mirtrМир транспортаWorld of Transport and Transportation1992-3252Russian University of Transport (RUT)10.30932/1992-3252-2023-21-6-1mirtr-2608Research ArticleВОПРОСЫ ТЕОРИИTHEORYМетоды формирования цифрового двойника акватории для навигации беспилотных судовMethods for Development of a Digital Twin of the Water Area for Navigation of Unmanned Vesselshttps://orcid.org/0000-0001-9589-6783РозенбергИ. Н.RosenbergI. N.

Розенберг Игорь Наумович – доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РАН, научный руководитель  Scopus Author ID: 15136568900; РИНЦ Author ID: 652172 

Москва

Rosenberg, Igor N., D.Sc. (Eng), Professor, Corresponding Member of the Russian Academy of Sciences, Chief Scientific Officer 

Scopus Author ID: 15136568900; Russian Science Citation Index Author ID: 652172.

info@science-rut.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4581-2518СоколовС. С.SokolovS. S.

Соколов Сергей Сергеевич – доктор технических наук, доцент, проректор WoS Researcher ID: A‑9507–2015; Scopus Author ID: 56606754000; РИНЦ Author ID: 207642. 

Москва

Sokolov, Sergey S., D.Sc. (Eng), Associate Professor, Vice-Rector 

WoS Researcher ID: A‑9507–2015; Scopus Author ID: 56606754000; Russian Science Citation Index Author ID: 207642.

sokolov.ss@miit.ruДубчакИ. А.DubchakI. A.

Дубчак Ирина Александровна – начальник управления новых проектов и технологий РИНЦ Author ID: 1152475.

Москва

Dubchak, Irina A., Head of the Department of New Projects and Technologies 

Russian Science Citation Index Author ID: 1152475.

info@science-rut.ruРоссийский университет транспорта (МИИТ)РоссияRussian University of TransportRussian Federation202316082024216613Copyright © Розенберг И.Н., Соколов С.С., Дубчак И.А., 20242024Розенберг И.Н., Соколов С.С., Дубчак И.А.Rosenberg I.N., Sokolov S.S., Dubchak I.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://mirtr.elpub.ru/jour/article/view/2608

В статье рассмотрен комплекс методов, с помощью которых возможно формирование цифрового двойника акватории для осуществления автономной навигации речного судна для решения задач моделирования движения автономного судна в акватории при различных параметрах окружающей среды (скорости течения, скорости ветра и пр.), в том числе динамически изменяемых в процессе движения, отработки алгоритмов действия автономного судна в условиях возникающих угроз и чрезвычайных происшествий. Предложенные методы включают в себя аэрофотосъемку с беспилотных авиационных систем, воздушное лазерное сканирование и координирование результатов их обработки с применением геодезического оборудования, функционирующего с использованием глобальных навигационных спутниковых систем и служащего для увязки всех получаемых пространственных данных в единую систему координат, для формирования высокоточных компонентов цифрового двойника акватории, включая линию уреза воды и части надводных элементов. Для формирования донной части цифрового двойника акватории рассмотрена возможность применения данных батиметрической съемки многолучевым эхолотом, атакже данных аэрофотосъемки с беспилотного воздушного судна, оснащенного высокоточным геодезическим приёмником и бортовой инерциальной системой для закладки маршрутов батиметрической съемки.

The article discusses a set of methods with which it is possible to form a digital twin of the water area for autonomous navigation of a river vessel to solve problems of modelling movement in the water area of an autonomous vessel under various environmental parameters (flow velocity, wind speed, etc.), including dynamically changing ones within the process of vessel’s movement, to test algorithms for operation of an autonomous vessel under the conditions of emerging threats and emergency incidents. The proposed methods include aerial photography from unmanned aerial systems, airborne laser scanning and coordination of the results of their processing using geodetic equipment operating using global navigation satellite systems and serving to link all received spatial data into a single coordinate system to form high-precision digital twin components of water area, including the water’s edge and part of surface elements. To form the bottom part of a digital twin of the water area, a possibility was considered to use bathymetric survey data collected with a multibeam echosounder, as well as aerial photography data received from an unmanned aerial vehicle equipped with a high-precision geodetic receiver and an on-board inertial system for laying out bathymetric survey routes.

