一种基于数字孪生的智慧船闸运营管控系统以及方法

摘要

本发明公开了一种基于数字孪生的智慧船闸运营管控系统以及方法，具体涉及数字孪生技术领域，具体包括以下步骤：101、通过对实时数据进行采集，将各监测点采集的实时船闸数据存入数据库中；102、将各监测点采集的实时数据对数字孪生船闸进行数据映射；103、记录过闸船舶的相关信息，对首次登入过闸的船舶进行基本信息登记；104、在船闸调度中心对所有的船闸制定统一调度计划；105、通过孪生船闸，实现船闸的数据交互以及安全监测；106、在船舶到达船舱后进行申报缴费自动生成过闸调度指令。本发明基于数字孪生技术，通过构建多业务协同和可拓展的数字孪生平台，实现船闸的智慧运营管控。

说明书

技术领域

本发明涉及数字孪生技术领域，更具体地说，本发明涉及一种基于数字孪生的智慧船闸运营管控系统以及方法。

背景技术

近年来，随着5G、大数据、人工智能等新一代信息技术的飞速发展，国家对交通基础设施发展提出明确的现代化、高质量要求。对船闸基础设施而言，将5G、BIM、物联网、大数据等新兴技术与船闸监测、调度、指挥、运维等业务深度结合，实现船闸运行调度自动化、基础设施养护管理智能化、通航服务信息透明化，是船闸数字化转型、智能化升级的主要发展目标和方向，在交通运输领域新型基础设施建设的总体要求下，将数字孪生的理念、技术与船闸运营管理业务相结合，提出了智慧船闸的建设方案，实现基于数字孪生三维可视化平台的船闸运营管控，对探索智慧船闸建设思路、提升船闸数字化及智能化水平具有重要意义。

现在人们对于“智慧船闸”还没有一个标准的定义，暂时可以理解为把一些先进的技术应用在船闸通航管理服务中建立的过闸综合管理和控制系统。伴随水运经济的持续迅速发展，船闸的压力也越来越大，在土地资源和资金困难的情况下，新建船闸的困难程度就变得更加严峻，现在最重要的就是要考虑怎么在短时间内改变目前出现的这种情况。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种基于数字孪生的智慧船闸运营管控系统以及方法，通过智能排档模块，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：包括实时监测模块、可视化模块、过闸管理模块、智能排档模块，安全监测模块以及智能调度模块，所述实时监测模块通过对实时数据进行采集，将各监测点采集的实时船闸数据存入数据库中，所述可视化模块根据所述实时监测模块中采集的船闸数据对数字孪生船闸完成数据映射，所述过闸管理模块记录过闸船舶的相关信息，对首次登入过闸的船舶进行基本信息登记，所述智能排档模块在船闸调度中心对所有的船闸制定统一的过闸闸次以及调度计划，所述安全监测模块通过孪生船闸，实现船闸的数据交互以及船闸的安全监测，所述智能调度模块在船舶到达船舱后进行申报缴费自动生成过闸调度指令。

在一个优选地实施方式中，所述具体包括以下步骤：

101、通过对实时数据进行采集，将各监测点采集的实时船闸数据存入数据库中；

102、将各监测点采集的实时船闸数据对数字孪生船闸进行数据映射；

103、记录过闸船舶的相关信息，对首次登入过闸的船舶进行基本信息登记；

104、在船闸调度中心对所有的船闸制定统一的过闸闸次以及调度计划；

105、通过孪生船闸，实现船闸的数据交互以及船闸的安全监测；

106、在船舶到达船舱后进行申报缴费自动生成过闸调度指令。

在一个优选地实施方式中，所述实时监测模块通过对实时数据进行采集，将各监测点采集的实时船闸数据存入数据库中，同时将船闸的历史维护数据一并存入数据库中，将数据采集的时间间隔设置为1S，系统通过设置的定时器持续从数据库中提取各监测点的船闸数据，将当前船闸的运行状况显示在基于BIM和GIS生成的孪生模型中。

