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(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081；3. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心，北京 100015）

國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心環(huán)形鐵道（簡(jiǎn)稱(chēng)：環(huán)鐵）試驗(yàn)基地始建于1958年，經(jīng)過(guò)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(lǐng)域，累計(jì)開(kāi)展900余項(xiàng)重大科研試驗(yàn)，對(duì)我國(guó)鐵路技術(shù)進(jìn)步提供了強(qiáng)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(duì)象的精準(zhǔn)模型，通過(guò)數(shù)據(jù)與模型集成融合的手段為物理實(shí)體賦能，提升服務(wù)功能和決策能力，進(jìn)而推動(dòng)整個(gè)業(yè)務(wù)流程閉環(huán)優(yōu)化[1]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外針對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)開(kāi)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(yīng)用；Qi等人[4]從數(shù)據(jù)融合和集成應(yīng)用的角度對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)在智能制造全過(guò)程中的應(yīng)用進(jìn)行研究；陶飛等人[5-6]對(duì)數(shù)據(jù)孿生車(chē)間的系統(tǒng)組成、運(yùn)行機(jī)制和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，提出車(chē)間物理世界和信息世界融合理論和實(shí)現(xiàn)方法。

多年來(lái)，各種檢測(cè)、監(jiān)測(cè)設(shè)備的設(shè)置，以及5G移動(dòng)通信、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等信息基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，不斷增強(qiáng)環(huán)鐵試驗(yàn)基地泛在感知和高速互聯(lián)能力，為環(huán)鐵試驗(yàn)基地設(shè)備設(shè)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(yàn)基地的線路基礎(chǔ)設(shè)施、設(shè)備等資源的運(yùn)行狀態(tài)尚未實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)測(cè)和管控，各個(gè)試驗(yàn)環(huán)節(jié)相對(duì)獨(dú)立等問(wèn)題日益突出。為充分發(fā)揮環(huán)鐵試驗(yàn)基地在中國(guó)鐵路技術(shù)創(chuàng)新中的戰(zhàn)略性平臺(tái)支撐作用，研究環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗(yàn)平臺(tái)（簡(jiǎn)稱(chēng)：環(huán)鐵試驗(yàn)平臺(tái)），基于環(huán)鐵試驗(yàn)基地?cái)?shù)字孿生模型開(kāi)發(fā)集成應(yīng)用功能，以期增強(qiáng)環(huán)鐵試驗(yàn)基地的試驗(yàn)服務(wù)能力，更好地服務(wù)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(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)想

環(huán)鐵試驗(yàn)平臺(tái)物理空間和信息空間的融合交互是實(shí)現(xiàn)環(huán)鐵試驗(yàn)基地?cái)?shù)字化、智能化賦能的關(guān)鍵，而數(shù)字孿生是一種實(shí)現(xiàn)物理空間和信息空間有效融合的方法。運(yùn)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(yàn)基地?cái)?shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)環(huán)鐵試驗(yàn)基地的物理空間和信息空間雙向?qū)崟r(shí)映射和交互，在此基礎(chǔ)上搭建環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗(yàn)平臺(tái)，如圖1所示，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)要素、試驗(yàn)過(guò)程、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的集成和融合，形成試驗(yàn)資源優(yōu)化配置、試驗(yàn)項(xiàng)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(yàn)平臺(tái)

環(huán)鐵試驗(yàn)基地?cái)?shù)字孿生模型的物理空間是指客觀存在的實(shí)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(hào)機(jī)、應(yīng)答器等，以及各試驗(yàn)室和試驗(yàn)室設(shè)備。環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗(yàn)平臺(tái)的信息空間是對(duì)物理空間的數(shù)字化鏡像，主要功能是對(duì)試驗(yàn)計(jì)劃、試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行模擬、分析和評(píng)估，并對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行監(jiān)控和預(yù)測(cè)。在環(huán)鐵試驗(yàn)基地?cái)?shù)字孿生模型的驅(qū)動(dòng)下，環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗(yàn)平臺(tái)集成所有試驗(yàn)要素，對(duì)試驗(yàn)智能化管控提供支持和服務(wù)。

1.2 環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗(yàn)平臺(tái)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(yàn)平臺(tái)劃分為3個(gè)層次：數(shù)據(jù)層、模型層和應(yīng)用層，如圖2所示。

