陳 彥，賈志凱，孫 鵬，王忠凱

（中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081）

數(shù)字孿生技術(shù)是當(dāng)前信息技術(shù)與工業(yè)融合應(yīng)用的研究熱點。文獻[1]～文獻[6]從產(chǎn)品設(shè)計、制造、運維等方面對數(shù)字孿生的定義和應(yīng)用進行了研究。數(shù)字孿生技術(shù)典型應(yīng)用是產(chǎn)品遠程運維，通過在產(chǎn)品中嵌入傳感器，采集產(chǎn)品的關(guān)鍵運行參數(shù)并傳回產(chǎn)品運維中心，通過對數(shù)據(jù)進行處理分析，實時監(jiān)測和預(yù)測產(chǎn)品狀態(tài)，根據(jù)產(chǎn)品狀態(tài)及時組織維護，降低產(chǎn)品故障和停機風(fēng)險。

動車組是復(fù)雜的大型運輸設(shè)備。我國動車組配屬數(shù)量多，車型平臺多，運行速度高，安全運營和經(jīng)濟維修面臨巨大挑戰(zhàn)。為此，我國在高鐵建設(shè)同期自主研發(fā)了覆蓋全路的動車組管理信息系統(tǒng)，從動車組制造環(huán)節(jié)開始，對動車組運維的計劃、作業(yè)、物流、技術(shù)、履歷等方面進行全面管理。陸續(xù)建設(shè)了動車組車載信息無線傳輸系統(tǒng)（WTDS，Wireless Transmit Device System）、動車組運行故障動態(tài)圖像檢測系統(tǒng)（TEDS，Trouble of moving EMU Detection System）、動車組滾動軸承故障軌旁聲學(xué)診斷監(jiān)測系統(tǒng)（TADS，Trackside Acoustic Detection System）等一系列動車組行車安全監(jiān)測系統(tǒng)，對動車組的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)行車安全隱患，進行報警和預(yù)警，有力保障了動車組的檢修質(zhì)量和安全高效運行。近年來，隨著我國智能高鐵的發(fā)展，動車組健康管理[7]和智慧動車段[8]的理念相繼提出，對動車組數(shù)據(jù)挖掘和信息融合展示提出了更高的要求。為此，本文借鑒數(shù)字孿生技術(shù)在產(chǎn)品遠程運維中的應(yīng)用經(jīng)驗，利用數(shù)字孿生“虛實結(jié)合，以虛控實”的特點，以現(xiàn)有系統(tǒng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過統(tǒng)一接入、處理和分析，監(jiān)測動車組狀態(tài)，預(yù)測動車組狀態(tài)變化趨勢，全要素融合展示生產(chǎn)過程，為運行故障應(yīng)急處置人員超前發(fā)現(xiàn)和規(guī)避運行安全風(fēng)險提供服務(wù)，幫助生產(chǎn)調(diào)度人員全面掌握檢修生產(chǎn)情況。

本文分析動車組運行和檢修場景下的數(shù)字孿生應(yīng)用需求，明確數(shù)據(jù)采集和應(yīng)用展示需求。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的總體架構(gòu)，設(shè)計了數(shù)字孿生動車組、數(shù)字孿生運用所和數(shù)字孿生高級修車間3 大應(yīng)用。

1 應(yīng)用需求

1.1 動車組運行監(jiān)測需求

在動車組運行過程中，借鑒應(yīng)用產(chǎn)品遠程運維模式，利用車載傳感設(shè)備、軌旁運行監(jiān)測設(shè)備和運行環(huán)境監(jiān)測設(shè)備，采集動車組的狀態(tài)和運行環(huán)境數(shù)據(jù)，通過處理分析這些數(shù)據(jù)，監(jiān)測動車組的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)和規(guī)避運行安全風(fēng)險。構(gòu)建與動車組實體對應(yīng)的數(shù)字孿生動車組，以動車組3D 模型為載體，綜合展示動車組關(guān)鍵系統(tǒng)的實時技術(shù)狀態(tài)參數(shù)、變化趨勢、故障報警、故障預(yù)警、健康狀態(tài)等信息，為調(diào)度人員、運行故障應(yīng)急處置人員、隨車機師提供服務(wù)，便于他們掌握動車組動態(tài)，及時采取措施，保障動車組安全有序運行。

