王可飛，郝蕊，盧文龍，范文娜，李達(dá)塽

（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(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）

0 引言

我國鐵路工程建設(shè)發(fā)展迅猛，截至2020年底，全國鐵路營業(yè)里程達(dá)到14.6萬km，其中高速鐵路3.8萬km。鐵路網(wǎng)覆蓋呈現(xiàn)廣而密的趨勢，項(xiàng)目工程質(zhì)量安全要求高，鐵路規(guī)模愈發(fā)宏大，工程建設(shè)環(huán)境復(fù)雜，施工建設(shè)難度大，需要依靠新的技術(shù)手段輔助施工及管理。

我國鐵路在充分借鑒國外利用新技術(shù)進(jìn)行工程項(xiàng)目管理的成功經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合我國鐵路發(fā)展特點(diǎn)后，規(guī)劃了適用于我國鐵路工程建設(shè)信息化管理的發(fā)展路線。陸續(xù)開展了發(fā)展戰(zhàn)略、關(guān)鍵技術(shù)預(yù)測、體系架構(gòu)研究、標(biāo)準(zhǔn)體系建立等智能高鐵相關(guān)研究，并取得豐富科研成果。

1 數(shù)字孿生鐵路概述

1.1 研究背景

數(shù)字孿生技術(shù)作為智能化發(fā)展的大勢技術(shù)，在各行業(yè)中正逐步推廣研究，其中鐵路行業(yè)起步較晚，研究內(nèi)容亟待擴(kuò)充。面對鐵路建設(shè)過程產(chǎn)生的大規(guī)模數(shù)據(jù)，通過建立基于鐵路工程施工全過程的數(shù)字孿生體系，建立基于BIM的鐵路數(shù)字孿生工程對象模型，形成“物理對象—數(shù)字孿生體系—應(yīng)用服務(wù)”多元多層多級映射機(jī)制，最終有效支撐建設(shè)的全生命周期管理。

1.2 數(shù)字孿生鐵路的概念

數(shù)字孿生本質(zhì)是物理世界與數(shù)字世界虛實(shí)映射的過程，通過利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等在實(shí)際工作過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，進(jìn)而實(shí)時(shí)反映相對應(yīng)的工程實(shí)體全生命周期過程動態(tài)信息。

數(shù)字孿生鐵路是以智能建造、智能裝備、智能運(yùn)營為核心，以BIM為載體的智能高鐵技術(shù)應(yīng)用數(shù)字環(huán)境，也是鐵路工程全生命周期應(yīng)用的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，是物理維度鐵路實(shí)體和信息維度虛擬工程共生共存、虛實(shí)相融、相互對照的一種模擬仿真發(fā)展形態(tài)。

在實(shí)際鐵路工程項(xiàng)目中，需要以橋隧等重、難點(diǎn)工程BIM項(xiàng)目為載體，集中管理各專業(yè)設(shè)計(jì)資源、定制各專業(yè)設(shè)計(jì)參數(shù)交互流程、構(gòu)建專業(yè)間數(shù)據(jù)層面邏輯關(guān)聯(lián)、賦予統(tǒng)一數(shù)據(jù)框架的協(xié)同建設(shè)體系，形成基于數(shù)字孿生的建設(shè)方案，為工程數(shù)字化建設(shè)提供了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織有序、易于維護(hù)、動態(tài)可感知的數(shù)字孿生工程，為重點(diǎn)難點(diǎn)工程提供支撐方案和技術(shù)保障（見圖1）。

圖1 數(shù)字孿生鐵路概念模型

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 概述

數(shù)字孿生的概念最早出現(xiàn)于2003年，由Grieves教授在美國密歇根大學(xué)的產(chǎn)品全生命周期管理課程上提出，后被美國國防部引入到航天飛行器的健康維護(hù)等問題中。當(dāng)前國內(nèi)外有關(guān)數(shù)字孿生的研究主要涉及醫(yī)學(xué)、機(jī)械、船舶、交通、電力系統(tǒng)、智慧城市以及數(shù)字經(jīng)濟(jì)等多個(gè)領(lǐng)域。數(shù)字孿生鐵路的研究起步較晚，喪失了先天優(yōu)勢，未來將是鐵路工程建設(shè)信息化、數(shù)字化、智能化發(fā)展的重要方向。

