數(shù)字孿生在軌道交通智能建造業(yè)中的應(yīng)用發(fā)展

方 宜 卓建成 杜夢(mèng)飛

（1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031；2.北京交通大學(xué)，北京 100044）

我國(guó)正處于建造方式轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期，為了提升建筑行業(yè)的精細(xì)化管理水平，迫切需要推動(dòng)新一代信息技術(shù)（如5G、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等）與建設(shè)領(lǐng)域的深度融合。這樣的融合將加速推進(jìn)基于數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，促進(jìn)智能建造與新型建筑工業(yè)化的協(xié)同發(fā)展。重點(diǎn)發(fā)展數(shù)字化設(shè)計(jì)、智能生產(chǎn)、智能施工和智慧運(yùn)維等領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)建造行業(yè)的全面智能化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型［1］。

數(shù)字化是進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)鐵路智能建造業(yè)創(chuàng)新的關(guān)鍵，它為運(yùn)營(yíng)合理化、提高結(jié)構(gòu)安全性、可靠性和改善客運(yùn)、貨運(yùn)服務(wù)提供了思路，同時(shí)降低了設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維各階段成本。在數(shù)字化的過(guò)程中，現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界相互作用的可能性為工業(yè)4.0框架下的工業(yè)和物流帶來(lái)了創(chuàng)新、新的商業(yè)模式和巨大的優(yōu)化潛力。為了實(shí)現(xiàn)這一潛力，必須利用物聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)以及人工智能等其他數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和物流的數(shù)字化聯(lián)網(wǎng)。

數(shù)字孿生是一項(xiàng)先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)，其在智能制造領(lǐng)域被認(rèn)為是一種實(shí)現(xiàn)制造信息世界與物理世界交互融合的有效手段［2］。現(xiàn)如今，數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)施應(yīng)用范圍日益廣泛，除了最早的航空航天領(lǐng)域外，數(shù)字孿生技術(shù)現(xiàn)已應(yīng)用于電力、船舶、城市管理、農(nóng)業(yè)、建筑、制造、石油天然氣、健康醫(yī)療、環(huán)境保護(hù)等多個(gè)行業(yè)。軌道結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)施的全壽命周期中，各個(gè)業(yè)務(wù)板塊都可以根據(jù)其獨(dú)特的業(yè)務(wù)特點(diǎn)和需求，采用數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)乃至全過(guò)程協(xié)同數(shù)字化智能化，從而提升工程質(zhì)量及建造效率。

為此，本文對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)在軌道工程中的應(yīng)用進(jìn)行研究。首先，對(duì)數(shù)字孿生的形成背景、核心原理、技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行綜述；其次，結(jié)合目前數(shù)字孿生技術(shù)在軌道工程中的應(yīng)用情況，從全生命周期的角度，調(diào)研數(shù)字孿生技術(shù)在設(shè)計(jì)、加工、施工和運(yùn)維階段的應(yīng)用情況；最后，對(duì)當(dāng)前數(shù)字孿生技術(shù)在軌道工程中的應(yīng)用進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，指出目前應(yīng)用中存在的問(wèn)題，并對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)未來(lái)在軌道工程智能建造領(lǐng)域的發(fā)展提出建議和展望。

1 數(shù)字孿生技術(shù)內(nèi)涵

1.1 形成背景

在20世紀(jì)50年代的航天工業(yè)中，人們迫切需要一種能夠在計(jì)算機(jī)上模擬飛行器飛行的方法，以減少實(shí)際試飛中可能發(fā)生的意外事故對(duì)人員和財(cái)產(chǎn)的損失。為了解決這一問(wèn)題，美國(guó)航空航天局（NASA）提出了“數(shù)字孿生計(jì)劃”，為數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展揭開(kāi)了序幕。

數(shù)字孿生有多種形式、多種目的和不同的優(yōu)勢(shì)。迄今為止被大多數(shù)人認(rèn)可和使用的數(shù)字孿生的一般定義是由Glaessegen和Stargel［3］在2012年提出的：數(shù)字孿生是對(duì)一個(gè)復(fù)雜產(chǎn)品進(jìn)行集成的多物理場(chǎng)、多尺度、概率模擬，并利用現(xiàn)有的最佳物理模型、傳感器更新等來(lái)反映其對(duì)應(yīng)的孿生體的生命。數(shù)字孿生由 3部分組成：物理產(chǎn)品、虛擬產(chǎn)品、以及連接物理產(chǎn)品和虛擬產(chǎn)品的連接數(shù)據(jù)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)在工程技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，鐵路行業(yè)必然朝數(shù)字化多方面協(xié)同方向發(fā)展。在數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用研究方面，軌道領(lǐng)域還在起步階段，未來(lái)幾年內(nèi)也必將成為軌道智能建造研究熱點(diǎn)。

