數字孿生在長江航運安全管理體系中的應用研究

黃孝東

一、長江航運安全管理體系

在深入推進長江經濟帶發(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濟發(fā)展和交通運輸起著至關重要的作用。長江航運安全管理體系是指在長江航運領域中，為了保障人民群眾生命財產安全和促進長江經濟社會發(fā)展，建立的一套科學有效的安全管理體系。該體系包括安全監(jiān)管、安全運維、安全技術等多個方面，旨在實現對長江航運過程中全方位、全流程的服務和管理。長江航運安全管理體系的建立和完善，對于保障長江航運安全、促進長江經濟帶發(fā)展具有重要意義。

二、數字孿生技術

數字孿生是將現實世界中的物理對象或系統(tǒng)通過傳感器等設備采集的數據進行數字化處理，創(chuàng)建出一個與實際物理對象或系統(tǒng)相對應的數字化模型或副本，然后通過虛擬現實、增強現實等技術進行展示，進而實現對物理對象或系統(tǒng)的模擬、監(jiān)控、優(yōu)化、預測和故障排除等多種目的。數字孿生是物聯網、人工智能、大數據等技術融合的產物，是物聯網與人工智能技術在工業(yè)制造領域的融合創(chuàng)新。

數據是數字孿生最核心的要素，它源于物理實體、虛擬模型、服務系統(tǒng)，同時在融合處理后又融入到各部分中，推動了各部分的運轉。數字孿生是對沉睡數據的可視化操作，數字孿生和數據可視化有著密切的關系。數字孿生通過創(chuàng)建一個虛擬模型來模擬現實世界中的物理系統(tǒng)或過程。這個虛擬模型可以使用大量的數據來準確地模擬現實世界，并且可以使用數據可視化來呈現這些數據。

數字孿生通常需要大量的數據來支持其模型，這些數據可以通過傳感器、監(jiān)測設備和其他數據源來收集。數據可視化可以幫助人們更好地理解和分析這些數據，并將其轉化為易于理解的圖表、圖形和可視化工具。例如，一個數字孿生模型可以使用實時數據來模擬機器的運行狀態(tài)，數據可視化則可以將這些數據呈現為實時監(jiān)控儀表盤，讓人們更好地了解機器的運行狀況。數字孿生和數據可視化相互關聯，共同支持著現代工業(yè)、制造業(yè)和物聯網等領域的發(fā)展。

三、數字孿生模型在航運安全管理中的應用展望

當今數字技術的快速發(fā)展，也為長江航運安全管理帶來了前所未有的機遇。數字孿生技術是基于計算機模擬的虛擬仿真技術，通過建立物理實體的數字模型，實現實體的虛擬仿真和數字化管理。在長江航運安全管理體系中，數字孿生技術有以下具體應用：

（一）船舶設計和仿真

數字孿生技術可以用于船舶的設計和仿真，通過建立船舶的數字模型，可以對船舶在不同情況下的性能進行模擬和分析，從而為船舶的設計和改進提供參考。數字孿生技術還可以對船舶的結構、材料、工藝等進行優(yōu)化設計，提高船舶的質量和性能。

（二）船舶運行監(jiān)測

數字孿生技術可以用于船舶的運行監(jiān)測，通過在數字孿生模型中添加傳感器和監(jiān)測設備，可以實時監(jiān)測船舶的運行狀態(tài)和性能指標，并對異常情況進行預警和處理。數字孿生技術還可以進行數據分析和挖掘，從而發(fā)現船舶運行中存在的問題和隱患，并制定相應的措施進行改進。

（三）船舶維修和保養(yǎng)

數字孿生技術可以用于船舶的維修和保養(yǎng)，通過建立船舶的數字模型，可以對船舶的各個部件進行模擬和分析，預測其壽命和故障率，并制定相應的維修和保養(yǎng)計劃。數字孿生技術還可以對維修和保養(yǎng)過程進行模擬和優(yōu)化，提高維修和保養(yǎng)的效率和質量。

（四）船舶培訓和教育

數字孿生技術可以用于船舶的培訓和教育，通過建立船舶的數字模型，可以進行虛擬仿真和模擬操作，提高船員的技能和應對能力。數字孿生技術還可以在培訓和教育過程中進行數據分析和挖掘，為船員的培訓和教育提供更加科學、有效的支持。

（五）航行安全管理

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

四、基于數字孿生的航運模型建立過程

在長江航運安全管理體系中，建立數字孿生模型需要以下步驟：

（一）數據采集和處理

數據采集是數字孿生模型建立的第一步，需要收集長江航運相關的數據。數據可以來源于船舶、氣象、水文、港口等多個方面。數據的采集可以通過監(jiān)控、雷達、衛(wèi)星遙感、氣象站、水文站等設備進行。采集到的數據需要進行處理和分析，去除無效數據和異常數據，以及進行數據清洗和預處理。

（二）模型建立

在數據采集和處理完成后，需要根據實際情況選擇合適的模型建立方法和算法。數字孿生模型建立方法包括物理模型、統(tǒng)計模型、機器學習模型等。其中，物理模型建立需要依據長江航運的物理特性和規(guī)律，對數據和實體進行物理建模，以搭建數字孿生模型底層。統(tǒng)計模型建立需要對數據進行統(tǒng)計分析，并利用統(tǒng)計方法完善模型。機器學習模型建立需要對數據進行訓練和優(yōu)化，以拓展數字孿生模型的深度和廣度，使之更具智能化。

（三）模型驗證

數字孿生模型建立完成后，需要對模型進行驗證，以檢驗其準確性和可靠性。模型驗證可以采用實測數據進行驗證，或者專家評估等方法進行。模型驗證完成后，需要根據驗證結果對模型進行修正和調整。

（四）模型應用

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

（五）模型管理

數字孿生模型需要不斷進行管理和維護，包括數據更新、模型優(yōu)化、故障排除等工作。模型管理可以采用人工管理、自動化管理和智能化管理等方式進行。數字孿生模型的可持續(xù)應用，需要模型管理主體責任部門對其不斷進行優(yōu)化和維護，更新實際數據，修正模型參數，提升系統(tǒng)準確性、真實性。

五、數字孿生技術在航運安全管理中的應用現狀及建議

新技術研究成果的推廣和應用，包括技術轉化、普及推廣、政策保障等過程。由于當前數據源存在局限性、物理傳感器收集到的數據種類較少、數據傳輸條件（帶寬/延遲/安全）較差、算法的可行性較低、算力跟蹤不及時、需求定位不清晰以及建設成本較高，這些因素都限制了數字孿生技術在智慧航運戰(zhàn)略中的應用進程。目前，數字孿生已經在一些水域中實現了航道環(huán)境、航道運能、通航事件預警、船舶實時跟蹤等應用，并且在水域突發(fā)情況的應急處置、風險評估、運營維護管理等方面也取得了一些成果和突破，為航運安全提供保障。

數字孿生技術作為智慧航運的前沿趨勢，目前離真正的全局管理、同步可視、虛實互動仍存在較大差距，但在大數據、區(qū)塊鏈、AI、深度學習、5G/6G等技術變革和需求升級的共同驅動下，數字孿生的實時性將通過提高硬件性能和通信效率得以大幅提升。通過對實體領域進行數字建模，數字孿生技術為智慧航運提供了新思路、開拓了新途徑、樹立了新理念，在未來將會持續(xù)發(fā)展并最終形成一套完整的技術運行體系。

六、結語

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

作者單位：長江武漢通信管理局