基于数字孪生的船闸信息管理方法.pdf

第 卷第 期 年 月水 道 港 口 .收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目()作者简介:陈以浩()男湖北省荆州市人助理研究员主要从事交通运输规划与管理研究:().基于数字孪生的船闸信息管理方法陈以浩徐瑞喆安小刚李明伟(.交通运输部水运科学研究院北京.哈尔滨工程大学 船舶工程学院哈尔滨)摘 要:针对当前船闸在运维管理过程中存在实时性与直观性不足的问题建立一种新的基于数字孪生的船闸信息管理方法 运用 技术与 技术提出船闸三维数字信息化场景构建方法 通过分析船闸多源化异构数据实体关系构建船闸多源异构数据库 基于建立的三维模型场景与多源异构数据库制定一种三维虚拟仿真场景与多源异构数据库相互调用机制基于/架构研发基于数字孪生体的船闸 数字档案管理平台实现船闸全景漫游、空间网格管理、档案信息查看、实时仿真互动等功能为船闸运维管理的数字化、网络化与智能化提供技术支持提升船闸管理水平关键词:船闸管理智慧化数字孪生三维仿真多源异构数据库中图分类号:文献标识码:文章编号:()交通运输部印发水运“十四五”发展规划规划提出:“围绕智慧水运关键共性技术推广大数据、人工智能、物联网等在水运行业深度应用加快建立数字航道、智能航运等重点科研平台搭建以此推动水利治理方式变革”为推进水运工程的人工智能与区块链建设将数字化与信息化的观念逐步应用于水利工程领域徐军杨等从标准化管理建设的必要性、原则可行性与技术可行性的角度提出基于标准化管理的船闸运行管理系统的建设方法为船闸的运行监管提供重要支撑 刘海瑞等将数字孪生技术应用于提升管理流域智慧化水平 兰强深入了解水利水电工程 设计的思路为水利水电工程设计者提供一些参考陈接永针对水利工程施工运用可视化仿真系统的完善与优化问题利用 技术对水利工程施工过程进行动态化展示与仿真查询 本文作者也针对水利工程数字化、智能化的问题展开了一定的研究工作李明伟等立足新发展阶段提出了基于数字孪生的船闸安全智慧管理方法旨在提高船闸安全管理的智慧化水平 耿敬等基于 思想、技术、数据库技术研究季节性冰冻河流航电枢纽施工三维动态可视化管理系统构建方法开发了依兰航电枢纽施工三维动态可视化管理系统为实现巡养数据信息与三维信息的互联互通与各类感知数据的高度融合本文结合数字孪生技术对船闸实际情况进行虚拟空间映射 数字孪生()这一概念最早由美国 教授在 年对飞行器的镜像仿真中提出 其试图仿真现实世界中的一切充分利用物理模型、传感器、运行历史等数据集成多物理量、多尺度的仿真过程形成配对虚拟体(映射)以此反映现实中物体的真实情况 因数字孪生技术具有可视化的优越性可对实体物理模型进行了解、分析、预报、预警、决策目前已应用于电力系统、钢铁行业、铁路系统、水利工程等领域面向船闸巡养过程中需求牵引、应用至上、数字赋能和能力提升的实际需求以数字化、网格化和智能化为主线本文建立一种基于数字孪生的船闸信息管理方法旨在为船闸建立一个虚拟的空间映射将多源异构的数据进行深度融合对船闸三维模型信息、运行信息、养护信息进行实时监测与汇总建立船闸 三维数字孪生档案查询船闸属性信息模拟船闸的真实状态使船闸实现信息联动、信息共享、动态展示水 道 港 口第 卷第 期为船闸的数字化、网格化、智能化运维提供平台支持 船闸 数字档案管理方法关键技术.船闸三维数字信息化场景构建技术.