數(shù)字孿生在長江航運(yùn)安全管理體系中的應(yīng)用研究

黃孝東

一、長江航運(yùn)安全管理體系

在深入推進(jìn)長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展的戰(zhàn)略背景下，長江作為我國最繁忙的黃金水道，干線上各類船舶的安全航行對我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和交通運(yùn)輸起著至關(guān)重要的作用。長江航運(yùn)安全管理體系是指在長江航運(yùn)領(lǐng)域中，為了保障人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全和促進(jìn)長江經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，建立的一套科學(xué)有效的安全管理體系。該體系包括安全監(jiān)管、安全運(yùn)維、安全技術(shù)等多個(gè)方面，旨在實(shí)現(xiàn)對長江航運(yùn)過程中全方位、全流程的服務(wù)和管理。長江航運(yùn)安全管理體系的建立和完善，對于保障長江航運(yùn)安全、促進(jìn)長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展具有重要意義。

二、數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生是將現(xiàn)實(shí)世界中的物理對象或系統(tǒng)通過傳感器等設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理，創(chuàng)建出一個(gè)與實(shí)際物理對象或系統(tǒng)相對應(yīng)的數(shù)字化模型或副本，然后通過虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)進(jìn)行展示，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對物理對象或系統(tǒng)的模擬、監(jiān)控、優(yōu)化、預(yù)測和故障排除等多種目的。數(shù)字孿生是物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)融合的產(chǎn)物，是物聯(lián)網(wǎng)與人工智能技術(shù)在工業(yè)制造領(lǐng)域的融合創(chuàng)新。

數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生最核心的要素，它源于物理實(shí)體、虛擬模型、服務(wù)系統(tǒng)，同時(shí)在融合處理后又融入到各部分中，推動(dòng)了各部分的運(yùn)轉(zhuǎn)。數(shù)字孿生是對沉睡數(shù)據(jù)的可視化操作，數(shù)字孿生和數(shù)據(jù)可視化有著密切的關(guān)系。數(shù)字孿生通過創(chuàng)建一個(gè)虛擬模型來模擬現(xiàn)實(shí)世界中的物理系統(tǒng)或過程。這個(gè)虛擬模型可以使用大量的數(shù)據(jù)來準(zhǔn)確地模擬現(xiàn)實(shí)世界，并且可以使用數(shù)據(jù)可視化來呈現(xiàn)這些數(shù)據(jù)。

數(shù)字孿生通常需要大量的數(shù)據(jù)來支持其模型，這些數(shù)據(jù)可以通過傳感器、監(jiān)測設(shè)備和其他數(shù)據(jù)源來收集。數(shù)據(jù)可視化可以幫助人們更好地理解和分析這些數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為易于理解的圖表、圖形和可視化工具。例如，一個(gè)數(shù)字孿生模型可以使用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來模擬機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)，數(shù)據(jù)可視化則可以將這些數(shù)據(jù)呈現(xiàn)為實(shí)時(shí)監(jiān)控儀表盤，讓人們更好地了解機(jī)器的運(yùn)行狀況。數(shù)字孿生和數(shù)據(jù)可視化相互關(guān)聯(lián)，共同支持著現(xiàn)代工業(yè)、制造業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的發(fā)展。

三、數(shù)字孿生模型在航運(yùn)安全管理中的應(yīng)用展望

當(dāng)今數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展，也為長江航運(yùn)安全管理帶來了前所未有的機(jī)遇。數(shù)字孿生技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)模擬的虛擬仿真技術(shù)，通過建立物理實(shí)體的數(shù)字模型，實(shí)現(xiàn)實(shí)體的虛擬仿真和數(shù)字化管理。在長江航運(yùn)安全管理體系中，數(shù)字孿生技術(shù)有以下具體應(yīng)用：

（一）船舶設(shè)計(jì)和仿真

數(shù)字孿生技術(shù)可以用于船舶的設(shè)計(jì)和仿真，通過建立船舶的數(shù)字模型，可以對船舶在不同情況下的性能進(jìn)行模擬和分析，從而為船舶的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供參考。數(shù)字孿生技術(shù)還可以對船舶的結(jié)構(gòu)、材料、工藝等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高船舶的質(zhì)量和性能。

