基于數(shù)字孿生的鐵路貨運站場資源可視化系統(tǒng)

吳志偉,高 達

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術(shù)研究所, 北京 100081）

鐵路貨運站場是辦理貨運業(yè)務(wù)的主要場所[1-2],具有資源占用規(guī)模大、配置設(shè)備多、調(diào)度作業(yè)頻繁復雜等特點。當前,我國鐵路貨運站場資源按照分散式管理模式,作業(yè)狀態(tài)分散盯控、內(nèi)部物流業(yè)務(wù)分散組織、站場資源分散運用,站場內(nèi)部調(diào)度指揮主要依賴于人工經(jīng)驗,作業(yè)效率有待提高[3]。此外,貨運站場內(nèi)部的貨區(qū)貨位和箱區(qū)箱位還處于粗放式管理階段,站場系統(tǒng)無法快速準確地對所需要的貨物進行定位,極大地影響了站場的作業(yè)效率和精細化管理水平。

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展,不少學者對鐵路站場的管理方法展開了研究。李成宏等人[4]依靠車輛定位追蹤技術(shù),研發(fā)了可視化的鐵路生產(chǎn)調(diào)度信息管理系統(tǒng),提高了鐵路站場的作業(yè)效率；邱慧等人[5]針對鐵路站場設(shè)備種類多、數(shù)量大、能耗數(shù)據(jù)聯(lián)動控制難的問題,提出了鐵路站場能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)。這些研究在一定程度上提高了站場的管理水平,然而在站場各個系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)性、信息感知及數(shù)據(jù)共享方面還存在不足,專業(yè)應用分析決策和整體安全防護問題日益突出。

數(shù)字孿生技術(shù)充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù),集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程,在虛擬空間中完成映射,可反映對應實體裝備的全生命周期過程[6],已被廣泛應用于航空航天、固定資產(chǎn)監(jiān)控、智能安全制造及設(shè)計等諸多領(lǐng)域[7-9]。將數(shù)字孿生技術(shù)應用到站場管理中,發(fā)揮數(shù)字孿生技術(shù)的橋梁紐帶作用,能夠為鐵路站場的智能化管理提供更加實時、高效的服務(wù)[10-11]。本文根據(jù)鐵路貨運站場的實際需求,從數(shù)字孿生模型構(gòu)建出發(fā),設(shè)計了鐵路貨運站場資源可視化系統(tǒng),提升了鐵路貨運站場的作業(yè)效率和精細化管理水平。

1 鐵路站場資源數(shù)字孿生構(gòu)建

1.1 數(shù)字孿生應用原理

基于數(shù)字孿生的鐵路貨運站場資源可視化系統(tǒng)（簡稱：鐵路貨運站場資源可視化系統(tǒng)）以站場資源智能決策平臺、鐵路貨運站場、可視化仿真平臺為支撐,以孿生數(shù)據(jù)為驅(qū)動,將仿真數(shù)據(jù)與現(xiàn)實數(shù)據(jù)融合,通過各個主體之間的實時交互和映射,加強鐵路貨運站場內(nèi)部各個系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的共享聯(lián)動,實現(xiàn)鐵路貨運站場資源的高效率、精細化管理。數(shù)字孿生技術(shù)在系統(tǒng)中的應用原理,如圖1 所示。

圖1 數(shù)字孿生應用原理

1.2 數(shù)字孿生架構(gòu)

鐵路貨運站場資源可視化模型的數(shù)字孿生架構(gòu),如圖2 所示,其核心在于實現(xiàn)鐵路貨運站場（研究主體）到用戶（決策主體）的準確映射。

1.2.1 物理實體層

物理實體信息監(jiān)測及定位的準確與否直接關(guān)系到映射的準確性,進而對整體模型的魯棒性與實用性產(chǎn)生影響。物理實體層負責明確并匯總鐵路貨運站場貨運工作業(yè)務(wù)的所有物理實體信息,包括鐵路貨運站場的靜態(tài)及動態(tài)設(shè)施設(shè)備[12]。通過獲取傳感器和監(jiān)控設(shè)備的系統(tǒng)實時數(shù)據(jù),確認鐵路貨運站場內(nèi)股道、停車區(qū)、貨區(qū)貨位、箱區(qū)箱位、車輛、倉儲、裝卸工具、貨物清單等設(shè)施設(shè)備的實時位置,為感知與處理層提供支撐。

1.2.2 感知與處理層

通過將采集到的物理實體數(shù)據(jù)進行感知整合,對動態(tài)設(shè)施設(shè)備的實時定位實現(xiàn)對象控制,可將物理實體數(shù)據(jù)實時有效地傳遞到數(shù)字孿生體模塊；通過把感知到的信息進行處理,實現(xiàn)對設(shè)施設(shè)備的識別、定位、跟蹤、監(jiān)控等智能化管理。

