數(shù)字孿生在航道技術服務工作中的應用初探

高雪娟

（長江武漢航道局，湖北 武漢 430000）

1 引言

為順應智慧航道發(fā)展趨勢，緊緊抓住長江航運高質量發(fā)展的突破口，近年來，長江航道部門著眼現(xiàn)代科技發(fā)展前沿，有方向性地開展一系列智慧航道關鍵技術的前瞻性、基礎性研究。2023 年4 月，長江航務管理局提出“131”智慧長江建設路徑，預計到2025 年，通過數(shù)據(jù)融合治理、模擬仿真與預測決策支撐等建設，構建以數(shù)字孿生+全水域智能為“雙核驅動”的長江航運數(shù)字孿生體系，構建集“精準感知、智能分析、監(jiān)測預警、遠程管理”等功能的長江立體數(shù)字化實景地圖，實現(xiàn)“一圖看長江、一圖管航運”，全面支撐“131”智慧長江建設路徑典型場景應用。

2 數(shù)字孿生內涵

數(shù)字孿生源自工業(yè)界的概念，是充分利用物理模型、傳感器更新、歷史運行數(shù)據(jù)等，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。數(shù)字孿生是個普遍適應的理論技術體系，可以在眾多領域應用，在產品設計、產品制造、醫(yī)學分析、工程建設等領域應用較多。在國內應用最深入的是工程建設領域，關注度最高、研究最熱的是智能制造領域。

數(shù)字孿生網(wǎng)絡業(yè)界尚無統(tǒng)一的定義,可以抽象理解為一個具有物理網(wǎng)絡實體及虛擬孿生體,且二者可進行實時交互映射的網(wǎng)絡系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中,各種網(wǎng)絡管理和應用可利用數(shù)字孿生技術構建的虛擬孿生體，基于數(shù)據(jù)和模型對物理實體進行高效的分析、診斷、仿真和控制?；诖硕x,數(shù)字孿生應當具備4 個核心要素：數(shù)據(jù)、模型、映射和交互。

3 數(shù)字孿生在航道技術服務中應用的可行性及現(xiàn)狀需求

3.1 數(shù)字航道為數(shù)字孿生提供堅實的數(shù)據(jù)與建模環(huán)境

近年，長江航道局數(shù)字航道建設實現(xiàn)了從“全線貫通”到“聯(lián)通運行”再到“全面應用”的重大突破，建立了基礎設施層、信息感知層、網(wǎng)絡傳輸層、數(shù)據(jù)資源層、支撐平臺層、應用服務層等構成的長江數(shù)字航道總體技術框架。

例如，在航道要素感知技術方面，研發(fā)了基于現(xiàn)代測繪的航道要素變化快速測量技術，構建了空天地水立體航道測繪技術體系，解決了大范圍航道要素變化信息快速獲取的問題。研發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)的航道典型要素異動實時監(jiān)測技術，開發(fā)了航標遙測遙控系統(tǒng)、水位遙測遙報系統(tǒng)等，解決了主要航道要素運行狀態(tài)在線感知的問題。在航道數(shù)據(jù)治理技術方面，建立了航道地理信息模型和航道要素分層分級轉換模板，同時，研發(fā)了基于云網(wǎng)交互的航道數(shù)據(jù)資源構建技術，初步解決了海量航道數(shù)據(jù)資源的組織管理問題。

3.2 在航道技術服務中的應用需求

航道技術服務工作對數(shù)據(jù)采集、加工、分析的需求較大，實際應用中，現(xiàn)有的信息技術對該項工作的支撐性不強。

（1）數(shù)據(jù)整合利用單一。目前，在數(shù)字航道系統(tǒng)中以分批完成了2080 個碼頭、135 座橋梁、101 條架空過江管線、258 個取排水口、63 個錨地等10 項臨跨河設施數(shù)據(jù)。但在數(shù)據(jù)分類中，僅只從航道通航條件影響評價、對外技術支持意見等4 項航道技術服務的有關工程情況信息予以分類錄入，而且數(shù)字航道平臺中“航道技術服務管理模塊”應用功能較為單一，僅提供信息存儲服務及檢索，錄入的臨跨河設施信息未實質性發(fā)揮輔助決策功能。

（2）數(shù)據(jù)應用效益發(fā)揮不充分。以航道通航條件影響評價編制與審核工作為例，實際報告編制單位對航道通航條件影響論證理解深度不一，甚至提出的減小或者消除影響的對策措施存在不可行性，引用的圖籍資料真實性也有待復核，這給技術審核部門帶來大量繁重的基礎性工作。其實，對航道通航條件影響論證所涉及到的，如枯洪水航道航標設置、AIS 軌跡大數(shù)據(jù)分析、長江河演沖淤分析等基礎性數(shù)據(jù)已有采集，但沒有形成統(tǒng)一的信息交換標準，系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換難以實現(xiàn)，更缺乏數(shù)字化推演。

