基于數(shù)字孿生的環(huán)行鐵道智能鐵路試驗(yàn)探索＊

林峰 王萬(wàn)齊 王學(xué)義 閆曉春 張鄖

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司電子計(jì)算技術(shù)研究所

環(huán)行鐵道作為我國(guó)軌道交通科技創(chuàng)新的重要組成部分，有必要為鐵路數(shù)字化賦能轉(zhuǎn)型探索道路，推動(dòng)智能鐵路高質(zhì)量發(fā)展。本文從兩個(gè)維度對(duì)智能鐵路技術(shù)裝備探索進(jìn)行了分析總結(jié)：（1）環(huán)行鐵道的數(shù)字孿生信息化建設(shè)實(shí)踐，對(duì)數(shù)字環(huán)鐵的概念內(nèi)涵、總體構(gòu)架和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述；（2）對(duì)在環(huán)行鐵道開(kāi)展BIM 技術(shù)、綜合維修、周界入侵、鐵路災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等技術(shù)裝備的試驗(yàn)驗(yàn)證，為智能鐵路技術(shù)裝備研發(fā)與應(yīng)用提供了參考。

近年來(lái)，云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)興起，全球引發(fā)新一輪科技革命，產(chǎn)業(yè)變革進(jìn)一步加速。國(guó)外等多個(gè)國(guó)家鐵路相繼提出了數(shù)字化與智能化發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃。智能鐵路是我國(guó)落實(shí)國(guó)家大數(shù)據(jù)、人工智能戰(zhàn)略與鐵路運(yùn)輸深度融合發(fā)展的要求，是提升鐵路運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量、保障運(yùn)輸安全、增強(qiáng)經(jīng)營(yíng)管理效率的重要手段，是引領(lǐng)高鐵發(fā)展的戰(zhàn)略方向。

在國(guó)鐵集團(tuán)的支持下，于2000年成立了國(guó)家鐵路智能運(yùn)輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，開(kāi)啟了智能鐵路相關(guān)研究。歷經(jīng)20 余年，取得了豐富的科研成果，并依托智能京張、智能京雄、智能蒙華等重大工程建設(shè)，相關(guān)研究成果將得以驗(yàn)證、應(yīng)用、推廣，基本形成包括核心關(guān)鍵技術(shù)、移動(dòng)裝備、數(shù)據(jù)匯集及應(yīng)用、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等系列技術(shù)體系框架和成套解決方案。但是，智能鐵路的不斷突破發(fā)展，仍需要進(jìn)一步深化數(shù)字技術(shù)、數(shù)據(jù)資源與鐵路行業(yè)的交匯融合。

環(huán)行鐵道試驗(yàn)基地是中國(guó)最大、世界領(lǐng)先的綜合性試驗(yàn)基地，具備各種半徑曲線、橋隧等60 種工況，擁有多個(gè)國(guó)家級(jí)科技創(chuàng)新平臺(tái)，各種檢測(cè)設(shè)施設(shè)備齊全，可在可控條件下模擬與正常運(yùn)營(yíng)線路相類似的條件，具備數(shù)字化探索的基礎(chǔ)條件以及推廣應(yīng)用的先天優(yōu)勢(shì)。因此，在新的形勢(shì)下，利用環(huán)行鐵道試驗(yàn)基地為鐵路基于數(shù)字底座的數(shù)字化賦能轉(zhuǎn)型探索道路，是必要且可行的。

1 試驗(yàn)基地?cái)?shù)字孿生探索

試驗(yàn)基地?cái)?shù)字化建設(shè)簡(jiǎn)稱“數(shù)字環(huán)鐵”?！皵?shù)字環(huán)鐵”遵循智能鐵路的總體架構(gòu)布局，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)基地?cái)?shù)據(jù)的全域標(biāo)識(shí)、試驗(yàn)狀態(tài)與環(huán)境狀態(tài)的精準(zhǔn)感知和泛在互聯(lián)、試驗(yàn)業(yè)務(wù)的有序分析和模型可視表達(dá)，建設(shè)數(shù)字環(huán)鐵一體化平臺(tái)，開(kāi)展智能鐵路技術(shù)裝備的試驗(yàn)驗(yàn)證（如圖1所示）。其中，物理空間和信息空間的整合交互是實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)基地?cái)?shù)字化、智能化賦能的關(guān)鍵，而數(shù)字孿生是實(shí)現(xiàn)物理空間和信息空間雙向?qū)崟r(shí)映射和交互的一種有效方法。

