数字孪生在长江航运安全管理体系中的应用研究

黄孝东

一、长江航运安全管理体系

在深入推进长江经济带发展的战略背景下，长江作为我国最繁忙的黄金水道，干线上各类船舶的安全航行对我国的经济发展和交通运输起着至关重要的作用。长江航运安全管理体系是指在长江航运领域中，为了保障人民群众生命财产安全和促进长江经济社会发展，建立的一套科学有效的安全管理体系。该体系包括安全监管、安全运维、安全技术等多个方面，旨在实现对长江航运过程中全方位、全流程的服务和管理。长江航运安全管理体系的建立和完善，对于保障长江航运安全、促进长江经济带发展具有重要意义。

二、数字孪生技术

数字孪生是将现实世界中的物理对象或系统通过传感器等设备采集的数据进行数字化处理，创建出一个与实际物理对象或系统相对应的数字化模型或副本，然后通过虚拟现实、增强现实等技术进行展示，进而实现对物理对象或系统的模拟、监控、优化、预测和故障排除等多种目的。数字孪生是物联网、人工智能、大数据等技术融合的产物，是物联网与人工智能技术在工业制造领域的融合创新。

数据是数字孪生最核心的要素，它源于物理实体、虚拟模型、服务系统，同时在融合处理后又融入到各部分中，推动了各部分的运转。数字孪生是对沉睡数据的可视化操作，数字孪生和数据可视化有着密切的关系。数字孪生通过创建一个虚拟模型来模拟现实世界中的物理系统或过程。这个虚拟模型可以使用大量的数据来准确地模拟现实世界，并且可以使用数据可视化来呈现这些数据。

数字孪生通常需要大量的数据来支持其模型，这些数据可以通过传感器、监测设备和其他数据源来收集。数据可视化可以帮助人们更好地理解和分析这些数据，并将其转化为易于理解的图表、图形和可视化工具。例如，一个数字孪生模型可以使用实时数据来模拟机器的运行状态，数据可视化则可以将这些数据呈现为实时监控仪表盘，让人们更好地了解机器的运行状况。数字孪生和数据可视化相互关联，共同支持着现代工业、制造业和物联网等领域的发展。

三、数字孪生模型在航运安全管理中的应用展望

当今数字技术的快速发展，也为长江航运安全管理带来了前所未有的机遇。数字孪生技术是基于计算机模拟的虚拟仿真技术，通过建立物理实体的数字模型，实现实体的虚拟仿真和数字化管理。在长江航运安全管理体系中，数字孪生技术有以下具体应用：

（一）船舶设计和仿真

数字孪生技术可以用于船舶的设计和仿真，通过建立船舶的数字模型，可以对船舶在不同情况下的性能进行模拟和分析，从而为船舶的设计和改进提供参考。数字孪生技术还可以对船舶的结构、材料、工艺等进行优化设计，提高船舶的质量和性能。

（二）船舶运行监测

数字孪生技术可以用于船舶的运行监测，通过在数字孪生模型中添加传感器和监测设备，可以实时监测船舶的运行状态和性能指标，并对异常情况进行预警和处理。数字孪生技术还可以进行数据分析和挖掘，从而发现船舶运行中存在的问题和隐患，并制定相应的措施进行改进。

（三）船舶维修和保养

数字孪生技术可以用于船舶的维修和保养，通过建立船舶的数字模型，可以对船舶的各个部件进行模拟和分析，预测其寿命和故障率，并制定相应的维修和保养计划。数字孪生技术还可以对维修和保养过程进行模拟和优化，提高维修和保养的效率和质量。

（四）船舶培训和教育

数字孪生技术可以用于船舶的培训和教育，通过建立船舶的数字模型，可以进行虚拟仿真和模拟操作，提高船员的技能和应对能力。数字孪生技术还可以在培训和教育过程中进行数据分析和挖掘，为船员的培训和教育提供更加科学、有效的支持。