цифровой двойник акваторииавтономное судовождениецифровая модель рельефацифровая модель днавоздушное лазерное сканированиеаэрофотосъемкаводный транспортdigital twin of the water areaautonomous navigationdigital terrain modeldigital bottom modelairborne laser scanningaerial photographywater transportReferencesКириллова М. А., Рожко А. И. Перспективы развития безэкипажных судов вРоссийской Федерации // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. – 2020. – № 3. – С. 16–22. DOI: https://doi.org/10.24143/2073-1574-2020-3-16-22.Kirillova, M. A., Rozhko, A. I. Prospects for development of unmanned ships in Russian Federation [Perspektivy razvitiya bezekipazhnykh sudov v Rossiiskoi Federatsii]. Vestnik of Astrakhan State Technical University. Series: Marine Engineering and Technologies, 2020, Iss. 3, pp. 16–22. DOI: https://doi.org/10.24143/2073-1574-2020-3-16-22Титов А. В., Баракат Л., Хаизаран А. Состояние иперспективы реализации технологии e-Навигации // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. – 2019. – Т. 11. – № 4. – С. 621–630. DOI: 10.21821/2309-5180-2019-11-4-621-630.Titov, A. V., Barakat, L., Khaizaran, A. Status and perspectives of e-navigation technology implementation. Vestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo irechnogo flota imeni admiral S. O. Makarova, 2019, Vol. 11, Iss. 4, pp. 621–630. DOI: 10.21821/2309-5180-2019-11-4-621-630.Grieves, M. W. Product lifecycle management: the new paradigm for enterprises. International Journal of Product Development, 2005, Vol. 2, Iss. 1–2, pp. 71–84. DOI: https://doi.org/10.1504/IJPD.2005.006669.Grieves, M. W. Product lifecycle management: the new paradigm for enterprises. International Journal of Production Development, 2005, Vol. 2, Iss. 1–2, pp. 71–84. DOI: https://doi.org/10.1504/IJPD.2005.006669.Grieves, M. W. Digital Twins: Past, Present, and Future. In: The Digital Twin. Springer International Publishing, Cham, 2023, pp. 97–121. DOI: 10.1007/978-3-031-21343-4.Grieves, M. W. Digital Twins: Past, Present, and Future. In: The Digital Twin. Springer International Publishing, Cham, 2023, pp. 97–121. DOI: 10.1007/978-3-031-21343-4.Glaessgen, E., Stargel, D. The Digital Twin Paradigm for Future NASA and U. S. Air Force Vehicles. Structural Dynamics and Materials Conference, Honolulu, 2012, 1818. DOI: 10.2514/6.2012-1818.Glaessgen, E. H., Stargel, D. S. The Digital Twin Paradigm for Future NASA and U. S.Air Force Vehicles. Structural Dynamics and Materials Conference, Honolulu, 2012, 1818. DOI: 10.2514/6.2012-1818.Qi, Y., Li, H., Pang, Z., Gao, W., Liu, C. ACase Study of the Relationship Between Vegetation Coverage and Urban Heat Island in a Coastal City by Applying Digital Twins. Frontiers in Plant Science, 2022, Vol. 13, 861768. DOI: 10.3389/fpls.2022.861768.Qi, Y., Li, H., Pang, Z., Gao, W., Liu, C. ACase Study of the Relationship Between Vegetation Coverage and Urban Heat Island in a Coastal City by Applying Digital Twins. Frontiers in Plant Science, 2022, Vol. 13, 861768. DOI: 10.3389/fpls.2022.861768.Torkamani, A., Andersen, K. G., Steinhubl, S. R., Topol, E. J. High-Definition Medicine. Cell, 2017, Vol. 170, Iss. 5, pp. 828–843. DOI: 10.1016/j.cell.2017.08.007.Torkamani, A., Andersen, K. G., Steinhubl, S. R., Topol, E. J. High-Definition Medicine. Cell, 2017, Vol. 170, Iss. 