軌道行業無線監測的數字孿生系統應用

摘要：為了確保我國城市軌道交通行業運營安全，基于無線信號監測的數字孿生系統也獲得了快速發展。為了更好地保軌道行業的安全發展，對數字孿生系統進行了介紹，分析了軌道行業無線系統應用場景及面臨的挑戰，并對軌道行業無線監測數字孿生系統架構及其具體應用進行了探討。通過該系統的應用，可以及時掌握施工的進度，并對施工的質量進行有效監測，極大地提高了施工的質量、交付的效率和網絡的質量。

關鍵詞：數字孿生系統；軌道行業；無線監測

一、前言

近些年來，我國城市軌交行業的建設如火如荼，無線信號作為軌道行業的重要組成部分、智能化升級的組成部分、數據通道的傳輸設備，其重要性也逐步提升。隨著軌道行業的智慧化提上日程，基于軌道行業無線信號監測的數字孿生系統應用也在逐步進入到軌道行業，對保障運營安全起到越來越大的作用。

二、數字孿生系統概述

數字孿生系統是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的建模及仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。隨著物聯網技術、人工智能、虛擬現實技術和云計算能力的不斷發展，更多的工業產品、設備具有了智能屬性，而數字孿生系統也逐步擴展到了包括制造和服務在內的產品的整個周期，并不斷豐富著數字孿生的形態。數字孿生最重要的意義在于，它實現了物理系統到CPS（信息物理系統）的反饋。數字孿生貫穿產品的全生命周期，在不同階段引入不同生產要素，產生不同的表現形態[1]。在軌道行業的無線領域建立數字孿生系統，主要有三個步驟。

（一）基于場景的無線信號模型設計

構建軌道行業室分場景、漏纜場景、CBTC空間無線場景的模型，此三個模型基本囊括了地鐵空間的無線場景。無線通信模型包括室內有線天饋網絡、漏纜信號系統、基站及RRU系統等子模型。該子模型與站臺、站廳、隧道的建筑子模型集合形成無線信號與建筑模型的融合數字孿生模型。

（二）基于數字孿生的無線信號監測

數字孿生系統對于監控環節起作用的方式之一是需要感知無線信號的狀態并且將該信號量化，實現虛擬世界與現實世界的聯動。量化的維度包括信號強度、駐波參數、鏈路插損、干擾頻率、鏈路可用率等維度，不同的場景需要對應的參數評估。

（三）基于數字孿生的分析及決策

數字孿生系統通過無線感知后，經過人工智能進行分析，得到整個無線系統及各個子系統的健康狀態報告，指導運維和系統優化。基于軌道行業無線信號檢測的數字孿生主要應用于服務階段，針對無線信號，利用傳感設備，進行數字孿生建模及實時監測、反饋并能夠提供預測信息的數字孿生系統，有助于提升軌交系統的智能化改造和升級。將傳統的“故障修”升級為“狀態修”。設計效果見圖1。

三、軌道行業無線系統應用場景及挑戰

地鐵無線信號覆蓋場一般包含站廳、站臺、地下區間隧道、廣域空間等區域。地鐵站廳連接地面及站臺層，站廳層為購票區域、站臺層為旅客候車區。包括如下無線系統。

（一）軌道行業室分系統

針對軌道行業的站臺和站廳的專網信號覆蓋方式，一般采用室分系統，該系統指的是室內分布系統，主要是將基站信號引入室內，解決室內盲區覆蓋問題，可以有效解決信號延伸和覆蓋，改善室內通信質量。室分系統無源器件主要包括電橋、耦合器、合路器、功分器、負載、衰減器、濾波器等；有源器件主要包括直放站、干線放大器等。對于室分系統來說，器件類型較多，包括合路器、功分器、饋纜、室分天線等多種類型的無源器件，且故障點多，驗收方式粗放，易出現設備規格異常、輸入輸出接反、接頭脫落、天線異常等故障現象，一旦發生故障需要爬天花梳理線纜的隸屬關系，維修困難、維修時間長。

（二）軌道行業漏纜系統

泄漏同軸電纜不僅廣泛應用于鐵路和車輛之間的無線電通信，還廣泛應用于與移動物體有關的遠程單元和控制單元以及便攜式無線電話。軌道行業的漏纜系統中承載了專用無線、車地無線、公安無線等無線網絡，是車輛運行及軌交系統安防的“生命線”。對于漏纜來說，由于工程問題、無源器件老化問題、自然環境因素等導致漏纜射頻特性異常，影響通信信號的質量，甚至可能造成通信中斷。

