公交基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字孿生管理應(yīng)用深度剖析

陳曉霞

摘 要：城市公共交通基礎(chǔ)設(shè)施是支撐城市交通出行的主動(dòng)脈，是城市發(fā)展水平的重要體現(xiàn)，新基建與傳統(tǒng)基建融合發(fā)展最重要的落地領(lǐng)域就是城市交通，而數(shù)字孿生技術(shù)能夠驅(qū)動(dòng)城市智慧交通快速發(fā)展。本文重點(diǎn)介紹了公交基礎(chǔ)設(shè)施管理現(xiàn)狀及趨勢(shì)，數(shù)字孿生公交基礎(chǔ)設(shè)施管理總體路徑，公交設(shè)施數(shù)據(jù)對(duì)象模型設(shè)計(jì)與功能設(shè)計(jì)，最后以原型與案例的形式論述了數(shù)字孿生公交基礎(chǔ)設(shè)施管理實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：公共交通基礎(chǔ)設(shè)施;數(shù)字孿生;智能管理與運(yùn)維

1 研究背景

城市公共交通基礎(chǔ)設(shè)施是支撐城市交通出行的主動(dòng)脈，是一座城市發(fā)展水平的重要體現(xiàn)，它包含公交線路、車輛、站點(diǎn)、停車場(chǎng)、保養(yǎng)場(chǎng)、樞紐站和信息系統(tǒng)。新基建與傳統(tǒng)基建的融合發(fā)展最重要的落地領(lǐng)域就是城市交通，而數(shù)字孿生技術(shù)能夠驅(qū)動(dòng)城市智慧交通快速發(fā)展。數(shù)字孿生充分利用物理模型、傳感器、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度的實(shí)體映射，反映相對(duì)應(yīng)實(shí)體設(shè)計(jì)、開發(fā)、制造、服務(wù)、維護(hù)全生命周期過程。通過數(shù)字孿生技術(shù)能夠?qū)⒐换A(chǔ)設(shè)施數(shù)字場(chǎng)景與物理場(chǎng)景進(jìn)行融合，建立全面的本體與孿生體實(shí)時(shí)聯(lián)系，還原交通設(shè)施“數(shù)字鏡像世界”，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和時(shí)序跟蹤。

2 公交基礎(chǔ)設(shè)施管理現(xiàn)狀及趨勢(shì)

當(dāng)前公交基礎(chǔ)設(shè)施作為交通基礎(chǔ)設(shè)施的一部分，為人們的日常出行提供舒適、便捷、可靠、安全乘車服務(wù)。隨著新型基礎(chǔ)設(shè)施在國(guó)內(nèi)推進(jìn)，傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施融入更多信息手段和智能手段，保證基礎(chǔ)設(shè)施管理的同時(shí)，為乘客出行提供更可靠的服務(wù)。以浦東新區(qū)為例，在跨區(qū)域交通聯(lián)合發(fā)展過程中，由于存在區(qū)域公交互通、區(qū)域一體化運(yùn)營(yíng)、政府資金投入等原因，智能公交站點(diǎn)基礎(chǔ)設(shè)施在規(guī)劃建設(shè)過程中常常分批建設(shè)，即使在一個(gè)站點(diǎn)，存在僅部分線路接入預(yù)報(bào)服務(wù)，致使公交站點(diǎn)改造已建與未建信息掌握不全。另一方面，城鎮(zhèn)化發(fā)展和軌交配套服務(wù)，公交線路每年存在10%左右線路調(diào)整，在站點(diǎn)端常常存在印刷錯(cuò)誤、預(yù)報(bào)錯(cuò)誤、信息準(zhǔn)確性偏差、運(yùn)維力度大、成本高等問題。

現(xiàn)行運(yùn)維方式主要依靠人力巡檢及平臺(tái)端對(duì)信息化數(shù)據(jù)設(shè)備的狀態(tài)采集，由于公交站點(diǎn)預(yù)報(bào)設(shè)備信息準(zhǔn)確性包括靜態(tài)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、智能化設(shè)備配置、設(shè)備故障、供電狀況、信息傳輸、預(yù)報(bào)算法等多方面，對(duì)設(shè)施信息化建設(shè)涉及分期規(guī)劃、分期建設(shè)、及時(shí)運(yùn)維等階段，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)全站點(diǎn)所有位置進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)并實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)序跟蹤，很難給站點(diǎn)的及時(shí)可靠運(yùn)行提供有效的安全保障。為了加大實(shí)現(xiàn)公交站點(diǎn)基礎(chǔ)設(shè)備全方位數(shù)據(jù)狀態(tài)、全生命周期數(shù)字化管理，降低運(yùn)維成本，數(shù)字孿生公交基礎(chǔ)設(shè)施管理應(yīng)運(yùn)而生。

