一种数字孪生航道构建方法及系统与流程

1.本发明涉及航道运行管理领域，尤其涉及一种数字孪生航道构建方法及系统。


背景技术：

2.航道是为船舶航行所规定、设置、建设的船舶航行通道。航道管理主要是针对航道本身、涉航设施等的运行状态，及由船舶在航道上航行构成的水上交通状况进行管理，从而保护航道及设施正常运行，保证船舶在航道上的航行安全。航道场景具有水下、水下特征，水上场景主要包括航道、涉航设施及沿线地形地貌，水下场景主要是航道水下地形。航道场景又具有静态和动态特征，静态要素主要有航道、涉航设施及沿线地形地貌，动态要素主要有船舶、水流等。将航道场景进行数字孪生建模，接入航道泛在感知数据，并结合航道管理研发专业应用，形成数字孪生航道系统，在数字孪生的场景下对航道运行状态对加强航道运行管理，提升航道运行效率具有重要意义。
3.例如，一种在中国专利文献上公开的“一种内河航道数字孪生场景的构建方法及装置”，其公告号：cn113223162a，公开了通过三维构建航道进行管理执法，但是没有考虑到航道拥堵的情况管理。


技术实现要素：

4.为此，本发明提供一种数字孪生航道构建方法及系统，提升航道运行管理效率，保障船舶航行安全。
5.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种数字孪生航道构建方法，包括如下步骤：
7.s1、通过商业或开源引擎建立数字孪生场景，用于实现环境场景仿真；
8.s2、接入感知数据，用于对场景条件变化进行监测；
9.s3、应用场景构建，能够用于航道管理。
10.作为优选的，s1包括s11、建立沿线地形模型；s12、水下地形模型建模；s13、场景底板模型建模；s14、涉航建筑模型建模；s15、船舶体模型建模；s2包括s21、水文气象数据收集；s22、视频监控数据收集；s23、船舶ais数据收集、s24、电子卡口数据收集；s25、相控阵雷达数据收集；s3包括基础平台搭建和应用平台搭建。
11.基础平台搭建；其中包括，s31、三维仿真模块搭建；s32、场景漫游模块搭建；s33、数据驱动模块搭建，其中包括，船舶ais数据驱动数字孪生场景状态主要通过接入船舶ais数据中经纬度数据，在数字孪生航道场景中对船舶进行定位，而ais定位数据仅有经纬度二维数据，无法确定船舶的高程位置。基于ais的船舶三维数据驱动算法及系统，主要融合了船舶ais数据库、内河电子航道图和gis系统，分布提供了船舶经纬度数据，船舶航行数据和水位，地形等地理信息。
12.应用平台搭建；其中包括，s41、拥堵指数模型搭建，应用数字孪生航道基础平台接入的电子卡口实时数据、船舶ais实时数据、相控阵雷达实时数据，计算航道拥堵指数，并在
数字孪生航道整体集成环境中通过红、黄、绿三种颜色进行显示，拥堵指数模型负责计算航道阻塞密度和实际密度。
13.一种数字孪生航道系统，包括：整体集成场景，用于显示航道整体场景；感知数据接入端，用于航道泛在感知数据接入；航道基础平台，用于提供航道基础功能；航道应用平台，用于提供航道管理和服务场景的专业化应用功能。其中航道基础平台和航道应用平台的引擎可以是开源的也可以是商业的。能够将现实场景实时转换为三维模拟场景，使得管理集中高效便捷。
14.作为优选的，整体集成场景包括沿线地形模型、水下地形模型、场景底板模型、涉航建筑模型、船舶体模型。能够显示航道整体场景，全方位监控航道。
15.作为优选的，感知数据接入端包括多种检测感知设备，用于采集水文气象数据、视频监控数据、船舶ais数据、电子卡口数据、相控阵雷达数据。能够获得航道泛在感知数据接入，对航道航行中动态要素进行监控。
16.作为优选的，航道基础平台包括：三维仿真模块、场景漫游模块、实时数据模块、二次开发模块。是采用成熟的数字孪生引擎，以数字孪生航道整体集成场景为基础，构建和开发提供航道基础功能的软件平台。
