水路交通的数字孪生技术与新一代航运系统的发展展望

水路交通的数字孪生技术与新一代航运系统的发展展望严新平武汉理工大学智能交通系统研究中心、能源与动力工程学院国家水运安全工程技术研究中心智能航运与海事安全国际科技合作基地内河智能航运交通运输业协同创新平台第333场中国工程科技生与水科技创新武汉东湖国际会议中心

水路交通数字孪生技术的现状

水路交通数字孪生的关键技术

水路交通数字孪生系统的案例

新一代航运系统发展前景展望提

纲一、水路交通数字孪生技术的现状实时性数字孪生起源于航空航天领域，定义为一个充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，以刻画和反映相对应物理系统的全生命程。闭环性互

操

作1990-20002000-20152015-20182018-20202020-20222022-2024Product

models

(e.g.DNVNautics）Singlesourceofstructuredinformationof

asset»Live»DigTwins《Sensordatadrivemodelsinclosetorealtime-smalldata》LearningDigTwins-bingphysicsand

AI/ML《Sensordatadrivemodels-smalldata》Sensordatacapture《Big

data》Predictive

DigTwins-Realassetmirrors

digitaltwin《Sensordatadrivemodels-smalldataAutonomousDigTwins-prediction

andcontrol《Predictiveandreflective

cyber-physical

systems》数字孪生的基本要素与作用机制

数字孪生的产生“数字孪生”发展过程可扩展保真性在船舶制造和运维方面，国外主要造船公司集成信息物理系统、

增强/虚拟现实和物联网技术，构建数字船坞

(Digital

Shipyard)和船舶数字孪生体，进行协同设计、性能模拟、参数优化、剩余寿命预测等应用，实现更快、更好、更安全的船舶设计、制造和维护。•美国纽波特纽斯造船及船坞公司

M-Class船坞数字孪生系统•

法国达索公司3DEXPERIENCEplatform数字建模平台•

西班牙Nantia、韩国大宇等公

司正在推动Shipyard

4.0模型•

KONGSBERG开发了全回转推

进器数字孪生预测性维护系统•

The

Open

Simulation

Platform(OSP)

joint

industry

project

(JIP)

航运数字孪生体开发平台

国外水路交通数字孪生的发展剩余寿命预测与设备维护管理大型复杂航母数字孪生体3D结构建模AR/VR在港口枢纽方面，国外部分港口正在积极推进智慧港口建设（SmartPort）

，实现船舶运动、基础设施、气象条件、地理信息和水深等数据实时感知，构建了港口数字孪生系统辅助进行港口布局优化、基础设施运维、作业效率

提升、重点目标监管、交通态势感知等应用，提高港口的智能化程度。•

芬兰奥卢港（Oulu）动态交互式港口数字孪生系统•

意大利利沃诺港（Livorno）

港口数字孪生系统•荷兰鹿特丹港（Rotterdam）IBM数字孪生系统•

德国汉堡港（Hamburg）

数字孪生交通控制系统•

比利时安特卫普港（AntwerpAPICA港口信息控制辅助系统)

国外水路交通数字孪生的发展基础设施运维港口态势感知港口部局优化作业模拟优化实时数据感知重点目标监管在航道基础设施方面，以色列DockTech公司构建了航道数字孪生体（Digital

Twin

of

Waterways）

，实现船舶航迹、航道通航环境的实时数据集成，借助大数据、云计算和AI算法提供航道条件实时可视化、航道条件变化检测、航运活动预测等功能，提高航道运维的智能化程度。

国外水路交通数字孪生的发展增加货船利用（水深和交通流融合）提高安全通航（航线交通流估计）流式数据集成

（船舶和传感器）疏浚资源优化

（水深数据分析）在水路交通从业人员能力提升方面，主要以数字孪生技术、信息化技术等为驱动，基于以人为本的理念，提升航运

从业人员（包括船员、监管人员、营运人员等）在交通态势评估、动态信息服务、安全决策优化、组织调度等方面

的能力，提升安全、

降本增效。

国外水路交通数字孪生的发展E航海动态信息服务系统欧洲航运仿真网络在船舶制造和运维方面，国内主要实现了水路交通场景的全要素数字孪生建模与融合展示，重点探索了船舶运营管理、远程检验、船舶结构与系统测试等方面的数字孪生技术，进行了船舶整车性能测试、船载设备远程维护等应用。