三维可视化船闸信息模型构建船闸三维 模型是船闸 数字档案管理的关键船闸 模型的精细程度直接影响了虚拟映射仿真水平 为实现船闸三维场景模型精细化构建采用 技术提出一种三维可视化船闸信息模型构建方法 该方法根据船闸施工图纸将整个船闸结构物分为水工建筑物、助航设施、附属设施、闸门、阀门、启闭机、电气系统七部分分别使用 新建族文件中公制常规模型样本对各部分进行仿真建模 各部分建模完成后将所有部分载入项目文件并赋予模型材质形成具有构件属性信息的 模型如图 所示为方便场景与地形融合参照船闸经纬度信息为项目基点设置地理信息.三维虚拟轻量化仿真场景构建为实现船闸虚拟仿真映射展现船闸真实场景本文基于 软件对三维模型进行渲染构建三维模型虚拟轻量化仿真场景具体构建方法如下:通过 嵌入 插件将模型文件.转化为.文件生成三维模型数据集然后将具有地理信息坐标的船闸模型导入 的 软件利用 软件对三维模型进行初步处理完成三维数字模型初步渲染构建三维虚拟轻量化仿真场景如图 所示 基于 的 软件将生成的三维服务(虚拟仿真场景)与数据服务(模型数据信息)发布至云端经轻量化处理后利用 技术添加船闸漫游、船闸剖切、分类主题查询等相关功能完成三维虚拟场景的建立图 基于 构建具有构件属性信息的 模型.图 基于 构建三维虚拟场景.船闸多源异构数据库构建技术.多源异构数据库空间架构构建在船闸实际运维过程中船闸信息数据包含了船闸三维模型数据、运行数据、养护数据面向船闸数据呈现的多元性与异构性考虑构建多源异构数据库满足数据调用的需求 针对船闸多源异构数据库空间架构构建的问题本文提出了一种适用于船闸的多源异构数据库空间架构构建方法即先后分别完成关系数据、元数据和数据内容的构建 构建关系数据应对船闸运行监管、养护业务流程与业务逻辑进行分析梳理船闸养护任务列表罗列对应养护人员与养护日期建立船闸运行养护逻辑关系构建元数据是指构建数据内容的描述信息包括数据名称、数据格式、数据基本属性等构建数据内容是指构建数据集中每一个数据项的具体内容其包含视频文件、模型文件、表文件等多源异构数据库空间架构的构建如图 所示.多源异构数据库数据空间集成将关系数据、元数据、数据内容进行空间集成是构建多源异构数据库的关键 针对船闸多源异构数据集成的数据空间的问题应寻找关键节点理清数据间的实体关系确定实体属性明确各部分数据内容以及数据之间的关系使各部分数据互联互通以完善数据网络形成船闸多源异构数据体系 年 月陈以浩等 基于数字孪生的船闸信息管理方法图 多源异构数据库空间架构的构建.船闸多源异构数据获取与收集船闸数据信息多样呈现多源异构化特征采用传感器与远程终端相配合方法获取与收集船闸多源异构数据 传感器主要应用于获取船闸水位数据信息、各部件运行数据信息等将数据实时传输至数据库该数据信息可通过系统处理程序应用于对船闸整体安全情况预报预警为船闸管理人员提供智能辅助决策远程终端主要应用于获取船闸巡查维修数据巡查管理人员通过手持终端上传船闸巡查维修表单数据库对该数据进行分类整理可应用于对巡查维修数据的大数据分析为日后船闸运行提供智能辅助决策.船闸数字孪生体构建技术.船闸三维场景与多源异构数据库调用机制船闸数字孪生体构建的核心之一是实现船闸巡养数据信息与三维场景的互联互通使巡养数据信息在三维场景中动态展示 针对三维虚拟仿真场景与多源异构数据库相互调用存在的问题本文建立一种三维虚拟仿真场景与多源异构数据库相互调用机制(机制)具体调用方式如下:首先由三维虚拟仿真场景向数据库发送一个需要传送数据的信息请求()然后由多源异构数据库接收数字模型信息针对所需要的数据查询其属性与运维信息()最后多源异构数据库对查询到的属性信息进行响应()并在三维虚拟场景中进行渲染展示()实现三维虚拟仿真场景与数据的动态调用基于 机制可使数字模型与多源异构数据库实现联动运用 技术构建船闸交互漫游、空间网格分类管理、船闸档案交互查询等模块实现各类感知信息和数字模型的互联互通.