高雪娟

（長(zhǎng)江武漢航道局，湖北 武漢 430000）

1 引言

為順應(yīng)智慧航道發(fā)展趨勢(shì)，緊緊抓住長(zhǎng)江航運(yùn)高質(zhì)量發(fā)展的突破口，近年來(lái)，長(zhǎng)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(guān)鍵技術(shù)的前瞻性、基礎(chǔ)性研究。2023 年4 月，長(zhǎng)江航務(wù)管理局提出“131”智慧長(zhǎng)江建設(shè)路徑，預(yù)計(jì)到2025 年，通過(guò)數(shù)據(jù)融合治理、模擬仿真與預(yù)測(cè)決策支撐等建設(shè)，構(gòu)建以數(shù)字孿生+全水域智能為“雙核驅(qū)動(dòng)”的長(zhǎng)江航運(yùn)數(shù)字孿生體系，構(gòu)建集“精準(zhǔn)感知、智能分析、監(jiān)測(cè)預(yù)警、遠(yuǎn)程管理”等功能的長(zhǎng)江立體數(shù)字化實(shí)景地圖，實(shí)現(xiàn)“一圖看長(zhǎng)江、一圖管航運(yùn)”，全面支撐“131”智慧長(zhǎng)江建設(shè)路徑典型場(chǎng)景應(yīng)用。

2 數(shù)字孿生內(nèi)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(yùn)行數(shù)據(jù)等，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程。數(shù)字孿生是個(gè)普遍適應(yīng)的理論技術(shù)體系，可以在眾多領(lǐng)域應(yīng)用，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造、醫(yī)學(xué)分析、工程建設(shè)等領(lǐng)域應(yīng)用較多。在國(guó)內(nèi)應(yīng)用最深入的是工程建設(shè)領(lǐng)域，關(guān)注度最高、研究最熱的是智能制造領(lǐng)域。

數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)業(yè)界尚無(wú)統(tǒng)一的定義,可以抽象理解為一個(gè)具有物理網(wǎng)絡(luò)實(shí)體及虛擬孿生體,且二者可進(jìn)行實(shí)時(shí)交互映射的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中,各種網(wǎng)絡(luò)管理和應(yīng)用可利用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建的虛擬孿生體，基于數(shù)據(jù)和模型對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行高效的分析、診斷、仿真和控制?；诖硕x,數(shù)字孿生應(yīng)當(dāng)具備4 個(gè)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(shù)服務(wù)中應(yīng)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(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)與建模環(huán)境

近年，長(zhǎng)江航道局?jǐn)?shù)字航道建設(shè)實(shí)現(xiàn)了從“全線貫通”到“聯(lián)通運(yùn)行”再到“全面應(yīng)用”的重大突破，建立了基礎(chǔ)設(shè)施層、信息感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)資源層、支撐平臺(tái)層、應(yīng)用服務(wù)層等構(gòu)成的長(zhǎng)江數(shù)字航道總體技術(shù)框架。

例如，在航道要素感知技術(shù)方面，研發(fā)了基于現(xiàn)代測(cè)繪的航道要素變化快速測(cè)量技術(shù)，構(gòu)建了空天地水立體航道測(cè)繪技術(shù)體系，解決了大范圍航道要素變化信息快速獲取的問(wèn)題。研發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)的航道典型要素異動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)，開發(fā)了航標(biāo)遙測(cè)遙控系統(tǒng)、水位遙測(cè)遙報(bào)系統(tǒng)等，解決了主要航道要素運(yùn)行狀態(tài)在線感知的問(wèn)題。在航道數(shù)據(jù)治理技術(shù)方面，建立了航道地理信息模型和航道要素分層分級(jí)轉(zhuǎn)換模板，同時(shí)，研發(fā)了基于云網(wǎng)交互的航道數(shù)據(jù)資源構(gòu)建技術(shù)，初步解決了海量航道數(shù)據(jù)資源的組織管理問(wèn)題。

3.2 在航道技術(shù)服務(wù)中的應(yīng)用需求

航道技術(shù)服務(wù)工作對(duì)數(shù)據(jù)采集、加工、分析的需求較大，實(shí)際應(yīng)用中，現(xiàn)有的信息技術(shù)對(duì)該項(xiàng)工作的支撐性不強(qiáng)。

（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(gè)碼頭、135 座橋梁、101 條架空過(guò)江管線、258 個(gè)取排水口、63 個(gè)錨地等10 項(xiàng)臨跨河設(shè)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(píng)價(jià)、對(duì)外技術(shù)支持意見等4 項(xiàng)航道技術(shù)服務(wù)的有關(guān)工程情況信息予以分類錄入，而且數(shù)字航道平臺(tái)中“航道技術(shù)服務(wù)管理模塊”應(yīng)用功能較為單一，僅提供信息存儲(chǔ)服務(wù)及檢索，錄入的臨跨河設(shè)施信息未實(shí)質(zhì)性發(fā)揮輔助決策功能。

（2）數(shù)據(jù)應(yīng)用效益發(fā)揮不充分。以航道通航條件影響評(píng)價(jià)編制與審核工作為例，實(shí)際報(bào)告編制單位對(duì)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(duì)策措施存在不可行性，引用的圖籍資料真實(shí)性也有待復(fù)核，這給技術(shù)審核部門帶來(lái)大量繁重的基礎(chǔ)性工作。其實(shí)，對(duì)航道通航條件影響論證所涉及到的，如枯洪水航道航標(biāo)設(shè)置、AIS 軌跡大數(shù)據(jù)分析、長(zhǎng)江河演沖淤分析等基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)已有采集，但沒有形成統(tǒng)一的信息交換標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交換難以實(shí)現(xiàn)，更缺乏數(shù)字化推演。