3 數(shù)字孿生公交基礎(chǔ)設(shè)施管理總體路徑

數(shù)字孿生公交基礎(chǔ)設(shè)施管理融合需要同時(shí)取得多項(xiàng)數(shù)據(jù)資源（如圖1所示），為了保證數(shù)據(jù)一致性問題，以公交線路調(diào)度系統(tǒng)為基礎(chǔ)，獲取車輛進(jìn)出站狀態(tài)、車輛實(shí)時(shí)位置等信息;浦東公交信息發(fā)布系統(tǒng)通過時(shí)間預(yù)報(bào)算法等解算出公交到站位置、預(yù)計(jì)到站時(shí)間發(fā)送至電子站牌后臺(tái)管理系統(tǒng);電子站牌后臺(tái)管理系統(tǒng)對(duì)車輛進(jìn)出站和實(shí)時(shí)位置系統(tǒng)進(jìn)行解算，并存入線路上行或者下行隊(duì)列中，系統(tǒng)同時(shí)提取線路設(shè)備信息，生成帶有設(shè)備編號(hào)的數(shù)據(jù)協(xié)議發(fā)送至線路上行或下行外場(chǎng)公交基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備;外區(qū)域公交到站時(shí)間和站級(jí)預(yù)報(bào)通過上海公交APP轉(zhuǎn)發(fā)至電子站牌后臺(tái)管理系統(tǒng)，電子站牌后臺(tái)管理系統(tǒng)按上述方式進(jìn)行解算。外場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)的電子站牌終端控制系統(tǒng)解算后，分別將信息發(fā)送給時(shí)間顯示控制單元和站級(jí)顯示控制單元，由硬件驅(qū)動(dòng)控制程序完成終端數(shù)據(jù)顯示。至此，外場(chǎng)公交基礎(chǔ)設(shè)施動(dòng)態(tài)信息預(yù)報(bào)工作完成。

為了保障公交基礎(chǔ)設(shè)施的準(zhǔn)確性、可靠性需要建立數(shù)字孿生公交基礎(chǔ)設(shè)施管理運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)進(jìn)行海量基礎(chǔ)設(shè)施線上運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和監(jiān)管，構(gòu)建一個(gè)實(shí)時(shí)在線、廣域覆蓋、24小時(shí)監(jiān)測(cè)和運(yùn)營(yíng)的公交基礎(chǔ)設(shè)施大腦，將片區(qū)公交基礎(chǔ)設(shè)施智能化改造工程項(xiàng)目所涉及的站點(diǎn)信息分類管理和集中運(yùn)維。

4 公交設(shè)施數(shù)據(jù)對(duì)象模型設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)模型對(duì)公交設(shè)施主要業(yè)務(wù)對(duì)象進(jìn)行清晰的描述，并定義統(tǒng)一的數(shù)據(jù)視圖，形成元素的統(tǒng)一名稱和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約，模型清晰展現(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)象之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，進(jìn)而規(guī)范數(shù)據(jù)之間的交互流轉(zhuǎn)。包括站點(diǎn)對(duì)象Station、公交基礎(chǔ)設(shè)施智能設(shè)備對(duì)象Device、線路對(duì)象Line。

Station（pdb編號(hào)、站點(diǎn)名稱、Device{}）

Device{Device_1（設(shè)備編號(hào)、所屬站點(diǎn)類型、項(xiàng)目歸屬、設(shè)備版本、最近心跳時(shí)間，背光亮度、背光時(shí)間、溫度、電壓、電池類型，Line{}），…， Device_n（設(shè)備編號(hào)、所屬站點(diǎn)類型、項(xiàng)目歸屬、設(shè)備版本、最近心跳時(shí)間，背光亮度、背光時(shí)間、溫度、電壓、電池類型，Line{}）}

Line{line_1（端口號(hào)，線路名，開往方向，站序，運(yùn)營(yíng)時(shí)間，標(biāo)準(zhǔn)間距，運(yùn)營(yíng)公司，第1輛車站距，第1輛車牌號(hào)，第1輛預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間，第2輛車站距，第2輛車牌號(hào)，第2輛預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間，第3輛車站距，第3輛車牌號(hào)，第3輛預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間），…，line_n（端口號(hào)，線路名，開往方向，站序，運(yùn)營(yíng)時(shí)間，標(biāo)準(zhǔn)間距，運(yùn)營(yíng)公司，第1輛車站距，第1輛車牌號(hào)，第1輛預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間，第2輛車站距，第2輛車牌號(hào)，第2輛預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間，第3輛車站距，第3輛車牌號(hào)，第3輛預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間）}