5, pp. 828–843. DOI: 10.1016/j.cell.2017.08.007.Rozenberg, O., Greenbaum, D. Making It Count: Extracting Real World Data from Compassionate use and Expanded Access Programs. American Journal of Bioethics, 2020, Vol. 20, Iss. 7, pp. 89–92. DOI: 10.1080/15265161.2020.1779857.Rozenberg, O., Greenbaum, D. Making It Count: Extracting Real World Data from Compassionate use and Expanded Access Programs. American Journal of Bioethics, 2020, Vol. 20, Iss. 7, pp. 89–92. DOI: 10.1080/15265161.2020.1779857.Barat, S., Parchure, R., Darak, S., Kulkarni, V., Paranjape, A., Gajrani, M. [et al]. An Agent-Based Digital Twin for Exploring Localized Non-Pharmaceutical Interventions to Control COVID‑19 Pandemic. Transactions of the Indian National Academy of Engineering, 2021, Vol. 6, Iss. 2, pp. 323–353. DOI: 10.1007/s41403-020-00197-5.Barat, S., Parchure, R., Darak, S., Kulkarni, V., Paranjape, A., Gajrani, M. [et al]. An Agent-Based Digital Twin for Exploring Localized Non-Pharmaceutical Interventions to Control COVID‑19 Pandemic. Transactions of the Indian National Academy of Engineering, 2021, Vol. 6, Iss. 2, pp. 323–353. DOI: 10.1007/s41403-020-00197-5.Tao, F., Zhang, H., Liu, A., Nee, A. Y. C. Digital Twin in Industry: State-of-the-Art. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2019, Vol. 15, Iss. 4, pp. 2405–2415. DOI: 10.1109/TII.2018.2873186.Tao, F., Zhang, H., Nee, A. Y. C., Liu, A. Digital Twin in Industry: State-of-the-Art. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2019, Vol. 15, Iss. 4, pp. 2405–2415. DOI: 10.1109/TII.2018.2873186.Huang, S., Wang, G., Yan, Y., Fang, X. Blockchainbased data management for digital twin of product. Journal of Manufacturing Systems, 2020, Vol. 54, pp. 361–371. DOI: 10.1016/j.jmsy.2020.01.009.Huang, S., Wang, G., Yan, Y., Fang, X.Blockchainbased data management for digital twin of product. Journal of Manufacturing Systems, 2020, Vol. 54, pp. 361–371. DOI: 10.1016/j.jmsy.2020.01.009.Shen, W., Hu, T., Zhang, C., Ma, S. Secure sharing of big digital twin data for smart manufacturing based on blockchain. Journal of Manufacturing Systems, 2020, Vol. 61, pp. 338–350. DOI: 10.1016/j.jmsy.2021.09.014.Shen, W., Hu, T., Zhang, C., Ma, S. Secure sharing of big digital twin data for smart manufacturing based on blockchain. Journal of Manufacturing Systems, 2020, Vol. 61, pp. 338–350. DOI: 10.1016/j.jmsy.2021.09.014.Bauer, P., Stevens, B., Hazeleger, W. A digital twin of Earth for the green transition. Nature Climate Change, 2021, Vol. 11, pp. 80–83. DOI: 10.1038/s41558-021-00986-y.Bauer, P., Stevens, B., Hazeleger, W. A digital twin of Earth for the green transition. Nature Climate Change, 2021, Vol. 11, pp. 80–83. DOI: 10.1038/s41558-021-00986-y.Wu, Y., Zhang, K., Zhang, Y. Digital Twin Networks: A Survey. IEEE Internet of Things Journal, 2021, Vol. 8, Iss. 18, pp. 13789–13804. DOI: 10.1109/JIOT.2021.3079510.Wu, Y., Zhang, K., Zhang, Y. Digital Twin Networks: ASurvey. IEEE Internet of Things Journal, 2021, Vol. 8, Iss. 18, pp. 13789–13804. DOI: 10.1109/JIOT.2021.3079510.Panetta, K. Gartner Top 10 strategic technology trends for 2019. October 15, 2018. [Электронный ресурс]: https://www.gartner.com/smarterwithgartner/gartnertop‑10‑strategic-technology-trends-for‑2019. Доступ 02.11.2023.Panetta, K. Gartner Top 10 strategic technology trends