圖1 數(shù)字環(huán)鐵內(nèi)涵Fig.1 The connotation of the digital test base

1.1 物理空間

“數(shù)字環(huán)鐵”的物理空間（如圖2所示）是由基礎(chǔ)設(shè)施、檢測(cè)監(jiān)測(cè)設(shè)施、傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)平臺(tái)等構(gòu)成。

圖2 環(huán)行鐵道物理空間Fig.2 The physical space of the test base

（1）基礎(chǔ)設(shè)施主要是指全長(zhǎng)61.1km 的試驗(yàn)線路，由環(huán)行試驗(yàn)線、城軌試驗(yàn)線、標(biāo)定線和站場(chǎng)線組成，包括軌道、路基、橋涵、隧道、接觸網(wǎng)、變電所、信號(hào)等基礎(chǔ)設(shè)施本體及其附屬物。

（2）檢測(cè)監(jiān)測(cè)設(shè)施涵蓋移動(dòng)檢測(cè)、地面固定監(jiān)測(cè)、空天遙測(cè)和人工檢查四大類，其中移動(dòng)檢測(cè)有綜合檢測(cè)列車和專業(yè)檢測(cè)列車，地面固定監(jiān)測(cè)有軌道部件檢測(cè)、路基/橋梁/隧道狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)、5T 綜合檢測(cè)系統(tǒng)、風(fēng)雨雪異物侵限、周界入侵、視頻監(jiān)測(cè)等，空天遙測(cè)有北斗監(jiān)測(cè)和無(wú)人機(jī)等。

（3）傳輸網(wǎng)絡(luò)是聯(lián)結(jié)各信息系統(tǒng)、試驗(yàn)線和實(shí)驗(yàn)室的紐帶，是數(shù)字環(huán)鐵建設(shè)的前提，其功能是信息的獲取和傳遞。環(huán)行鐵路傳輸網(wǎng)絡(luò)是由近場(chǎng)通信、短距離通信、遠(yuǎn)距離通信構(gòu)成的立體傳輸體系，有5G 專網(wǎng)、GSM-R 數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)、STM 有線傳輸系統(tǒng)、LTE-M 系統(tǒng)、WLAN、ZigBee、RFID、NFC 等形式。

（4）數(shù)據(jù)平臺(tái)主要是指計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和計(jì)算資源，用來(lái)歸集、存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)，包括基礎(chǔ)設(shè)施臺(tái)賬、各類檢測(cè)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和外部相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)與智能分析等手段，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為知識(shí)，輸出故障診斷、故障預(yù)測(cè)、健康評(píng)估、演變規(guī)律等分析結(jié)果，為科學(xué)決策提供支撐。

基于基礎(chǔ)設(shè)施的業(yè)務(wù)流程，是信息化的重要組成部分。環(huán)鐵試驗(yàn)涉及科學(xué)研究、設(shè)計(jì)研發(fā)、檢驗(yàn)認(rèn)證、應(yīng)用驗(yàn)證四大類，包括移動(dòng)裝備試驗(yàn)、基礎(chǔ)設(shè)施試驗(yàn)、運(yùn)輸技術(shù)試驗(yàn)等方面。

1.2 邏輯架構(gòu)

數(shù)字環(huán)鐵依據(jù)智能鐵路總體結(jié)構(gòu)布局，其總體結(jié)構(gòu)自下向上分為感知層、傳輸層、平臺(tái)層、應(yīng)用層（如圖3所示）。

圖3 數(shù)字環(huán)鐵邏輯架構(gòu)Fig.3 The logic architecture of the digital test base

（1）感知層主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)裝備、固定基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)、環(huán)境、業(yè)務(wù)執(zhí)行狀態(tài)的感知，主要通過(guò)各類智能傳感器、視頻識(shí)別、遙感技術(shù)等實(shí)現(xiàn)，獲取各種結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（如監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)、報(bào)警信息等）、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（如日志文件、報(bào)告等）、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（如視頻、音頻數(shù)據(jù)等）、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