（3）數(shù)字建模及交互尚未實(shí)質(zhì)突破。例如，在航道資源、航道通航條件、航道設(shè)施損毀程度的量化認(rèn)定工作上，一直未有實(shí)質(zhì)性突破，迫切需要通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)航道水下地形、流速流向和陸域地形地貌等數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，建立水深、通航建筑、水下礙航物、水面助航標(biāo)志、整治建筑物等航道要素實(shí)體模型，對(duì)船舶活動(dòng)全過(guò)程進(jìn)行精準(zhǔn)化模擬，從而達(dá)成物理長(zhǎng)江與數(shù)字孿生長(zhǎng)江之間的同步仿真運(yùn)行、虛實(shí)實(shí)時(shí)交互，為航道損毀定損提供支撐，提高航道保護(hù)工作的時(shí)效性、智能化、信息化程度。

4 數(shù)字孿生在航道技術(shù)服務(wù)中的主要技術(shù)及應(yīng)用場(chǎng)景

4.1 三維可視化技術(shù)

可視化平臺(tái)可將三維地形、要素圖層、CAD 數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)信息、導(dǎo)航信息、融合多源精細(xì)化3D 模型，包括傳統(tǒng)手工建模、矢量批量建模、點(diǎn)云模型、BIM 模型等數(shù)據(jù)整合，搭建全要素可視化三維場(chǎng)景及對(duì)三維場(chǎng)景內(nèi)對(duì)象和動(dòng)作的控制，實(shí)現(xiàn)水上水下一體化、數(shù)字化、可視化、科學(xué)化管理。

4.2 智能分析技術(shù)

航道智能分析平臺(tái)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(shè)施自身及遠(yuǎn)控運(yùn)行過(guò)程中的安全評(píng)價(jià)體系。通過(guò)梳理航道探測(cè)數(shù)據(jù)、航標(biāo)調(diào)整規(guī)律性、航道保護(hù)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(wù)應(yīng)用，記錄各應(yīng)用場(chǎng)景下數(shù)字航道智慧遠(yuǎn)控過(guò)程中如航道助航設(shè)施性能發(fā)揮、水文水流條件演變、航道航標(biāo)調(diào)整布設(shè)等評(píng)估指標(biāo)的短期與長(zhǎng)期變化情況，在數(shù)據(jù)整合的基礎(chǔ)上，形成輔助支撐模型，實(shí)現(xiàn)智能分析預(yù)警，給航道技術(shù)服務(wù)工作提供數(shù)字支撐。

4.3 應(yīng)用場(chǎng)景

（1）基于數(shù)字孿生技術(shù)，結(jié)合河床歷史演變、近期地形測(cè)圖資料，對(duì)全河段歷年岸線、深泓線、深槽、淺灘、沖淤變化等進(jìn)行總體評(píng)價(jià)分析，同時(shí)也可以對(duì)指定水域進(jìn)行河床演變趨勢(shì)預(yù)測(cè)，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(guān)工程河段河床斷面形態(tài)及沖深發(fā)展態(tài)勢(shì)查詢。

（2）結(jié)合航道測(cè)繪數(shù)據(jù)，對(duì)水情異常、航道尺度觸底前進(jìn)行可視化預(yù)警，便于航道維護(hù)單位及時(shí)掌握水情動(dòng)態(tài)并為航道應(yīng)急措施提供有效數(shù)據(jù)支撐，彌補(bǔ)傳統(tǒng)航道河床地形測(cè)繪模式導(dǎo)致航道感知能力不足的問(wèn)題。

（3）港區(qū)、橋區(qū)水域結(jié)合多源信息融合技術(shù)，通過(guò)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(cè)量信息，提高船舶軌跡精度，為船舶的動(dòng)靜態(tài)參數(shù)信息及視覺特征提供現(xiàn)實(shí)參數(shù)，為優(yōu)化調(diào)整橋區(qū)及港區(qū)專用航標(biāo)提供航道技術(shù)支持。

（4）結(jié)合地理信息系統(tǒng)，形成轄區(qū)與通航有關(guān)工程建設(shè)框架，描述各工程建設(shè)規(guī)模及屬性特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)航道數(shù)字孿生建設(shè)對(duì)通航建筑物建設(shè)及運(yùn)行狀態(tài)的精細(xì)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(guān)系及航道通航影響，以利于研判工程施工建設(shè)對(duì)航道及航道設(shè)施的影響，科學(xué)提出航道保障措施。

（5）融合航標(biāo)遙測(cè)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(duì)航道典型要素異動(dòng)信息進(jìn)行真實(shí)復(fù)現(xiàn)；對(duì)航道資源、航道通航條件、航道設(shè)施等起保護(hù)作用的區(qū)域設(shè)置警示區(qū)，超大場(chǎng)景1∶1 虛擬仿真還原，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、異常數(shù)據(jù)，全面賦能航道保護(hù)業(yè)務(wù)應(yīng)用，為現(xiàn)場(chǎng)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(shè)施等行為提供技術(shù)支持，提升應(yīng)急處置效率，協(xié)同融合跨部門決策資源。

5 展望

當(dāng)前，數(shù)字孿生技術(shù)已為實(shí)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(shù)構(gòu)建航道數(shù)字孿生系統(tǒng)，可以深入探索和挖掘多用途應(yīng)用場(chǎng)景，讓數(shù)字孿生技術(shù)為航道管理業(yè)務(wù)賦能，為航道管理的信息全面感知能力、安全保障能力、精細(xì)管理能力和智慧決策能力提供更高質(zhì)量的發(fā)展。