淺談數(shù)字孿生在AIS基站管理中的應(yīng)用

淺談數(shù)字孿生在AIS基站管理中的應(yīng)用

摘要：數(shù)字孿生作為物理世界的數(shù)字化表示，它可以進(jìn)行虛擬仿真和實時監(jiān)

控。在長江航運(yùn)領(lǐng)域，數(shù)字孿生的應(yīng)用場景越來越多，開啟了降本增效、賦能提

速的新篇章，本文將淺談數(shù)字孿生在智能化AIS基站管理中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；基站管理；應(yīng)用

當(dāng)前，全球新一輪科技和產(chǎn)業(yè)變革加速推進(jìn)，大數(shù)據(jù)、云計算、5G和人工智

能等顛覆性技術(shù)不斷涌現(xiàn)，正在加快新技術(shù)的產(chǎn)生，推進(jìn)傳統(tǒng)技術(shù)的變革。

1．?dāng)?shù)字孿生概述

數(shù)字孿生，英文名Digital Twin，也可稱為數(shù)字影射，數(shù)字鏡像，是充分利

用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、

多概率的的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實體裝備的全

生命周期過程。簡單來說，數(shù)字孿生就是一種數(shù)字化技術(shù)，可以將現(xiàn)實世界中的

實體物體或系統(tǒng)建立起來的虛擬副本。在一個設(shè)備或系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造一個數(shù)

字版的“克隆體”。

2．?dāng)?shù)字孿生的發(fā)展歷史

3．?dāng)?shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)

建模，包括機(jī)理建模方法和數(shù)據(jù)驅(qū)動建模方法。前者根據(jù)研究對象的機(jī)理特

性建立數(shù)學(xué)公式，并賦予參數(shù)，然后應(yīng)用數(shù)值計算方法或解析方法進(jìn)行計算，一

般適合于機(jī)理清楚的物理系統(tǒng)；后者是指采用統(tǒng)計學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)方法建立模型，

適合于機(jī)理不明確或只存在關(guān)聯(lián)關(guān)系的研究對象。機(jī)理建模時由于存在不可避免

的假設(shè)和簡化，有時會帶來不容忽視的誤差，這種情況下，如果數(shù)據(jù)足夠，也適

合采用數(shù)據(jù)驅(qū)動建模方法。另外，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動方法時，為了解決小樣本、樣本

不均衡、弱特征以及不可解釋性等問題，將機(jī)理建模方法和數(shù)據(jù)驅(qū)動方法相結(jié)合，

具有一定優(yōu)勢。

感知，為了實時感知物理實體及其運(yùn)行環(huán)境，需要傳感技術(shù)、監(jiān)測技術(shù)的支

撐。例如，為了建立面向風(fēng)電、光伏出力預(yù)測和故障診斷的數(shù)字孿生，需要獲得

電站周邊氣象數(shù)據(jù)以及設(shè)備溫度、聲音、振動等數(shù)據(jù)，為此，需要可獲取聲振信

號、溫度、濕度數(shù)據(jù)的傳感設(shè)備。

仿真，數(shù)字孿生模型驗證的關(guān)鍵方法。仿真和建模是一對伴生體，如果說建

模是對物理實體理解的模型化，那仿真就是驗證和確認(rèn)這種理解的正確性和有效

性的工具。仿真是將具備確定性規(guī)律和完整機(jī)理的模型以軟件的方式來模擬物理

實體的一種技術(shù)。在建模正確且感知數(shù)據(jù)完整的前提下，仿真可以基本正確地反

映物理實體一定時段內(nèi)的狀態(tài)。

空GIS數(shù)據(jù)為底板，構(gòu)建出滿足業(yè)務(wù)應(yīng)用的數(shù)字孿生“基礎(chǔ)操作系統(tǒng)”，為平臺

應(yīng)用提供多源異構(gòu)數(shù)據(jù)接入、處理融合、服務(wù)發(fā)布、分析計算等能力，滿足對基

礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)全流程的管理，支撐上層智慧

應(yīng)用。

4.1AIS基站運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控

通過 AIS 接收器或者網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備等方式從 AIS 基站中獲取運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，

包括功率輸出、信號質(zhì)量、位置信息、報告間隔等，并將其傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理系統(tǒng)

中。根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn) AIS 基站的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。可以設(shè)置閾值來