（二）船舶運(yùn)行監(jiān)測

數(shù)字孿生技術(shù)可以用于船舶的運(yùn)行監(jiān)測，通過在數(shù)字孿生模型中添加傳感器和監(jiān)測設(shè)備，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測船舶的運(yùn)行狀態(tài)和性能指標(biāo)，并對異常情況進(jìn)行預(yù)警和處理。數(shù)字孿生技術(shù)還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和挖掘，從而發(fā)現(xiàn)船舶運(yùn)行中存在的問題和隱患，并制定相應(yīng)的措施進(jìn)行改進(jìn)。

（三）船舶維修和保養(yǎng)

數(shù)字孿生技術(shù)可以用于船舶的維修和保養(yǎng)，通過建立船舶的數(shù)字模型，可以對船舶的各個(gè)部件進(jìn)行模擬和分析，預(yù)測其壽命和故障率，并制定相應(yīng)的維修和保養(yǎng)計(jì)劃。數(shù)字孿生技術(shù)還可以對維修和保養(yǎng)過程進(jìn)行模擬和優(yōu)化，提高維修和保養(yǎng)的效率和質(zhì)量。

（四）船舶培訓(xùn)和教育

數(shù)字孿生技術(shù)可以用于船舶的培訓(xùn)和教育，通過建立船舶的數(shù)字模型，可以進(jìn)行虛擬仿真和模擬操作，提高船員的技能和應(yīng)對能力。數(shù)字孿生技術(shù)還可以在培訓(xùn)和教育過程中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和挖掘，為船員的培訓(xùn)和教育提供更加科學(xué)、有效的支持。

（五）航行安全管理

數(shù)字孿生技術(shù)可以用于航行安全管理，通過建立長江航運(yùn)的數(shù)字孿生模型，可以對船舶的航行軌跡、流量和水深等進(jìn)行模擬和分析，預(yù)測潛在的安全隱患，并制定相應(yīng)的應(yīng)對措施，提高航行安全水平。數(shù)字孿生技術(shù)還可以用于事故模擬和應(yīng)急演練，提高應(yīng)對突發(fā)事件的能力和水平。

四、基于數(shù)字孿生的航運(yùn)模型建立過程

在長江航運(yùn)安全管理體系中，建立數(shù)字孿生模型需要以下步驟：

（一）數(shù)據(jù)采集和處理

數(shù)據(jù)采集是數(shù)字孿生模型建立的第一步，需要收集長江航運(yùn)相關(guān)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可以來源于船舶、氣象、水文、港口等多個(gè)方面。數(shù)據(jù)的采集可以通過監(jiān)控、雷達(dá)、衛(wèi)星遙感、氣象站、水文站等設(shè)備進(jìn)行。采集到的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行處理和分析，去除無效數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)，以及進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗和預(yù)處理。

（二）模型建立

在數(shù)據(jù)采集和處理完成后，需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的模型建立方法和算法。數(shù)字孿生模型建立方法包括物理模型、統(tǒng)計(jì)模型、機(jī)器學(xué)習(xí)模型等。其中，物理模型建立需要依據(jù)長江航運(yùn)的物理特性和規(guī)律，對數(shù)據(jù)和實(shí)體進(jìn)行物理建模，以搭建數(shù)字孿生模型底層。統(tǒng)計(jì)模型建立需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并利用統(tǒng)計(jì)方法完善模型。機(jī)器學(xué)習(xí)模型建立需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練和優(yōu)化，以拓展數(shù)字孿生模型的深度和廣度，使之更具智能化。

（三）模型驗(yàn)證

數(shù)字孿生模型建立完成后，需要對模型進(jìn)行驗(yàn)證，以檢驗(yàn)其準(zhǔn)確性和可靠性。模型驗(yàn)證可以采用實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，或者專家評(píng)估等方法進(jìn)行。模型驗(yàn)證完成后，需要根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果對模型進(jìn)行修正和調(diào)整。