1.2 動車組檢修管理需求

在動車組檢修過程中，生產(chǎn)調(diào)度人員需要掌握動車組及維修部件的位置、檢修進度、設(shè)備狀態(tài)等多源信息，進行生產(chǎn)組織協(xié)同指揮。當(dāng)前，信息化系統(tǒng)的作業(yè)過程監(jiān)控功能都是單一維度的信息展現(xiàn)，如僅展示動車組位置，沒有綜合展示動車組的檢修狀態(tài)、相關(guān)設(shè)備狀態(tài)的信息，而且展示形式為二維平面方式，不夠立體直觀。為此，實時采集動車組、部件、檢修設(shè)備數(shù)據(jù)，建立與檢修車間實體對應(yīng)的數(shù)字孿生車間，以車間3D 模型為載體，綜合動態(tài)地展示動車組位置及調(diào)車作業(yè)過程、檢修進度、設(shè)備運行動作、設(shè)備狀態(tài)等信息，支持調(diào)度人員全面掌握生產(chǎn)情況。

2 總體架構(gòu)

數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用所需數(shù)據(jù)采集依賴行車安全監(jiān)測設(shè)備、檢修生產(chǎn)設(shè)備及運行環(huán)境監(jiān)測設(shè)備，這些設(shè)備通過各類傳輸網(wǎng)絡(luò)，接入相應(yīng)的運維信息化系統(tǒng)，以這些信息化系統(tǒng)為數(shù)據(jù)源，根據(jù)應(yīng)用需求提取相關(guān)數(shù)據(jù)，形成信息空間，在此基礎(chǔ)上，形成數(shù)字孿生動車組、數(shù)字孿生運用所和數(shù)字孿生高級修車間3 大應(yīng)用。

基于數(shù)字孿生技術(shù)的動車組運維管理系統(tǒng)總體架構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 基于數(shù)字孿生技術(shù)的動車組運維管理系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.1 物聯(lián)感知層

動車組運維物聯(lián)感知分為2 部分：（1）在動車組運行過程中，需要對動車組的狀態(tài)進行實時跟蹤和監(jiān)控，包括動車組的空間位置、外部環(huán)境、使用狀況、技術(shù)狀態(tài)等；（2）動車組檢修過程中信息采集，基于傳感技術(shù)、移動互聯(lián)技術(shù)、電子標(biāo)識技術(shù)，對動車組檢修作業(yè)過程中的維修對象、檢修人員、生產(chǎn)物料、生產(chǎn)環(huán)境等要素進行全面感知。

在動車組運行過程中，通過車載傳感器，對動車組關(guān)鍵系統(tǒng)和部件狀態(tài)進行實時信號采集，綜合感知工作狀態(tài)、運行環(huán)境、司乘操作等信息。通過軌旁監(jiān)測診斷設(shè)備，利用光學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)等感知技術(shù)手段，實現(xiàn)故障動態(tài)圖像、軸承早期故障和機械異響、車輪踏面損傷缺陷和不圓度、動車組軸溫等運行狀態(tài)信息的檢測。

在動車組檢修過程中，針對維修部件和維修資源（檢修人員、檢修設(shè)備、工具工裝、物料、托盤），結(jié)合動車組維修現(xiàn)場的特點和需求，利用條碼、無線射頻識別（RFID，Radio Frequency Identification）等技術(shù)進行維修資源信息標(biāo)識，利用手持終端或者工位上的固定式RFID 閱讀器進行標(biāo)識信息識別。利用數(shù)字化檢修檢測設(shè)備采集動車組、關(guān)鍵部件的技術(shù)狀態(tài)信息。

2.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸層

利用蜂窩無線通信、現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)，構(gòu)建多協(xié)議、多類型融合的覆蓋動車組運行和檢修的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，如利用GSM-R 傳輸動車組運行的實時車載傳感器數(shù)據(jù)，現(xiàn)場總線獲取數(shù)字化檢測設(shè)備的設(shè)備狀態(tài)、檢測對象技術(shù)參數(shù)等數(shù)據(jù)。

