùn)營(yíng)管理中的應(yīng)用

1.1 數(shù)字孿生技術(shù)的概念

2002年，Michael Grieves第一次提出了數(shù)字孿生的概念，即通過(guò)采集物理對(duì)象的數(shù)據(jù)，在虛擬空間中構(gòu)建真實(shí)反映該物理設(shè)備的虛擬模型及子系統(tǒng)，同時(shí)在物理對(duì)象和虛擬空間之間創(chuàng)建一個(gè)聯(lián)系通道，緊密結(jié)合物理對(duì)象的整個(gè)生命周期。從數(shù)字孿生的特點(diǎn)來(lái)看，數(shù)字孿生主要用于闡述物理世界與信息空間之間的融合狀態(tài)，適用于實(shí)際工程的應(yīng)用優(yōu)化，可以有效處理復(fù)雜多變的工程應(yīng)用問(wèn)題。

1.2 數(shù)字孿生技術(shù)在港航運(yùn)營(yíng)管理中的應(yīng)用

數(shù)字孿生的理念和技術(shù)最早應(yīng)用于智能制造領(lǐng)域，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)專家學(xué)者開(kāi)始嘗試將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于港航運(yùn)營(yíng)管理領(lǐng)域。黃永軍等[1]在港口運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)中引入數(shù)字孿生技術(shù)，將大量數(shù)據(jù)融合和統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)了基于三維世界的港口環(huán)境狀態(tài)感知和船舶智能服務(wù)。李明偉等[2]基于數(shù)字孿生概念，開(kāi)發(fā)了基于數(shù)字孿生的船閘安全智慧管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)船閘安全數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算、安全風(fēng)險(xiǎn)智能預(yù)報(bào)，提升了船閘安全管理智能化水平。由此可見(jiàn)，將數(shù)字孿生思想與船閘運(yùn)營(yíng)管理相結(jié)合，構(gòu)建具有實(shí)時(shí)感知、智能分析等功能的船閘智慧數(shù)字孿生體，是實(shí)現(xiàn)智慧船閘的重要途徑。

2 智慧船閘運(yùn)營(yíng)管控體系

2.1 智慧船閘功能模塊

智慧船閘的價(jià)值主要體現(xiàn)在提供高效的運(yùn)營(yíng)效率、高水平的通航保障和高品質(zhì)的運(yùn)輸服務(wù)上。根據(jù)監(jiān)控、調(diào)度、指揮、運(yùn)維等業(yè)務(wù)需求，智慧船閘功能模塊主要包括船閘運(yùn)營(yíng)管理、設(shè)備設(shè)施管理、船閘信息服務(wù)等。其中，船閘運(yùn)營(yíng)管理模塊包括船閘智能調(diào)度及智能過(guò)閘安全管理，主要實(shí)現(xiàn)船閘調(diào)度自動(dòng)化，同時(shí)通過(guò)機(jī)器視覺(jué)等多種手段，對(duì)過(guò)閘過(guò)程中船舶超速、超警戒線等安全隱患進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別，提高過(guò)閘安全水平;設(shè)備設(shè)施管理模塊通過(guò)船閘設(shè)備設(shè)施監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)船閘設(shè)備設(shè)施精準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)管理、預(yù)防性養(yǎng)護(hù)管理;船民信息服務(wù)模塊通過(guò)App、甚高頻、網(wǎng)絡(luò)電話等多種方式向船舶發(fā)布通航環(huán)境信息、過(guò)閘信息等。通過(guò)協(xié)同應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)船閘運(yùn)營(yíng)的自動(dòng)化、智能化，提省船閘運(yùn)行效率和安全性（如圖1）。

2.2 智慧船閘運(yùn)營(yíng)管控平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

圍繞智慧船閘業(yè)務(wù)需求及功能模塊設(shè)計(jì)，同時(shí)結(jié)合未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)[3]，智慧船閘運(yùn)營(yíng)管控平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)可分為5層，即全要素感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層及展示層（如圖2）。