17.作为优选的，航道应用平台包括运行监测模块、船舶密度模块、虚拟电子卡口、船舶画像模块、临时管制模块、拥堵指数模块、设施养护模块、应急预案模块、应急救援模块、事故回放模块。对于结合航道管理研发专业应用，形成数字孪生航道系统，在数字孪生的场景下对航道运行状态对加强航道运行管理，提升航道运行效率具有重要意义。
18.本发明的实施方式具有如下优点：
19.将航道场景进行数字孪生建模，接入航道泛在感知数据，并结合航道管理研发专业应用，形成数字孪生航道系统，在数字孪生的场景下对航道运行状态对加强航道运行管理，提升航道运行效率具有重要意义。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
21.本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达到的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
22.图1是本发明实施例的系统框图。
23.图2是本发明的构建方法框图。
24.图中：
25.1-沿线地形模型；2-水下地形模型；3-场景底板模型；4-涉航建筑模型；5-船舶体模型；6-整体集成场景；7-航道基础平台；8-航道应用平台；9-感知数据接入端。
具体实施方式
26.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的认识可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.如图1-2所示，在一个较佳的实施例中，本发明公开了
28.一种数字孪生航道构建方法，包括如下步骤：
29.s1、通过商业或开源引擎建立数字孪生场景，用于实现环境场景仿真；其中包括，s11、建立沿线地形模型，对航道沿线标志性建筑物单体建模，采集地形实景倾斜摄影测量数据并通过处理软件处理生产地形三维实景模型；s12、水下地形模型建模，由多波束水深测量仪采集航道水深多波束测量数据，由地理信息系统软件进行水下地形三维建模；s13、场景底板模型建模，包括遥感地图、地形图、dem建模和编辑，其中，遥感地图作为大范围场景底板的底图，显示地形地貌样式特征，为场景建筑物模型供精确的位置；地形图作为大范围场景底板建筑物批量建模的底图，为批量建模提供建筑物外轮廓和层高；dem作为大范围场景底板的高程基础数据，为大范围场景三维地形建模提供高程；s14、涉航建筑模型建模，涉航建筑模型为在三维建模软件的单体三维数字模型，其数据来源包括涉航建筑物设计图、建筑物外观照片。涉航建筑物数字孪生模型包括但不限于船闸数字孪生模型、航电枢纽数字孪生模型、跨河桥梁数字孪生模型、码头数字孪生模型、服务区数字孪生模型等。涉航建筑物数字孪生模型通过数字孪生场景编辑器，与航道及沿线周边地形地貌数字孪生模型、航道水下地形数字孪生模型、大范围场景底板数字孪生模型一起编辑集成，形成航道数字孪生场景；s15、船舶体模型建模，船舶体模型是在三维建模软件下的单体三维数字模型，其数据来源包括船舶设计图、船舶外观照片。船舶数字孪生体模型包括但不限于散货船数字孪生模型体、集装箱船数字孪生模型体、油船数字孪生模型体、客船数字孪生模型体等，包括但不限于满载船舶数字孪生体模型、空载船舶数字孪生体模型等船舶不同状态下的数字孪生模型体。船舶数字孪生体模型与真实船舶的几何尺寸保持等比例缩放。船舶数字孪生体模型通过数字孪生场景编辑器，与航道及沿线周边地形地貌数字孪生模型、航道水下地形数字孪生模型、大范围场景底板数字孪生模型一起编辑集成，形成航道数字孪生场景；