（四）模型應(yīng)用

數(shù)字孿生模型建立完成后，可以應(yīng)用于長江航運(yùn)安全管理的多個(gè)方面。例如，可以應(yīng)用于船舶設(shè)計(jì)和仿真、船舶運(yùn)行監(jiān)測、船舶維修和保養(yǎng)、船舶培訓(xùn)和教育、航行安全管理等方面。在應(yīng)用過程中，需要不斷對數(shù)字模型進(jìn)行更新和優(yōu)化，以提高其應(yīng)用效果和可靠性。

（五）模型管理

數(shù)字孿生模型需要不斷進(jìn)行管理和維護(hù)，包括數(shù)據(jù)更新、模型優(yōu)化、故障排除等工作。模型管理可以采用人工管理、自動(dòng)化管理和智能化管理等方式進(jìn)行。數(shù)字孿生模型的可持續(xù)應(yīng)用，需要模型管理主體責(zé)任部門對其不斷進(jìn)行優(yōu)化和維護(hù)，更新實(shí)際數(shù)據(jù)，修正模型參數(shù)，提升系統(tǒng)準(zhǔn)確性、真實(shí)性。

五、數(shù)字孿生技術(shù)在航運(yùn)安全管理中的應(yīng)用現(xiàn)狀及建議

新技術(shù)研究成果的推廣和應(yīng)用，包括技術(shù)轉(zhuǎn)化、普及推廣、政策保障等過程。由于當(dāng)前數(shù)據(jù)源存在局限性、物理傳感器收集到的數(shù)據(jù)種類較少、數(shù)據(jù)傳輸條件（帶寬/延遲/安全）較差、算法的可行性較低、算力跟蹤不及時(shí)、需求定位不清晰以及建設(shè)成本較高，這些因素都限制了數(shù)字孿生技術(shù)在智慧航運(yùn)戰(zhàn)略中的應(yīng)用進(jìn)程。目前，數(shù)字孿生已經(jīng)在一些水域中實(shí)現(xiàn)了航道環(huán)境、航道運(yùn)能、通航事件預(yù)警、船舶實(shí)時(shí)跟蹤等應(yīng)用，并且在水域突發(fā)情況的應(yīng)急處置、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、運(yùn)營維護(hù)管理等方面也取得了一些成果和突破，為航運(yùn)安全提供保障。

數(shù)字孿生技術(shù)作為智慧航運(yùn)的前沿趨勢，目前離真正的全局管理、同步可視、虛實(shí)互動(dòng)仍存在較大差距，但在大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、AI、深度學(xué)習(xí)、5G/6G等技術(shù)變革和需求升級(jí)的共同驅(qū)動(dòng)下，數(shù)字孿生的實(shí)時(shí)性將通過提高硬件性能和通信效率得以大幅提升。通過對實(shí)體領(lǐng)域進(jìn)行數(shù)字建模，數(shù)字孿生技術(shù)為智慧航運(yùn)提供了新思路、開拓了新途徑、樹立了新理念，在未來將會(huì)持續(xù)發(fā)展并最終形成一套完整的技術(shù)運(yùn)行體系。

六、結(jié)語

隨著科技的不斷發(fā)展，真實(shí)世界中的一切都將被數(shù)字化，最終形成一個(gè)完整的、可重復(fù)利用的虛擬環(huán)境，這個(gè)數(shù)字孿生虛擬世界就像一面鏡子，將現(xiàn)實(shí)世界與虛擬環(huán)境完美結(jié)合，擁有無窮的可能性和應(yīng)用潛力。身處這樣的時(shí)代，把握技術(shù)躍遷趨勢就意味著搶占先機(jī)。數(shù)字孿生技術(shù)將幫助我們更好地了解長江航運(yùn)發(fā)展的變化規(guī)律，為我們提供一個(gè)可視化的“上帝視角”，并將成長為長江航運(yùn)安全管理的重要抓手，為長江航運(yùn)事業(yè)提供更可靠的助力，推動(dòng)長江航運(yùn)市場繁榮有序發(fā)展。

作者單位：長江武漢通信管理局