港口和航道的数字孪生帮助陆军部队维护美国航道

使用国会指导的资金，美国陆军工程兵团整合了数据集和工具，并使用云计算平台对其流程进行了现代化改造。

关键要点

• 美国陆军工程兵团使用许多地理空间系统来维护通航港口和航道。
• 天气变化加剧了疏浚计划和执行的复杂性和需求。
• 军团建立了一个系统的系统，汇集了数据以显示航道状况的全貌。

密西西比河是美国最重要的内陆水道，它以最低的成本将基本商品运往市场，包括大部分出口谷物。这条大河水位的剧烈变化常常引起全国的关注和不确定性。但是，一个旨在监控和模拟河流行为和运行的新制作的数字孪生揭示了问题点。

2019 年，创纪录的降水使河流保持在洪水位以上超过 235 天。然后在 2022 年夏季，由于长期干旱，水位比平均水平低 11 英尺。低水平导致驳船搁浅并迫使船只运载更少的货物。卡车不得不在某些地方承担负载。随着运费上涨，将货物运往市场的困难压低了国内粮食价格，农民面临损失。

为了帮助保持驳船交通和商业畅通，美国陆军工程兵团指示船员全天候疏浚河流。他们连续六个月努力维持驳船所需的九英尺深的航道。他们使用地理信息系统 (GIS) 技术来管理这项工作——密切关注河流状况、运营和船只交通。

为了监控这项工作，军方使用了许多专门构建的 GIS 驱动系统（见边栏）来监控状况和分析船只交通。一个新的导航门户网站 NavPortal 将这些数据输入结合起来，以提供一个运营范围内的数字孪生。 NavPortal 结合了云计算、船舶跟踪和人工智能来处理和呈现海量数据。它显示当前的通道状况并将该信息与河流交通进行比较。

“我们在全国范围内有数百个疏浚地点，我们需要像 NavPortal 这样的工具作为我们的预警指标，”美国陆军工程师研发中心的研究土木工程师兼 NavPortal 产品经理 Ned Mitchell 说。 “我们需要在最严重的问题点形成全面的紧急情况之前看到它们的形成。”

实现运营意识

沿着密西西比河有六个军区，从圣保罗到新奥尔良。每个地区都管理着一段由水坝、船闸、堤坝和疏浚渠道混合而成的河流。总共有 4,200 英里航道、62 个船闸、51 个浅吃水港和 7 个深吃水港。这需要很多维护。复杂性随着洪水或干旱而增加，尤其是在河流交通高峰的收获季节。

2022 年，七艘挖泥船在美国陆军工程兵团圣路易斯地区 300 英里河道沿线的 70 个不同地点运送了 900 万立方码的材料。正常情况下，只有两台挖泥船在工作，平均运量为三四百万立方码。照片由 USACE 提供，Janet Meredith 摄

孟菲斯的低水位说明了 2022 年干旱对密西西比河沿岸的影响。

这座位于明尼苏达州圣保罗的船闸说明了军团在密西西比河北部的维护职责之一。

军团在密西西比河以南的河段不断进行疏浚。新奥尔良港是美国最繁忙的港口之一。

2022 年 10 月的干旱导致 3,000 艘驳船停运。延迟的货物可能装满了超过 200,000 辆半挂卡车（如果有的话）。农民只能运送上一年运送的玉米量的一半。燃料、化学品和建筑材料的运输也停滞不前。

国会介入，指示资金解决由如此多的数据源跟踪如此多的易变参数而导致的固有知识管理问题。就在那时，NavPortal 团队使用联合系统方法创建了运营数字孪生，结合了各自发挥作用的遗留系统的提要。

我们为之工作的人需要将所有这些输入都呈现在他们面前的一个视图中。

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美国陆军工程师研发中心研究土木工程师

内德·米切尔

现在，NavPortal 提供了清晰度。它为每个军区提供了其沿整个河流延伸的当前视图。当几乎没有时间收集数据和进行深入分析时，NavPortal 会提供持续的意识。它使员工能够在渠道堵塞之前发现问题并计划修复。

应对波动

军团的项目工程师要了解渠道深度和沉积物堆积是一项艰巨的工作。例如，在干旱期间，断断续续的降雨可以使河流的任何一段都可以让驳船前一天通行，而后一天就无法通行。米切尔说：“试图解决这样一个系统中的瓶颈是一个真正的挑战。”

一些经验丰富的项目工程师凭直觉知道河流将如何变化。但由于气候模式的变化导致天气更加不稳定，河流的行为甚至可能违背最敏锐的直觉。对于新手工程师来说，短短几年内发生的惊人变化并没有形成可靠的模式。

NavPortal 揭示了情况的动态性质。 “现在我们有了一个数字孪生来为他们做好一切准备，”米切尔说。

该门户的地图可视化、图表和图形组合提供了导航项目和备选方案的整体视图。 “我们的想法是让所有数据都易于访问和理解，”阿拉巴马州地区办公室 USACE Mobile 的 GIS 和 NavPortal 经理 Josh Pritchard 说。

查看当前船只交通和深度数据的能力创建了一个可以查询的实时地图，以提供对易变参数的新级别的认识。

放大后，NavPortal 用户可以看到通道调查和横截面，以查看障碍物所在的位置。

可以查询船舶交通以查看每艘船舶的详细信息。例如，NavPortal 用户可以快速将航道深度与船舶航行的水深（吃水）关联起来。

诺福克港的近景证实了大部分交通都停留在航道的最深处。

NavPortal 帮助确定了最需要疏浚的黄色区域。

这种综合资源被证明是至关重要的，因为通道阻塞会迅速成倍增加，一个或两个阻塞点会在许多州变成数十个阻塞点。它使工程师能够深入了解当前和历史模式，并预测可能发生的情况。

“NavPortal 让我们可以看到随时间变化的趋势，”Mitchell 说。 “我们可以在以前遇到过问题的特定位置绘制时间序列图表。我们可以预见到往往会造成麻烦的季节性浅滩事件。”

意识降低成本

该部队每年在全国数百个维护疏浚项目上花费大约 15 亿美元。托运人希望在港口有更大的深度，以便每次航程运送更多的货物。生产商需要开放水道才能将他们的产品推向市场。资金永远不足以覆盖所有需要维护的区域。

NavPortal 有助于制定最具成本效益的维护策略。场景规划的数字孪生方法可以考虑更多变量并回答更复杂的问题。

时机很关键。军团拥有一些挖泥船，但大多数项目都涉及承包商。采购挖泥机是一个耗时的多步骤过程。每份许可证都经过环境审查。由于海龟等受威胁的物种，大多数地方都有几个月无法疏浚。如果疏浚合同延误或填充率超过历史标准，沉积物将会堆积，渠道可能无法通行。

更好地协调与了解情况可以充分利用每项投资。通过基于邻近度对项目进行排序，工程师变得主动而不是被动。他们还可以将项目与需要疏浚材料的区域对齐，例如被侵蚀的海滩或缩小的湿地栖息地。另一种策略是将航道保持在比航运所需的深度更大的深度，以便在疏浚之间留出更多时间。

当条件迫不及待时，这些复杂的限制和机会提供了很多考虑因素。 NavPortal 数字孪生帮助军团的分析师考虑更多变量，使他们能够在制定计划之前进行测试和迭代。

“我们希望数据可以提供信息，在某些情况下，可以改变一些长期存在的思维方式，”米切尔说。 “现在我们有了数据和定量趋势，我们可以看看生命周期方程。我们可以跟踪数据指向的方向，以了解新方法是否具有成本效益。”