30.s2、接入感知数据，用于对场景条件变化进行监测；其中包括，s21、水文气象数据收集，其中，水文气象数据又包括航道水位数据、航道断面流速和流量数据、气象五参数据。水位数据一般是由压力式或雷达式水位仪测量的航道实时水位数据，用于在数字孪生航道整体集成场景中仿真还原航道水位状态实情；航道断面流速和流量一般是由多普勒流速流量仪测量的航道断面实时流速和流量数据，用于在数据孪生航道整体集成场景中仿真原还航道水流状态实情；气象五参数据一般是由一体化气象仪测量的航道实时气象数据，包括温度、湿度、风向、风速、降水五个气象参数，用于在数字孪生航道整体集成场景中仿真还原航道气象状态实情；s22、视频监控数据收集，其中，视频监控数据是由航道沿线视频监控摄像机采集的航道固定视角、及可变视角的视频监控画面数据，用于在数字孪生航道整体集成场景中与数字孪生仿真场景进行融合，实现数字孪生环境中虚实场景的一体化融合；s23、船舶ais数据收集，其中，船舶ais数据是由岸基ais基站采集的船舶动态数据，包括船名、船舶呼号、船舶准实时位置坐标、船舶其他属性等，用于在数字孪生航道整体集成场景
中动态还原航道上的船舶位置、船舶航行状态；s24、电子卡口数据收集，其中，电子卡口数据是由航道电子卡口系统采集的航道断面船舶流量、船舶类型、船舶尺寸、船舶抓拍照片等数据，用于和船舶ais、相控阵雷达采集的数据作互相验证，共同在数字孪生航道整体集成场景中动态还原航道上的船舶航行状态；s25、相控阵雷达数据收集，其中，相控阵雷达数据是由四面阵小型相控阵雷达采集的船舶数量、位置、航速等数据，用于在数字孪生航道整体集成场景中动态还原航道上船舶的数量、位置、航速等实时航行状态；
31.s3、应用场景构建，能够用于航道管理；其中包括基础平台搭建和应用平台搭建，其中基础平台搭建包括，s31、三维仿真模块搭建，其中，数字孪生航道基础平台对数字孪生航道整体集成场景的展示功能，包括对航道及沿线周边地形地貌数字孪生模型、航道水下地形数字孪生模型、大范围场景底板数字孪生模型、涉航建筑物数字孪生模型、船舶数字孪生体模型的三维场景仿真，对包括但不限于航道、护岸、桥梁、航行标志、沿线景观、服务区、码头、船舶等要素的仿真建模，及在数字孪生航道整体集成场景下的模型集成显示。特别指出的是，逼真的三维场景仿真还包括在数字孪生航道整体集成场景中水上、水下一体式三维场景仿真；s32、场景漫游模块搭建，其中，数字孪生航道基础平台提供航道全局浏览、高空跟飞、船舶驾驶、水下浏览等多种视角下的流畅的场景漫游。特别指出的是，流畅的场景漫游还包括在数字孪生航道整体集成场景中水上、水下一体式三维场景浏览漫游；s33、数据驱动模块搭建，其中，数字孪生航道基础平台提供接口，接入各类航道感知数据，接入的数据包括但不限于水文气象数据、视频监控数据、船舶ais数据、电子卡口数据、相控阵雷达数据，并用接入的各类数据驱动数字孪生场景状态及模型体运动状态的动态变化。这些由数据驱动的数字孪生场景状态包括但不限于航道数字孪生场景中航道水位、流速、流量的变化，气象环境的变化，视频融合场景的变化，船舶位置、速度、航行方向的变化，航道上船舶数量、位置、速度的变化等；其中包括，船舶ais数据驱动数字孪生场景状态主要通过接入船舶ais数据中经纬度数据，在数字孪生航道场景中对船舶进行定位，而ais定位数据仅有经纬度二维数据，无法确定船舶的高程位置。基于ais的船舶三维数据驱动算法及系统，主要融合了船舶ais数据库、内河电子航道图和gis系统，分布提供了船舶经纬度数据，船舶航行数据和水位，地形等地理信息。船舶三维定位模块主要负责计算船舶高程点，其算法模型主要分为以下几个步骤：
32.s3311：接入数字孪生航道平台数据集中，船舶经纬度数据，航道经纬度数据，航道水位数据集，航道水下地形数据集；
33.s3312：根据航道的经纬度数据和水位数据，确定航道不同经纬度定位点的水面高程数据；
34.s3313：根据航道水面经纬度定位，分别对相同高程的航道水面建立电子围栏；