圖2 環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗(yàn)平臺(tái)架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)層：提供大數(shù)據(jù)服務(wù)、智能計(jì)算服務(wù)、地理信息服務(wù)、BIM服務(wù)以及北斗時(shí)空信息服務(wù)等數(shù)據(jù)服務(wù)。通過(guò)與大數(shù)據(jù)、BIM和GIS等技術(shù)結(jié)合，匯集環(huán)鐵試驗(yàn)基地基礎(chǔ)設(shè)施、試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)過(guò)程等數(shù)據(jù)，提升環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗(yàn)平臺(tái)的數(shù)據(jù)服務(wù)能力，發(fā)揮數(shù)據(jù)資產(chǎn)最大價(jià)值。

（2）模型層：提供模型構(gòu)建、數(shù)據(jù)—模型融合、屬性擴(kuò)展、模型展示等模型服務(wù)。通過(guò)對(duì)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(yīng)用等技術(shù)的研究，構(gòu)建環(huán)鐵試驗(yàn)基地路基、橋梁、隧道、軌道和四電等各專(zhuān)業(yè)模型，在信息空間刻畫(huà)環(huán)鐵細(xì)節(jié)、呈現(xiàn)環(huán)鐵體征、推演未來(lái)趨勢(shì)，使環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗(yàn)平臺(tái)成為綜合信息載體。

（3）應(yīng)用層：提供試驗(yàn)管理、資產(chǎn)管理和調(diào)度管理等應(yīng)用服務(wù)。在環(huán)鐵試驗(yàn)基地?cái)?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(yàn)基地試驗(yàn)環(huán)境，精準(zhǔn)模擬環(huán)鐵試驗(yàn)基地資產(chǎn)和試驗(yàn)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況，充分發(fā)揮環(huán)鐵試驗(yàn)基地檢測(cè)/檢驗(yàn)和認(rèn)證等核心職能，提升環(huán)鐵試驗(yàn)基地在鐵路技術(shù)裝備研制、鐵路建設(shè)和運(yùn)營(yíng)管理等方面的技術(shù)支撐能力。

2 環(huán)鐵實(shí)驗(yàn)基地全域數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理

為了充分利用環(huán)鐵實(shí)驗(yàn)基地試驗(yàn)及運(yùn)維產(chǎn)生的各類(lèi)數(shù)據(jù)，提升數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理、挖掘和應(yīng)用的質(zhì)量效率，環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗(yàn)平臺(tái)從環(huán)鐵實(shí)驗(yàn)基地各數(shù)據(jù)源獲取原始數(shù)據(jù)，梳理各類(lèi)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在組織存儲(chǔ)、分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)等方面的差異，實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)要素在同一時(shí)空體系中的有機(jī)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(yàn)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(chǔ)治理、數(shù)據(jù)主題域構(gòu)建、數(shù)據(jù)服務(wù)等過(guò)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(lái)源，通過(guò)打通技術(shù)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接入，并開(kāi)展數(shù)據(jù)登記；環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗(yàn)平臺(tái)接入數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容見(jiàn)表1。

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

2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)治理

按照數(shù)據(jù)類(lèi)型和應(yīng)用方式進(jìn)行分類(lèi)存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高效存儲(chǔ)；通過(guò)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(yàn)平臺(tái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)治理流程，如圖3所示。

圖3 環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗(yàn)平臺(tái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)治理流程

（1）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：按照數(shù)據(jù)類(lèi)型和應(yīng)用方式對(duì)全域數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)存儲(chǔ)。

（2）數(shù)據(jù)分析：分析數(shù)據(jù)是否存在缺失、異?；蛑貜?fù)等情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量問(wèn)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(wèn)題，結(jié)合相關(guān)業(yè)務(wù)規(guī)則，制訂相應(yīng)的數(shù)據(jù)清洗方法。

（4）校驗(yàn)清洗方法：為保證清洗方法的有效性，在進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗之前，先從數(shù)據(jù)源中抽取部分樣本進(jìn)行驗(yàn)證，檢驗(yàn)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(shí)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(lái)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(gè)數(shù)據(jù)源獲取原始數(shù)據(jù)，主要針對(duì)試驗(yàn)管理、資源管理、運(yùn)營(yíng)維護(hù)、安全防護(hù)、科技創(chuàng)新等不同業(yè)務(wù)領(lǐng)域，構(gòu)建包括模型數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、資產(chǎn)數(shù)據(jù)等不同類(lèi)別的全域全要素?cái)?shù)據(jù)，為環(huán)鐵試驗(yàn)基地?cái)?shù)字化應(yīng)用場(chǎng)景提供數(shù)據(jù)支撐。環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗(yàn)平臺(tái)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(yàn)平臺(tái)數(shù)據(jù)主題域