船闸物理实体与虚拟实体互联互通机制针对船闸信息数据实时传输问题构建船闸物理实体与虚拟实体互联互通机制满足船闸模型通信需求 针对远程终端与传感器远程通讯需求本文建立一种船闸物理实体与虚拟实体互联互通机制基于、物联网技术实现数据信息远程传输数据库接收远程信息再根据所需分类传输至展示系统 展示系统可利用传输的数据进行虚拟仿真构建虚拟实体 船闸 三维数字档案系统的设计考虑系统实用性和可移植性在多源异构数据库的基础上基于三维数字信息化模型构建技术、多源异构数据库构建技术、数字孪生体构建技术确定船闸 数字档案管理系统各功能组成按需求完成具体功能模块的设计搭建船闸 三维数字档案系统架构为船闸智能可视化管理提供技术参考本系统考虑到三维模型需精细化查看的问题基于三维数字信息化场景构建技术构建三维水上水下一体精细化模型虚拟仿真真实情形完成船闸三维虚拟仿真场景的构建船闸数据呈现多源异构化基于船闸多源异构数据库构建技术构建船闸多源异构数据库使数据调用便捷高效针对巡养数据信息与三维场景相互调用的问题基于船闸数字孪生体构建技术集成一个多尺度、多物理量的数字孪生体 本系统以三维 模型和多源异构数据库为基础反映船闸的三维模型信息、运行信息、养护信息实现船闸动态可视化管理 系统搭建流程如图 所示水 道 港 口第 卷第 期图 系统技术路线图.系统的主要功能包括工程仿真查看、交互全景漫游、模型放大缩小、截面任意剖切、主题分类管理、空间网格管理、档案交互查看、实时交互仿真等以满足船闸三维可视化、数字化、智能化的需求 软件的系统结构图如图 所示图 系统结构图.船闸 数字档案管理系统功能实现基于本文提出的船闸 数字档案管理方法与船闸 数字档案系统设计理念构建船闸 数字档案管理平台 从用户使用的便利性角度出发基于/架构系统前端采用、语言开发系统后端利用 语言开发采用 数据库进行数据存储 系统运用 软件构建三维精细化模型基于 对三维场景进行渲染并轻量化处理利用 技术完成系统功能模块的开发 为便于用户使用将整个系统分为 个功能模块即船闸交互全景漫游模块、空间网格分类管理模块、船闸档案交互查询、实时交互仿真数字大屏模块.船闸交互全景漫游模块考虑到船闸管理人员在管理过程中的便捷性虚拟仿真船闸真实场景如图 所示 在该模块中不仅可以展示整个船闸的总体轮廓而且可以对船闸内部构件的实际情况进行查看图 以船闸上闸首东侧闸门启闭机为例进行展示图 船闸整体全貌.图 船闸上闸首东侧闸门启闭机.为方便用户对三维模型进行查看本系统可通过鼠标操作与键盘按键两种方式进行船闸全景漫游通过视角的空间转换可展现船闸整体全貌对船闸进行细致查看以增加 模型与用户之间的场景交互真实反映船闸全貌 另外可通过滚动鼠标滚轮实现对任意位置的放大与缩小功能以便对船闸具体功能进 年 月陈以浩等 基于数字孪生的船闸信息管理方法行精细化查看 针对船闸内部结构(如阀门、输水廊道、启闭机等)不易查看的问题系统设置剖切功能可直图 剖切上闸首效果图.观显示船闸构件的组成与构件间关联情况 用户可对模型的 个面分别进行剖切查看建筑内部情况主要功能为设定剖切范围、实现剖切内容展示 剖切效果图如图 所示.