（2）傳輸層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，包括數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備及信息通道，主要基于有線光纖方式、公網(wǎng)無(wú)線傳輸、GSM-R、5G-R、北斗短報(bào)文、WiFi 等方式，各類系統(tǒng)之間采用MQ/REST/Socket/RTMP/RTSP/FTP/SFTP 數(shù)據(jù)通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集傳輸，最終實(shí)現(xiàn)泛在高速、多網(wǎng)協(xié)同的立體無(wú)縫覆蓋。

（3）平臺(tái)層主要?dú)w集、存儲(chǔ)、管理各類數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)字環(huán)鐵全域數(shù)據(jù)，提供跨專業(yè)智能分析與服務(wù)共享。其中：1）結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)采用Sqoop 工具完成數(shù)據(jù)的收集，服務(wù)器與子系統(tǒng)之間用接口服務(wù)器作為中轉(zhuǎn)，采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)；半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)采用Flume 工具進(jìn)行收集，存儲(chǔ)到HDFS 分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)中。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)接口服務(wù)器傳送至數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，然后通過(guò)算法模型進(jìn)行分布式計(jì)算。2）ETL 主要負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的處理，其次完成半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的處理；HadoopETL主要負(fù)責(zé)半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的處理，同時(shí)也能完成部分實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的處理；流式計(jì)算ETL 則只負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的處理。3）采用HDFS 分布式文件系作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)平臺(tái)的基礎(chǔ)，在HDFS 架構(gòu)上采用分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，例如HBase、Hive，為面向SPL 或類SQL 提供數(shù)據(jù)接口。

（4）應(yīng)用層主要為項(xiàng)目管理、運(yùn)維管理、調(diào)度指揮、分析決策、安全監(jiān)控、科研創(chuàng)新等方面提供支持，包括安全預(yù)警、趨勢(shì)分析、狀態(tài)評(píng)價(jià)、維修決策等。

2 智能鐵路試驗(yàn)應(yīng)用

2.1 BIM 技術(shù)應(yīng)用

標(biāo)定線設(shè)有隧道設(shè)備一座，全長(zhǎng)205m。隧道內(nèi)部共設(shè)有4 個(gè)試驗(yàn)及標(biāo)定功能區(qū)，包括2 個(gè)試驗(yàn)段、1 個(gè)隧道檢測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定段以及1 個(gè)隧道病害模擬槽，用于開(kāi)展裝配式隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工工藝以及材料性能試驗(yàn)研究并利用不同工況的隧道對(duì)地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)（如圖4所示）。利用設(shè)計(jì)圖紙、影像數(shù)據(jù)、DEM 數(shù)據(jù)、DOM 數(shù)據(jù)構(gòu)建三維實(shí)體模型，借助Unity3D 引擎進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、位置轉(zhuǎn)換、屬性設(shè)置等，集成環(huán)行鐵道試驗(yàn)數(shù)據(jù)，創(chuàng)建環(huán)行鐵道數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的高效集成和融合[1]。

圖4 標(biāo)定線隧道BIM 三維模型Fig.4 3D BIM model of calibration line tunnel

BIM 技術(shù)在智能鐵路建設(shè)過(guò)程中，涵蓋工程設(shè)計(jì)及仿真、工廠化加工、精密測(cè)控、自動(dòng)化安裝、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和信息管理等方面[2]。精細(xì)化的BIM 設(shè)計(jì)成果對(duì)保證工期、減少返工方面價(jià)值突出，但BIM 技術(shù)最大收益在運(yùn)維階段，設(shè)計(jì)和建設(shè)階段產(chǎn)生的信息將貫穿全生命周期，在漫長(zhǎng)的運(yùn)維階段其價(jià)值將不斷增強(qiáng)。

