基于數字孿生的環行鐵道智能鐵路試驗探索＊

林峰 王萬齊 王學義 閆曉春 張鄖

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司國家鐵道試驗中心；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司電子計算技術研究所

環行鐵道作為我國軌道交通科技創新的重要組成部分，有必要為鐵路數字化賦能轉型探索道路，推動智能鐵路高質量發展。本文從兩個維度對智能鐵路技術裝備探索進行了分析總結：（1）環行鐵道的數字孿生信息化建設實踐，對數字環鐵的概念內涵、總體構架和關鍵技術進行了闡述；（2）對在環行鐵道開展BIM 技術、綜合維修、周界入侵、鐵路災害監測系統等技術裝備的試驗驗證，為智能鐵路技術裝備研發與應用提供了參考。

近年來，云計算、物聯網、大數據、移動互聯網等技術興起，全球引發新一輪科技革命，產業變革進一步加速。國外等多個國家鐵路相繼提出了數字化與智能化發展的戰略規劃。智能鐵路是我國落實國家大數據、人工智能戰略與鐵路運輸深度融合發展的要求，是提升鐵路運輸服務質量、保障運輸安全、增強經營管理效率的重要手段，是引領高鐵發展的戰略方向。

在國鐵集團的支持下，于2000年成立了國家鐵路智能運輸系統工程技術研究中心，開啟了智能鐵路相關研究。歷經20 余年，取得了豐富的科研成果，并依托智能京張、智能京雄、智能蒙華等重大工程建設，相關研究成果將得以驗證、應用、推廣，基本形成包括核心關鍵技術、移動裝備、數據匯集及應用、標準規范等系列技術體系框架和成套解決方案。但是，智能鐵路的不斷突破發展，仍需要進一步深化數字技術、數據資源與鐵路行業的交匯融合。

環行鐵道試驗基地是中國最大、世界領先的綜合性試驗基地，具備各種半徑曲線、橋隧等60 種工況，擁有多個國家級科技創新平臺，各種檢測設施設備齊全，可在可控條件下模擬與正常運營線路相類似的條件，具備數字化探索的基礎條件以及推廣應用的先天優勢。因此，在新的形勢下，利用環行鐵道試驗基地為鐵路基于數字底座的數字化賦能轉型探索道路，是必要且可行的。

1 試驗基地數字孿生探索

試驗基地數字化建設簡稱“數字環鐵”。“數字環鐵”遵循智能鐵路的總體架構布局，通過對試驗基地數據的全域標識、試驗狀態與環境狀態的精準感知和泛在互聯、試驗業務的有序分析和模型可視表達，建設數字環鐵一體化平臺，開展智能鐵路技術裝備的試驗驗證（如圖1所示）。其中，物理空間和信息空間的整合交互是實現試驗基地數字化、智能化賦能的關鍵，而數字孿生是實現物理空間和信息空間雙向實時映射和交互的一種有效方法。

圖1 數字環鐵內涵Fig.1 The connotation of the digital test base

1.1 物理空間

“數字環鐵”的物理空間（如圖2所示）是由基礎設施、檢測監測設施、傳輸網絡、數據平臺等構成。

圖2 環行鐵道物理空間Fig.2 The physical space of the test base

（1）基礎設施主要是指全長61.1km 的試驗線路，由環行試驗線、城軌試驗線、標定線和站場線組成，包括軌道、路基、橋涵、隧道、接觸網、變電所、信號等基礎設施本體及其附屬物。

（2）檢測監測設施涵蓋移動檢測、地面固定監測、空天遙測和人工檢查四大類，其中移動檢測有綜合檢測列車和專業檢測列車，地面固定監測有軌道部件檢測、路基/橋梁/隧道狀態檢測系統、5T 綜合檢測系統、風雨雪異物侵限、周界入侵、視頻監測等，空天遙測有北斗監測和無人機等。

（3）傳輸網絡是聯結各信息系統、試驗線和實驗室的紐帶，是數字環鐵建設的前提，其功能是信息的獲取和傳遞。環行鐵路傳輸網絡是由近場通信、短距離通信、遠距離通信構成的立體傳輸體系，有5G 專網、GSM-R 數字移動通信系統、STM 有線傳輸系統、LTE-M 系統、WLAN、ZigBee、RFID、NFC 等形式。

（4）數據平臺主要是指計算機存儲和計算資源，用來歸集、存儲和管理數據，包括基礎設施臺賬、各類檢測數據、業務數據和外部相關數據，通過統計與智能分析等手段，將數據轉化為知識，輸出故障診斷、故障預測、健康評估、演變規律等分析結果，為科學決策提供支撐。

基于基礎設施的業務流程，是信息化的重要組成部分。環鐵試驗涉及科學研究、設計研發、檢驗認證、應用驗證四大類，包括移動裝備試驗、基礎設施試驗、運輸技術試驗等方面。

1.2 邏輯架構

數字環鐵依據智能鐵路總體結構布局，其總體結構自下向上分為感知層、傳輸層、平臺層、應用層（如圖3所示）。

圖3 數字環鐵邏輯架構Fig.3 The logic architecture of the digital test base

（1）感知層主要是實現對移動裝備、固定基礎設施狀態、環境、業務執行狀態的感知，主要通過各類智能傳感器、視頻識別、遙感技術等實現，獲取各種結構化數據（如監測數據、設備狀態、報警信息等）、半結構化數據（如日志文件、報告等）、非結構化數據（如視頻、音頻數據等）、實時數據。