（三）車地無線通信系統

CBTC列車自動控制系統信號可以實現車—地之間的雙向通信，并且傳輸信息量大，傳輸速度快，所用頻段可能采用2.4G的unlicense頻段或者1.8GHz的頻段，該頻段可能與Wi-Fi或者其他行業專網無線信號產生同頻或者鄰頻干擾，特別是在具有地面站、露天站的站臺、站廳區域，受干擾的概率更高。

四、軌道行業無線監測數字孿生系統

軌道行業數字孿生系統包含MetaSys軌道行業無線信號數字孿生平臺、AnteSense室分智能監測系統、OmniReach無線智能監測系統、CableSense漏纜監測系統4個網元，主要應用場景為軌道行業專網無線信號全生命周期的健康狀態監控，補齊了軌道交通領域無線檢測細分場景的應用短板。MetaSys數字孿生軟件與AnteSense、OmniReach、CableSense產品相融合，形成整套的軌道交通行業監測解決方案，該系統基于超高頻感知、射頻識別、身份驗證、軟件無線電技術等智能硬件技術，實時感知軌交專網室分、無線及漏纜無線信號的質量數據，提升了軌道行業無線信號監控方案，提供了工程現場無線信號的度量標準，實現了無線信號從“故障修”到“狀態修”的運維理念升級，補齊了軌道細分領域無線信號質量實時監測的短板，獲得行業認可。

（一）軌道行業工業MetaSys數字孿生系統功能

主要結合二維圖形、視覺技術形成交通行業精確到亞米級別數字孿生模型。數字孿生模型采用地理空間3D建模技術，構建軌道線路的無線室分信號、CBTC信號、漏纜信號的3D模型，提供了無線信號監測的3D可視化平臺。采用人工智能數據過濾技術實現對于無線空間信號監測數據的過濾和分析，提取干擾信號、異常信號的網絡數據，評估鏈路可用度，提升交通行業的安全系數。

（二）AnteSense軌道室分智能監測系統原理

AnteSense軌道室分智能監測系統創造性將無源物聯網技術應用于室分信號與漏纜信號的感知。通過主機將覆蓋信號與檢測信號實現合并傳輸，并且配套了超高頻無源物聯網天線，獲取室分天饋系統中的鏈路衰減數據，并將這些數據傳輸到數字孿生系統中的數據處理系統，達到了實時感知室分信號質量的效果。該系統可以支持40dB以上的室分鏈路探測，可支撐室分網絡信號質量在數字孿生系統中精確建模、預測和優化。

（三）OmniReach軌道無線智能監測系統原理

OmniReach軌道無線智能監測系統通過融合多制式協議棧處理技術、編解碼技術、多頻軟件無線電技術，可實現頻譜掃描、多頻段（2.4G、5.8G、1.8G）、多制式的解碼特性，更準確地分析無線干擾信號的信息，實現了無線監測領域的創新。該平臺競爭力主要在多協議棧處理技術，共硬一臺設備就可實現LTE、Wi-Fi、專網無線信號的多協議解碼，解析無線信號的preamble、信道參數、網絡參數、頻段信息，更全面分析無線環境。相對于競品只能分析出干擾信號功率，該系統可以洞悉、區分全網所有被測信號，分析更全面，特別是對于同頻信號的偵測具有無可比擬的優勢。

（四）CableSense軌道漏纜監測系統工作原理

CableSense采用的無源物聯網無線信號作為激勵源，通過定制標簽對漏纜傳輸特性進行檢測，檢測環節包括接頭、拖拽、踩踏、過度彎折及磕碰形成的物理損傷等，檢測顆粒度可以達到dB級別。