35.s3314：以经纬度数据为基础，将船舶经纬度数据与航道经纬度数据进行关联；建立船舶高程数据集，在不同电子围栏内，将航道水面高程数据分别赋值给船舶高程数据集；当船舶通过电子围栏时，切换新的航道水面高程数据并重新赋值。
36.s3315：将船舶实时高程数据集和船舶ais定位数据集，与数字孪生航道平台经纬度数据集进行关联并进行可视化显示。
37.其中，气象环境的变化，主要通过接入开源气象数据驱动数字孪生航道评语天气场景的变化。平台天气状况显示主要分为飞行视角和船舶驾驶视角两种状态，其中平台天
气状况显示主要分为以下几个步骤：
38.s3321：接入开源气象数据，并筛选出地点名称集；
39.s3322：确定地点名称集中的地点经纬度数据，根据经纬度数据在平台上进行定位；
40.s3323：根据地点定位，分别对应各个地点建立电子围栏；
41.s3324：接入各个地点名称对应的天气状况数据，在各自的电子围栏内，根据不同的天气状况创建不同的天气场景；
42.s3325：接入船舶的ais数据，根据船舶实时定位显示船舶驾驶视角的实时天气状态，并以船舶定位是否通过电子围栏为判定条件，当船舶从一个地点行驶至另一地点时，进行天气状态的切换；
43.s3326：根据飞行视角实时定位显示实时天气状态，并以定位是否通过电子围栏为判定条件，当视角从一个地点切换至另一地点时，进行天气状态的切换；
44.其中应用平台搭建包括，s41、拥堵指数模型搭建，应用数字孪生航道基础平台接入的电子卡口实时数据、船舶ais实时数据、相控阵雷达实时数据，计算航道拥堵指数，并在数字孪生航道整体集成环境中通过红、黄、绿三种颜色进行显示，拥堵指数模型负责计算航道阻塞密度和实际密度。
45.s411、根据航道条件与交通条件计算航道的可能通行能力cr，
[0046][0047]
s412、据航道可能通行能力计算航道的最大交通流量q
max
，
[0048][0049]
其中，cr为航道可能通行能力，(t)；q为航道最大交通流量，(艘/h)；n为航道日工作系数，t为日通航小时，(h)；v为船舶额定航速，(km/h)；t为年通航天数；s为同时处于某一航道断面的船舶数，(艘)；qc为船舶的额定载重量，(t)；m为船舶之间纵向安全系数；lc为船舶长度，(km)；w为船舶平均载质量，(t/艘)；βi为修正系数，包括通航保证期修正系数，交通流到达不均匀修正系数，船舶航行速度修正系数，船舶航行阻力折减系数，大型船舶修正系数，驾驶员条件修正系数。
[0050]
s413、根据航道最大交通流量计算航道阻塞密度kj，
[0051][0052]
当时，q＝q
max
，即，
[0053][0054]
当时，q
max
＝vf·ks
，
[0055]
即：
[0056]
其中，vf为船舶畅行航速，(km/h)；k为船舶交通流密度，(艘/km)；kj为航道阻塞密度，(艘/km)；ks为航道转折密度，(艘/km)。
[0057]
s414、根据船舶ais数据采集模块所采集的船舶实时位置信息，计算航段内船舶实时密度ka，根据雷达监测数据模块获取船舶实时航速va，
[0058][0059]
其中，m为所测航段内船舶数量，(艘)；l为所测航段长度，(km)。
[0060]
s415、根据航道阻塞密度kj，航道实时密度ka，航道畅行航速vf，航道实时航速va确定航道当前拥堵状态：当船舶航行速度下降到畅行速度的30％时，开始出现拥堵；当航道密度不小于阻塞密度时，航道出现严重拥堵。故将航道拥堵状态分为三级，具体指标和等级如下：
[0061][0062]
应用平台搭建还包括：
[0063]
s42、运行监测模块搭建，其中，航道运行监测是指在数字孪生航道整体集成环境中，通过数字孪生航道基础平台提供的功能，对数字孪生航道场景及航道要素模型体，进行多角度、全方位的浏览观察，获取航道场景状态变化信息、船舶数字孪生模型体的数量、位置、速度等的实时信息；