1.2.3 數(shù)字孿生體層

主要包括建模管理、仿真服務(wù)及孿生共智等功能。通過計算機建模實現(xiàn)對實體的映射、迭代及優(yōu)化,使虛擬模型與物理實體的相符程度不斷提高；通過數(shù)據(jù)驅(qū)動和大數(shù)據(jù)分析等方式對模型進行分析診斷,在確定模型可行性的基礎(chǔ)上利用機器學習、自然語言處理等方式進行學習預測,同時,以模型仿真為基礎(chǔ),基于模型的預測結(jié)果生成報告并提供分析服務(wù)；通過資源接口及互操作實現(xiàn)孿生共智。

1.2.4 用戶層

主要包括人、應用軟件及其他相關(guān)共智孿生體等,綜合云計算及區(qū)塊鏈等方式協(xié)助用戶主體進行決策,利用應用軟件將模型結(jié)果可視化,為用戶最優(yōu)決策提供支撐。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體架構(gòu)

基于鐵路貨運站場管理的實際需求,構(gòu)建鐵路貨運站場資源可視化系統(tǒng),總體架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 鐵路貨運站場資源可視化系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.1.1 物理層

通過高精度傳感器、高清攝像頭、智能網(wǎng)關(guān)等設(shè)備,從股道、車輛、倉庫、箱位、貨位、裝卸設(shè)備等多個維度,準確快速地采集鐵路貨運站場的實時數(shù)據(jù),同時,對數(shù)據(jù)進行邊緣計算等預處理,提高數(shù)據(jù)的有效性。

2.1.2 數(shù)據(jù)層

包括鐵路貨運站場數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)及外部數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)間的融合,構(gòu)建形成鐵路貨運站場的孿生數(shù)據(jù)庫,為分析決策層提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

2.1.3 分析決策層

包括智能決策及可視化仿真。其中,智能決策通過大數(shù)據(jù)分析、人工智能、機器學習、孿生推演等技術(shù),為站場資源管理決策提供保障；可視化仿真主要通過視頻、跟蹤定位、仿真建模、增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實（AR/VR）等多種可視化手段,對鐵路貨運站場信息進行多維度的監(jiān)管。

2.1.4 應用層

直接面向用戶,圍繞鐵路貨運業(yè)務(wù),將應用層分為推演應用、站場管理與維護應用、精準號碼識別應用、數(shù)據(jù)分析應用及可視化應用等,全面提升鐵路貨運站場可視化管理水平。

推演應用主要是模擬推演相關(guān)場景,包括安防推演、便捷通行推演、風險推演、調(diào)度推演等；站場管理與維護應用主要是對鐵路貨運站場進行管理作業(yè),包括鐵路貨運站場環(huán)境監(jiān)控、場景聯(lián)動、設(shè)備監(jiān)控、人車監(jiān)控、能效監(jiān)控、安防監(jiān)控、事件報警、消防監(jiān)控等；精準號碼識別應用主要是將貨車、集裝箱和汽車的精準號碼識別在系統(tǒng)中進行應用,包括號碼管理、識別設(shè)備管理、圖片分揀、識別管理、標簽管理、視頻分揀等；數(shù)據(jù)分析應用主要是基于分析決策層功能,實現(xiàn)人員、車輛、運力分析；可視化應用主要是對當前鐵路貨運站場資源進行可視化展示,包括指揮中心、可視化大屏、AR、VR 等。

2.2 系統(tǒng)功能

鐵路貨運站場資源可視化系統(tǒng)功能架構(gòu),如圖4所示。

圖4 鐵路貨運站場資源可視化系統(tǒng)功能架構(gòu)

2.2.1 箱區(qū)箱位管理

主要通過智能感知設(shè)備實現(xiàn)對箱區(qū)內(nèi)箱位的監(jiān)控、識別、統(tǒng)計和智能調(diào)配,提高站場內(nèi)集裝箱定位的準確性和箱位的利用率。

2.2.2 貨區(qū)貨位管理

基于智能感知設(shè)備實現(xiàn)對貨區(qū)內(nèi)貨位的監(jiān)控、識別、統(tǒng)計及分配,加強站場內(nèi)貨物位置的管理,提高人力資源及設(shè)備的利用率。

2.2.3 倉儲管理

實現(xiàn)對倉庫的出入庫、庫存等信息的統(tǒng)計和管理。通過對倉庫內(nèi)的智能搬運、裝卸設(shè)備進行管理和控制,實現(xiàn)倉庫的智能化、精細化管理。

2.2.4 車輛管理

通過感知設(shè)備和車輛識別技術(shù),對站場內(nèi)的車輛信息、車位信息進行整合和分析,實現(xiàn)車位匹配、車輛控制及車輛引導等功能。

2.2.5 股道管理

實現(xiàn)道岔和隔離開關(guān)的集中控制及股道作業(yè)圖像監(jiān)控,監(jiān)視關(guān)鍵地段機車移動情況,保障段內(nèi)機車運行及作業(yè)安全,提高作業(yè)效率。

