數(shù)字孿生技術(shù)研究與應(yīng)用進(jìn)展（交通行業(yè)）

數(shù)字孿生最早于2003年由Grieves教授在美國密歇根大學(xué)的產(chǎn)品全生命周期管理課程上提出，后被美國國防部引入到航天飛行器的健康維護(hù)等問題中。數(shù)字孿生技術(shù)具備通過技術(shù)革新改進(jìn)設(shè)計，顯著增強(qiáng)協(xié)作性，進(jìn)而提高基礎(chǔ)設(shè)施性能和可靠性的潛質(zhì)，是近年來交通運(yùn)輸領(lǐng)域最受矚目的話題之一。

1 國內(nèi)外數(shù)字孿生平臺

面對數(shù)字孿生技術(shù)的多元化需求，國內(nèi)外主流廠商紛紛推出數(shù)字孿生平臺。作為構(gòu)建和運(yùn)行數(shù)字孿生業(yè)務(wù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，數(shù)字孿生平臺集成了多種技術(shù)的工具和套件，向上可以為各類應(yīng)用開發(fā)提供服務(wù)接口，向下可以連接各類物理對象，有效降低企業(yè)應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)的開發(fā)成本和開發(fā)周期，表1所示。

表1 數(shù)字孿生平臺概覽

2 國外交通領(lǐng)域數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用

數(shù)字孿生技術(shù)已成為智慧交通建設(shè)中重要的研究方向和技術(shù)手段。德國、英國、法國、荷蘭、澳大利亞等國家的鐵路運(yùn)營公司都致力于通過數(shù)字孿生技術(shù)提升鐵路設(shè)施的性能和可靠性，降低運(yùn)營維護(hù)成本，實現(xiàn)投資價值的最大化。

德國鐵路股份公司（DB，Deutsche Bahn）實施數(shù)字技術(shù)戰(zhàn)略，創(chuàng)建鐵路系統(tǒng)數(shù)字孿生，并將其作為德國鐵路未來發(fā)展的核心和基礎(chǔ)。DB將數(shù)字孿生技術(shù)作為“強(qiáng)大鐵路”目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)，建立開放平臺與設(shè)備制造商、系統(tǒng)供應(yīng)商和研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行合作，通過開展物聯(lián)網(wǎng)燈塔（Leuchtturm）項目，確立數(shù)字孿生戰(zhàn)略實施原則，為其運(yùn)作設(shè)定統(tǒng)一的路線，并且對其實施過程進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制。目前，DB 正重點針對列車空調(diào)、車門和轉(zhuǎn)向架等部件，創(chuàng)建“數(shù)字孿生列車”（物聯(lián)網(wǎng)燈塔項目的組成部分），以便為數(shù)字孿生整體戰(zhàn)略的推進(jìn)摸索方法、積累經(jīng)驗。如圖1所示。

圖1 DB 鐵路系統(tǒng)數(shù)字孿生示意圖

英國國營鐵路公司在跨奔寧山脈鐵路升級項目中，通過美國Bentley軟件公司的數(shù)字孿生技術(shù)，為整個鐵路線創(chuàng)建了三維數(shù)字化表現(xiàn)形式，用于設(shè)計、施工和未來維護(hù)?；贐entley iTwin 平臺，項目組創(chuàng)建了互聯(lián)數(shù)字化生態(tài)系統(tǒng)，所有項目團(tuán)隊均可通過數(shù)據(jù)環(huán)境訪問，突破了數(shù)字化鐵路環(huán)境的界限。實施線路升級后，跨奔寧山脈鐵路將被改造成一條性能優(yōu)異、安全可靠的線路，會有更高的準(zhǔn)點率、更多的車次和更短的通行時間。

法國鐵路網(wǎng)管理公司（SNCF Reseau）在數(shù)字孿生技術(shù)方面投入大量資金，建立名為ARIANE的鐵路系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型，對歷史工作數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理、開發(fā)具體應(yīng)用程序，并將數(shù)字孿生技術(shù)作為公司眾多信息系統(tǒng)間的互聯(lián)工具，從而確保數(shù)據(jù)流通，輔助相關(guān)人員制定應(yīng)對措施。目前，SNCF在Shift2Rail項目背景下，基于數(shù)字孿生技術(shù)建立包含更多實用信息的維修記錄，確保在鐵路施工階段和運(yùn)維階段信息的連續(xù)性，提升鐵路基礎(chǔ)設(shè)施維保效率，具體開展的數(shù)字孿生項目如下。

2.1 接觸網(wǎng)幾何參數(shù)的自動計算和監(jiān)控

接觸網(wǎng)高度的測量、控制以及錯位是路網(wǎng)性能中防止張力問題的關(guān)鍵要素。通過對激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)的連續(xù)自動算法分析，接觸網(wǎng)幾何測量的最高精度可達(dá)1 cm，并可以在數(shù)小時內(nèi)完成幾百公里線路的測量。檢測接觸網(wǎng)支柱時，還能夠為作業(yè)人員自動生成長距離的定位計劃。

2.2 道砟回收作業(yè)

道砟剖面是道砟更換過程中的關(guān)鍵參考指標(biāo)。通過激光雷達(dá)數(shù)據(jù)計算真實的道砟剖面，然后將其與參考剖面進(jìn)行比較，從而確定道砟多余或不足區(qū)域，鐵路基礎(chǔ)設(shè)施管理部門能夠在道砟多余區(qū)域?qū)Φ理倪M(jìn)行回收或轉(zhuǎn)移。

2.3 線路異物檢測

比較相隔幾周獲得的兩點云數(shù)據(jù)集之間的差異，對鋼軌、連接件等對象進(jìn)行檢測，經(jīng)過濾后可以識別和表征檢測對象的類型，并將檢測對象的類型和位置發(fā)送給現(xiàn)場作業(yè)人員，以便現(xiàn)場作業(yè)人員對這些物體進(jìn)行移除和回收。

2.4 限界管理

為提高基礎(chǔ)設(shè)施的性能和安全性，SNCF正在開發(fā)一種基于激光雷達(dá)三維點云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化方法，將設(shè)施一致性驗證的過程全數(shù)字化，以保障鐵路安全。

荷蘭鐵路運(yùn)營公司（ProRail）采用數(shù)字孿生技術(shù)將來自各種信息系統(tǒng)的大量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為自有的集成信息模型，這些信息模型既可以用3D格式表示，也可以用地理地圖、示意圖或設(shè)施列表表示。ProRail公司利用信息模型，便捷地以兼容模式從源頭構(gòu)建資產(chǎn)數(shù)據(jù)，并利用數(shù)據(jù)驅(qū)動的預(yù)測方法，在應(yīng)對客流量增加的情況下，維持并進(jìn)一步改進(jìn)鐵路系統(tǒng)的安全性、可用性和性能。此外，荷蘭國家鐵路運(yùn)營商N(yùn)ederlandse Spoorwegen（NS）與三家公共交通公司合作推出一個新的多式聯(lián)運(yùn)數(shù)字平臺，將火車、巴士、地鐵、共享汽車和自行車等信息集成起來，提供“出行即服務(wù)（MaaS）”為旅客規(guī)劃、預(yù)訂和支付全國各地的旅行。

澳大利亞利用數(shù)字孿生技術(shù)解決新修建鐵路項目中數(shù)字化協(xié)同方面的難點。澳大利亞布里斯班在價值超63億澳元的跨河鐵路項目中全面應(yīng)用數(shù)字技術(shù)。在建造過程中，該項目使用了美國Bentley公司的數(shù)字孿生技術(shù)，通過高度仿真的虛擬技術(shù)提前發(fā)現(xiàn)和解決工程問題，做出施工決策，降低成本和風(fēng)險，確保各相關(guān)方高效協(xié)作。

3 國內(nèi)交通領(lǐng)域數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用

近幾年，隨著中國數(shù)字經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)賦能交通行業(yè)，為交通行業(yè)的數(shù)字化發(fā)展注入了新的活力。

寧波市軌道交通集團(tuán)構(gòu)建數(shù)字孿生地鐵安全應(yīng)急保障平臺，助力地鐵安全應(yīng)急保障應(yīng)用。該平臺以海量異構(gòu)多維軌道交通時空主題數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，融合GIS地理信息系統(tǒng)、BIM模型數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)主題，進(jìn)行三維重建與數(shù)字孿生，為數(shù)據(jù)賦予空間特性及用途，構(gòu)建涵蓋軌道應(yīng)急總體態(tài)勢圖、全域/站點感知、室內(nèi)室外、二三維一體等全息、高清數(shù)字孿生體，實現(xiàn)集“應(yīng)急場景、全景監(jiān)控、監(jiān)測預(yù)警、指揮調(diào)度、移動應(yīng)急”于一體的數(shù)字化、智能化應(yīng)急指揮平臺。如圖2所示。

圖2 寧波市軌道交通數(shù)字孿生地鐵安全應(yīng)急保障中心

貴陽市公共交通數(shù)字孿生平臺利用數(shù)字孿生技術(shù)，通過對城市公共交通多源數(shù)據(jù)的深入挖掘和分析應(yīng)用，揭示軌道交通建設(shè)與城市發(fā)展的數(shù)據(jù)關(guān)系、軌道交通出行與城市空間要素的數(shù)據(jù)規(guī)律、城市出行畫像與出行圈層分布的數(shù)據(jù)關(guān)系，為貴陽市公共交通運(yùn)營降本增效、提升出行服務(wù)質(zhì)量、助力城市交通綜合治理等提供新思路。如圖3所示。

圖3 貴陽市公共交通數(shù)字孿生平臺

城市軌道交通數(shù)字孿生運(yùn)維管理平臺，圍繞BIM、GIS、IoT等技術(shù)的融合應(yīng)用，設(shè)計了包含采集接入層、數(shù)據(jù)支撐層、應(yīng)用服務(wù)層、用戶交互層的4層平臺架構(gòu)。該平臺實現(xiàn)了全景數(shù)字孿生、結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)字孿生、設(shè)備資產(chǎn)數(shù)字孿生及應(yīng)急場景模擬等關(guān)鍵功能，充分發(fā)揮了數(shù)字孿生技術(shù)在提升城市軌道交通運(yùn)維管理效率、可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性方面的巨大潛力，滿足城市軌道交通運(yùn)維管理的各項需求，推動城市軌道交通行業(yè)智慧化發(fā)展。如圖4所示。

圖4 城市軌道交通數(shù)字孿生運(yùn)維管理平臺功能實例

在國內(nèi)鐵路行業(yè)，圍繞鐵路工程建設(shè)、移動裝備、客運(yùn)運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域開展了數(shù)字孿生的研究與應(yīng)用探索。

鐵路工程建設(shè)方面，基于數(shù)字孿生技術(shù)開發(fā)的三維數(shù)字鐵路，具備在全球三維地理空間下，開展實時三維選線設(shè)計和生成全線普適性三維數(shù)字資產(chǎn)的能力。京張高鐵利用BIM+GIS技術(shù)，構(gòu)建了一條與周邊環(huán)境深度融合且與實體鐵路物理特征保持一致的數(shù)字化虛擬鐵路，服務(wù)于工程全生命周期管理。

移動裝備方面，開展了基于數(shù)字孿生的裝備多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合分析方法、孿生建模技術(shù)與模型自洽優(yōu)化方法、數(shù)模驅(qū)動的裝備PHM運(yùn)維決策技術(shù)的研究，為裝備的精準(zhǔn)運(yùn)維提供更通用的信息融合載體、更強(qiáng)大的建模分析和推理能力、更形象的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式、更豐富的運(yùn)維交互環(huán)境，實現(xiàn)裝備全生命周期的融合分析、知識提取、信息共享、虛實協(xié)同、精準(zhǔn)評估、實時監(jiān)測、數(shù)模驅(qū)動與智能決策，提升裝備的運(yùn)行安全性和運(yùn)維經(jīng)濟(jì)性，為裝備的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化注入新的生命力。

客貨運(yùn)輸方面，構(gòu)建面向智能客站的數(shù)字孿生體，提供客站可視化監(jiān)控、設(shè)備設(shè)施運(yùn)維、客站設(shè)備/流線運(yùn)用與仿真、客站站房結(jié)構(gòu)模擬、安全應(yīng)急仿真、環(huán)境模擬等孿生服務(wù)，實現(xiàn)客站運(yùn)營虛實互控及全場景仿真、安全態(tài)勢推演及應(yīng)急處置仿真，為物理車站與數(shù)字車站協(xié)同交互、平行運(yùn)轉(zhuǎn)提供技術(shù)支撐。此外，基于數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建鐵路物流數(shù)字孿生平臺和貨運(yùn)場站可視化平面圖，推動鐵路客貨運(yùn)輸全生產(chǎn)要素數(shù)字化、全狀態(tài)感知可視化、運(yùn)輸作業(yè)全過程管理協(xié)同化和智能化。如圖5所示。

圖5 京張高鐵清河站數(shù)字孿生體

綜上所述，數(shù)字孿生技術(shù)正以其獨特的優(yōu)勢和潛力，深度賦能交通行業(yè)。未來，隨著新技術(shù)應(yīng)用的不斷發(fā)展，數(shù)字孿生將為各行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和發(fā)展提供強(qiáng)大的推動力。