通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)OPC-UA、MQTT、Modbus、Profinet 等主流工業(yè)現(xiàn)場通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，支持現(xiàn)場總線、有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)的通信互聯(lián)。

將采集到的數(shù)據(jù)按照與行車安全監(jiān)測系統(tǒng)、動車組管理信息系統(tǒng)之間的接口要求，提取相關(guān)數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換和處理后，傳輸至行車安全監(jiān)測系統(tǒng)、動車組管理信息系統(tǒng)。

2.3 數(shù)據(jù)源層

數(shù)據(jù)源層負責(zé)從動車組運維物理世界里獲取信息空間所需數(shù)據(jù)，是連接物理世界與信息空間的紐帶。數(shù)據(jù)源層由現(xiàn)有的動車組運維相關(guān)系統(tǒng)構(gòu)成，主要包括行車安全監(jiān)測系統(tǒng)、動車組管理信息系統(tǒng)、主機廠系統(tǒng)、關(guān)鍵部件造修企業(yè)系統(tǒng)和中國國家鐵路集團有限公司（簡稱：國鐵集團）數(shù)據(jù)服務(wù)平臺。行車安全監(jiān)測系統(tǒng)、動車組管理信息系統(tǒng)、主機廠系統(tǒng)、關(guān)鍵部件造修企業(yè)系統(tǒng)是動車組運維相關(guān)信息系統(tǒng)，涵蓋動車組制造、運用、檢修等全生命周期關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過多年應(yīng)用，采集和積累了大量的行車狀態(tài)、運用、檢修、履歷、故障、構(gòu)型等數(shù)據(jù)。國鐵集團數(shù)據(jù)服務(wù)平臺接入工務(wù)工程系統(tǒng)、牽引供電系統(tǒng)、通信信號系統(tǒng)和調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)，為動車組運維提供線路、供電、信號等運行環(huán)境數(shù)據(jù)。

2.4 數(shù)據(jù)采集層

針對現(xiàn)有系統(tǒng)積累的數(shù)量龐大的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)應(yīng)用需求，預(yù)定義數(shù)據(jù)抽取規(guī)則，將數(shù)據(jù)源層系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)抽取至數(shù)據(jù)采集層。根據(jù)應(yīng)用需要，采集的數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、計劃數(shù)據(jù)、作業(yè)數(shù)據(jù)、檢修檢測數(shù)據(jù)、運行環(huán)境數(shù)據(jù)、行車監(jiān)測數(shù)據(jù)、履歷數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)。

2.5 數(shù)據(jù)管理層

數(shù)據(jù)管理層負責(zé)數(shù)據(jù)處理、存儲和治理。針對數(shù)據(jù)采集層數(shù)據(jù)，在預(yù)定義數(shù)據(jù)處理規(guī)則的基礎(chǔ)上，進行數(shù)據(jù)的識別、清洗、轉(zhuǎn)換、整合。綜合運用列式存儲數(shù)據(jù)庫（如Cassandra、HBase 等）、文檔型數(shù)據(jù)庫（如MongoDB 等）、Hadoop 分布式文件系統(tǒng)（HDFS，Hadoop Distributed File System）、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫（如PostgresSQL）進行數(shù)據(jù)存儲，結(jié)合數(shù)據(jù)治理實現(xiàn)數(shù)據(jù)的規(guī)范、稽核與管理。

2.6 服務(wù)支撐層

服務(wù)支撐層提供2 類支持：（1）數(shù)據(jù)服務(wù)；（2）模型算法。

數(shù)據(jù)服務(wù)包括一系列的服務(wù)管理功能，如服務(wù)申請、服務(wù)生成、服務(wù)測試、服務(wù)發(fā)布、運行監(jiān)測、安全認證。服務(wù)申請由使用方提出，主要明確數(shù)據(jù)查詢輸入條件、輸出數(shù)據(jù)、服務(wù)方式等內(nèi)容；根據(jù)數(shù)據(jù)服務(wù)需求，定義數(shù)據(jù)提取和處理規(guī)則，由數(shù)據(jù)采集層和數(shù)據(jù)管理層分別實現(xiàn)數(shù)據(jù)的提取和處理，在此基礎(chǔ)上，進行數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化封裝，形成數(shù)據(jù)服務(wù)，經(jīng)過測試后發(fā)布，提供給服務(wù)申請方使用；數(shù)據(jù)服務(wù)運行過程中，還對數(shù)據(jù)服務(wù)進行監(jiān)測。