（五）航行安全管理

数字孪生技术可以用于航行安全管理，通过建立长江航运的数字孪生模型，可以对船舶的航行轨迹、流量和水深等进行模拟和分析，预测潜在的安全隐患，并制定相应的应对措施，提高航行安全水平。数字孪生技术还可以用于事故模拟和应急演练，提高应对突发事件的能力和水平。

四、基于数字孪生的航运模型建立过程

在长江航运安全管理体系中，建立数字孪生模型需要以下步骤：

（一）数据采集和处理

数据采集是数字孪生模型建立的第一步，需要收集长江航运相关的数据。数据可以来源于船舶、气象、水文、港口等多个方面。数据的采集可以通过监控、雷达、卫星遥感、气象站、水文站等设备进行。采集到的数据需要进行处理和分析，去除无效数据和异常数据，以及进行数据清洗和预处理。

（二）模型建立

在数据采集和处理完成后，需要根据实际情况选择合适的模型建立方法和算法。数字孪生模型建立方法包括物理模型、统计模型、机器学习模型等。其中，物理模型建立需要依据长江航运的物理特性和规律，对数据和实体进行物理建模，以搭建數字孪生模型底层。统计模型建立需要对数据进行统计分析，并利用统计方法完善模型。机器学习模型建立需要对数据进行训练和优化，以拓展数字孪生模型的深度和广度，使之更具智能化。

（三）模型验证

数字孪生模型建立完成后，需要对模型进行验证，以检验其准确性和可靠性。模型验证可以采用实测数据进行验证，或者专家评估等方法进行。模型验证完成后，需要根据验证结果对模型进行修正和调整。

（四）模型应用

数字孪生模型建立完成后，可以应用于长江航运安全管理的多个方面。例如，可以应用于船舶设计和仿真、船舶运行监测、船舶维修和保养、船舶培训和教育、航行安全管理等方面。在应用过程中，需要不断对数字模型进行更新和优化，以提高其应用效果和可靠性。

（五）模型管理

数字孪生模型需要不断进行管理和维护，包括数据更新、模型优化、故障排除等工作。模型管理可以采用人工管理、自动化管理和智能化管理等方式进行。数字孪生模型的可持续应用，需要模型管理主体责任部门对其不断进行优化和维护，更新实际数据，修正模型参数，提升系统准确性、真实性。

五、数字孪生技术在航运安全管理中的应用现状及建议

新技术研究成果的推广和应用，包括技术转化、普及推广、政策保障等过程。由于当前数据源存在局限性、物理传感器收集到的数据种类较少、数据传输条件（带宽/延迟/安全）较差、算法的可行性较低、算力跟踪不及时、需求定位不清晰以及建设成本较高，这些因素都限制了数字孪生技术在智慧航运战略中的应用进程。目前，数字孪生已经在一些水域中实现了航道环境、航道运能、通航事件预警、船舶实时跟踪等应用，并且在水域突发情况的应急处置、风险评估、运营维护管理等方面也取得了一些成果和突破，为航运安全提供保障。

数字孪生技术作为智慧航运的前沿趋势，目前离真正的全局管理、同步可视、虚实互动仍存在较大差距，但在大数据、区块链、AI、深度学习、5G/6G等技术变革和需求升级的共同驱动下，数字孪生的实时性将通过提高硬件性能和通信效率得以大幅提升。通过对实体领域进行数字建模，数字孪生技术为智慧航运提供了新思路、开拓了新途径、树立了新理念，在未来将会持续发展并最终形成一套完整的技术运行体系。

六、结语

随着科技的不断发展，真实世界中的一切都将被数字化，最终形成一个完整的、可重复利用的虚拟环境，这个数字孪生虚拟世界就像一面镜子，将现实世界与虚拟环境完美结合，拥有无穷的可能性和应用潜力。身处这样的时代，把握技术跃迁趋势就意味着抢占先机。数字孪生技术将帮助我们更好地了解长江航运发展的变化规律，为我们提供一个可视化的“上帝视角”，并将成长为长江航运安全管理的重要抓手，为长江航运事业提供更可靠的助力，推动长江航运市场繁荣有序发展。

作者单位：长江武汉通信管理局