2.2 數(shù)字孿生技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

科研工作者通過對過去數(shù)字孿生相關(guān)文獻(xiàn)系統(tǒng)的回顧和專題分析[1]，對數(shù)字孿生進(jìn)行了表征，找出了知識上的差距，梳理了相關(guān)領(lǐng)域中數(shù)字孿生的應(yīng)用成果（見表1）。

表1 數(shù)字孿生技術(shù)在各領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

2.2.1 工程機(jī)械

Leser等[2]將數(shù)字孿生理念融入工程斷裂力學(xué)，應(yīng)用裂紋擴(kuò)展模型進(jìn)行疲勞壽命的不確定性預(yù)測，提出了一種在概率框架下進(jìn)行現(xiàn)場診斷和預(yù)測降低疲勞壽命、預(yù)測不確定性的通用方法；Booyse等[3]提出了基于孿生的機(jī)械平穩(wěn)預(yù)測的數(shù)據(jù)框架及方案；Piros等[4]提出基于模糊數(shù)學(xué)模型面向以金屬吸收器—金屬電阻測柱為孿生體的離子體輻射檢測誤差處理方法。Kong等[5]則依托數(shù)字孿生理論在機(jī)械制造領(lǐng)域提出了一種基于功能需求的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)構(gòu)建框架和構(gòu)建方法，并在切割工具磨損預(yù)測中進(jìn)行驗(yàn)證應(yīng)用。

2.2.2 船舶

Bondarenko等[6]基于現(xiàn)象學(xué)中維貝燃燒模型研究提出了應(yīng)用于預(yù)測推進(jìn)柴油機(jī)系統(tǒng)動態(tài)的數(shù)字孿生模型方法。Arrichiello等[7]討論了工程自然孿生演化機(jī)理，梳理數(shù)字孿生在造船領(lǐng)域尤其是游輪的應(yīng)用描述，認(rèn)為系統(tǒng)工程和數(shù)字孿生是未來郵輪設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和運(yùn)營的發(fā)展趨勢。

2.2.3 航空

劉東等[8]提出了面向航空6G的頻譜認(rèn)知智能管控體系架構(gòu)，分析探討了面向航空6G的頻譜認(rèn)知智能管控的三維頻譜空間數(shù)字孿生、3D頻譜智能決策、頻譜圖譜化快速協(xié)同學(xué)習(xí)的3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。劉蔚然等[9]從空間維度對數(shù)字孿生衛(wèi)星的組成，從時(shí)間維度對數(shù)字孿生衛(wèi)星核心要素進(jìn)行了分析，探討提出了數(shù)字孿生技術(shù)與衛(wèi)星工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)、關(guān)鍵場景、關(guān)鍵對象緊密結(jié)合的數(shù)字孿生衛(wèi)星概念以及數(shù)字孿生衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)體系。

2.2.4 智慧城市

須峰[10]結(jié)合了全面建成小康社會和“十三五”規(guī)劃的收官之年背景以及新冠疫情影響的局勢，提出未來建筑業(yè)將轉(zhuǎn)向數(shù)字孿生發(fā)展。唐懷坤[11]指出未來智慧城市的探索將回歸到城市巨系統(tǒng)及技術(shù)經(jīng)濟(jì)主線上，指出數(shù)字孿生便是未來智慧城市的發(fā)展走向之一。Du等[12]介紹了基于數(shù)字孿生建模的個(gè)性化信息系統(tǒng)的方法和工具，為未來智能城市開發(fā)個(gè)性化信息系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。王金鋒[13]指出工程數(shù)字化歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展，數(shù)字孿生概念的提出將指導(dǎo)未來智慧城市的發(fā)展。張興旺等[14]、孔繁超[15]還對數(shù)字孿生圖書館的運(yùn)營管理模式進(jìn)行了探討與研究。

2.2.5 醫(yī)學(xué)

Corral等[16]綜述了數(shù)字孿生在心血管醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的早期探索，討論了未來的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，強(qiáng)調(diào)機(jī)械和統(tǒng)計(jì)模型在加速心血管研究和實(shí)現(xiàn)精確醫(yī)學(xué)愿景方面的協(xié)同作用。

2.2.6 建筑

Robins[17]指出數(shù)字孿生模型不僅會推動工作方式的變革，而且將推動整個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)的發(fā)展，并將成為超越BIM的行業(yè)熱門話題。

2.2.7 電力系統(tǒng)