1.2 核心原理

數(shù)字孿生作為一種先進(jìn)的技術(shù)手段，通過(guò)建立物理世界和數(shù)字世界之間的映射關(guān)系，創(chuàng)造了物理系統(tǒng)的虛擬副本。其原理基于數(shù)據(jù)收集、模型建立、仿真分析和決策優(yōu)化4部分核心要素展開(kāi)。

數(shù)據(jù)收集是數(shù)字孿生的基礎(chǔ)。通過(guò)傳感器和其他數(shù)據(jù)源，實(shí)時(shí)獲取物理系統(tǒng)的各種物理參數(shù)，例如溫度、壓力和振動(dòng)等。這些數(shù)據(jù)作為輸入，構(gòu)建物理系統(tǒng)的完整數(shù)據(jù)集。

在數(shù)據(jù)收集的基礎(chǔ)上，模型建立是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的關(guān)鍵步驟。通過(guò)數(shù)據(jù)處理和機(jī)器學(xué)習(xí)等算法，將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，建立準(zhǔn)確的物理系統(tǒng)模型。該模型可以基于物理原理的數(shù)學(xué)模型、統(tǒng)計(jì)模型或深度學(xué)習(xí)模型。優(yōu)化模型的準(zhǔn)確性和可靠性，對(duì)于實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)字孿生至關(guān)重要。

隨后是仿真分析階段，根據(jù)物理系統(tǒng)模型和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行系統(tǒng)行為的仿真模擬。通過(guò)模擬不同工作條件下的運(yùn)行情景，數(shù)字孿生可以預(yù)測(cè)物理系統(tǒng)的性能、狀況和需求。仿真分析可以幫助決策者了解物理系統(tǒng)的強(qiáng)弱點(diǎn)、優(yōu)化潛力和可能的風(fēng)險(xiǎn)。

最后，數(shù)字孿生為優(yōu)化決策和性能監(jiān)控提供了平臺(tái)?；跀?shù)字孿生的模型和仿真分析結(jié)果，決策者可以根據(jù)實(shí)際情況做出精確和迅速的決策?；跀?shù)字孿生預(yù)測(cè)和優(yōu)化物理系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，提高設(shè)備的效率和可靠性。數(shù)字孿生還為設(shè)備維護(hù)和故障排除提供指導(dǎo)，減少停機(jī)時(shí)間和維修成本。

通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜物理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)和優(yōu)化。它提供了一種高度可視化和交互式的環(huán)境，幫助決策者更好地理解、分析和管理物理系統(tǒng)。數(shù)字孿生不僅在工業(yè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，還對(duì)于城市規(guī)劃、交通管理和醫(yī)療保健等領(lǐng)域具有潛力。在未來(lái)，數(shù)字孿生將持續(xù)發(fā)展，并對(duì)各行各業(yè)的創(chuàng)新和進(jìn)步發(fā)揮重要作用。

1.3 技術(shù)特點(diǎn)

根據(jù)數(shù)字孿生的解釋和定義，總結(jié)了數(shù)字孿生的以下技術(shù)特點(diǎn)：

（1）實(shí)時(shí)反射。數(shù)字孿生中存在2個(gè)空間：物理空間和虛擬空間。虛擬空間是物理空間的真實(shí)反映，能夠與物理空間保持超高的同步性和保真度。

（2）互動(dòng)與融合。這一特點(diǎn)可以從3個(gè)方面來(lái)解釋?zhuān)?/p>

① 物理空間的相互作用和匯合。數(shù)字孿生是一種全流程、全要素、全服務(wù)的集成。這樣，物理空間中各個(gè)階段產(chǎn)生的數(shù)據(jù)就可以相互連接。

② 歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)之間的相互作用和融合。數(shù)字孿生數(shù)據(jù)更全面。它不僅依賴(lài)于歷史經(jīng)驗(yàn)信息，還能實(shí)時(shí)收集所有部署系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。因此，通過(guò)收斂合并可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更深入的挖掘和更充分的利用。

③ 物理空間和虛擬空間之間的相互作用和匯合。在數(shù)字孿生中，物理空間和虛擬空間并不是隔離的。兩個(gè)空間之間存在平滑的連接通道，使其易于相互作用［4］。

（3）自我進(jìn)化。數(shù)字孿生可以實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)，通過(guò)虛擬空間與物理空間的并行比較，使虛擬模型不斷改進(jìn)，這也是數(shù)字孿生作為新興數(shù)字技術(shù)最具競(jìng)爭(zhēng)力的優(yōu)勢(shì)之一，通過(guò)不斷迭代進(jìn)化逐漸逼近結(jié)構(gòu)理想最優(yōu)解［5］。

