基于數字孿生技術的動車組運維管理系統架構研究

陳 彥，賈志凱，孫 鵬，王忠凱

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081）

數字孿生技術是當前信息技術與工業融合應用的研究熱點。文獻[1]～文獻[6]從產品設計、制造、運維等方面對數字孿生的定義和應用進行了研究。數字孿生技術典型應用是產品遠程運維，通過在產品中嵌入傳感器，采集產品的關鍵運行參數并傳回產品運維中心，通過對數據進行處理分析，實時監測和預測產品狀態，根據產品狀態及時組織維護，降低產品故障和停機風險。

動車組是復雜的大型運輸設備。我國動車組配屬數量多，車型平臺多，運行速度高，安全運營和經濟維修面臨巨大挑戰。為此，我國在高鐵建設同期自主研發了覆蓋全路的動車組管理信息系統，從動車組制造環節開始，對動車組運維的計劃、作業、物流、技術、履歷等方面進行全面管理。陸續建設了動車組車載信息無線傳輸系統（WTDS，Wireless Transmit Device System）、動車組運行故障動態圖像檢測系統（TEDS，Trouble of moving EMU Detection System）、動車組滾動軸承故障軌旁聲學診斷監測系統（TADS，Trackside Acoustic Detection System）等一系列動車組行車安全監測系統，對動車組的運行狀態進行實時監測，及時發現行車安全隱患，進行報警和預警，有力保障了動車組的檢修質量和安全高效運行。近年來，隨著我國智能高鐵的發展，動車組健康管理[7]和智慧動車段[8]的理念相繼提出，對動車組數據挖掘和信息融合展示提出了更高的要求。為此，本文借鑒數字孿生技術在產品遠程運維中的應用經驗，利用數字孿生“虛實結合，以虛控實”的特點，以現有系統數據為基礎，通過統一接入、處理和分析，監測動車組狀態，預測動車組狀態變化趨勢，全要素融合展示生產過程，為運行故障應急處置人員超前發現和規避運行安全風險提供服務，幫助生產調度人員全面掌握檢修生產情況。

本文分析動車組運行和檢修場景下的數字孿生應用需求，明確數據采集和應用展示需求。在此基礎上，構建數字孿生技術應用的總體架構，設計了數字孿生動車組、數字孿生運用所和數字孿生高級修車間3 大應用。

1 應用需求

1.1 動車組運行監測需求

在動車組運行過程中，借鑒應用產品遠程運維模式，利用車載傳感設備、軌旁運行監測設備和運行環境監測設備，采集動車組的狀態和運行環境數據，通過處理分析這些數據，監測動車組的運行狀態，及時發現和規避運行安全風險。構建與動車組實體對應的數字孿生動車組，以動車組3D 模型為載體，綜合展示動車組關鍵系統的實時技術狀態參數、變化趨勢、故障報警、故障預警、健康狀態等信息，為調度人員、運行故障應急處置人員、隨車機師提供服務，便于他們掌握動車組動態，及時采取措施，保障動車組安全有序運行。

1.2 動車組檢修管理需求

在動車組檢修過程中，生產調度人員需要掌握動車組及維修部件的位置、檢修進度、設備狀態等多源信息，進行生產組織協同指揮。當前，信息化系統的作業過程監控功能都是單一維度的信息展現，如僅展示動車組位置，沒有綜合展示動車組的檢修狀態、相關設備狀態的信息，而且展示形式為二維平面方式，不夠立體直觀。為此，實時采集動車組、部件、檢修設備數據，建立與檢修車間實體對應的數字孿生車間，以車間3D 模型為載體，綜合動態地展示動車組位置及調車作業過程、檢修進度、設備運行動作、設備狀態等信息，支持調度人員全面掌握生產情況。

2 總體架構

數字孿生技術應用所需數據采集依賴行車安全監測設備、檢修生產設備及運行環境監測設備，這些設備通過各類傳輸網絡，接入相應的運維信息化系統，以這些信息化系統為數據源，根據應用需求提取相關數據，形成信息空間，在此基礎上，形成數字孿生動車組、數字孿生運用所和數字孿生高級修車間3 大應用。

基于數字孿生技術的動車組運維管理系統總體架構，如圖1 所示。

圖1 基于數字孿生技術的動車組運維管理系統總體架構

2.1 物聯感知層

動車組運維物聯感知分為2 部分：（1）在動車組運行過程中，需要對動車組的狀態進行實時跟蹤和監控，包括動車組的空間位置、外部環境、使用狀況、技術狀態等；（2）動車組檢修過程中信息采集，基于傳感技術、移動互聯技術、電子標識技術，對動車組檢修作業過程中的維修對象、檢修人員、生產物料、生產環境等要素進行全面感知。