模型算法服務(wù)是針對數(shù)字化精準(zhǔn)預(yù)防修需求，運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，提供生產(chǎn)計劃排程、故障診斷和預(yù)測、健康狀態(tài)評估的模型算法。

2.7 應(yīng)用展示層

基于3D 可視化和交互技術(shù)，通過數(shù)字孿生動車組集中展示動車組運行過程中的實時狀態(tài)、故障報警（預(yù)警）、健康狀態(tài)等信息；通過數(shù)字孿生運用所和高級修車間集中展示動車組、關(guān)鍵部件、維修設(shè)備、生產(chǎn)環(huán)境等生產(chǎn)元素信息。

3 數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用設(shè)計

3.1 數(shù)字孿生動車組

基于動車組運行過程中實時數(shù)據(jù)采集和分析，構(gòu)建數(shù)字孿生動車組，利用3D 可視化技術(shù)和交互技術(shù)，直觀展示動車組和關(guān)鍵系統(tǒng)的狀態(tài)、故障報警（預(yù)警）、健康狀態(tài)等信息。隨車機師、運行故障應(yīng)急處置相關(guān)人員可通過輸入車組號，查看數(shù)字孿生動車組，實時掌握動車組運行狀態(tài)和趨勢，超前防范運行風(fēng)險，提高應(yīng)急處置效率。

數(shù)字孿生動車組的具體應(yīng)用如下。

（1）狀態(tài)參數(shù)展示

在動車組關(guān)鍵系統(tǒng)和部件3D 模型上，實時顯示對應(yīng)物理實體的狀態(tài)參數(shù)。

（2）故障報警展示

基于綜合行車安全監(jiān)測、故障庫等多源信息，應(yīng)用故障綜合研判模型，診斷故障發(fā)生的部位和原因。發(fā)生故障的系統(tǒng)和部件模型以紅色閃爍方式進行報警?？牲c擊發(fā)生故障的系統(tǒng)和部件模型，查看具體信息。

（3）故障預(yù)警展示

基于動車組運行狀態(tài)和運行環(huán)境數(shù)據(jù)，進行性能演化規(guī)律綜合分析，結(jié)合當(dāng)前實時狀態(tài)，推測狀態(tài)參數(shù)變化趨勢。若超出報警閾值，對應(yīng)關(guān)鍵系統(tǒng)和部件模型以黃色閃爍方式預(yù)警?？牲c擊關(guān)鍵系統(tǒng)和部件模型，查看狀態(tài)參數(shù)變化曲線和預(yù)警信息。

（4）健康狀態(tài)展示

基于動車組運行狀態(tài)實時數(shù)據(jù)和趨勢預(yù)測數(shù)據(jù)，應(yīng)用健康狀態(tài)評估模型，對動車組及部件健康狀態(tài)進行評分。在對應(yīng)的關(guān)鍵系統(tǒng)和部件模型上顯示健康狀態(tài)評分。

3.2 數(shù)字孿生運用所和高級修車間

運用所承擔(dān)動車組的一二級修，其特點是與開行緊密結(jié)合，直接關(guān)系到動車組的安全運行和高效運用。一級修為例行檢查，主要工作內(nèi)容是更換、調(diào)整和補充消耗部件，檢查各部分的狀態(tài)和性能，特別是車下懸吊件的安裝情況；二級修為重點檢查，主要工作內(nèi)容是按照規(guī)定要求進行動車組外觀檢查、性能試驗和安全性檢測，重點檢查輪對踏面和車軸。生產(chǎn)調(diào)度人員需要掌握動車組位置、檢修進度、檢修股道狀態(tài)、調(diào)車作業(yè)過程等信息。