五、軌道行業無線監測系統架構

（一）AnteSense軌道室分智能監測系統

軌道行業數字孿生系統中的AnteSense采用無源物聯網作為基礎理論，系統架構見圖2。系統工作流程如下。

1.系統建模

通過AnteSense后臺的數字孿生系統平臺定制對應的站臺、站廳建模，建模成功后，形成空間模型、室分信號鏈路模型的融合模型。

2.天線錄入

系統正常部署之前，需要將智能天線的EPC信息與天線、區域的對應關系錄入AnteSense的平臺端，支撐數字孿生系統對于每一個室分網絡的對應關系，并進行標注。

3.制定策略

系統部署完成后，通過AnteSense主機進行鏈路監測策略的制定，包括監測周期、告警等級、告警處理策略等。

4.鏈路監測

主機根據策略，按周期進行激勵信號的發送、與智能天線交互，獲得對應的每一個室分信號的無源網絡的插損信息，通過對比建設原理和驗收數據，提供網絡健康狀態的結論[2]。

5.問題排查

若數字孿生系統發生致命告警，需要對對應的無源網絡子網、饋纜、天線進行逐一更換和排查，并觀測數字孿生系統狀態，直至完成問題的排查。

AnteSense的系統優勢及特點如下：

一是管理范圍寬：每個單元可有效監測一個多頻合路器、POI所連接的所有室分器件、電纜、天線及其節點的工作狀態。

二是定位粒度細：系統故障定位精度可達到一個器件、一個天線或一條電纜的兩個節點。

三是監測無損化：監測探針部署在鏈路最末端，系統工作時無需逐段斷開鏈路節點進行排查檢測，不會影響網絡的正常運行。

四是排查速度快：一次檢測過程可實現對一個合路器、POI所連接的所有室分器件、電纜、天線及其節點的工作狀態進行檢查[3]。

五是協調難度小：探針工作無需電源，監測主機可與RRU共享電源，不會增加對物業的特殊要求。

六是部署效率高：采用外置探針，每個監測單元增加一個監測合路器和一臺檢測主機的安裝和連接工作量[4]，外置探針的安裝平均1枚/分鐘。

（二）OmniReach無線智能監測系統

軌道行業數字孿生系統中的OmniReach采用軟件無線電作為基礎理論，系統架構見圖3。系統工作流程如下。

1.系統建模

通過OmniReach后臺的數字孿生系統平臺定制對應的軌旁CBTC信號建模，建模成功后，形成空間模型、軌旁CBTC鏈路模型的融合模型。

2.建立指紋

系統正常部署之前，需要將OmniReach產品部署在線路中進行對應運行線路的空間無線信號的指紋采集工作，獲取對應的、連續位置的無線信號干擾頻段、功率、鏈路利用率信息，并進行標注。

3.設備部署

OmniReach部署時可利用車載天線。系統部署車輛后，隨車輛進行實時監測，部署方式與被檢測信號相關。

4.鏈路監測

主機通過車載天線實時收集無線信號信息，并將監測信息與GPS車輛定位信息進行融合對應，形成全線路的無線信號的數字孿生系統實時監控信息。若某個位置出現同頻、異頻干擾，主機與指紋信息通過大數據分析，以告警的方式呈現干擾位置、干擾強度、干擾SSID、干擾頻點[5]。

5.問題排查

若數字孿生系統中發生致命告警，需要排查對應的地理位置，清除干擾源。

OminReach的系統優勢及特點如下：

一是CBTC信號測量和解碼：支持CBTC跳頻、窄帶信號（2.4G）、LTE-M無線信號（1.8G） 測量和解碼

二是CBTC無線環境圖譜：基于SVM概率密度估計的無線信號分布模型構建無線圖譜。

三是CBTC無線覆蓋分析：分析CBTC無線信號覆蓋健康度，及時發現異常覆蓋情況。

四是干擾分析及定位算法：實現同頻、鄰頻干擾分析，快速定位干擾信號來源。

（三）CableSense漏纜監測系統

軌道行業數字孿生系統中的CableSense采用無源物聯網作為基礎理論，系統架構與系統特點與AnteSense相類似，不贅述。

六、軌道行業無線監測系統應用效果

該系統應用在某地鐵800M專用無線系統。在項目實施過程中，通過AnteSense室分智能監測系統及時掌握施工進度，同時監測施工質量，其間還可以發現器件規格、器件安裝、施工工藝等問題，極大地提高了施工的質量、交付的效率和網絡的質量 。應用效果見圖4。

七、結語

綜上所述，本文介紹了一種軌道行業無線監測的數字孿生系統，對該系統的架構進行了詳細介紹。該系統在某地鐵800M專用無線系統項目的實施過程中進行了應用實踐。通過應用實踐證明了該系統能夠及時掌握施工進度，并對施工質量進行實時監測，對于發現的各種問題可以及時反饋和處理，有效地確保了施工的質量以及交付的效率。在未來的研究中，還將進一步結合軌道行業發展的新要求對系統進行改進，以更好地滿足軌道行業發展的需要。

參考文獻

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[3]李峰，王洪琳.數字孿生技術在軌道交通自動運行系統的應用探究[J].江蘇科技信息，2021，38（28）：31-33.

[4]任宇航. 數字孿生系統可信度評估方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2021.

[5]鄒東，馮劍冰.數字孿生技術在城市軌道交通供電系統中的應用場景分析[J].城市軌道交通研究，2021，24（03）：158-162+165.

作者單位：中鐵通信信號勘測設計院有限公司

■ 責任編輯：張津平