在動車組運行過程中，通過車載傳感器，對動車組關鍵系統和部件狀態進行實時信號采集，綜合感知工作狀態、運行環境、司乘操作等信息。通過軌旁監測診斷設備，利用光學、聲學、力學等感知技術手段，實現故障動態圖像、軸承早期故障和機械異響、車輪踏面損傷缺陷和不圓度、動車組軸溫等運行狀態信息的檢測。

在動車組檢修過程中，針對維修部件和維修資源（檢修人員、檢修設備、工具工裝、物料、托盤），結合動車組維修現場的特點和需求，利用條碼、無線射頻識別（RFID，Radio Frequency Identification）等技術進行維修資源信息標識，利用手持終端或者工位上的固定式RFID 閱讀器進行標識信息識別。利用數字化檢修檢測設備采集動車組、關鍵部件的技術狀態信息。

2.2 網絡傳輸層

利用蜂窩無線通信、現場總線、工業以太網、以太網、無線局域網，構建多協議、多類型融合的覆蓋動車組運行和檢修的信息傳輸網絡，如利用GSM-R 傳輸動車組運行的實時車載傳感器數據，現場總線獲取數字化檢測設備的設備狀態、檢測對象技術參數等數據。

通過物聯網網關實現OPC-UA、MQTT、Modbus、Profinet 等主流工業現場通信協議轉換，支持現場總線、有線網絡、無線網絡的通信互聯。

將采集到的數據按照與行車安全監測系統、動車組管理信息系統之間的接口要求，提取相關數據進行轉換和處理后，傳輸至行車安全監測系統、動車組管理信息系統。

2.3 數據源層

數據源層負責從動車組運維物理世界里獲取信息空間所需數據，是連接物理世界與信息空間的紐帶。數據源層由現有的動車組運維相關系統構成，主要包括行車安全監測系統、動車組管理信息系統、主機廠系統、關鍵部件造修企業系統和中國國家鐵路集團有限公司（簡稱：國鐵集團）數據服務平臺。行車安全監測系統、動車組管理信息系統、主機廠系統、關鍵部件造修企業系統是動車組運維相關信息系統，涵蓋動車組制造、運用、檢修等全生命周期關鍵環節。這些數據經過多年應用，采集和積累了大量的行車狀態、運用、檢修、履歷、故障、構型等數據。國鐵集團數據服務平臺接入工務工程系統、牽引供電系統、通信信號系統和調度系統數據，為動車組運維提供線路、供電、信號等運行環境數據。

2.4 數據采集層

針對現有系統積累的數量龐大的多源異構數據，根據數據應用需求，預定義數據抽取規則，將數據源層系統中的數據抽取至數據采集層。根據應用需要，采集的數據包括基礎數據、計劃數據、作業數據、檢修檢測數據、運行環境數據、行車監測數據、履歷數據、故障數據。

2.5 數據管理層

數據管理層負責數據處理、存儲和治理。針對數據采集層數據，在預定義數據處理規則的基礎上，進行數據的識別、清洗、轉換、整合。綜合運用列式存儲數據庫（如Cassandra、HBase 等）、文檔型數據庫（如MongoDB 等）、Hadoop 分布式文件系統（HDFS，Hadoop Distributed File System）、關系型數據庫（如PostgresSQL）進行數據存儲，結合數據治理實現數據的規范、稽核與管理。

2.6 服務支撐層

服務支撐層提供2 類支持：（1）數據服務；（2）模型算法。

數據服務包括一系列的服務管理功能，如服務申請、服務生成、服務測試、服務發布、運行監測、安全認證。服務申請由使用方提出，主要明確數據查詢輸入條件、輸出數據、服務方式等內容；根據數據服務需求，定義數據提取和處理規則，由數據采集層和數據管理層分別實現數據的提取和處理，在此基礎上，進行數據的標準化封裝，形成數據服務，經過測試后發布，提供給服務申請方使用；數據服務運行過程中，還對數據服務進行監測。

模型算法服務是針對數字化精準預防修需求，運用神經網絡、深度學習等技術，提供生產計劃排程、故障診斷和預測、健康狀態評估的模型算法。

2.7 應用展示層

基于3D 可視化和交互技術，通過數字孿生動車組集中展示動車組運行過程中的實時狀態、故障報警（預警）、健康狀態等信息；通過數字孿生運用所和高級修車間集中展示動車組、關鍵部件、維修設備、生產環境等生產元素信息。

3 數字孿生技術應用設計

3.1 數字孿生動車組

基于動車組運行過程中實時數據采集和分析，構建數字孿生動車組，利用3D 可視化技術和交互技術，直觀展示動車組和關鍵系統的狀態、故障報警（預警）、健康狀態等信息。隨車機師、運行故障應急處置相關人員可通過輸入車組號，查看數字孿生動車組，實時掌握動車組運行狀態和趨勢，超前防范運行風險，提高應急處置效率。