2 數(shù)字孿生技術(shù)在軌道交通智能建造中的應(yīng)用發(fā)展

在過(guò)去的幾十年里，傳統(tǒng)的鐵路行業(yè)發(fā)生了巨大的變化，從一個(gè)由國(guó)家運(yùn)營(yíng)商組成的領(lǐng)域變成了一個(gè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的領(lǐng)域。競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)的變化迫使各國(guó)尋求新的創(chuàng)新機(jī)遇——傳統(tǒng)建造模式已經(jīng)不再能夠滿(mǎn)足工程各方要求。

數(shù)字孿生技術(shù)在智能制造領(lǐng)域被認(rèn)為是一種實(shí)現(xiàn)制造信息世界與物理世界交互融合的有效手段。軌道工程中，數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)的全壽命周期、全要素以及參建各方的信息化、數(shù)字化、可視化以及智能化。在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)下，并在不同信息系統(tǒng)上進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和協(xié)同運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)協(xié)同、智能生產(chǎn)、決策輔助等功能。軌道交通智能建造各業(yè)務(wù)板塊都可根據(jù)其業(yè)務(wù)特點(diǎn)和業(yè)務(wù)需求，采用先進(jìn)的信息化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)本領(lǐng)域數(shù)字孿生技術(shù)的典型應(yīng)用，從而提升作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量。

目前，受技術(shù)手段的限制，數(shù)字孿生技術(shù)在軌道工程一個(gè)完整的生命周期中實(shí)施應(yīng)用難以實(shí)現(xiàn)，但是在生命周期的某一階段已經(jīng)有了一定程度的應(yīng)用。為此，本文從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工和運(yùn)維4個(gè)階段對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)在軌道交通智能建造中的應(yīng)用展開(kāi)研究。

2.1 規(guī)劃設(shè)計(jì)

數(shù)字孿生技術(shù)可以通過(guò)建立軌道的虛擬模型，模擬和評(píng)估軌道的性能特征。通過(guò)結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、交通流量等信息，數(shù)字孿生可以預(yù)測(cè)軌道在不同運(yùn)營(yíng)條件下的性能表現(xiàn)，如列車(chē)運(yùn)行穩(wěn)定性、疲勞壽命和振動(dòng)特性等。這有助于工程師評(píng)估不同軌道設(shè)計(jì)變量（如軌道幾何、材料和固定方式）對(duì)性能的影響，以制定最佳的設(shè)計(jì)策略。

通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)，工程師可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行軌道設(shè)計(jì)的仿真和優(yōu)化。數(shù)字孿生可以利用軌道材料和固定方式、地形和氣象數(shù)據(jù)，模擬軌道在不同運(yùn)行條件下的響應(yīng)、疲勞壽命和維修需求。工程師可以通過(guò)觀察和分析這些仿真結(jié)果，針對(duì)不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較和優(yōu)化，最大程度地提高軌道的性能和安全性。

數(shù)字孿生可以在列車(chē)與軌道之間的相互作用上起到關(guān)鍵作用。通過(guò)模擬列車(chē)-軌道系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為和振動(dòng)特性，數(shù)字孿生可以提供有關(guān)列車(chē)行駛的運(yùn)行參數(shù)和軌道的響應(yīng)信息。這有助于設(shè)計(jì)和優(yōu)化列車(chē)與軌道之間的匹配性，最大程度地減少振動(dòng)、摩擦和噪音，從而提高列車(chē)的運(yùn)行平穩(wěn)性和乘客舒適度。

數(shù)字孿生在軌道設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用可以提供性能評(píng)估、仿真和優(yōu)化、列車(chē)-軌道系統(tǒng)優(yōu)化的支持，可以幫助工程師制定更優(yōu)化、可持續(xù)的軌道設(shè)計(jì)方案，并提高軌道設(shè)施的性能、安全性和可靠性。盡管目前數(shù)字孿生在軌道前期設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用案例相對(duì)較少，但其在軌道規(guī)劃設(shè)計(jì)中的潛力是不可忽視的，主要原因是數(shù)字孿生技術(shù)在國(guó)內(nèi)的認(rèn)知水平還相對(duì)較低，并需要克服一些技術(shù)難題。

2.2 加工生產(chǎn)

在生產(chǎn)方面，數(shù)字孿生能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和控制復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程，并通過(guò)及時(shí)調(diào)整來(lái)優(yōu)化過(guò)程［6］。Zheng［7］等開(kāi)發(fā)了一個(gè)框架，用于在生產(chǎn)線的產(chǎn)品生命周期用例中實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生，解決了真實(shí)和虛擬空間的交互以及信息處理的連接層。他們將這些功能總結(jié)為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理和映射，構(gòu)成了數(shù)字孿生框架的核心。Jiang［8］等專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)一種實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的框架，以滿(mǎn)足生產(chǎn)和物流同步運(yùn)行的要求。在此過(guò)程中，他們的目標(biāo)是將數(shù)字孿生的服務(wù)功能與產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)相結(jié)合。

數(shù)字孿生技術(shù)可以建立軌道交通生產(chǎn)工藝的虛擬模型，并進(jìn)行仿真和優(yōu)化。通過(guò)模擬不同流程和工藝參數(shù)的變化，可以評(píng)估生產(chǎn)效率、資源利用率和產(chǎn)品質(zhì)量等指標(biāo)，并優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程以實(shí)現(xiàn)最佳結(jié)果。通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)，可以提前預(yù)測(cè)生產(chǎn)線上的潛在問(wèn)題，并進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，提高生產(chǎn)線的運(yùn)行效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

通過(guò)在軌道設(shè)備上安裝傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的工作狀態(tài)和健康狀況。數(shù)字孿生技術(shù)可以將傳感器數(shù)據(jù)與模型進(jìn)行結(jié)合，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)性維護(hù)?；谀M和數(shù)據(jù)分析，可以提前識(shí)別潛在故障，并采取相應(yīng)的維護(hù)預(yù)防措施，避免設(shè)備故障造成生產(chǎn)中斷。

在供應(yīng)鏈管理和協(xié)同生產(chǎn)方面，數(shù)字孿生技術(shù)可以構(gòu)建整個(gè)軌道交通供應(yīng)鏈的虛擬模型，并集成不同環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)。通過(guò)可視化和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，可以追蹤和優(yōu)化物料的流動(dòng)，提高供應(yīng)鏈的可靠性和效率。此外，數(shù)字孿生還可以促進(jìn)各環(huán)節(jié)之間的協(xié)同合作，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的信息共享和溝通，減少生產(chǎn)中的物料短缺和延誤等問(wèn)題。

同時(shí)數(shù)字孿生可以幫助軌道交通生產(chǎn)企業(yè)對(duì)資源進(jìn)行有效管理和規(guī)劃。通過(guò)整合生產(chǎn)數(shù)據(jù)、供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)和市場(chǎng)需求數(shù)據(jù)，數(shù)字孿生技術(shù)可以提供全面的資源情況分析，包括原材料、設(shè)備和人力資源等?；谶@些數(shù)據(jù)和模型，可以進(jìn)行生產(chǎn)計(jì)劃的優(yōu)化和調(diào)整，以適應(yīng)市場(chǎng)需求和資源約束，確保生產(chǎn)的高效運(yùn)行和滿(mǎn)足客戶(hù)需求。

數(shù)字孿生在軌道交通生產(chǎn)方面的應(yīng)用可以提高生產(chǎn)效率、優(yōu)化資源利用和提高質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)智能化和可持續(xù)的生產(chǎn)。通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)，軌道交通生產(chǎn)企業(yè)可以實(shí)現(xiàn)更高效、靈活和可靠的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)，為行業(yè)的發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)提供有力支持。

2.3 施工管理

數(shù)字孿生在軌道施工管理方面的應(yīng)用可以提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、仿真和決策支持，以提高軌道施工的效率、質(zhì)量和安全性。

通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)，可以在虛擬環(huán)境中建立軌道施工的動(dòng)態(tài)模型，用于跟蹤和管理施工進(jìn)度。通過(guò)結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、物料供應(yīng)鏈信息和施工進(jìn)度計(jì)劃，數(shù)字孿生可以提供實(shí)時(shí)的進(jìn)度信息和預(yù)測(cè)，以幫助項(xiàng)目經(jīng)理跟蹤施工進(jìn)展，及時(shí)識(shí)別潛在的延誤和沖突，并采取相應(yīng)的措施解決問(wèn)題。

針對(duì)施工資源管理，數(shù)字孿生可以對(duì)軌道施工過(guò)程中的資源進(jìn)行模擬和優(yōu)化管理。它可以預(yù)測(cè)施工資源的需求，如人員、機(jī)械設(shè)備和材料，并優(yōu)化資源的分配和調(diào)度。通過(guò)模擬不同方案的資源使用情況，數(shù)字孿生可以幫助項(xiàng)目經(jīng)理優(yōu)化施工過(guò)程，提高資源利用效率，減少浪費(fèi)和成本，并確保施工進(jìn)度和質(zhì)量的達(dá)成。