空间网格分类管理模块针对船闸巡检项目多、查看较为困难的问题本系统按照通航建筑物维护技术规范将整个船闸分为水工建筑物、助航设施、附属设施、闸门、阀门、启闭机、电气系统共七大类便于船闸的便捷化、精细化、数字化管理 用户可以通过点击复选框来选定所需要展示的图层使船闸精细化构件便捷展现在用户面前通过主题分类查看闸门、阀门、启闭机、电气系统模块的界面船闸在巡检养护中项目较多、内容冗杂系统针对此问题提出控制点的概念附加于三维模型中实现对通航建筑物维护技术规范中的运维信息进行空间化、网格化管理 用户单击控制点后系统右侧展示属性信息列表其中包含控制点内巡养项目基本信息、巡检信息、维修信息和故障信息实现船闸管理人员快速高效获取巡养数据对空间网格化管理模块进行展示.船闸档案交互查询模块为使船闸管理人员便捷查看三维实景与查询核心部件属性信息将船闸核心部件与数据库相连点击三维实景便可查询船闸部件基本信息并可下载部件图纸以此建立完备的船闸 三维数字档案 用户点击部件后系统右侧可展示属性信息列表其中包含部件基本信息、养护信息、维修信息和故障信息 点击基本信息中的“点击下载图纸”可下载当前部件的施工图纸信息图 实时仿真数字大屏模块.实时仿真数字大屏模块为提高船闸管理人员与实体船闸实时仿真交互本系统构建实时仿真数字大屏模块 该模块由 个部分组成为船闸巡查养护提供大数据智能辅助决策支持实现系统的预报、预警、决策功能如图 所示 第一部分为船闸基本数据信息通过船闸多源异构数据库获取其上下游水位、巡查任务完成情况、维修任务情况等基本信息数据于数字大屏集中展示第二部分为当天巡查任务展示区通过连接远程巡查终端判断该点位巡查任务完成情况亮色表示任务已完成暗色表示该任务点位巡查任务未完成方便船闸管理人员对巡查任务完成情况整体掌控第三部分为综合数据信息展示区本系统共展示故障占比统计饼状图、故障分类统计柱状图、部件三维模型、年度故障对比折线图、月份故障对比折线图 个子专题船闸管理人员可任选实体船闸所需分类进行查看以图 为例图中展示了船闸辅助设施的三维 模型对应展示辅助设施故障维修数据该功能可为船闸管理人员提供智能辅助决策第四部分为系统安全展示区通过连接传感器进行数据传输判定船闸部件运行数据是否超出规范阈值进而判断船闸系统是否安全若安全则持续闪烁绿灯若存在问题则持续闪烁黄灯为船闸系统安全提供预报预警第五部分为系统寿命状态根据船闸部件规范使用寿命通过连接传感器预测船闸各部件使用状态于数字大屏集中显示为管理人员提供智能辅助决策第六部分为巡查数据动态信息实时展示区巡查人员通过终端上传巡查信息数字大屏将数据信息整理分类动态实时展示刷新 结束语)基于 技术、技术构建三维信息化模型完成船闸三维虚拟仿真场景的构建实现真实场景的映射)基于多源异构数据库构建技术实现船闸三维模型信息、运行信息、养护信息动态集成处理使数据水 道 港 口第 卷第 期调用更加便捷)基于构建的三维虚拟仿真场景与船闸多源异构数据库提出相互调用方法构建船闸数字孪生体实现巡养数据信息与三维场景的互联互通)本系统可实现船闸全景漫游、网格分类管理、档案信息查看、实时仿真互动等功能初步探索数字孪生体在船闸运营管理的应用为船闸智能化管理建设提供技术参考参考文献:徐军杨 杜欢 王雪峰等.基于标准化管理的船闸运行管理系统建设.水运管理 ():.刘海瑞 奚歌 金珊.应用数字孪生技术提升流域管理智慧化水平.水利规划与设计():.():.兰强.水利水电工程 设计思路研究与探讨.中国设备工程():.陈接永.技术在水利工程可视化仿真中的应用分析.四川水利():.():.李明伟安小刚潘士琦等.基于数字孪生的船闸安全智慧管理方法.水运工程():.():.耿敬张洋李明伟等.航电枢纽施工三维动态可视化系统设计与实现.水运工程():.():.:.:.马瑞鑫李子龙陈静.基于多源异构数据融合的船舶目标检测与跟踪技术研究.水道港口():.():.(.):./.: