基于數(shù)字孿生技術(shù)的環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗平臺研究

呂向茹，范文娜，盧文龍，林 峰

（1. 北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司，北京 100081；2. 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；3. 中國鐵道科學研究院集團有限公司 國家鐵道試驗中心，北京 100015）

國家鐵道試驗中心環(huán)形鐵道（簡稱：環(huán)鐵）試驗基地始建于1958年，經(jīng)過60多年的發(fā)展，在高速鐵路、重載鐵路、高原鐵路、智能鐵路、城市軌道交通等領域，累計開展900余項重大科研試驗，對我國鐵路技術(shù)進步提供了強力支撐，在鐵路科技創(chuàng)新能力體系中發(fā)揮著不可替代作用。

數(shù)字孿生技術(shù)利用建模工具在信息空間構(gòu)建物理對象的精準模型，通過數(shù)據(jù)與模型集成融合的手段為物理實體賦能，提升服務功能和決策能力，進而推動整個業(yè)務流程閉環(huán)優(yōu)化[1]。近年來，國內(nèi)外針對數(shù)字孿生技術(shù)開展大量研究。Lu等人[2]提出從BIM到數(shù)字孿生的智能資產(chǎn)管理發(fā)展路線；Negri等人[3]研究數(shù)字孿生技術(shù)在基于CPS（信息物理系統(tǒng)）的生產(chǎn)系統(tǒng)中的應用；Qi等人[4]從數(shù)據(jù)融合和集成應用的角度對數(shù)字孿生技術(shù)在智能制造全過程中的應用進行研究；陶飛等人[5-6]對數(shù)據(jù)孿生車間的系統(tǒng)組成、運行機制和關鍵技術(shù)進行研究，提出車間物理世界和信息世界融合理論和實現(xiàn)方法。

多年來，各種檢測、監(jiān)測設備的設置，以及5G移動通信、北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)等信息基礎設施的建設，不斷增強環(huán)鐵試驗基地泛在感知和高速互聯(lián)能力，為環(huán)鐵試驗基地設備設施的全面互聯(lián)和智能管控提供了有利條件。但是，環(huán)鐵試驗基地的線路基礎設施、設備等資源的運行狀態(tài)尚未實現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)測和管控，各個試驗環(huán)節(jié)相對獨立等問題日益突出。為充分發(fā)揮環(huán)鐵試驗基地在中國鐵路技術(shù)創(chuàng)新中的戰(zhàn)略性平臺支撐作用，研究環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗平臺（簡稱：環(huán)鐵試驗平臺），基于環(huán)鐵試驗基地數(shù)字孿生模型開發(fā)集成應用功能，以期增強環(huán)鐵試驗基地的試驗服務能力，更好地服務于鐵路科技創(chuàng)新。

1 基于數(shù)字孿生技術(shù)的環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗平臺設計

1.1 環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗平臺構(gòu)想

環(huán)鐵試驗平臺物理空間和信息空間的融合交互是實現(xiàn)環(huán)鐵試驗基地數(shù)字化、智能化賦能的關鍵，而數(shù)字孿生是一種實現(xiàn)物理空間和信息空間有效融合的方法。運用新一代信息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立環(huán)鐵試驗基地數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)環(huán)鐵試驗基地的物理空間和信息空間雙向?qū)崟r映射和交互，在此基礎上搭建環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗平臺，如圖1所示，實現(xiàn)試驗要素、試驗過程、試驗數(shù)據(jù)的集成和融合，形成試驗資源優(yōu)化配置、試驗項目閉環(huán)管理新模式。

圖1 基于數(shù)字孿生技術(shù)的環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗平臺

環(huán)鐵試驗基地數(shù)字孿生模型的物理空間是指客觀存在的實體集合，包括環(huán)形鐵道以及環(huán)線上的接觸網(wǎng)、道岔、鐵塔、基站、信號機、應答器等，以及各試驗室和試驗室設備。環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗平臺的信息空間是對物理空間的數(shù)字化鏡像，主要功能是對試驗計劃、試驗過程進行模擬、分析和評估，并對試驗進行監(jiān)控和預測。在環(huán)鐵試驗基地數(shù)字孿生模型的驅(qū)動下，環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗平臺集成所有試驗要素，對試驗智能化管控提供支持和服務。