在施工安全管理方面，通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)，可以模擬和預(yù)測(cè)軌道施工過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)和潛在事故，可以根據(jù)施工計(jì)劃、工程數(shù)據(jù)和安全規(guī)范，模擬施工場(chǎng)景，并進(jìn)行安全性評(píng)估。它可以識(shí)別潛在的沖突點(diǎn)、危險(xiǎn)區(qū)域和安全隱患，并提供針對(duì)性的安全措施和培訓(xùn)方案。通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)的支持，可以最大程度地降低施工過(guò)程中的事故風(fēng)險(xiǎn)，保障施工人員的安全。

數(shù)字孿生技術(shù)可以為施工管理人員提供實(shí)時(shí)的決策支持。通過(guò)模擬和分析不同決策方案的效果，數(shù)字孿生可以幫助人員進(jìn)行預(yù)測(cè)、優(yōu)化和驗(yàn)證。例如，模擬不同的工藝流程、施工順序或施工方法，并提供性能、質(zhì)量和成本方面的預(yù)測(cè)結(jié)果，以幫助決策者作出明智的決策。

2.4 運(yùn)營(yíng)維護(hù)

鐵路運(yùn)營(yíng)方的主要目標(biāo)是不斷優(yōu)化鐵路網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)系統(tǒng)，同時(shí)確保用于維護(hù)管理成本最少。數(shù)字孿生模型被認(rèn)為是下一個(gè)技術(shù)和數(shù)字突破，使運(yùn)營(yíng)商能夠有效地利用資源來(lái)維護(hù)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施，為運(yùn)營(yíng)商提供了所需的網(wǎng)絡(luò)健康所有關(guān)鍵方面的統(tǒng)一視圖，因此可以輕松地管理實(shí)時(shí)決策；還有助于在未來(lái)為優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能而采取的預(yù)防性和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)決策更加準(zhǔn)確。

在整個(gè)生命周期中，數(shù)字孿生技術(shù)可以為軌道運(yùn)維帶來(lái)很多好處［9］。在航天工業(yè)中，通過(guò)整合歷史經(jīng)驗(yàn)和傳感器數(shù)據(jù)，將其與數(shù)字孿生技術(shù)相結(jié)合，可以改進(jìn)飛機(jī)使用年限以及增強(qiáng)維護(hù)預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度，進(jìn)以取代常規(guī)使用的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法。然而，上述的優(yōu)點(diǎn)并不局限于航空航天工業(yè)，鐵路行業(yè)同樣適用［10］。

為了適應(yīng)鐵路網(wǎng)絡(luò)和基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)代化的需求，必須對(duì)相關(guān)部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行專(zhuān)業(yè)的運(yùn)營(yíng)監(jiān)控和預(yù)測(cè)性維護(hù)?；跀?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的評(píng)估以及模擬和預(yù)測(cè)，對(duì)未來(lái)事件的早期預(yù)測(cè)可以?xún)?yōu)化操作和維護(hù)，提出對(duì)應(yīng)預(yù)防措施，并規(guī)避病害事故帶來(lái)的額外支出。

隨著列車(chē)運(yùn)營(yíng)速度的提高和軸重的增大，鐵路運(yùn)輸向科學(xué)研究提出一系列挑戰(zhàn)，其中輪軌滾動(dòng)接觸疲勞損傷就是最復(fù)雜的問(wèn)題之一，其被視為鐵路更換、維護(hù)、故障和安全問(wèn)題的主要原因。數(shù)字孿生技術(shù)的好處之一就是是否對(duì)鋼軌進(jìn)行維護(hù)取決于預(yù)測(cè)技術(shù)條件而不是常規(guī)檢測(cè)手段，因此可以采用預(yù)測(cè)性維護(hù)［11］。有學(xué)者提出了一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法來(lái)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修，這種系統(tǒng)依賴(lài)于軌檢車(chē)對(duì)軌道的近似實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)傳感器獲得軌檢數(shù)據(jù)，再進(jìn)行預(yù)處理，以供系統(tǒng)基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行維護(hù)預(yù) 測(cè)［12］。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的基石就是海量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)必須來(lái)自傳感器或數(shù)字模擬，由于物理傳感器存在測(cè)得數(shù)據(jù)量不足等局限性，為了彌補(bǔ)傳感器的不足，可以使用數(shù)字建模來(lái)生成可用于預(yù)測(cè)性維護(hù)的額外傳感器數(shù)據(jù)，同時(shí)也有利于應(yīng)對(duì)測(cè)試在常規(guī)操作中無(wú)法測(cè)試的各種嚴(yán)峻情況。

同時(shí)鐵路車(chē)輛在高速運(yùn)行過(guò)程中，車(chē)輪在振動(dòng)過(guò)程上下運(yùn)動(dòng)，可能會(huì)發(fā)生橫向相對(duì)位移而導(dǎo)致脫軌，而車(chē)輛脫軌風(fēng)險(xiǎn)通常通過(guò)輪對(duì)垂直力與橫向力之比或輪重減載率來(lái)評(píng)估，這些參數(shù)只能采用測(cè)力輪對(duì)來(lái)測(cè)量，再通過(guò)多體動(dòng)力學(xué)仿真進(jìn)行模擬。有學(xué)者針對(duì)脫軌風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)預(yù)測(cè)展開(kāi)研究，通過(guò)數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)了一個(gè)代理模型，該模型具有大量多體動(dòng)力學(xué)數(shù)值程序和機(jī)器學(xué)習(xí)模型的結(jié)果，以預(yù)測(cè)列車(chē)瞬時(shí)脫軌風(fēng)險(xiǎn)［13］。與不涉及數(shù)據(jù)同步的數(shù)字模型或需要從物理列車(chē)到列車(chē)模型的單向數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)字影子不同，數(shù)字孿生涉及動(dòng)態(tài)模型和物理實(shí)體之間的數(shù)據(jù)傳輸閉環(huán)，列車(chē)模型和實(shí)體列車(chē)能夠?qū)崟r(shí)交換信息并修改彼此的性能參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)同作用，減少脫軌風(fēng)險(xiǎn)、能源消耗等。數(shù)字孿生模型的列車(chē)模型組件預(yù)測(cè)未來(lái)動(dòng)態(tài)行為的能力受到可用計(jì)算能力的限制。

數(shù)字孿生在軌道運(yùn)維方面的應(yīng)用可以提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)性維護(hù)、故障分析和決策支持：可以幫助維護(hù)人員及時(shí)識(shí)別和解決問(wèn)題，優(yōu)化維護(hù)計(jì)劃和資源分配，提高軌道設(shè)施的可用性、可靠性和安全性。

3 分析與討論

3.1 數(shù)字孿生在軌道交通智能建造中的挑戰(zhàn)

數(shù)字孿生作為一種先進(jìn)的技術(shù)方法，正在軌道交通智能建造領(lǐng)域嶄露頭角。然而，數(shù)字孿生在這一領(lǐng)域正面臨著一些挑戰(zhàn)。

（1）數(shù)據(jù)質(zhì)量和一致性。數(shù)字孿生需要大量的數(shù)據(jù)來(lái)建立和維護(hù)模型，而數(shù)據(jù)的質(zhì)量和一致性對(duì)數(shù)字孿生的準(zhǔn)確性和有效性至關(guān)重要。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)的收集和整合可能受到限制。如今的鐵路網(wǎng)絡(luò)是由各種各樣的工具和測(cè)量設(shè)備來(lái)管理的。他們使用的軟件包、接口和數(shù)據(jù)是不同的。因此在整合各方數(shù)據(jù)方面面臨困難，且數(shù)據(jù)質(zhì)量不高或存在不一致性的情況，這可能導(dǎo)致數(shù)字孿生模型不準(zhǔn)確，影響其應(yīng)用效果。

（2）復(fù)雜性和技術(shù)要求。數(shù)字孿生建模和應(yīng)用涉及到多個(gè)學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域的知識(shí)，需要跨越工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)等領(lǐng)域。對(duì)于軌道交通智能建造業(yè)來(lái)說(shuō)，建立和操作數(shù)字孿生模型需要專(zhuān)業(yè)的技術(shù)知識(shí)和專(zhuān)長(zhǎng)。此外，數(shù)字孿生模型的建立和使用需要使用高性能計(jì)算和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對(duì)計(jì)算資源和技術(shù)設(shè)施有一定的要求。而現(xiàn)有的計(jì)算資源與能力有限，大大限制了數(shù)字孿生普及與應(yīng)用程度。

（3）成本和資源投入。建立和維護(hù)數(shù)字孿生模型需要大量的成本和資源投入，包括硬件、軟件、人力等。這對(duì)于一些資源有限或預(yù)算有限的組織和企業(yè)來(lái)說(shuō)，可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。因此，需要評(píng)估投入和回報(bào)之間的平衡，找到適合可行的實(shí)施策略。

（4）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和互操作性。數(shù)字孿生涉及多個(gè)軟硬件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)來(lái)源的集成，其中可能存在不同的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和接口要求，目前數(shù)字孿生模型的建立方法并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的框架，確保各個(gè)系統(tǒng)之間的互操作性和數(shù)據(jù)交換的一致性是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。需要建立統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，以促進(jìn)不同系統(tǒng)之間的集成和信息共享，確保各個(gè)平臺(tái)接口之間數(shù)據(jù)有效互通。