国内水路交通数字孪生的发展中国船级社船舶设备数字孪生技术研究平台珠海万山虚实结合船舶无人船海上测试场船舶动力系统综合运维监控数字孪生平台XRAYTECH船舶功能仿真测试船舶HIL测试测试系统数字化船舶档案建设在港口枢纽方面，国内结合GIS和BIM技术进行了智慧港口设计、规划、修建和运维全生命理的数字孪生应

用探索，如妈湾港数字孪生系统，重点对港口内集装箱、地形地貌、环境特征等全要素进行1:1孪生体构建和实时

数据驱动，提供不同类型港口业务仿真与分析。•集装箱堆场计划、拖车作业等操作模拟与评估•实时数据驱动200余设备协同作业，帧率不低于60FPS•10万余个超大规模集装箱动态生成与同步•港口作业毫秒级仿真调度还原超大型集装箱数字孪生体实时堆场作业模拟与视频监控拖车作业模拟与效果评估

国内水路交通数字孪生的发展在航道基础设施方面，国内主要应用数字孪生技术进行全生命航道整治，包括航道协同化设计、参数可视化

施工、动态管理与维护、虚拟航标等，提高航道运维的智能化程度。

国内水路交通数字孪生的发展虚拟

航标在长江口深水航道中的应用长江

下游

黑沙

洲航

道整

治二

期运

维富春

江船闸改扩建工程可视化在水路交通从业人员能力提升方面，主要以VR、数字孪生技术、互联网+等技术为驱动，建立船体运动仿真反馈、环境模拟和天气模拟，提升水路交通从业人员包括船员、监管和营运人员等在实船实操、安全操作、事故应急处理响应等方面的能力。