for 2019. October 15, 2018. [Electronic resource]: https://www.gartner.com/smarterwithgartner/ gartnertop‑10‑strategic-technology-trends-for‑2019. Last accessed: 02.11.2023.Qu, Q., Nurgaliev, I., Muzammal, M., Jensen, C. S., Fan, J. On spatio-temporal blockchain query processing. Future Generation Computer Systems, 2019, Vol. 98, pp. 208–218. DOI: 10.1016/j.future.2019.03.038.Qu, Q., Nurgaliev, I., Muzammal, M., Jensen, C. S., Fan, J. On spatio-temporal blockchain query processing. Future Generation Computer Systems, 2019, Vol. 98, pp. 208–218. DOI: 10.1016/j.future.2019.03.038.Lee, J.-H., Nam, Y.-S., Kim, Y., Liu, Y., Lee, J., Yang, H. Real-time digital twin for ship operation in waves. Ocean Engineering, 2022, Vol. 266, Part 2, 112867. DOI: 10.1016/j.oceaneng.2022.112867.Lee, J.-H., Nam, Y.-S., Kim, Y., Liu, Y., Lee, J., Yang, H. Real-time digital twin for ship operation in waves. Ocean Engineering, 2022, Vol. 266, Part 2. 112867. DOI: 10.1016/j.oceaneng.2022.112867.Hu, S., Liang, Q., Huang, H., Yang, C. Construction of a digital twin system for the blended-wing-body underwater glider. Ocean Engineering, 2023, Vol. 270, 113610. DOI: 10.1016/j.oceaneng.2022.113610.Hu, S., Liang, Q., Huang, H., Yang, C.Construction of a digital twin system for the blended-wing-body underwater glider. Ocean Engineering, 2023, Vol. 270, 113610. DOI: 10.1016/j.oceaneng.2022.113610.Сорокин А. Ю., Иванов Е. В., Безвесильная А. А., Климкин А. А. О подходе к повышению точности цифровых двойников рельефа местности на основе анализа цифровых пространственных геоданных // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. – 2022. – № 1 (52). – С. 50–61. [Электронный ресурс]: https://amchs.ru/upload/iblock/bba/ZHurnal‑2022–1.pdf [полный текст выпуска]. Доступ 23.11.2023.Sorokin, A.Yu., Ivanov, E. V., Bezvesilnaya, A. A., Klimkin, A. A. On an approach to increasing the accuracy of digital terrain twins based on the analysis of digital spatial geodata [O podkhode k povysheniyu tochnosti tsifrovykh dvoinikov relefa mestnosti na osnove analiza tsifrovykh prostranstvennykh geodannykh]. Scientific and educational problems of civil protection, 2022, Iss. 1 (52), pp. 50–61. [Electronic resource]: https://amchs.ru/upload/iblock/bba/ZHurnal‑2022–1.pdf [full issue]. Last accessed 23.11.2023.Пинский А. С. Е-навигация и безэкипажное судовождение // Транспорт Российской Федерации. – 2016. – № 4 (65). – С 50–54. EDN: WMAHYT.Pinsky, A. S. E-navigation and unmanned navigation [E-navigatsiya i bezekipazhnoe sudovozhdenie]. Transport of the Russian Federation, 2016, Iss. 4 (65), pp. 50–54. EDN: WMAHYT.Зотов Р. В. Аэрогеодезия: Учеб. пособие: в 2 книгах. Книга 1 – Омск: СибАДИ, 2012. – 216 с.Zotov, R. V.Aerogeodesy: Study guide: in 2 books. Book 1 [Aerogeodeziya: Ucheb. posobie: v 2 knigakh. Kniga 1]. Omsk, SibADI publ., 2012, 216 p.Большая советская энциклопедия: [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. – 3‑е изд. – М.: Советская энциклопедия, 1969–1978.Great Soviet Encyclopedia [in 30 volumes]. Ch. ed. A.M. Prokhorov. 3rd ed. Moscow, Soviet Encyclopedia, 1969–1978.