在一个优选地实施方式中，所述可视化模块根据获取的实时船闸数据对数字孪生船闸完成数据映射，根据船闸中各设备的几何数据，在三维建模中对船闸设备的形状、尺寸以及装配关系进行高精度的建模，将建立好的三维模型导入到智能虚拟仿真软件中，对船闸设备的几何模型进行设备属性、通信接口以及连接脚本进行二次建模，将船闸底层数据和孪生模型数据进行匹配，建立S/C数据传输结构，将船闸的各设备数据、信号以及状态变量与孪生模型所对应的数据变量进行绑定，完成船闸数据到孪生船闸的一一对应传输，将实时数据驱动的孪生船闸动态设备运行状态信息进行实时可视化展示。

在一个优选地实施方式中，所述过闸管理模块包括船舶过闸登记、闸室排档、过闸调度、违章船舶管理、船舶档案、基础数据维护、报表、水位信息查询等功能，支持对船舶档案、船闸数据、人员信息与权限、班值信息的管理，过闸登记，记录过闸船舶的相关信息，对首次登入过闸的单船或船队进行基本信息登记，数据输入要求过闸登记表、船籍数据库、违章船舶库以及调度管理，船舶到达要过闸的第一个船闸的指定区域范围内，船员通过手机APP对需要过闸的船舶进行船舶自主登记，将要过的多个船闸同时登记，船闸联合调度将船舶的登记信息统一下发到各个船闸，实现报闸信息的共享，保证信息的唯一性和准确性，使得各线船闸间的配合更加协调，船舶在到达下一个船闸时只需发送到达船闸的通知给船舶联合调度系统，船闸联合调度系统将进行排闸调度。

在一个优选地实施方式中，所述智能排档模块在船闸调度中心对所有的船闸制定统一的过闸闸次以及调度计划，通过孪生船闸能够全面监控流域所有船闸的待闸和过闸船舶情况，通过运用船闸闸室孪生船闸动画显示技术，实现了船舶调度的动画显示，为提高船舶调度效率提供辅助决策支持，闸室排布调度计划完成后，船闸联合调度系统将调度计划信息下发到各船闸，同时将信息统一发布到公众服务系统，通过APP将消息推送给船员的手机，船员根据统一发布的信息，将船舶开往闸区等候，根据指示过闸。

在一个优选地实施方式中，所述安全监测模块通过孪生船闸，实现船闸的数据交互以及船闸的安全监测，视频与控制联动系统将船闸运行控制过程的各动作点同步至孪生船闸中，为解决船闸危险响应的滞后性问题，将历史数据通过网络初始化后，将历史数据传输至数据输出层，通过计算输出的数据与期望值之间的误差与阈值进行比较，未达到允许值则根据该误差从后往前逐层、逐个传递修改各个神经元节点间的连接权值，这一修改过程称之为反向修正过程，通过对已知的历史数据反复进行着两个过程的迭代，直到输出的数据误差达到预期精度，每次选取随机数量的历史数据作为输入变量，其中误差函数的具体计算方式如下：

式中，E为输出的误差值，i为数据的输出节点个数，j为具体的输出节点，y

式中，s为sigmoid函数，x为隐藏层与输出层间的中间变量，通过误差反向传播和权值的修正，使误差E达到预期，将实时监测模块获取的实时数据一次输入到神经网络中，对未来一段时间内的变形趋势进行预测，对当前船闸的安全进行判断以及预警，通过孪生船闸实现联动效果，确保操作人员在船闸每个运行环节，都能清晰地看到运行现场重点区域视频图像，降低了工作强度，提升了应急处理的准确度和时效性，船舶超闸室安全警戒线报警系统通过激光发射器照射在超警戒线位置，当有船舶在警戒线位置停靠时，阻挡激光，触发报警装置，系统自动报警，警示提醒值班员和船员重新停靠。

在一个优选地实施方式中，所述智能调度模块的具体操作步骤如下：

S601、过闸申报及自动登记：船舶到达船闸区域前，通过智能船载终端，在手机App上进行过闸远程申报，船舶进入船闸电子围栏后，通过手机App确认过闸，系统自动登记并分配过闸登记号；

S602、船舶过闸缴费：船舶过闸登记后，进行缴费；缴费完成的待闸船舶将根据类型分成普通货轮队列、普通船队队列、优先货轮队列、优先船队队列、危险货物船舶队列五类排队队列；