統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)規(guī)范，在遵循一體化城市級(jí)公交設(shè)備信息模型的基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)、不同結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一訪問途徑，設(shè)計(jì)形成的統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口服務(wù)規(guī)范，以滿足各類系統(tǒng)數(shù)據(jù)的共享交換及分析應(yīng)用。

規(guī)范各類數(shù)據(jù)決策分析應(yīng)用，形成用于規(guī)范數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)建設(shè)的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)模型，并完成支撐運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)、專業(yè)輔助決策等各類數(shù)據(jù)分析應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)各類分析應(yīng)用的統(tǒng)一設(shè)計(jì)、統(tǒng)一建設(shè)。

5 公交基礎(chǔ)設(shè)施管理功能設(shè)計(jì)

（1）數(shù)據(jù)治理。以對(duì)象化為基礎(chǔ)進(jìn)行管理，充分挖掘系統(tǒng)數(shù)據(jù)，對(duì)接入數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、融合、形成帶有業(yè)務(wù)信息的結(jié)構(gòu)化時(shí)序數(shù)據(jù)。構(gòu)建“原始數(shù)據(jù)-站點(diǎn)畫像-分析挖掘-策略制定-資源優(yōu)化”的公交基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)資產(chǎn)和運(yùn)行應(yīng)用體系，推動(dòng)建設(shè)過程場(chǎng)景化、設(shè)備狀態(tài)全景化、數(shù)據(jù)分析智能化、運(yùn)檢管理精細(xì)化，為后續(xù)開展業(yè)務(wù)應(yīng)用、數(shù)據(jù)融合以及信息展示提供全新方式。

（2）多模式監(jiān)管。根據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期建設(shè)將監(jiān)管分為改造模式、踩點(diǎn)模式、維護(hù)模式、收藏模式等，推動(dòng)建設(shè)過程的場(chǎng)景化。其意義在于：1）待改造模式能夠地圖集中展示區(qū)域范圍未完全改造站點(diǎn)及未改造站點(diǎn)，方便制定階段改造任務(wù)和計(jì)劃;2）踩點(diǎn)模式根據(jù)踩點(diǎn)計(jì)劃，快速制定多人協(xié)同踩點(diǎn)作業(yè)模式，地圖展示已踩點(diǎn)位及未踩點(diǎn)位，便于分工實(shí)施踩點(diǎn)任務(wù)和踩點(diǎn)計(jì)劃;3）巡檢模式制定巡檢周期、巡檢任務(wù)批次清單，監(jiān)督任務(wù)完成情況;4）維護(hù)模式能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)，并用不同標(biāo)志標(biāo)識(shí)，加速定位設(shè)備故障診斷能力，提高維修作業(yè)效率;5）收藏模式使實(shí)際運(yùn)維人員能夠根據(jù)點(diǎn)位重要性，加入收藏模式，重點(diǎn)關(guān)注;

（3）精細(xì)化運(yùn)維。通過對(duì)公交數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理和規(guī)范編制，從站點(diǎn)概況、設(shè)備詳情、自定義故障類型、維修日志、照片實(shí)時(shí)記錄，追溯公交站點(diǎn)設(shè)施狀態(tài)，進(jìn)而進(jìn)行工單派發(fā)。對(duì)運(yùn)維作業(yè)進(jìn)行任務(wù)制定和運(yùn)維人員巡檢路徑規(guī)劃、巡檢過程全方位記錄、設(shè)備巡檢時(shí)序數(shù)據(jù)分析，精細(xì)化管理公交基礎(chǔ)設(shè)施，保障可靠地為居民出行提供服務(wù)。

6 原型與案例

本文展示了一個(gè)公交基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字孿生系統(tǒng)原型。如圖2所示實(shí)現(xiàn)了可重構(gòu)近物理仿真，構(gòu)建了復(fù)雜的基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)象模式。圖3多模式監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)公交基礎(chǔ)設(shè)施從規(guī)劃設(shè)計(jì)、智能改造、運(yùn)行維護(hù)全過程管理。圖4演示現(xiàn)場(chǎng)故障運(yùn)維場(chǎng)景。

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