2.2 綜合維修管理

工電供一體管理（如圖5所示）以環(huán)行鐵道數(shù)字資產(chǎn)管理為基礎(chǔ)，以自動(dòng)診斷、綜合診斷、預(yù)測(cè)分析、決策支持、閉環(huán)管理為目標(biāo)。通過(guò)檢測(cè)、巡檢、監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)，提取故障特征，開(kāi)展故障成因分析，構(gòu)建故障庫(kù)；通過(guò)對(duì)交互作用的故障進(jìn)行綜合診斷，便于進(jìn)行跨專業(yè)綜合診斷；預(yù)測(cè)未來(lái)設(shè)備狀態(tài)的發(fā)展；優(yōu)化維修養(yǎng)護(hù)計(jì)劃；通過(guò)仿真模擬技術(shù)對(duì)鐵路運(yùn)維過(guò)程中的施工組織、資源調(diào)配、運(yùn)維管理等關(guān)鍵流程進(jìn)行優(yōu)化；實(shí)現(xiàn)從檢測(cè)檢查、數(shù)據(jù)分析、生產(chǎn)調(diào)度、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)到質(zhì)量評(píng)價(jià)的生產(chǎn)信息化閉環(huán)管理[3]。

圖5 數(shù)字環(huán)鐵一體化運(yùn)維Fig.5 Integrated maintenance management system

基礎(chǔ)設(shè)施一體化管理體系建設(shè)，為各檢測(cè)系統(tǒng)互聯(lián)互通，加強(qiáng)檢測(cè)監(jiān)測(cè)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)的關(guān)聯(lián)分析、深度分析，動(dòng)態(tài)掌握設(shè)備狀態(tài)、提高安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警能力，提高設(shè)備養(yǎng)護(hù)維修精準(zhǔn)度節(jié)約維修成本的重要嘗試。

2.3 周界入侵試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)威脅鐵路運(yùn)行安全的破壞行為，設(shè)置振動(dòng)光纖、電子圍欄、光波對(duì)射、視頻監(jiān)控模式識(shí)別、微波探測(cè)、復(fù)合傳感探等試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)。試驗(yàn)如圖6所示，選取業(yè)務(wù)主流設(shè)備供應(yīng)商10 家，對(duì)環(huán)境適用性、系統(tǒng)準(zhǔn)確可靠性能進(jìn)行專項(xiàng)性能驗(yàn)證和橫向比對(duì)。

圖6 周界入侵試驗(yàn)布置圖Fig.6 Perimeter intrusion test layout

試驗(yàn)驗(yàn)證了一種全天候綜合識(shí)別技術(shù)較Faster RCNN提高了4%；改進(jìn)的Cascade Mask R-CNN 模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)于小目標(biāo)檢測(cè)F-measure 提高了0.24，解決了不同場(chǎng)景下鐵路周界入侵檢測(cè)問(wèn)題，提高了視頻小目標(biāo)檢測(cè)的準(zhǔn)確率[4]。

2.4 鐵路災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)驗(yàn)證

風(fēng)雨雪綜合試驗(yàn)區(qū)（如圖7所示），對(duì)高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的災(zāi)害規(guī)律分析、災(zāi)害預(yù)測(cè)、運(yùn)用規(guī)則優(yōu)化、監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)優(yōu)化、設(shè)備選型、設(shè)備狀態(tài)分析等進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。

圖7 風(fēng)雨雪和異物監(jiān)測(cè)比對(duì)區(qū)Fig.7 Wind,rain,snow and foreign body monitoring and comparison area

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化大風(fēng)報(bào)警閥值，可有效降低報(bào)警次數(shù)；電源故障是系統(tǒng)設(shè)備的主要故障，需要進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)和維護(hù)。研究成果可解決目前災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用和維護(hù)中遇到的問(wèn)題，為災(zāi)害監(jiān)測(cè)綜合分析與應(yīng)用研究提供技術(shù)支持[5]。

3 結(jié)論

信息化真正發(fā)揮作用的在于和業(yè)務(wù)場(chǎng)景相結(jié)合，充分利用鐵路的資源優(yōu)勢(shì)，發(fā)掘和釋放數(shù)據(jù)資源的潛在價(jià)值，將有益于全面提升鐵路信息智能化的經(jīng)營(yíng)開(kāi)發(fā)水平。本文首先對(duì)環(huán)行鐵道數(shù)字環(huán)鐵平臺(tái)項(xiàng)目進(jìn)行了介紹，對(duì)數(shù)字環(huán)鐵概念內(nèi)涵、總體構(gòu)架和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述；基于數(shù)字環(huán)鐵的智能鐵路技術(shù)裝備試驗(yàn)。通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新建設(shè)高質(zhì)量的試驗(yàn)環(huán)境，提供高效便捷的協(xié)同能力，為智能鐵路技術(shù)裝備研發(fā)與應(yīng)用提供參考。