S603、船舶智能调度：自动生成船闸闸次计划和船闸排挡图，并将调度信息通过手机App、短信、微信网络电话等多种方式发送至过闸船舶；

S604、船舶智能过闸：船舶收到调度过闸指令后，进入船闸引航道，靠船墩等待闸区的指定档位停靠，并查验核对船舶身份、缴费情况、过闸闸次闸号等；船舶在智能过闸引导下驶入闸室指定档位，并在船舶超速检测、超警戒线检测等智能安全监管系统的监控下安全出闸，完成调度流程

本发明的技术效果和优点：

本发明基于数字孪生技术，以BIM和GIS为基础获得船闸数字孪生对象，通过构建多业务协同和可拓展的数字孪生平台，实现船闸的智慧运营管控，为智慧船闸建设提供建设思路，该系统能有效避免船舶在进闸过程中，特别是在特殊情况下，值班员未能及时发现船舶在超警戒线位置停靠带来的安全隐患。

附图说明

图1为本发明的系统流程图。

图2为本发明的系统结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

实施例1

本实施例提供了如图1所示一种基于数字孪生的智慧船闸运营管控方法，具体包括以下步骤：

101、通过对实时数据进行采集，将各监测点采集的实时船闸数据存入数据库中；

102、将各监测点采集的实时船闸数据对数字孪生船闸进行数据映射；

103、记录过闸船舶的相关信息，对首次登入过闸的船舶进行基本信息登记；

104、在船闸调度中心对所有的船闸制定统一的过闸闸次以及调度计划；

105、通过孪生船闸，实现船闸的数据交互以及船闸的安全监测；

106、在船舶到达船舱后进行申报缴费自动生成过闸调度指令。

如图2本实施例提供一种基于数字孪生的智慧船闸运营管控系统，包括实时监测模块、可视化模块、过闸管理模块、智能排档模块，安全监测模块以及智能调度模块，所述实时监测模块通过对实时数据进行采集，将各监测点采集的实时船闸数据存入数据库中，所述可视化模块根据所述实时监测模块中采集的船闸数据对数字孪生船闸完成数据映射，所述过闸管理模块记录过闸船舶的相关信息，对首次登入过闸的船舶进行基本信息登记，所述智能排档模块在船闸调度中心对所有的船闸制定统一的过闸闸次以及调度计划，所述安全监测模块通过孪生船闸，实现船闸的数据交互以及船闸的安全监测，所述智能调度模块在船舶到达船舱后进行申报缴费自动生成过闸调度指令。

101、通过对实时数据进行采集，将各监测点采集的实时船闸数据存入数据库中；

本实施例中，具体需要说明的是实时监测模块，所述实时监测模块通过对实时数据进行采集，将各监测点采集的实时船闸数据存入数据库中，同时将船闸的历史维护数据一并存入数据库中，将数据采集的时间间隔设置为1S，系统通过设置的定时器持续从数据库中提取各监测点的船闸数据，将当前船闸的运行状况显示在基于BIM和GIS生成的孪生模型中。

102、将各监测点采集的实时船闸数据对数字孪生船闸进行数据映射；

本实施例中，具体需要说明的是可视化模块，所述可视化模块根据获取的实时船闸数据对数字孪生船闸完成数据映射，根据船闸中各设备的几何数据，在三维建模中对船闸设备的形状、尺寸以及装配关系进行高精度的建模，将建立好的三维模型导入到智能虚拟仿真软件中，对船闸设备的几何模型进行设备属性、通信接口以及连接脚本进行二次建模，将船闸底层数据和孪生模型数据进行匹配，建立S/C数据传输结构，将船闸的各设备数据、信号以及状态变量与孪生模型所对应的数据变量进行绑定，完成船闸数据到孪生船闸的一一对应传输，将实时数据驱动的孪生船闸动态设备运行状态信息进行实时可视化展示。