（5）建模精度和復(fù)雜性。數(shù)字孿生模型需要準(zhǔn)確地反映實(shí)際的軌道交通系統(tǒng)和建筑結(jié)構(gòu)，這對(duì)建模的精度和復(fù)雜性提出了較高的要求。特別是對(duì)于大型和復(fù)雜的軌道交通系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，建立一致、準(zhǔn)確和可信的數(shù)字孿生模型是一個(gè)挑戰(zhàn)。需要合適的建模方法和工具來(lái)處理系統(tǒng)的復(fù)雜性。

（6）不確定性處理。在軌道交通智能建造中，許多因素都存在不確定性，例如材料特性、環(huán)境條件和人員行為等隨機(jī)因素。數(shù)字孿生模型在處理這些不確定性時(shí)可能面臨挑戰(zhàn)，需要采用適當(dāng)?shù)慕：头治龇椒▉?lái)考慮不確定性，并提供可靠的結(jié)果和預(yù)測(cè)。

（7）模型驗(yàn)證。數(shù)字孿生模型在建立之后需要進(jìn)行驗(yàn)證，以確保其準(zhǔn)確性和可靠性。這需要開(kāi)發(fā)相應(yīng)的驗(yàn)證方法和評(píng)估指標(biāo)，并進(jìn)行實(shí)地測(cè)試和對(duì)比分析。然而，在實(shí)踐中驗(yàn)證數(shù)字孿生模型可能會(huì)受到資源、時(shí)間和操作限制，這可能限制了模型的魯棒性和適用性。

（8）應(yīng)用案例較少。在工業(yè)4.0工具中，數(shù)字孿生是一種趨勢(shì)方法。雖然近年來(lái)數(shù)字孿生已經(jīng)流行，引起了工業(yè)界和科學(xué)界的高度關(guān)注，但最相關(guān)的數(shù)字孿生應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)主要來(lái)自特定行業(yè)，如航空航天和制造業(yè)，很少有實(shí)例應(yīng)用于已建成基礎(chǔ)設(shè)施，在建造過(guò)程中完全實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的案例非常罕見(jiàn)。

總體而言，數(shù)字孿生在軌道交通智能建造中的應(yīng)用潛力巨大，可以提高建造和維護(hù)效率和質(zhì)量。然而，要充分發(fā)揮數(shù)字孿生的優(yōu)勢(shì)，需要克服一些技術(shù)、管理和組織上的挑戰(zhàn)，并不斷改進(jìn)和創(chuàng)新。通過(guò)持續(xù)的研究和實(shí)踐，可以逐漸解決這些問(wèn)題，并在軌道交通行業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的成功應(yīng)用。

3.2 發(fā)展方向及展望

數(shù)字孿生在鐵路智能建造業(yè)的發(fā)展方向是非常廣闊且潛力巨大的。

（1）全生命周期管理。數(shù)字孿生可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路建造項(xiàng)目從規(guī)劃設(shè)計(jì)階段到施工、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)階段全生命周期的管理。通過(guò)數(shù)字孿生模型，可以集成各類(lèi)數(shù)據(jù)和信息，包括地理信息、施工方案、設(shè)備和材料信息等，以支持項(xiàng)目的決策和優(yōu)化。這可以減少建造過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)和變更，并提高項(xiàng)目交付質(zhì)量和效率。

（2）智能化施工和監(jiān)控。數(shù)字孿生可以應(yīng)用于鐵路建造項(xiàng)目中的施工管理和監(jiān)控。通過(guò)數(shù)字化建造場(chǎng)景和傳感器技術(shù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)施工過(guò)程的狀態(tài)和進(jìn)展，并進(jìn)行智能化的調(diào)度和協(xié)調(diào)。例如，實(shí)時(shí)追蹤設(shè)備和人員的位置和工作狀態(tài)，優(yōu)化施工流程，提高安全性和效率。

（3）虛擬培訓(xùn)和協(xié)作。數(shù)字孿生可以用于提供虛擬培訓(xùn)和協(xié)作環(huán)境，以支持鐵路建造工人和管理人員的培訓(xùn)和協(xié)作。通過(guò)數(shù)字孿生模型和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以創(chuàng)建逼真的建造場(chǎng)景，并模擬不同的施工任務(wù)和操作。這有助于提高工人的技能和安全意識(shí)，降低培訓(xùn)成本和風(fēng)險(xiǎn)。