国内水路交通数字孪生的发展数字孪生与VR技术下的全任务多员交互协同式仿真平台数字化仿真模拟及培训平台二、水路交通数字孪生的关键技术二、水路交通数字孪生的关键技术

共性关键技术水路交通要素单元的VR呈现水路交通要素的多领域多尺度融合建模水路交通数据的高性能计算水路交通数据采集、传输及全寿命

理水路交通数据驱动与物理模型融合的状态

评估二、水路交通数字孪生的关键技术

水路交通要素的多领域多尺度融合建模•当前大部分水上交通系统数字孪生建模方法是将船

舶-航道-码头分离建模，在后期采用集成和数据融合将独立的模型融合为一个综合的系统级模型。•

针对正常和非正常工况，从不同领域视角对水路交

通的物理系统进行跨领域、全合建模，且从

最初的概念设计阶段开始实施，从深层次的机理层

面进行水路交通的融合设计理解和建模。•

多尺度模型可以代表不同时间长度和尺度下的基本

过程并通过均匀调节船舶-航道-码头物理参数，比忽略多尺度划分的单维尺度仿真模型具有更高的精度。•

对于机理结构复杂的水路交通数字孪生，往往难以

建立精确可靠的物理模型，因而单独采用解析物理

模型对其进行状态评估不能获得最佳的评效果。•

采用数据驱动的方法，利用系统的历史和实时运行

数据，充分融合系统机理特性和运行数据特性，可

获得动态实时水路交通的评估系统。•

如何将高精度的水路交通的船舶-航道-码头大数据

统计特性与系统的机理模型结合起来，获得更好的

状态评估与监测效果，是亟待考虑和解决的问题。二、水路交通数字孪生的关键技术

水路交通数据驱动与物理模型融合的状态评估•

水路交通系统的全寿命据存储和管理是数字

孪生系统的重要支撑，采用云服务器对系统的海量

运行数据进行分布式管理，实现数据的高速读取和

安全冗余备份，为数据智能解析算法提供充分可靠

的数据来源，对维持整个数字孪生系统的运行起着

重要作用。•由于数字孪生系统对数据的实时性要求很高，如何

优化数据的分布架构、存储方式和检索方法，获得

实时可靠的数据读取性能，是水路交通数字孪生系

统面临的挑战。二、水路交通数字孪生的关键技术

水路交通数据采集、传输及全寿命理二、水路交通数字孪生的关键技术

水路交通要素单元的VR呈现•

VR

技术可将水路交通系统以超现实的形式展现，

对船舶-航道-码头的各子系统进行多领域、多尺度的状态监测和评估，从视觉、声觉、触觉等各

个方面提供沉浸式的虚拟现实体验，实现实时连

续的人机互动。•

复杂系统的VR

技术难点在于需要布置大量的高

精度传感器，采集系统的运行数据，为虚拟现实

技术提供必要的数据来源和支撑，同时，虚拟现

实技术本身的技术瓶颈也亟待突破和提升，以提

供更真实的虚拟现实系统体验。二、水路交通数字孪生的关键技术

水路交通数据的高性能计算•

实时性是衡量数字孪生系统性能的重要指标，基

于分布式计算的云服务器平台是其重要保障。•

平台数字计算能力的高低直接决定系统的整体性

能，是整个系统的计算基础。•

如何综合考量系统搭载的计算平台的计算性能、数据传输网络的时间延迟以及云计算平台的计算

能力，设计最优的系统计算架构，满足系统的实

时性分析和计算要求，是其应用于数字孪生的重要内容。三、水路交通数字孪生系统的案例

港口数字孪生案例爱立信公司构建了意大利利沃诺（Livorno）港口数字孪生系统，对港口区域、

货物、

监控设施等进行虚拟建模，结合VR和AR提供作业人员路线规划、

货物监管、作业模拟等操作，提高港口作业效率。•

船舶注册登记时间从3分钟降低至2分钟•

货物平均搬运时间从8分钟降低至7分钟•普通货船装卸时间从平均18小时降低至16小时，泊位闲置时间从36小时降低至34小时•

货物存储空间从5000平方米减少至4500平方米

港口数字孪生案例某省市市公司Sitowise在奥卢（Oulu）港初步构建了动态交互数字孪生系统，提供港口操作员各种要素的最新信息和态势可视化，帮助进行港口操作规划与模拟。•

港口三维场景可视化•

实时数据驱动的态势感知•

智能灯光、

动态天气等环境模拟与动态交互•

港口作业操作规划与模拟•

船舶智能感知

港口数字孪生案例新加坡国立大学与新加坡港联合，开发了仿真优化的开源框架O2

DES

，引入了高级架构和微服务技术，以实现数字孪生解决方案的分布式和灵活部署，为新加坡港提供数字孪生开发环境及其系统软件。•

基于离散事件驱动的仿真优化引擎•

仿真优化的O2

DES开源架构•

港口布局优化

O2

DES：Object-OrientedDiscreteEventSimulation面向对象的离散事件仿真框架•

港口模型库•

港口三维场景•

港口大数据分析•

港口配置优化•

港口调度推演•

实时数据接入主要港口名称数字孪生应用安特卫普港APICA港口信息控制辅助系统，构建了三维虚拟港口模型，实现船舶运动、桥闸作业、视频图像、天气条件、水位、空气质量等要素实时数据接入与模拟，提供港口态势感知与决策支持上海洋山港ITOS虚拟集装箱模拟系统，利用数字孪生技术测试不同港口规划和开发模式的影响和感知力，该系统可以全面感知港口作业运行状态和分析港口作业瓶颈，提升港口作业效率和能力。鹿特丹港IBM数字孪生系统，提供船舶运动、基础设施、气象条件、地理信息和水深等实时数据监控，构建了全自动深水码头能够辅助进行减少油耗、提高运力。汉堡港数字孪生交通控制系统，实现了95%的港口物流过程数字化，结合5GMoNarch项目进行港口作业优化、交通信号控制优化、360

°虚拟现实和增强现实影像。天津港天津港智能管控中心IMCC，实现了智慧港口的高精度仿真、全要素监控、精细化管理、智能化交互，大幅度提升了全港作业效率，港口装卸运载效率提升了30%。