[0064]
s43、船舶密度模块搭建，其中包括船舶密度分析，是指在数字孪生航道整体集成环境中，通过数字孪生航道基础平台提供的功能，根据船舶数字孪生模型体动态数据，在数字孪生环境中分析航道全线船舶分布密度情况，并用三维热力图进行船舶密度展示，或用数据对航道各航段船舶密度进行数据统计；
[0065]
s44、虚拟电子卡口搭建、其中，虚拟电子卡口是指在数字孪生航道整体集成环境中，通过数字孪生航道基础平台提供的功能，在航道数字孪生场景中设置虚拟的电子卡口，结合接入的船舶ais实时数据，统计该虚拟卡口断面位置的船舶流量；
[0066]
s45、船舶画像模块搭建，其中包括船舶画像仿真，是指在数字孪生航道整体集成环境中，通过数字孪生航道基础平台提供的功能，通过数字孪生航道基础平台接入的视频监控数据、电子卡口实时数据、船舶ais实时数据、相控阵雷达实时数据，分析航道上船舶的船型、吨位、货种和航行行为，对航道上船舶特征进行准确定义；
[0067]
s46、临时管制模块搭建，其中，临时管制是指在数字孪生航道整体集成环境中，通过数字孪生航道基础平台提供的功能，在航道数字孪生场景中设置临时交通管制措施方案，结合接入的水文气象数据、视频监控数据、电子卡口实时数据、船舶ais实时数据、相控阵雷达实时数据，仿真模拟临时交通管制措施的效果；
[0068]
s47、设施养护模块搭建，其中，设施养护是指在数字孪生航道整体集成环境中，通过数字孪生航道基础平台提供的功能，在航道数字孪生场景中对包括但不限于航道水深、通航尺度、护岸、桥梁、码头、船闸、服务区等设施建立技术台账，结合集成的设施静态技术信息和动态监测信息，并将设施的巡检信息、检测信息以及养护管理的计划、设计、工程、信息等信息进行录入和绑定，实现对航道设施的动态可视化管养；
[0069]
s48、应急预案模块，其中包括应急预案推演，是指在数字孪生航道整体集成环境中，通过数字孪生航道基础平台提供的功能，结合应急航道应急预案数据，对应急救援进行可视化模拟，评估预案的可行性；
[0070]
s49、事故回放模块，其中，事故回放是指在数字孪生航道整体集成环境中，通过数字孪生航道基础平台提供的功能，对航道数字孪生环境及数字孪生体模型在一定时间段内的全要素状态进行回放，用于对水上交通事故的回演和分析研判。
[0071]
一种数字孪生航道系统，包括：整体集成场景，用于显示航道整体场景；感知数据接入端，用于航道泛在感知数据接入；航道基础平台，用于提供航道基础功能；航道应用平台，用于提供航道管理和服务场景的专业化应用功能。其中航道基础平台和航道应用平台的引擎可以是开源的也可以是商业的。能够将现实场景实时转换为三维模拟场景，使得管理集中高效便捷。
[0072]
整体集成场景包括沿线地形模型、水下地形模型、场景底板模型、涉航建筑模型、船舶体模型。能够显示航道整体场景，全方位监控航道。
[0073]
感知数据接入端包括多种检测感知设备，用于采集水文气象数据、视频监控数据、船舶ais数据、电子卡口数据、相控阵雷达数据。能够获得航道泛在感知数据接入，对航道航行中动态要素进行监控。
[0074]
航道基础平台包括：三维仿真模块、场景漫游模块、实时数据模块、二次开发模块。是采用成熟的数字孪生引擎，以数字孪生航道整体集成场景为基础，构建和开发提供航道基础功能的软件平台。
[0075]
航道应用平台包括运行监测模块、船舶密度模块、虚拟电子卡口、船舶画像模块、临时管制模块、拥堵指数模块、设施养护模块、应急预案模块、应急救援模块、事故回放模块。对于结合航道管理研发专业应用，形成数字孪生航道系统，在数字孪生的场景下对航道运行状态对加强航道运行管理，提升航道运行效率具有重要意义。
[0076]
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。