1.2 環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗平臺架構(gòu)

基于數(shù)字孿生技術(shù)的環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗平臺劃分為3個層次：數(shù)據(jù)層、模型層和應用層，如圖2所示。

圖2 環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗平臺架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)層：提供大數(shù)據(jù)服務、智能計算服務、地理信息服務、BIM服務以及北斗時空信息服務等數(shù)據(jù)服務。通過與大數(shù)據(jù)、BIM和GIS等技術(shù)結(jié)合，匯集環(huán)鐵試驗基地基礎設施、試驗設備和試驗過程等數(shù)據(jù)，提升環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗平臺的數(shù)據(jù)服務能力，發(fā)揮數(shù)據(jù)資產(chǎn)最大價值。

（2）模型層：提供模型構(gòu)建、數(shù)據(jù)—模型融合、屬性擴展、模型展示等模型服務。通過對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)-模型融合、可視化展示應用等技術(shù)的研究，構(gòu)建環(huán)鐵試驗基地路基、橋梁、隧道、軌道和四電等各專業(yè)模型，在信息空間刻畫環(huán)鐵細節(jié)、呈現(xiàn)環(huán)鐵體征、推演未來趨勢，使環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗平臺成為綜合信息載體。

（3）應用層：提供試驗管理、資產(chǎn)管理和調(diào)度管理等應用服務。在環(huán)鐵試驗基地數(shù)字孿生模型的支持下，從信息空間的維度構(gòu)建環(huán)鐵試驗基地試驗環(huán)境，精準模擬環(huán)鐵試驗基地資產(chǎn)和試驗設備實際運行情況，充分發(fā)揮環(huán)鐵試驗基地檢測/檢驗和認證等核心職能，提升環(huán)鐵試驗基地在鐵路技術(shù)裝備研制、鐵路建設和運營管理等方面的技術(shù)支撐能力。

2 環(huán)鐵實驗基地全域數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理

為了充分利用環(huán)鐵實驗基地試驗及運維產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)，提升數(shù)據(jù)存儲、管理、挖掘和應用的質(zhì)量效率，環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗平臺從環(huán)鐵實驗基地各數(shù)據(jù)源獲取原始數(shù)據(jù)，梳理各類業(yè)務數(shù)據(jù)在組織存儲、分類標準等方面的差異，實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)要素在同一時空體系中的有機融合，形成內(nèi)容完整的集中式全域數(shù)據(jù)資產(chǎn)。

環(huán)鐵試驗基地全域數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理包括數(shù)據(jù)匯集接入、數(shù)據(jù)存儲治理、數(shù)據(jù)主題域構(gòu)建、數(shù)據(jù)服務等過程。

2.1 數(shù)據(jù)匯集接入

確定接入數(shù)據(jù)范圍、接入數(shù)據(jù)來源，通過打通技術(shù)接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)接入，并開展數(shù)據(jù)登記；環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗平臺接入數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容見表1。

表1 環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗平臺接入數(shù)據(jù)

2.2 數(shù)據(jù)存儲治理

按照數(shù)據(jù)類型和應用方式進行分類存儲，實現(xiàn)數(shù)據(jù)高效存儲；通過數(shù)據(jù)清洗和治理，提升數(shù)據(jù)質(zhì)量。環(huán)鐵數(shù)字孿生試驗平臺數(shù)據(jù)存儲治理流程，如圖3所示。

圖3 環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗平臺數(shù)據(jù)存儲治理流程

（1）數(shù)據(jù)存儲：按照數(shù)據(jù)類型和應用方式對全域數(shù)據(jù)進行分類存儲。

（2）數(shù)據(jù)分析：分析數(shù)據(jù)是否存在缺失、異常或重復等情況，及時發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量問題，確保數(shù)據(jù)清洗效率和清洗效果。