（4）數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)決策和優(yōu)化。數(shù)字孿生可以提供大量的數(shù)據(jù)和信息，支持鐵路智能建造業(yè)的決策和優(yōu)化。通過(guò)數(shù)據(jù)分析和建模，可以識(shí)別潛在的問(wèn)題和風(fēng)險(xiǎn)，并預(yù)測(cè)建造和運(yùn)營(yíng)中的性能和需求。這有助于制定更有效的施工計(jì)劃、資源管理和維護(hù)策略，提高項(xiàng)目和系統(tǒng)的整體性能。使用智能傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，數(shù)字孿生可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和收集大量的工程和設(shè)備數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以被用于實(shí)時(shí)分析和反饋，幫助優(yōu)化施工方案和預(yù)測(cè)潛在問(wèn)題，從而提高工程質(zhì)量和安全性。數(shù)字孿生還可以促進(jìn)鐵路建設(shè)領(lǐng)域的協(xié)同合作和信息共享，通過(guò)建立云平臺(tái)和數(shù)據(jù)共享機(jī)制，實(shí)現(xiàn)不同部門(mén)和企業(yè)之間的無(wú)縫協(xié)作，提高整體施工效率。

（5）創(chuàng)新技術(shù)整合。隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和大數(shù)據(jù)等技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)字孿生可以與這些創(chuàng)新技術(shù)相結(jié)合，推動(dòng)鐵路智能建造業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展。例如，通過(guò)與無(wú)人機(jī)、機(jī)器人和自動(dòng)駕駛等技術(shù)的集成，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的勘測(cè)、施工和監(jiān)測(cè)，提高安全性和效率。還可以利用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，數(shù)字孿生可以分析海量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)隱藏的模式和規(guī)律，進(jìn)一步優(yōu)化施工工藝、資源配置和運(yùn)營(yíng)策略。這樣的智能決策支持系統(tǒng)有助于提高鐵路智能建造的效率和可持續(xù)性。再者數(shù)字孿生與虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）的融合，有助于實(shí)現(xiàn)更直觀、沉浸式的建造場(chǎng)景模擬和人機(jī)交互體驗(yàn)。工程師和施工人員可以通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)參與建造過(guò)程，進(jìn)行訓(xùn)練和規(guī)劃，減少人為失誤和事故風(fēng)險(xiǎn)。

總體而言，數(shù)字孿生將大大改善鐵路智能建造業(yè)的效率、可靠性和可持續(xù)性。通過(guò)數(shù)字化和智能化的方法，鐵路建造項(xiàng)目可以更加高效地進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)，并有效地管理和維護(hù)，從而提供更安全、可靠和環(huán)保的鐵路系統(tǒng)。

4 結(jié)論

數(shù)字孿生在軌道交通智能建造業(yè)中展現(xiàn)出巨大的潛力，其在軌道交通智能建造業(yè)中的應(yīng)用研究將對(duì)未來(lái)的軌道交通建設(shè)和運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生重要影響。它不僅能夠提升工程效率、降低成本，還可以改善施工質(zhì)量、優(yōu)化資源利用，甚至預(yù)測(cè)和避免潛在的故障和事故。數(shù)字孿生技術(shù)的普及將推動(dòng)軌道交通建設(shè)向更智能、可持續(xù)的方向發(fā)展。然而，數(shù)字孿生在軌道交通智能建造業(yè)中的應(yīng)用也面臨一些挑戰(zhàn)。例如，數(shù)據(jù)收集、隱私和安全性等問(wèn)題需要得到妥善解決；技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的建立需要加強(qiáng)；以及組織文化和管理體系的適應(yīng)性調(diào)整等。未來(lái)研究可著重關(guān)注數(shù)字孿生技術(shù)在軌道交通智能建造領(lǐng)域的持續(xù)推進(jìn)。將更多的智能傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入建造過(guò)程，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性。同時(shí)，結(jié)合人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大數(shù)據(jù)的深度分析和智能決策，進(jìn)一步優(yōu)化軌道交通建造的效率和質(zhì)量。此外，還應(yīng)加強(qiáng)各方之間的協(xié)同合作和信息共享，建立起全球范圍內(nèi)的數(shù)字孿生平臺(tái)和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，加快推動(dòng)數(shù)字孿生技術(shù)在軌道交通智能建造業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用。總之，數(shù)字孿生在軌道交通智能建造業(yè)中的應(yīng)用研究具有重要的意義和廣闊的發(fā)展前景。本研究為相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)界和業(yè)界提供了有價(jià)值的參考和啟示，同時(shí)也為相關(guān)研究的深入探索和實(shí)踐提供了方向和指導(dǎo)。