（1）船閘全要素感知層。針對(duì)船閘設(shè)備設(shè)施、船閘環(huán)境、船舶等感知對(duì)象，通過(guò)各類智能感知設(shè)備，實(shí)現(xiàn)全要素動(dòng)態(tài)地全面感知，為智慧船閘應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

（2）網(wǎng)絡(luò)層。通過(guò)建設(shè)光纖網(wǎng)絡(luò)、4G/5G等，實(shí)現(xiàn)感知、控制、服務(wù)等信息的全天候、高可靠傳輸。

（3）數(shù)據(jù)層。對(duì)各類結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、清洗、轉(zhuǎn)換、匯總，應(yīng)用海量數(shù)據(jù)分布存儲(chǔ)技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)價(jià)值挖掘。

（4）應(yīng)用層。通過(guò)船閘運(yùn)營(yíng)管理、設(shè)備設(shè)施管理、船閘服務(wù)等智能化應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)船閘運(yùn)營(yíng)的自動(dòng)化、智能化。

（5）展現(xiàn)層。通過(guò)大屏、PC端、手機(jī)端等多種方式向管理人員、船民進(jìn)行展示。

3 基于數(shù)字孿生的智慧船閘關(guān)鍵內(nèi)容建設(shè)方案

3.1 船閘運(yùn)行狀態(tài)綜合感知及傳輸

根據(jù)船舶申報(bào)、登記、繳費(fèi)、調(diào)度、待閘、過(guò)閘的全流程以及船閘智能安全管理、智能調(diào)度、智能養(yǎng)護(hù)管理的功能需求，船閘感知對(duì)象主要分為三類，即船閘設(shè)施設(shè)備的信息、船閘環(huán)境的信息及船舶動(dòng)態(tài)的信息，具體船閘運(yùn)行狀態(tài)綜合感知內(nèi)容如圖3。

3.2 基于數(shù)字孿生的三維可視化平臺(tái)

基于數(shù)字孿生的三維可視化平臺(tái)以BIM和GIS為基礎(chǔ)，通過(guò)場(chǎng)景地形建模、BIM模型輕量化、航道船閘BIM模型融合、動(dòng)態(tài)水面建模等，為船閘一體化展示、查詢、分析及全過(guò)程管理提供優(yōu)質(zhì)可視化信息支撐，是智慧船閘系統(tǒng)最重要的應(yīng)用支撐平臺(tái)。

（1）場(chǎng)景地形建模。場(chǎng)景地形建模主要應(yīng)用傾斜攝影技術(shù)，基于詳盡的航測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)影像預(yù)處理、區(qū)域聯(lián)合平差、多視影響匹配等一系列操作，批量建立高質(zhì)量、高精度的三維GIS模型。

（2）BIM模型輕量化。BIM模型輕量化處理又叫重新拓?fù)洌菍⒏叻直媛誓Ｐ娃D(zhuǎn)換成可以用于動(dòng)畫(huà)的較小模型的過(guò)程，處理過(guò)程可分為數(shù)模分離、三維幾何數(shù)據(jù)輕量化處理、WEB瀏覽器或App端實(shí)時(shí)渲染及管理等步驟。

（3）航道船閘BIM模型融合。BIM模型與實(shí)景三維模型融合的重點(diǎn)在于BIM模型到3DTiles模型的轉(zhuǎn)換與融合，融合與轉(zhuǎn)換過(guò)程主要包括重構(gòu)模型、幾何信息轉(zhuǎn)化、空間位置配準(zhǔn)、語(yǔ)義映射等步驟（如圖4）。

（4）動(dòng)態(tài)水面建模。航道三維場(chǎng)景中水面占比大，對(duì)三維效果影響較大，動(dòng)態(tài)水面建模重點(diǎn)提升水面反射、折射渲染效果。