主要港口的数字孪生案例江苏海事局对接全要素“水上大交管”要求，结合“新基建”工程，基于海事数字孪生体系，构建实际系统和虚拟系统平行交互，在虚拟水路交通系统中完成对实际水路交通系统的解析、建模和预测，形成

以“全域感知、异网互联、平行管控”为特征的数字孪生水路交通安全监管创新体系。数字孪生>

感-水上多维感知>

传-海事异某著名企业信>

控-平行智能管控新基建网络化、数字化、智能化

智慧海事案例船舶安全检查正在由“人员登船抽检

”的传统方式向以智慧管理为核心的现代

“数字孪生非接触安全检查方式

”转变。

利用无人机、

全景相机、

岸基传感等数字化检测手段，开展对船舶的外观结构、

配置设

施、

运行状态等安全要素的数字孪生非接触检查新模式。缓存技术

视频语音动态交互数字孪生非接触船舶安全检查空间关联元海文,陈德山,范腾泽、严新平,等.非接触船舶安全检查系统研究与展望[J].交通信息与安全.（To

Appear）全

局

层中间层局部层

智慧海事案例智能选船全景重构数据局部精细检查数据全息检查

外部3D重构模型

无

线

传

输+基于江苏海事全要素感知云服务数据中心，构建水路交通场景数字化平行仿真模型(虚拟沙盘)，预测在多尺度条件下的交通流当前及未来态势(推演预测)，及时动态干预通航要素，调整资源分配(动态干预)，

致力于由“人盯死守”的传统方式向以智慧管理为核心的现代方式转变。

智慧海事案例

数字孪生平行监管基于数字孪生技术，构建事故现场处置情景、智能化记录搜救过程、指挥搜救方案智能分析、决策和救助效果预测等功能，打造科学高效和快速反应的“指挥-现场”联动体系，实现由被动响应向主动预见转变。数字孪生水深实景大数据平台武汉理工大学自主研发全任务海事仿真平台

模拟火灾、碰撞等水面事故

智能分析研判和决策预测数字推演数字孪生水上应急救援协同联动

智慧海事案例指导现实远程同步云端数据库本地数据库智能运维基本架构

智能运维案例有限元磨损模型n=1000rpmn=2000rpmn=1500rpmn=750rpmF=50N建立有限元模型磨粒分布船舶尾轴承智能运维过程中的数字孪生轴承内表面磨损形

貌及磨损量分布

智能运维案例大型船舶尾轴承轴承内应力分布油膜厚度分布船舶尾轴承数字孪生模型的实验室验证

智能运维案例尾轴承试验台试验台能够完成载荷、转速、油膜厚度、摩擦

力、轴心轨迹等重要的轴承运行状态参数的采

集，模型能够根据设定工况计算轴承轴心轨迹、

磨损状态以及摩擦副表面磨损状态等参数，

从

而形成轴承的数字孪生系统。有限元模型模型轴心轨迹貌及磨损量分布

数和油膜厚度关系轴承内表面磨损形轴承转速与摩擦因

智能航行案例

智能航行案例

智能航行案例

船舶安全辅助驾驶技术虚实结合的智能船舶航行功能测试智能船舶航行功能测试对象分析信息智能性能海洋状况

交通

地图船舶配置colreg公约

安全

规则条

款

智能航行案例

船舶智能航行功能的数字孪生测试方法能效是智能船舶绿色化

的

功

能

基础，是船舶经济性能

、

节能减排

、

绿色环保目

标实现的基

础智能是智能船舶各系统控制属性优于常规船舶人为操作的核心要素

，

体现了船舶整体的智能水平信息包括船

-岸-天一体化信

息交互的能力，同时也涵盖

了安全、存储、解析等多方面功能性能是智能船舶智能航行的

底层支撑风浪流地理位置交互式

交通条件测试评估方案管理船舶动态自动远程系统数字孪生/测试目标船舶动态雷达船舶动态船舶动态船舶动态激光雷达自动化系统DP系统陀螺仪GPS相机相机陀螺仪GPS测试管理系统警报

，行动虚拟世界操作环境测试界面方案日志传感输入