德國鐵路數字孿生戰略

數字孿生是現實世界事物的數字化映射，是工業4.0應用程序的基礎。近年來，德國鐵路股份公司（Deutsche?Bahn，DB）實施數字技術戰略，創建鐵路系統數字孿生，并將其作為德國鐵路未來發展的核心和基礎。文章將簡要介紹DB的數字孿生戰略。

1 數字孿生概述

1.1 定義

數字孿生是將工業產品、制造系統、城市等復雜物理系統的結構、狀態、行為、功能和性能映射到數字化的虛擬世界，通過實時傳感、連接映射、精確分析和沉浸交互來刻畫、預測和控制物理系統，實現復雜系統虛實融合，從而使系統全要素、全過程、全價值鏈達到最大限度的閉環優化。其能夠以數字化的方式描述和映射對象、人員和流程，并以可理解和進一步處理的格式提供各種信息；除數據之外，其還可進行算法分析、模擬仿真等，以描述和影響所代表對象在過去、當前或未來的屬性和行為。例如，利用軌道車輛的數字孿生可以預測軌道車輛在不同情況下的運行狀況，并進行趨勢分析和維護場景模擬，分析和模擬的結果有助于優化車輛維修流程，提高維修質量。

數字孿生潛力的發揮只能通過各領域、合作伙伴及供應商之間的信息交互實現。

1.2 價值

鐵路系統數字孿生是以實時監控、測量、診斷等系統提供的數據為基礎創建的；通過對這些數據進行分析和評估，能夠預測車輛及鐵路基礎設施的故障，實現其預測性維修，從而降低維修成本，提高維修質量和效率。

鐵路系統數字孿生還將在調度中發揮重要作用。在未來，列車調度決策將以運營數據和人工智能（AI）模擬為基礎。利用數字孿生可以實時檢測運營中出現的故障并將其整合到模型中，從而達到故障自動處置的目標。

2 DB的數字孿生戰略

創建鐵路系統數字孿生是DB數字技術戰略的重要組成部分，也是實現“強大鐵路（Starke?Schiene）”目標的關鍵因素（圖1）。DB計劃利用數字孿生，獲得其所有系統的完整、全面數字化映射（包括所有組成部分、參與者、影響因素及其相互關系），并以此為基礎進行仿真模擬，以識別各系統中的弱點，并有針對性地進行優化，從而顯著提高系統性能。實施數字孿生戰略的目標是，提高公司資產的可用性和盈利能力，改善客戶服務質量。

圖1 DB鐵路系統數字孿生示意圖

為在不久的將來實現這一愿景，DB以現有技術方法為基礎，與各相關部門、企業展開密切合作，共同創建DB鐵路系統數字孿生。

3 數字孿生戰略的實施

目前，DB的車輛及鐵路基礎設施上已經安裝了各種傳感器和智能設備，為數字孿生戰略的實施奠定了物質基礎。DB從2017年開始實施的TecEx計劃以及2020年開始實施的“數字化維護”計劃中積累了大量相關經驗和數據，這2項計劃成為進一步推進數字孿生戰略的重要引擎。DB負責信息技術（IT）業務的子公司DB?Systel、負責鐵路技術業務的子公司DB?Systemtechnik以及德國數字鐵路（Digital?Rail?Germany）團隊也進行了大量相關研究，取得了豐碩的研究成果，為創建DB鐵路系統數字孿生提供了理論和知識保障。

數字孿生戰略的成功實施需要開放的態度、靈活的方法作為支撐。為促進合作和交流，DB推出了數字孿生社區，在開展公司內部信息交流的同時，積極尋求與其他設備制造商、系統供應商、鐵路運營商及研究機構的對話與合作。

數字孿生戰略的實施需要一種整體方法。DB通過開展物聯網燈塔（Leuchtturm）項目（圖2），確立數字孿生戰略實施原則，為其運作設定統一的路線，并且對其實施過程進行協調和控制。目前，DB正在重點針對列車空調、車門和轉向架等部件，創建“數字列車孿生”（這是物聯網燈塔項目的組成部分），以便為數字孿生整體戰略的推進摸索方法、積累經驗（圖3）。

圖2 物聯網燈塔項目

圖3 數字列車孿生示意圖

4 廣泛的信息交互

數字孿生的一個重要特征是信息的廣泛交互，這不僅指傳感器信息和數據的交換，還包括與設備制造商、系統供應商、鐵路運營商等合作伙伴之間的互動。因此，DB與上述合作伙伴互利互信、密切合作，并與各大學長期交流，啟動進一步的研究項目，旨在對現有組件進行進一步開發和優化，以滿足實施數字孿生戰略的要求。

5 實施數字孿生戰略面臨的挑戰

目前，數字孿生戰略的實施還面臨著諸多的挑戰，除需解決建模等技術問題外，流程和法規也必須進行相應的變更。這需要許多單位和人員的參與和協調，而且往往非常耗時。

6 結語

數字孿生是有生命的物體，就如同其真實對應物一樣，會經歷成長、成熟的過程，必須對其進行持續的開發和維護，使其適應不斷變化的需求。在這過程中，必須保持開放的態度，積極尋求與其他公司、合作伙伴和機構的對話與合作。數據交換及提供基于AI和仿真模型的數字服務是成功實施數字孿生戰略的關鍵。DB將為此不懈努力，以實現數字孿生戰略的成功落地。