（2）傳輸層實現數據的傳輸，包括數據傳輸設備及信息通道，主要基于有線光纖方式、公網無線傳輸、GSM-R、5G-R、北斗短報文、WiFi 等方式，各類系統之間采用MQ/REST/Socket/RTMP/RTSP/FTP/SFTP 數據通訊協議實現數據的采集傳輸，最終實現泛在高速、多網協同的立體無縫覆蓋。

（3）平臺層主要歸集、存儲、管理各類數據，構建數字環鐵全域數據，提供跨專業智能分析與服務共享。其中：1）結構化數據采用Sqoop 工具完成數據的收集，服務器與子系統之間用接口服務器作為中轉，采用MySQL數據庫；半結構化和非結構化數據采用Flume 工具進行收集，存儲到HDFS 分布式存儲系統中。實時數據通過接口服務器傳送至數據處理服務器，然后通過算法模型進行分布式計算。2）ETL 主要負責結構化數據的處理，其次完成半結構化和非結構化數據的處理；HadoopETL主要負責半結構化和非結構化數據的處理，同時也能完成部分實時數據的處理；流式計算ETL 則只負責實時數據的處理。3）采用HDFS 分布式文件系作為數據存儲服務平臺的基礎，在HDFS 架構上采用分布式數據庫，例如HBase、Hive，為面向SPL 或類SQL 提供數據接口。

（4）應用層主要為項目管理、運維管理、調度指揮、分析決策、安全監控、科研創新等方面提供支持，包括安全預警、趨勢分析、狀態評價、維修決策等。

2 智能鐵路試驗應用

2.1 BIM 技術應用

標定線設有隧道設備一座，全長205m。隧道內部共設有4 個試驗及標定功能區，包括2 個試驗段、1 個隧道檢測系統標定段以及1 個隧道病害模擬槽，用于開展裝配式隧道結構設計、施工工藝以及材料性能試驗研究并利用不同工況的隧道對地質雷達進行標定試驗（如圖4所示）。利用設計圖紙、影像數據、DEM 數據、DOM 數據構建三維實體模型，借助Unity3D 引擎進行坐標轉換、位置轉換、屬性設置等，集成環行鐵道試驗數據，創建環行鐵道數字孿生模型，實現多源異構數據的高效集成和融合[1]。

圖4 標定線隧道BIM 三維模型Fig.4 3D BIM model of calibration line tunnel

BIM 技術在智能鐵路建設過程中，涵蓋工程設計及仿真、工廠化加工、精密測控、自動化安裝、動態監測和信息管理等方面[2]。精細化的BIM 設計成果對保證工期、減少返工方面價值突出，但BIM 技術最大收益在運維階段，設計和建設階段產生的信息將貫穿全生命周期，在漫長的運維階段其價值將不斷增強。

2.2 綜合維修管理

工電供一體管理（如圖5所示）以環行鐵道數字資產管理為基礎，以自動診斷、綜合診斷、預測分析、決策支持、閉環管理為目標。通過檢測、巡檢、監測等數據，提取故障特征，開展故障成因分析，構建故障庫；通過對交互作用的故障進行綜合診斷，便于進行跨專業綜合診斷；預測未來設備狀態的發展；優化維修養護計劃；通過仿真模擬技術對鐵路運維過程中的施工組織、資源調配、運維管理等關鍵流程進行優化；實現從檢測檢查、數據分析、生產調度、現場作業到質量評價的生產信息化閉環管理[3]。

圖5 數字環鐵一體化運維Fig.5 Integrated maintenance management system

基礎設施一體化管理體系建設，為各檢測系統互聯互通，加強檢測監測、運營維護的關聯分析、深度分析，動態掌握設備狀態、提高安全風險預警能力，提高設備養護維修精準度節約維修成本的重要嘗試。

2.3 周界入侵試驗驗證

針對威脅鐵路運行安全的破壞行為，設置振動光纖、電子圍欄、光波對射、視頻監控模式識別、微波探測、復合傳感探等試驗驗證平臺。試驗如圖6所示，選取業務主流設備供應商10 家，對環境適用性、系統準確可靠性能進行專項性能驗證和橫向比對。

圖6 周界入侵試驗布置圖Fig.6 Perimeter intrusion test layout

試驗驗證了一種全天候綜合識別技術較Faster RCNN提高了4%；改進的Cascade Mask R-CNN 模型實現了對于小目標檢測F-measure 提高了0.24，解決了不同場景下鐵路周界入侵檢測問題，提高了視頻小目標檢測的準確率[4]。

2.4 鐵路災害監測系統驗證

風雨雪綜合試驗區（如圖7所示），對高速鐵路災害監測系統的災害規律分析、災害預測、運用規則優化、監測點布設優化、設備選型、設備狀態分析等進行試驗測試。

圖7 風雨雪和異物監測比對區Fig.7 Wind,rain,snow and foreign body monitoring and comparison area

通過試驗驗證，優化大風報警閥值，可有效降低報警次數；電源故障是系統設備的主要故障，需要進行重點監測和維護。研究成果可解決目前災害監測系統運用和維護中遇到的問題，為災害監測綜合分析與應用研究提供技術支持[5]。

3 結論

信息化真正發揮作用的在于和業務場景相結合，充分利用鐵路的資源優勢，發掘和釋放數據資源的潛在價值，將有益于全面提升鐵路信息智能化的經營開發水平。本文首先對環行鐵道數字環鐵平臺項目進行了介紹，對數字環鐵概念內涵、總體構架和關鍵技術進行了闡述；基于數字環鐵的智能鐵路技術裝備試驗。通過技術創新建設高質量的試驗環境，提供高效便捷的協同能力，為智能鐵路技術裝備研發與應用提供參考。