航运业中的数字孪生技术 - 优势、用例与发展潜力
几乎所有行业都受益于数字化和人工智能的引入，航运业也不例外。该领域的最新发展趋势之一是数字孪生技术。无论是在太空、航空还是货运领域，数字孪生技术在方方面面发挥着重要作用，它可以模拟某些条件，从而在早期阶段发现问题。请继续阅读，了解数字孪生的具体功能以及如何将其用于航运业。
什么是数字孪生？
2002 年，科学家迈克尔·格里夫斯博士 (Dr. Michael Grieves) 在密歇根州的一次制造工程师会议上首次提出了“数字孪生”(digital twin) 这一术语和概念。如今，数字孪生已超越了传统模型的范畴，呈现出动态演进的特性。换言之，物理对象或系统所发生的一切都会同样发生在其复制品，即数字孪生上。
数字孪生技术的历史可追溯至 1960 年，当时作为阿波罗 13 号任务的一部分而首次被载入史册。美国国家航空航天局 (NASA) 构建了宇宙飞船的数字模型，使得地球上的科研人员和工程师能够在遇到问题时，对可能的解决方案进行测试。
这套首创的数字孪生系统在 1970 年的宇航员营救任务中发挥了关键作用，尽管当时并未称之为数字孪生。美国国家航空航天局使用了 15 台模拟器来训练和测试任务参数，工程师们利用这些参数来分析任务中出现的问题。在权衡了各种可能的解决方案后，他们将最佳方案发送给了机组人员。
然而，数字孪生的广泛应用，是在物联网连接和传感器技术与更先进的数据分析技术相结合之后才真正开始的。
在赫伯罗特，我们也在努力将物联网技术融入到我们的日常业务中。例如我们的可视化解决方案 “实时定位”。
数字孪生有哪些优势？
数字孪生已经帮助整个行业实现了全流程现代化。通过分析和解读数据，为决策者提供了更为有效的决策支持：
- 可视化：例如，数字孪生系统的设计赋予了港口管理机构模拟建设与运营流程的能力，并能够实时展现船舶、设施及其他物体的多样化基础设施细节。得益于此，整个港口运营，如船舶靠泊、货物处理和存储空间分配，都可以通过首先使用数字孪生进行场景模拟来优化
- 预测和故障排除：通过将虚拟现实与实体现实相结合，可以及早发现并解决问题。例如，利用相关场所的数字孪生进行虚拟实验，可以针对存储和流程优化的各种场景进行优化，从而提升仓库和配送流程的效率。
- 易于理解： 数字孪生将难以理解的海事数据转化为易于理解的行动方案。例如，数字孪生系统的输入端能够捕捉船舶在面对波浪、洋流、风力和气温等不同环境因素时的行为模式。这不仅能提高物流流程的效率，还能最大限度地降低潜在风险。
- 产品开发：在数字孪生平台上运用三维模型与仿真技术，为我们提供了一窥未来的能力，并使得生产过程更加迅速。例如，它能够分析海平面上升将如何影响供应链流程和整个集装箱运输流程。数字孪生还可用于测试新的模型或螺旋桨，直到找到实现最高效率的理想形态。此外，它还能够在问题出现之前，对维护需求进行预测。
- 更高的安全性、更长的使用寿命：数字孪生技术有助于主动维护和风险管理，将设备故障、意外事故和环境事故的可能性降至最低，从而提高安全标准和监管合规性。
- 可持续性管理：通过优化燃料消耗、路线规划和资源配置，数字孪生有助于减少碳排放、能源消耗和环境影响，从而与航运业追求的可持续发展和生态效益目标相契合。
标准模型通常只强调物体的基本属性，而数字孪生在以下方面与模型的定义有所不同：数字孪生必须与现有物体相连，而模型可以独立存在。数字孪生必须是物理对象（如港口或工厂）的精确复制品。相比之下，模型只是物体的粗糙呈现。数字孪生基于描述物体的数据和随时间变化的数据。模型则无需依赖这些数据即可存在。
数字孪生技术如何应用于港口和集装箱运输？
集装箱运输也需要不断进行诊断和预测，以优化整个作业流程。毕竟，船舶制造是一个极为复杂的发展领域。数字孪生技术还被用于港口，以应对效率、排放控制和操作系统的人体工程学等挑战。
数字孪生在航运中的一些用例包括：
- 预测性维护：通过分析实时传感器数据，船舶组件的数字复制品（如发动机和推进系统）能够预测潜在故障并安排主动维修，从而最小化停机时间并优化性能。
- 供应链可视化：全面的供应链数字孪生，帮助您实时洞察库存状态、运输路径及交付日程，使企业能够识别瓶颈、降低风险，并提升整个供应链的韧性和响应能力。
- 优化港口运营：港口设施（包括泊位、起重机和仓储区域）的虚拟呈现通过模拟船舶靠泊、货物装卸与仓储空间配置，促进了港口运营的优化，从而提高了效率，减轻了拥堵。
以意大利利沃诺港 (Livorno) 为例，自 2016 年起，该港就一直在建设其技术基础设施，并且已经开始使用数字孪生技术。港口的全貌通过虚拟模型得以再现，复制了货物集装箱、摄像头和普通货物仓库等物理元素。
宽动态范围 (WDR) 摄像头捕捉日常工作的方方面面，并构建数字孪生港口模型。结合虚拟现实 (VR) 技术，操作人员能够在虚拟模型中进行沉浸式导航，全面了解数字港口区域。毕竟，对于物流流程而言，货物的准确和高效存储及定位至关重要。
而船舶的数字孪生技术，也将在未来集装箱航运的发展中扮演决定性角色。通过改用虚拟控制系统，可以优化整个船队和港口运营。船舶的数字孪生可以进行软件集成，从而充当物理对象的模拟器，对维护工作或引擎故障等实际状况进行分析，并采取预防措施。
然而，运用数字孪生技术以优化运营的远不止利沃诺港。就连世界上最大、最繁忙的港口之 一鹿特丹港 (Rotterdam) 也在使用数字孪生技术。 该港口的一项创新举措便是部署了所谓的“数字海豚”(digital dolphins)，即配备传感器的码头墙壁和浮标，用于监测潮汐、风速及其他气象要素。
该港口还采用了一个创新理念，即“42 号集装箱”此集装箱配备有各类传感器，可作为研究工具环游世界。这些传感器的运用，不仅能够监测箱内环境（如温度与湿度），还可以跟踪整个运输过程中的数据。通过这些搜集的数据，可以对运输路径进行优化与调整。