動車組高級修是分解檢修，分為車體檢修和部件檢修2 部分。車體檢修時，車輛需要停放在檢修股道上完成相應(yīng)的維修作業(yè)，維修活動包括：維修部件與車體分離，車組解編，車輛維修，車輛轉(zhuǎn)線，維修部件與車體連接，車體編組等。生產(chǎn)調(diào)度人員需要掌握車組/車輛位置，調(diào)車作業(yè)過程，車組/車輛檢修進度，檢修股道狀態(tài)等信息。部件檢修時，部件按照現(xiàn)場工藝布局進行流水線檢修作業(yè)，維修活動包括：部件分解，零件維修，部件組裝等。生產(chǎn)調(diào)度人員需要掌握部件所在工位和檢修進度等信息。

圍繞動車組檢修作業(yè)過程，實時采集動車組檢修進度、停放位置、股道狀態(tài)、檢修設(shè)備狀態(tài)等信息，構(gòu)建數(shù)字孿生運用所和高級修車間，集成展示動車組檢修活動，協(xié)助生產(chǎn)調(diào)度人員全面掌握生產(chǎn)情況。

數(shù)字孿生運用所和高級修車間具體應(yīng)用如下。

（1）生產(chǎn)布局展示

基于運用所物理實體，構(gòu)建運用所3D 模型，立體展示運用所的生產(chǎn)布局，包括檢修股道、3 層作業(yè)平臺、存車場、檢修設(shè)備等生產(chǎn)元素模型。

基于高級修車間物理實體，構(gòu)建高級修車間3D模型，立體展示運用所的生產(chǎn)布局，包括檢修股道、3 層作業(yè)平臺、存車場、檢修工位、檢修流水線、檢修設(shè)備等生產(chǎn)元素模型。

（2）設(shè)施設(shè)備狀態(tài)展示

在運用所和高級修車間3D 模型上，實時展示股道狀態(tài)（有電、無電）、檢修設(shè)備的狀態(tài)。接觸網(wǎng)模型有電作業(yè)時用紅色標(biāo)識，無電作業(yè)用綠色標(biāo)識?？牲c擊接觸網(wǎng)模型，查看有電作業(yè)開始時間、作業(yè)計劃時長等信息。檢修設(shè)備模型狀態(tài)正常時用綠色標(biāo)識，出現(xiàn)故障時用紅色標(biāo)識。可點擊檢修設(shè)備模型，查看設(shè)備開機運行時間，故障信息及處理進度等。

（3）檢修進度展示

在運用所3D 模型上，實時展示動車組停放的股道、車組重聯(lián)狀態(tài)、車頭方向?？牲c擊動車組模型，查看一二級修作業(yè)進度信息。

在高級修車間3D 模型上，實時展示部件在檢修流水線的位置及流轉(zhuǎn)過程?？牲c擊部件模型，查看部件當(dāng)前檢修工序的作業(yè)進度。

（4）故障處理過程展示

對于發(fā)現(xiàn)故障的車輛/部件，在其對應(yīng)的車輛模型用紅色閃爍方式進行報警。可點擊該模型，查看故障信息及處理進度，故障處理完成后，對應(yīng)車輛模型顯示為綠色。

（5）調(diào)車作業(yè)展示

在運用所和高級修車間3D 模型上，基于調(diào)車作業(yè)計劃，實時展示動車組的調(diào)車作業(yè)進路及在各線區(qū)的轉(zhuǎn)線過程。

4 結(jié)束語

本文探討了數(shù)字孿生技術(shù)在動車組運維管理中的應(yīng)用，設(shè)計了基于數(shù)字孿生技術(shù)的動車組運維管理系統(tǒng)總體架構(gòu)及3 大應(yīng)用，可以為解決現(xiàn)有動車組運維存在的“數(shù)據(jù)有余，信息不足”問題提供借鑒，有助于推動動車組運維機制從預(yù)防性維護向預(yù)測性維護轉(zhuǎn)變。