（3）確定清洗方法：根據(jù)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù)質(zhì)量問題，結(jié)合相關業(yè)務規(guī)則，制訂相應的數(shù)據(jù)清洗方法。

（4）校驗清洗方法：為保證清洗方法的有效性，在進行數(shù)據(jù)清洗之前，先從數(shù)據(jù)源中抽取部分樣本進行驗證，檢驗所選方法的清洗效果是否符合要求。

（5）執(zhí)行清洗方法：根據(jù)所選定的數(shù)據(jù)清洗方法，編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)清洗流程。

（6）干凈數(shù)據(jù)回流：將清洗后的數(shù)據(jù)替換原來的“臟數(shù)據(jù)”，用于數(shù)據(jù)挖掘。

2.3 數(shù)據(jù)主題域構(gòu)建

從多個數(shù)據(jù)源獲取原始數(shù)據(jù)，主要針對試驗管理、資源管理、運營維護、安全防護、科技創(chuàng)新等不同業(yè)務領域，構(gòu)建包括模型數(shù)據(jù)、試驗數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、資產(chǎn)數(shù)據(jù)等不同類別的全域全要素數(shù)據(jù)，為環(huán)鐵試驗基地數(shù)字化應用場景提供數(shù)據(jù)支撐。環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗平臺數(shù)據(jù)主題域如圖4所示。

圖4 環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗平臺數(shù)據(jù)主題域

2.4 數(shù)據(jù)服務

環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗平臺將集成環(huán)鐵試驗基地相關各領域數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)一服務接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問、共享和分析等服務，提供完善的數(shù)據(jù)服務，供環(huán)鐵試驗基地試驗單位及運維單位依托數(shù)據(jù)服務開展一體化應用，充分發(fā)揮各類數(shù)據(jù)資產(chǎn)的價值。

3 環(huán)鐵試驗基地數(shù)字孿生模型

3.1 模型創(chuàng)建

鐵路工程不僅涉及了建筑領域，還涉及了橋梁、隧道、路基、軌道、通信、信號、牽引變電等眾多專業(yè)領域。鐵路工程建造過程中的每個領域均具有其特有的空間結(jié)構(gòu)和專業(yè)構(gòu)件。《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標準》（IFC）針對鐵路眾多專業(yè)領域進行了詳細的定義和擴展[7]。圖5給出了鐵路隧道領域類型、實體和屬性定義。

圖5 鐵路隧道領域類型、實體和屬性定義

在創(chuàng)建環(huán)鐵實驗基地數(shù)字孿生模型前，先在設計軟件或插件中對鐵路信息模型對象及相關屬性信息進行定義，定義過程如圖6所示。

圖6 鐵路對象定義過程

根據(jù)《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標準》，將鐵路各專業(yè)對象及其屬性和繼承關系描述為Schema對象，生成對應的XML格式文檔，可導入相應軟件進行解析。在具體應用中，對鐵路實體對象進行綁定，由此實現(xiàn)基于模型的信息傳遞和利用。

3.2 數(shù)據(jù)融合

環(huán)鐵數(shù)字孿生模型-數(shù)據(jù)融合技術(shù)路線如圖7所示。

圖7 環(huán)鐵試驗基地數(shù)字孿生模型-數(shù)據(jù)融合技術(shù)路線

基于環(huán)鐵試驗基地的試驗線、試驗室等設計圖紙和基礎設施設備臺賬，以及基礎地理數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、DOM數(shù)據(jù)、全景照片構(gòu)建三維實體模型和三維地形模型，借助Unity 3D引擎進行坐標轉(zhuǎn)換、位置轉(zhuǎn)換、配景模型創(chuàng)建、植被素材制作、圖像處理、貼圖、紋理材質(zhì)處理、屬性設置等模型優(yōu)化處理，并集成環(huán)鐵試驗基地實際運行數(shù)據(jù)，創(chuàng)建環(huán)鐵試驗基地數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的高效集成和融合[8-9]。