（3）數(shù)字建模及交互尚未實質突破。例如，在航道資源、航道通航條件、航道設施損毀程度的量化認定工作上，一直未有實質性突破，迫切需要通過數(shù)字孿生技術對航道水下地形、流速流向和陸域地形地貌等數(shù)據(jù)進行融合，建立水深、通航建筑、水下礙航物、水面助航標志、整治建筑物等航道要素實體模型，對船舶活動全過程進行精準化模擬，從而達成物理長江與數(shù)字孿生長江之間的同步仿真運行、虛實實時交互，為航道損毀定損提供支撐，提高航道保護工作的時效性、智能化、信息化程度。

4 數(shù)字孿生在航道技術服務中的主要技術及應用場景

4.1 三維可視化技術

可視化平臺可將三維地形、要素圖層、CAD 數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)信息、導航信息、融合多源精細化3D 模型，包括傳統(tǒng)手工建模、矢量批量建模、點云模型、BIM 模型等數(shù)據(jù)整合，搭建全要素可視化三維場景及對三維場景內對象和動作的控制，實現(xiàn)水上水下一體化、數(shù)字化、可視化、科學化管理。

4.2 智能分析技術

航道智能分析平臺可以從航道要素感知方面入手，系統(tǒng)分析研究航道及航道保障設施自身及遠控運行過程中的安全評價體系。通過梳理航道探測數(shù)據(jù)、航標調整規(guī)律性、航道保護劃定范圍、涉航建筑物資料歸集、電子航道圖要素更新等航道業(yè)務應用，記錄各應用場景下數(shù)字航道智慧遠控過程中如航道助航設施性能發(fā)揮、水文水流條件演變、航道航標調整布設等評估指標的短期與長期變化情況，在數(shù)據(jù)整合的基礎上，形成輔助支撐模型，實現(xiàn)智能分析預警，給航道技術服務工作提供數(shù)字支撐。

4.3 應用場景

（1）基于數(shù)字孿生技術，結合河床歷史演變、近期地形測圖資料，對全河段歷年岸線、深泓線、深槽、淺灘、沖淤變化等進行總體評價分析，同時也可以對指定水域進行河床演變趨勢預測，能推演任意位置的河床斷面數(shù)據(jù)，輔助提供與航道有關工程河段河床斷面形態(tài)及沖深發(fā)展態(tài)勢查詢。

（2）結合航道測繪數(shù)據(jù)，對水情異常、航道尺度觸底前進行可視化預警，便于航道維護單位及時掌握水情動態(tài)并為航道應急措施提供有效數(shù)據(jù)支撐，彌補傳統(tǒng)航道河床地形測繪模式導致航道感知能力不足的問題。

（3）港區(qū)、橋區(qū)水域結合多源信息融合技術，通過海事AIS、港口CCTV 視覺監(jiān)控系統(tǒng)的信息融合，整合多種類傳感器的測量信息，提高船舶軌跡精度，為船舶的動靜態(tài)參數(shù)信息及視覺特征提供現(xiàn)實參數(shù)，為優(yōu)化調整橋區(qū)及港區(qū)專用航標提供航道技術支持。

（4）結合地理信息系統(tǒng)，形成轄區(qū)與通航有關工程建設框架，描述各工程建設規(guī)模及屬性特點，實現(xiàn)航道數(shù)字孿生建設對通航建筑物建設及運行狀態(tài)的精細化管理。此外，利用數(shù)值模擬手段，建立傳感信息與電子航道數(shù)據(jù)間的融合模型，快捷獲取擬建工程在枯、洪水期與航道的位置關系及航道通航影響，以利于研判工程施工建設對航道及航道設施的影響，科學提出航道保障措施。

（5）融合航標遙測遙控系統(tǒng)、航道視頻監(jiān)控系統(tǒng)、船舶AIS 航跡線等數(shù)據(jù)資源，對航道典型要素異動信息進行真實復現(xiàn)；對航道資源、航道通航條件、航道設施等起保護作用的區(qū)域設置警示區(qū)，超大場景1∶1 虛擬仿真還原，實時監(jiān)測分析相關監(jiān)測數(shù)據(jù)、異常數(shù)據(jù)，全面賦能航道保護業(yè)務應用，為現(xiàn)場航道人員處置非法采砂、破壞航道整治建筑物、破壞航道及航道設施等行為提供技術支持，提升應急處置效率，協(xié)同融合跨部門決策資源。

5 展望

當前，數(shù)字孿生技術已為實體工程與數(shù)字孿生體的交互融合搭建了橋梁，借助數(shù)字孿生技術構建航道數(shù)字孿生系統(tǒng)，可以深入探索和挖掘多用途應用場景，讓數(shù)字孿生技術為航道管理業(yè)務賦能，為航道管理的信息全面感知能力、安全保障能力、精細管理能力和智慧決策能力提供更高質量的發(fā)展。