2.4 數(shù)據(jù)服務(wù)

環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗(yàn)平臺(tái)將集成環(huán)鐵試驗(yàn)基地相關(guān)各領(lǐng)域數(shù)據(jù)，通過(guò)統(tǒng)一服務(wù)接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問(wèn)、共享和分析等服務(wù)，提供完善的數(shù)據(jù)服務(wù)，供環(huán)鐵試驗(yàn)基地試驗(yàn)單位及運(yùn)維單位依托數(shù)據(jù)服務(wù)開(kāi)展一體化應(yīng)用，充分發(fā)揮各類(lèi)數(shù)據(jù)資產(chǎn)的價(jià)值。

3 環(huán)鐵試驗(yàn)基地?cái)?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(lǐng)域，還涉及了橋梁、隧道、路基、軌道、通信、信號(hào)、牽引變電等眾多專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域。鐵路工程建造過(guò)程中的每個(gè)領(lǐng)域均具有其特有的空間結(jié)構(gòu)和專(zhuān)業(yè)構(gòu)件?！惰F路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)》（IFC）針對(duì)鐵路眾多專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行了詳細(xì)的定義和擴(kuò)展[7]。圖5給出了鐵路隧道領(lǐng)域類(lèi)型、實(shí)體和屬性定義。

圖5 鐵路隧道領(lǐng)域類(lèi)型、實(shí)體和屬性定義

在創(chuàng)建環(huán)鐵實(shí)驗(yàn)基地?cái)?shù)字孿生模型前，先在設(shè)計(jì)軟件或插件中對(duì)鐵路信息模型對(duì)象及相關(guān)屬性信息進(jìn)行定義，定義過(guò)程如圖6所示。

圖6 鐵路對(duì)象定義過(guò)程

根據(jù)《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)》，將鐵路各專(zhuān)業(yè)對(duì)象及其屬性和繼承關(guān)系描述為Schema對(duì)象，生成對(duì)應(yīng)的XML格式文檔，可導(dǎo)入相應(yīng)軟件進(jìn)行解析。在具體應(yīng)用中，對(duì)鐵路實(shí)體對(duì)象進(jìn)行綁定，由此實(shí)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(yàn)基地?cái)?shù)字孿生模型-數(shù)據(jù)融合技術(shù)路線

基于環(huán)鐵試驗(yàn)基地的試驗(yàn)線、試驗(yàn)室等設(shè)計(jì)圖紙和基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備臺(tái)賬，以及基礎(chǔ)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(shí)體模型和三維地形模型，借助Unity 3D引擎進(jìn)行坐標(biāo)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(shè)置等模型優(yōu)化處理，并集成環(huán)鐵試驗(yàn)基地實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，創(chuàng)建環(huán)鐵試驗(yàn)基地?cái)?shù)字孿生模型，實(shí)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(yàn)基地?cái)?shù)字孿生模型，環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗(yàn)平臺(tái)可提供全景瀏覽、數(shù)據(jù)查詢(xún)、屬性編輯、場(chǎng)景模擬、特效展示、交互處理等應(yīng)用服務(wù)。

4 平臺(tái)應(yīng)用

環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗(yàn)平臺(tái)可支撐環(huán)線和試驗(yàn)室試驗(yàn)管理、資產(chǎn)管理和調(diào)度管理等功能應(yīng)用。

4.1 試驗(yàn)管理

為環(huán)線上和相關(guān)試驗(yàn)室內(nèi)開(kāi)展的所有試驗(yàn)項(xiàng)目提供全面的一體化管理應(yīng)用，涵蓋試驗(yàn)計(jì)劃、試驗(yàn)流程、試驗(yàn)過(guò)程、試驗(yàn)結(jié)果及科研成果；基于試驗(yàn)室和設(shè)備的三維仿真模型，提供室內(nèi)漫游、模型拆解、設(shè)備查看和試驗(yàn)過(guò)程模擬等功能，幫助試驗(yàn)方分析、驗(yàn)證和評(píng)估試驗(yàn)方案，輔助試驗(yàn)方高效組織和管理試驗(yàn)項(xiàng)目。試驗(yàn)管理應(yīng)用示例如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)管理應(yīng)用示例