2.2.6 裝卸設(shè)備管理實現(xiàn)裝卸設(shè)備的調(diào)度、控制、維護和運維數(shù)據(jù)的管理,提高裝卸機械化水平,保證裝卸機械質(zhì)量和安全,從而提高運輸質(zhì)量和效率。

2.2.7 能源管理

包括能源控制和能源預警。其中,能源控制實現(xiàn)站場內(nèi)的水、電、照明等能源的集中化、智能化、節(jié)約化管理,從而有效地降低能耗；能源預警對可能危害能源安全的危險因素提出預警,提醒相關(guān)人員采取措施、消除危險。

2.2.8 安防管理

對出入車輛及出入人員進行記錄、識別和管理；基于監(jiān)控系統(tǒng)對異常事件、設(shè)備事件、能源事件進行報警,從而實時掌握站場安全情況。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 鐵路貨運站場資源精細化建模與仿真

鐵路貨運站場資源可視化系統(tǒng)基于三維建模、邏輯建模、自動模型生成及數(shù)字孿生建模方法,從幾何、功能和性能等方面對鐵路貨運站場內(nèi)的物理實體進行精細化建模與耦合仿真,從而精確地模擬股道、停車區(qū)、貨區(qū)貨位、箱區(qū)箱位、車輛、裝卸工具等物理實體的形狀、行為和性能,實現(xiàn)對鐵路貨運站場內(nèi)物理實體的高保真模擬和實時預測。

3.2 交互與協(xié)同

鐵路貨運站場資源可視化系統(tǒng)基于VR、AR 技術(shù)實現(xiàn)與站場內(nèi)物理實體的交互與協(xié)同。通過視覺、聲覺等傳遞方式對鐵路貨運站場內(nèi)的物理實體進行智能監(jiān)測、評估,從而達到對鐵路貨運站場內(nèi)的資源進行指導和優(yōu)化的目的。

3.3 數(shù)據(jù)融合和分析

通過深度學習、機器學習、強化學習等數(shù)據(jù)分析方法,對鐵路貨運站場內(nèi)部的數(shù)據(jù)進行高度集成和共享,同時對多領(lǐng)域異構(gòu)數(shù)據(jù)實時更新、修正、優(yōu)化和動態(tài)評估,完善孿生數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)算法結(jié)構(gòu),從而提高鐵路貨運站場資源可視化系統(tǒng)的計算性能和網(wǎng)絡(luò)傳輸時效性。

4 系統(tǒng)應用

目前,已有部分鐵路貨運站場開發(fā)實施了相對完善的管理信息系統(tǒng),可完成貨運生產(chǎn)作業(yè)全流程管理,但其站場內(nèi)部各類設(shè)施設(shè)備的精細化管理程度還不夠。本文設(shè)計的鐵路貨運站場資源可視化系統(tǒng)已在中國鐵路濟南局集團有限公司兗州北站進行試用,能夠完善現(xiàn)有的鐵路貨運站場管理信息系統(tǒng),提升鐵路貨運站場的精細化管理水平,具體效果如下。

（1）通過虛擬仿真和物理場景的高度融合,構(gòu)建了完整的鐵路貨運站場資源體系,實現(xiàn)對貨場各類設(shè)施設(shè)備、移動裝備的統(tǒng)一編碼、識別、展示,提升鐵路貨運站場內(nèi)設(shè)施設(shè)備的運行管理維護效率。鐵路貨運站場資源可視化系統(tǒng)對集裝箱的管理效果如圖5 所示。

圖5 集裝箱管理效果

（2）通過孿生推演、智能分析及智能決策,實現(xiàn)了鐵路貨運站場內(nèi)各類設(shè)施設(shè)備、資源之間的高度協(xié)調(diào)和控制,提升了鐵路貨運站場作業(yè)效率和資源利用率。

5 結(jié)束語

本文基于數(shù)字孿生技術(shù),設(shè)計鐵路貨運站場資源可視化系統(tǒng),利用站場資源精細化建模與仿真技術(shù),將虛擬仿真環(huán)境與鐵路貨運站場內(nèi)的現(xiàn)實場景相結(jié)合。依靠數(shù)據(jù)融合和分析技術(shù)增強鐵路貨運站場內(nèi)各個系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)性和數(shù)據(jù)共享水平,通過交互與協(xié)同技術(shù)實現(xiàn)鐵路貨運站場內(nèi)股道、車輛、箱區(qū)、貨位、倉庫、裝卸等資源的協(xié)同作業(yè)和精細化管理,有效提高了鐵路貨運站場的信息化管理水平。未來將研究提升資源可視化展示的精度、擴展系統(tǒng)應用場景,將研究成果應用到更多實際生產(chǎn)作業(yè)中,進一步提升鐵路貨運站場的資源管理水平。