103、记录过闸船舶的相关信息，对首次登入过闸的船舶进行基本信息登记；

本实施例中，具体需要说明的是过闸管理模块，所述过闸管理模块包括船舶过闸登记、闸室排档、过闸调度、违章船舶管理、船舶档案、基础数据维护、报表、水位信息查询等功能，支持对船舶档案、船闸数据、人员信息与权限、班值信息的管理，过闸登记，记录过闸船舶的相关信息，对首次登入过闸的单船或船队进行基本信息登记，数据输入要求过闸登记表、船籍数据库、违章船舶库以及调度管理，船舶到达要过闸的第一个船闸的指定区域范围内，船员通过手机APP对需要过闸的船舶进行船舶自主登记，将要过的多个船闸同时登记，船闸联合调度将船舶的登记信息统一下发到各个船闸，实现报闸信息的共享，保证信息的唯一性和准确性，使得各线船闸间的配合更加协调，船舶在到达下一个船闸时只需发送到达船闸的通知给船舶联合调度系统，船闸联合调度系统将进行排闸调度。

104、在船闸调度中心对所有的船闸制定统一的过闸闸次以及调度计划；

本实施例中，具体需要说明的是智能排档模块，所述智能排档模块在船闸调度中心对所有的船闸制定统一的过闸闸次以及调度计划，通过孪生船闸能够全面监控流域所有船闸的待闸和过闸船舶情况，通过运用船闸闸室孪生船闸动画显示技术，实现了船舶调度的动画显示，为提高船舶调度效率提供辅助决策支持，闸室排布调度计划完成后，船闸联合调度系统将调度计划信息下发到各船闸，同时将信息统一发布到公众服务系统，通过APP将消息推送给船员的手机，船员根据统一发布的信息，将船舶开往闸区等候，根据指示过闸。

105、通过孪生船闸，实现船闸的数据交互以及船闸的安全监测；

本实施例中，具体需要说明的是安全监测模块，所述安全监测模块通过孪生船闸，实现船闸的数据交互以及船闸的安全监测，视频与控制联动系统将船闸运行控制过程的各动作点同步至孪生船闸中，为解决船闸危险响应的滞后性问题，将历史数据通过网络初始化后，将历史数据传输至数据输出层，通过计算输出的数据与期望值之间的误差与阈值进行比较，未达到允许值则根据该误差从后往前逐层、逐个传递修改各个神经元节点间的连接权值，这一修改过程称之为反向修正过程，通过对已知的历史数据反复进行着两个过程的迭代，直到输出的数据误差达到预期精度，每次选取随机数量的历史数据作为输入变量，其中误差函数的具体计算方式如下：

其中，E为输出的误差值，i为数据的输出节点个数，j为具体的输出节点，y

式中，s为sigmoid函数，x为隐藏层与输出层间的中间变量，通过误差反向传播和权值的修正，使误差E达到预期，将实时监测模块获取的实时数据一次输入到神经网络中，对未来一段时间内的变形趋势进行预测，对当前船闸的安全进行判断以及预警，通过孪生船闸实现联动效果，确保操作人员在船闸每个运行环节，都能清晰地看到运行现场重点区域视频图像，降低了工作强度，提升了应急处理的准确度和时效性，船舶超闸室安全警戒线报警系统通过激光发射器照射在超警戒线位置，当有船舶在警戒线位置停靠时，阻挡激光，触发报警装置，系统自动报警，警示提醒值班员和船员重新停靠。

106、在船舶到达船舱后进行申报缴费自动生成过闸调度指令；

本实施例中，具体需要说明的智能调度模块，所述智能调度模块的具体操作步骤如下：

S601、过闸申报及自动登记：船舶到达船闸区域前，通过智能船载终端，在手机App上进行过闸远程申报，船舶进入船闸电子围栏后，通过手机App确认过闸，系统自动登记并分配过闸登记号；

S602、船舶过闸缴费：船舶过闸登记后，进行缴费；缴费完成的待闸船舶将根据类型分成普通货轮队列、普通船队队列、优先货轮队列、优先船队队列、危险货物船舶队列五类排队队列；

S603、船舶智能调度：自动生成船闸闸次计划和船闸排挡图，并将调度信息通过手机App、短信、微信网络电话等多种方式发送至过闸船舶；

S604、船舶智能过闸：船舶收到调度过闸指令后，进入船闸引航道，靠船墩等待闸区的指定档位停靠，并查验核对船舶身份、缴费情况、过闸闸次闸号等；船舶在智能过闸引导下驶入闸室指定档位，并在船舶超速检测、超警戒线检测等智能安全监管系统的监控下安全出闸，完成调度流程。

最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。