3.3 船閘智能調(diào)度

船閘智能調(diào)度是船閘運(yùn)營(yíng)管理最重要的功能模塊，船舶智能過(guò)閘流程可分為過(guò)閘申報(bào)及自動(dòng)登記、船舶過(guò)閘繳費(fèi)、船舶智能調(diào)度、船舶智能過(guò)閘等環(huán)節(jié)，基于船閘運(yùn)行狀態(tài)綜合感知及三維可視化平臺(tái)，船閘智能調(diào)度實(shí)現(xiàn)方案如下：

（1）過(guò)閘申報(bào)及自動(dòng)登記。船舶到達(dá)船閘區(qū)域前，通過(guò)智能船載終端，在手機(jī)App上進(jìn)行過(guò)閘遠(yuǎn)程申報(bào);船舶進(jìn)入船閘電子圍欄后，通過(guò)手機(jī)App確認(rèn)過(guò)閘，系統(tǒng)自動(dòng)登記并分配過(guò)閘登記號(hào)。

（2）船舶過(guò)閘繳費(fèi)。船舶過(guò)閘登記后，通過(guò)收費(fèi)系統(tǒng)完成繳費(fèi);繳費(fèi)完成的待閘船舶將根據(jù)類型分成普通貨輪隊(duì)列、普通船隊(duì)隊(duì)列、優(yōu)先貨輪隊(duì)列、優(yōu)先船隊(duì)隊(duì)列、危險(xiǎn)貨物船舶隊(duì)列等五類排隊(duì)隊(duì)列。

（3）船舶智能調(diào)度。對(duì)排隊(duì)隊(duì)列，系統(tǒng)根據(jù)閘室分配算法及閘室排擋算法，自動(dòng)生成船閘閘次計(jì)劃和船閘排擋圖，并將調(diào)度信息通過(guò)手機(jī)App、短信、微信網(wǎng)絡(luò)電話等多種方式發(fā)送至過(guò)閘船舶。

（4）船舶智能過(guò)閘。船舶收到調(diào)度過(guò)閘指令后，進(jìn)入船閘引航道/靠船墩等待閘區(qū)的指定檔位?？?，并查驗(yàn)核對(duì)船舶身份、繳費(fèi)情況、過(guò)閘閘次閘號(hào)等;船舶在智能過(guò)閘引導(dǎo)下駛?cè)腴l室指定檔位，并在船舶超速檢測(cè)、超警戒線檢測(cè)等智能安全監(jiān)管系統(tǒng)的監(jiān)控下安全出閘，完成調(diào)度流程。

4 結(jié)語(yǔ)

船閘作為水路交通的節(jié)點(diǎn)，每時(shí)每刻都產(chǎn)生著大量的船閘環(huán)境數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、過(guò)閘船舶狀態(tài)數(shù)據(jù)及船閘運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，對(duì)智慧船閘建設(shè)而言，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯聚共享和業(yè)務(wù)應(yīng)用的協(xié)同統(tǒng)一是需要解決的核心問(wèn)題。基于數(shù)字孿生技術(shù)，以BIM和GIS為基礎(chǔ)獲得船閘數(shù)字孿生對(duì)象，通過(guò)構(gòu)建多業(yè)務(wù)協(xié)同和可拓展的數(shù)字孿生平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)船閘的智慧運(yùn)營(yíng)管控，為智慧船閘建設(shè)提供建設(shè)思路。

參考文獻(xiàn)

[1]黃勇軍，王閏成，馬楓，等.“云上港航”數(shù)字孿生系統(tǒng)助航解決方案[J].信息技術(shù)與信息化，2018（12）：67-70.

[2]李明偉，安小剛，潘士琦，等.基于數(shù)字孿生的船閘安全智慧管理方法[J].水運(yùn)工程，2021（6）：212-217.

[3]童劍.京杭運(yùn)河智慧航運(yùn)建設(shè)方案研究[J].現(xiàn)代交通技術(shù)，2021（3）：83-87.