基于環(huán)鐵試驗基地數(shù)字孿生模型，環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗平臺可提供全景瀏覽、數(shù)據(jù)查詢、屬性編輯、場景模擬、特效展示、交互處理等應用服務。

4 平臺應用

環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗平臺可支撐環(huán)線和試驗室試驗管理、資產(chǎn)管理和調(diào)度管理等功能應用。

4.1 試驗管理

為環(huán)線上和相關試驗室內(nèi)開展的所有試驗項目提供全面的一體化管理應用，涵蓋試驗計劃、試驗流程、試驗過程、試驗結(jié)果及科研成果；基于試驗室和設備的三維仿真模型，提供室內(nèi)漫游、模型拆解、設備查看和試驗過程模擬等功能，幫助試驗方分析、驗證和評估試驗方案，輔助試驗方高效組織和管理試驗項目。試驗管理應用示例如圖8所示。

圖8 試驗管理應用示例

4.2 資產(chǎn)管理

創(chuàng)建環(huán)鐵試驗基地的資產(chǎn)管理臺賬，具有二維、三維和衛(wèi)星地圖3種展示模式，提供全景瀏覽、數(shù)據(jù)查詢、可視化分析等功能，實時動態(tài)展示環(huán)鐵試驗基地工務、電務、供電、通信、信號等專業(yè)，以及北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)、5G移動通信等基礎設施設備信息、報警信息和維修作業(yè)計劃，便于實時追蹤設備設施維修動態(tài)，為實施預防性維修提供數(shù)據(jù)支持，推動環(huán)鐵試驗基地資產(chǎn)管理和設備維護的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。資產(chǎn)管理應用示例如圖9所示。

圖9 資產(chǎn)管理應用示例

4.3 調(diào)度管理

依據(jù)試驗計劃自動生成列車運行計劃，列車運行過程中實時監(jiān)控環(huán)線信號設備和列車運行狀態(tài)，基于環(huán)鐵數(shù)字孿生模型實現(xiàn)列車運行場景的實時展示和視角切換，并根據(jù)列車運行位置和到發(fā)時刻，自動繪制列車實績運行圖。

調(diào)度管理應用示例如圖10所示。

圖10 調(diào)度管理應用示例

5 結(jié)束語

針對環(huán)鐵試驗基地試驗資源和試驗過程相對獨立，缺乏統(tǒng)一監(jiān)測和管控的問題，搭建了基于數(shù)字孿生技術(shù)的環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗平臺；實現(xiàn)環(huán)鐵實驗基地全域數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理，構(gòu)建環(huán)鐵試驗基地數(shù)字孿生模型，在此基礎上提供試驗管理、資產(chǎn)管理、調(diào)度管理等應用功能，實現(xiàn)環(huán)線和試驗室試驗計劃和試驗流程的統(tǒng)一管理，有助于優(yōu)化環(huán)鐵試驗基地試驗資源配置，進一步增強環(huán)鐵試驗基地的試驗服務能力。

目前，僅部分試驗室接入到環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗平臺，今后將持續(xù)推進環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗平臺的集成工作，將環(huán)鐵試驗基地配置的所有試驗設施設備及其數(shù)據(jù)資源全部納入環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗平臺。同時，結(jié)合環(huán)鐵試驗基地日益完善的試驗功能和不斷拓展的試驗項目，對試驗數(shù)據(jù)提取和交換技術(shù)、各類試驗設施設備的物理空間和信息空間映射和交互技術(shù)進行深入研究，在環(huán)鐵試驗基地實際運行過程中，不斷加強試驗資源、試驗計劃、試驗過程和試驗結(jié)果的有效管控，持續(xù)完善環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗平臺在支持數(shù)據(jù)資源共享、促進多種試驗項目協(xié)同方面的能力，推進環(huán)鐵試驗基地的數(shù)字化、智能化賦能。