數字孿生動車組的具體應用如下。

（1）狀態參數展示

在動車組關鍵系統和部件3D 模型上，實時顯示對應物理實體的狀態參數。

（2）故障報警展示

基于綜合行車安全監測、故障庫等多源信息，應用故障綜合研判模型，診斷故障發生的部位和原因。發生故障的系統和部件模型以紅色閃爍方式進行報警。可點擊發生故障的系統和部件模型，查看具體信息。

（3）故障預警展示

基于動車組運行狀態和運行環境數據，進行性能演化規律綜合分析，結合當前實時狀態，推測狀態參數變化趨勢。若超出報警閾值，對應關鍵系統和部件模型以黃色閃爍方式預警。可點擊關鍵系統和部件模型，查看狀態參數變化曲線和預警信息。

（4）健康狀態展示

基于動車組運行狀態實時數據和趨勢預測數據，應用健康狀態評估模型，對動車組及部件健康狀態進行評分。在對應的關鍵系統和部件模型上顯示健康狀態評分。

3.2 數字孿生運用所和高級修車間

運用所承擔動車組的一二級修，其特點是與開行緊密結合，直接關系到動車組的安全運行和高效運用。一級修為例行檢查，主要工作內容是更換、調整和補充消耗部件，檢查各部分的狀態和性能，特別是車下懸吊件的安裝情況；二級修為重點檢查，主要工作內容是按照規定要求進行動車組外觀檢查、性能試驗和安全性檢測，重點檢查輪對踏面和車軸。生產調度人員需要掌握動車組位置、檢修進度、檢修股道狀態、調車作業過程等信息。

動車組高級修是分解檢修，分為車體檢修和部件檢修2 部分。車體檢修時，車輛需要停放在檢修股道上完成相應的維修作業，維修活動包括：維修部件與車體分離，車組解編，車輛維修，車輛轉線，維修部件與車體連接，車體編組等。生產調度人員需要掌握車組/車輛位置，調車作業過程，車組/車輛檢修進度，檢修股道狀態等信息。部件檢修時，部件按照現場工藝布局進行流水線檢修作業，維修活動包括：部件分解，零件維修，部件組裝等。生產調度人員需要掌握部件所在工位和檢修進度等信息。

圍繞動車組檢修作業過程，實時采集動車組檢修進度、停放位置、股道狀態、檢修設備狀態等信息，構建數字孿生運用所和高級修車間，集成展示動車組檢修活動，協助生產調度人員全面掌握生產情況。

數字孿生運用所和高級修車間具體應用如下。

（1）生產布局展示

基于運用所物理實體，構建運用所3D 模型，立體展示運用所的生產布局，包括檢修股道、3 層作業平臺、存車場、檢修設備等生產元素模型。

基于高級修車間物理實體，構建高級修車間3D模型，立體展示運用所的生產布局，包括檢修股道、3 層作業平臺、存車場、檢修工位、檢修流水線、檢修設備等生產元素模型。

（2）設施設備狀態展示

在運用所和高級修車間3D 模型上，實時展示股道狀態（有電、無電）、檢修設備的狀態。接觸網模型有電作業時用紅色標識，無電作業用綠色標識。可點擊接觸網模型，查看有電作業開始時間、作業計劃時長等信息。檢修設備模型狀態正常時用綠色標識，出現故障時用紅色標識。可點擊檢修設備模型，查看設備開機運行時間，故障信息及處理進度等。

（3）檢修進度展示

在運用所3D 模型上，實時展示動車組停放的股道、車組重聯狀態、車頭方向。可點擊動車組模型，查看一二級修作業進度信息。

在高級修車間3D 模型上，實時展示部件在檢修流水線的位置及流轉過程。可點擊部件模型，查看部件當前檢修工序的作業進度。

（4）故障處理過程展示

對于發現故障的車輛/部件，在其對應的車輛模型用紅色閃爍方式進行報警。可點擊該模型，查看故障信息及處理進度，故障處理完成后，對應車輛模型顯示為綠色。

（5）調車作業展示

在運用所和高級修車間3D 模型上，基于調車作業計劃，實時展示動車組的調車作業進路及在各線區的轉線過程。

4 結束語

本文探討了數字孿生技術在動車組運維管理中的應用，設計了基于數字孿生技術的動車組運維管理系統總體架構及3 大應用，可以為解決現有動車組運維存在的“數據有余，信息不足”問題提供借鑒，有助于推動動車組運維機制從預防性維護向預測性維護轉變。