4.2 資產(chǎn)管理

創(chuàng)建環(huán)鐵試驗(yàn)基地的資產(chǎn)管理臺(tái)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(xún)、可視化分析等功能，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)展示環(huán)鐵試驗(yàn)基地工務(wù)、電務(wù)、供電、通信、信號(hào)等專(zhuān)業(yè)，以及北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、5G移動(dòng)通信等基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備信息、報(bào)警信息和維修作業(yè)計(jì)劃，便于實(shí)時(shí)追蹤設(shè)備設(shè)施維修動(dòng)態(tài)，為實(shí)施預(yù)防性維修提供數(shù)據(jù)支持，推動(dòng)環(huán)鐵試驗(yàn)基地資產(chǎn)管理和設(shè)備維護(hù)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。資產(chǎn)管理應(yīng)用示例如圖9所示。

圖9 資產(chǎn)管理應(yīng)用示例

4.3 調(diào)度管理

依據(jù)試驗(yàn)計(jì)劃自動(dòng)生成列車(chē)運(yùn)行計(jì)劃，列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)線信號(hào)設(shè)備和列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)，基于環(huán)鐵數(shù)字孿生模型實(shí)現(xiàn)列車(chē)運(yùn)行場(chǎng)景的實(shí)時(shí)展示和視角切換，并根據(jù)列車(chē)運(yùn)行位置和到發(fā)時(shí)刻，自動(dòng)繪制列車(chē)實(shí)績(jī)運(yùn)行圖。

調(diào)度管理應(yīng)用示例如圖10所示。

圖10 調(diào)度管理應(yīng)用示例

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)環(huán)鐵試驗(yàn)基地試驗(yàn)資源和試驗(yàn)過(guò)程相對(duì)獨(dú)立，缺乏統(tǒng)一監(jiān)測(cè)和管控的問(wèn)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(yàn)平臺(tái)；實(shí)現(xiàn)環(huán)鐵實(shí)驗(yàn)基地全域數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理，構(gòu)建環(huán)鐵試驗(yàn)基地?cái)?shù)字孿生模型，在此基礎(chǔ)上提供試驗(yàn)管理、資產(chǎn)管理、調(diào)度管理等應(yīng)用功能，實(shí)現(xiàn)環(huán)線和試驗(yàn)室試驗(yàn)計(jì)劃和試驗(yàn)流程的統(tǒng)一管理，有助于優(yōu)化環(huán)鐵試驗(yàn)基地試驗(yàn)資源配置，進(jìn)一步增強(qiáng)環(huán)鐵試驗(yàn)基地的試驗(yàn)服務(wù)能力。

目前，僅部分試驗(yàn)室接入到環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗(yàn)平臺(tái)，今后將持續(xù)推進(jìn)環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗(yàn)平臺(tái)的集成工作，將環(huán)鐵試驗(yàn)基地配置的所有試驗(yàn)設(shè)施設(shè)備及其數(shù)據(jù)資源全部納入環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗(yàn)平臺(tái)。同時(shí)，結(jié)合環(huán)鐵試驗(yàn)基地日益完善的試驗(yàn)功能和不斷拓展的試驗(yàn)項(xiàng)目，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)提取和交換技術(shù)、各類(lèi)試驗(yàn)設(shè)施設(shè)備的物理空間和信息空間映射和交互技術(shù)進(jìn)行深入研究，在環(huán)鐵試驗(yàn)基地實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，不斷加強(qiáng)試驗(yàn)資源、試驗(yàn)計(jì)劃、試驗(yàn)過(guò)程和試驗(yàn)結(jié)果的有效管控，持續(xù)完善環(huán)鐵一體化協(xié)同試驗(yàn)平臺(tái)在支持?jǐn)?shù)據(jù)資源共享、促進(jìn)多種試驗(yàn)項(xiàng)目協(xié)同方面的能力，推進(jìn)環(huán)鐵試驗(yàn)基地的數(shù)字化、智能化賦能。