Павловский А. А., Карелов А. И., Щеглов М. А., Нуйкин А. В. Применение беспилотных авиационных систем при проведении топографо-геодезических изысканий на железнодорожном транспорте // Автоматика, связь, информатика. – 2021. – № 3. – С. 21–24. DOI: 10.34649/AT.2021.3.3.003.Pavlovskiy, A. A., Karelov, A. I., Scheglov, M. A., Nuykin, A. V.Application of unmanned aircraft systems as part of topographic and geodetic survey in railway transportation. Automation, communication and informatics, 2021, Iss. 3, pp. 21–24. DOI: 10.34649/AT.2021.3.3.003.Мустафин М. Г., Вальков В. А., Павлов Н. С., Виноградов К. П., Боголюбова А. А. Мониторинг водных объектов дистанционными методами // Вестник Сибирского государственного университета геосистем и технологий (СГУГиТ). – 2023. – Т. 28. – № 2. – С. 67–75. DOI: 10.33764/2411-1759-2023-28-2-67-75.Mustafin, M. G., Valkov, V. A., Pavlov, N. S., Vinogradov, K. P., Bogolyubova, A. A. Monitoring of water bodies by remote methods [Monitoring vodnykh obektov distantsionnymi metodami]. Bulletin of Siberian State University of Geosystems and Technologies (SGUGiT)), 2023, Vol. 28, Iss. 2, pp. 67–75. DOI: 10.33764/2411-1759-2023-28-2-67-75.Ткаченко К. С. Использование аэрокосмической съемки в гидробиологических исследованиях // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2012. – Т. 14. – № 1. – С. 15–31. EDN: PDBWOJ.Tkachenko, K. S. Use of aerospace photography in hydrobiological research [Ispolzovanie aerokosmicheskoi semki v gidrobiologicheskikh issledovaniyakh]. News of Samara Scientific Centre of the Russian Academy of Sciences, 2012, Vol. 14, Iss. 1, pp. 15–31. EDN: PDBWOJ.Фирсов Ю. Г. Основные требования к обеспечению качества современной батиметрической (топографической) съемки // Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала С. О. Макарова. – 2014. – № 3 (25). – С. 171–179. EDN: SFNIAF.Firsov, Yu. G. Basic requirements for ensuring the quality of modern bathymetric (topographic) survey [Osnovnie trebovaniya k obespecheniyu kachestva sovremennoi batimetricheskoi (topograficheskoi) s’emki]. Vestnik gosudarstvennogo universiteta morskogo irechnogo flota im. admirala S. O. Makarova, 2014, Iss. 3 (25), pp. 171–179. EDN: SFNIAF.Попко А. О. Учет неопределенности съемки дна многолучевым эхолотом при формировании гидроакустических образов рельефа для целей навигационного ориентирования // Национальная Ассоциация Ученых. – 2015. – № 5–2 (10). – С. 76–80. EDN: YFTQHD.Popko, A. O.Taking into account the uncertainty of bottom surveying with a multibeam echo sounder when forming hydroacoustic images of the relief for navigational orientation purposes [Uchet neopredelennosti s’emki dna mnogoluchevym ekholotom pri formirovanii gidroakusticheskikh obrazov rel’efa dlya tselei navigatsionnogo orientirovaniya]. National Association of Scientists, 2015, Iss. 5–2 (10), pp. 76–80. EDN: YFTQHD.Колосков Е. Н., Корнипаев Б. А. Способы сбора данных обратного рассеивания морского дна, реализованные в современных многолучевых эхолотах // Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала С. О. Макарова. – 2016. – № 6 (40). – С. 96–105. EDN: XHLRKV.Koloskov, E. N., Kornipaev, B.A.Methods for collecting seafloor backscatter data implemented in modern multibeam echo sounders [Sposoby sbora dannykh obratnogo rasseivaniya morskogo dna realizovannie v sovremennykh mnogoluchevykh ekholotakh]. Vestnik gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota im. admirala S. O.Makarova, 2016, Iss. 6 (40), pp. 96–105. EDN: XHLRKV.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.