檢測不正常的狀態(tài)，并及時進(jìn)行報警。例如，可以設(shè)置功率輸出閾值，如果功率

輸出超過了預(yù)設(shè)的閾值，就會觸發(fā)報警。還可以設(shè)置位置異常檢測，如果基站的

位置信息與預(yù)設(shè)的位置不符，也會觸發(fā)報警。在數(shù)字孿生平臺上顯示基站所在位

置，通過顏色渲染設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，綠色表示運(yùn)行狀態(tài)正常、運(yùn)行狀態(tài)異常基站紅

色間歇性閃爍報警。點(diǎn)擊單個基站單體化模型，彈窗基站詳細(xì)信息，包含：基站

名稱、基站IP、通信類型、基站發(fā)射通道等模塊運(yùn)行狀態(tài)、基站定位精度、發(fā)射

功率等。

4.2船舶航行狀態(tài)監(jiān)控

通過數(shù)字孿生3D可視化技術(shù)，展示當(dāng)前連接本基站船舶及相關(guān)信息，船舶

狀態(tài)信息包括：船名船號、船舶所在位置、船舶類型、船舶尺寸、船舶運(yùn)行狀態(tài)

等，并可通過點(diǎn)擊船舶某段時間運(yùn)行軌跡通過第一視角回看船舶行經(jīng)路線以及船

進(jìn)行實施監(jiān)控，若基站覆蓋范圍遠(yuǎn)小于歷史平均值，則進(jìn)行播報預(yù)警，提示后臺

管理人員進(jìn)行故障排查處理。

4.4AIS智能巡檢、維護(hù)

通過接入AIS周邊攝像頭數(shù)據(jù)，可在三維底圖上制定巡檢線路，點(diǎn)擊AIS巡

檢功能，可按次序依次調(diào)用每個攝像頭的數(shù)據(jù)，無需前往現(xiàn)場即可實現(xiàn)設(shè)備的自

動巡檢。另外可根據(jù)不同站點(diǎn)的巡檢頻率要求，制定多種巡檢模式，如常規(guī)巡檢

可依次對每個站點(diǎn)依次進(jìn)行巡檢，重點(diǎn)巡檢則是對設(shè)定的固定站點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)化巡

檢。系統(tǒng)平臺還可實現(xiàn)對AIS基站機(jī)房動環(huán)監(jiān)控，可顯示服務(wù)器的基本信息如：

服務(wù)器型號、CPU類型、網(wǎng)卡類型、CPU核數(shù)，同時還可監(jiān)控服務(wù)器的實時資源

調(diào)用信息，如CPU資源分配情況、內(nèi)存占用情況、CPU使用率和內(nèi)存使用率等。

4.5模擬AIS基站選址規(guī)劃分析

通過數(shù)字孿生三維底圖可以量取樓宇間距及相鄰樓層高度差，在站點(diǎn)規(guī)劃范

圍內(nèi)選符合安裝設(shè)備的樓棟，然后通過在三維場景中布設(shè)AIS基站模型，模擬信

號覆蓋范圍，確定站點(diǎn)位置是否能夠?qū)崿F(xiàn)航段范圍內(nèi)全覆蓋，為基站的選址規(guī)劃

提供直觀的決策依據(jù)。

5.結(jié)論

數(shù)字孿生可為物理世界創(chuàng)造一個包含所有數(shù)據(jù)的數(shù)字模型，使得能夠在不確

定性環(huán)境下，利用真實數(shù)據(jù)、分析模型等多元信息融合，增強(qiáng)對復(fù)雜系統(tǒng)、復(fù)雜

環(huán)境的認(rèn)知，實現(xiàn)動態(tài)演化行為更準(zhǔn)確地描述和預(yù)測，從而更好地指導(dǎo)決策和優(yōu)

化。AIS基站作為長江航運(yùn)高質(zhì)量發(fā)展的基礎(chǔ)通信設(shè)施，為船舶航行、海事監(jiān)管、

航道維護(hù)等提供穩(wěn)定服務(wù)成了重要任務(wù)。可應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建AIS系統(tǒng)建、

管、維一體化，提供高質(zhì)量AIS通信服務(wù)，從而為統(tǒng)一調(diào)度、管理決策提供支持，

推動長江航運(yùn)高質(zhì)量發(fā)展。

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