張旭輝等[18]提出一種數(shù)字孿生+MR的機(jī)電設(shè)備輔助維修指導(dǎo)方法，以煤礦井下關(guān)鍵設(shè)備電牽引采煤機(jī)搖臂部傳動系統(tǒng)為對象，以數(shù)字孿生驅(qū)動的采煤機(jī)維修指導(dǎo)總體模型和技術(shù)框架，研發(fā)了基于MR的故障輔助維修指導(dǎo)系統(tǒng)。賀興等[19]針對電力數(shù)字孿生系統(tǒng)進(jìn)行了研究，通過實(shí)時(shí)態(tài)勢感知、超實(shí)時(shí)虛擬推演2種手段來認(rèn)知電力系統(tǒng)繼而輔助電網(wǎng)運(yùn)管調(diào)控的決策制定。

2.2.8 數(shù)字經(jīng)濟(jì)

此外，以中國信息通信研究院[20]、中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院[21]、阿里研究院[22]等為代表的數(shù)字產(chǎn)業(yè)政府單位及企業(yè)單位，都牢牢把控當(dāng)前數(shù)字化經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢，調(diào)研分析了數(shù)字經(jīng)濟(jì)治理構(gòu)建現(xiàn)狀，對產(chǎn)業(yè)數(shù)字化做出定義及對新圖景做出相關(guān)領(lǐng)域展望。

2.2.9 交通

葛雨明等[23]指出數(shù)字孿生對于自動駕駛測試的適用性，提出利用數(shù)字孿生的映射實(shí)現(xiàn)虛擬復(fù)雜道路場景下真實(shí)的網(wǎng)聯(lián)自動駕駛車輛測試的方法。鄭偉皓等[24]以數(shù)字孿生的五維結(jié)構(gòu)模型為指導(dǎo)，提出了針對交通領(lǐng)域虛擬模型包含的幾何、物理、規(guī)則模型提出了具體的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。分析了交通基礎(chǔ)設(shè)施分類及孿生數(shù)據(jù)特點(diǎn)，細(xì)化其構(gòu)件層次關(guān)系，實(shí)現(xiàn)模型的標(biāo)識編碼與存儲方案，完成系統(tǒng)驗(yàn)證，梳理了像素層、表征層和決策層的應(yīng)用開發(fā)思路。

2.2.10 鐵路

李純等[25]以京張高鐵BIM項(xiàng)目為載體，研究了各專業(yè)設(shè)計(jì)資源、定制各專業(yè)設(shè)計(jì)參數(shù)交互流程、構(gòu)建專業(yè)間數(shù)據(jù)層面邏輯關(guān)聯(lián)及具有統(tǒng)一數(shù)據(jù)框架的協(xié)同設(shè)計(jì)體系；朱慶等[26]針對川藏鐵路提出地理、地質(zhì)、設(shè)施、氣象、生態(tài)、災(zāi)害、人員七大實(shí)體要素類型，從幾何、尺度、拓?fù)洹傩?、行為特征及相互作用關(guān)系等進(jìn)行刻畫，制定了川藏鐵路實(shí)體要素的統(tǒng)一編碼規(guī)則以及擴(kuò)充方法，建立了川藏鐵路實(shí)體要素分類體系。

由于對應(yīng)數(shù)據(jù)冗雜、精度要求高，孿生應(yīng)用需求廣，數(shù)字孿生主要在精細(xì)化程度較高、復(fù)雜程度較大的領(lǐng)域應(yīng)用空間廣闊。鐵路工程作為復(fù)雜系統(tǒng)工程對于數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用研究鮮有成果，應(yīng)大力植入該理念尤其在重點(diǎn)難點(diǎn)工程中進(jìn)行應(yīng)用，以有效地解決以往大數(shù)據(jù)領(lǐng)域中的技術(shù)短板問題。

2.3 基于BIM的智能化鐵路工程建設(shè)研究現(xiàn)狀

2.3.1 國外鐵路智能化發(fā)展現(xiàn)狀

對傳統(tǒng)鐵路強(qiáng)國德國、法國和日本智能化鐵路建設(shè)研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，同時(shí)可為提升國內(nèi)鐵路智能建造提供借鑒。

德國在鐵路建設(shè)管理中積極推進(jìn)信息化應(yīng)用，內(nèi)容涵蓋項(xiàng)目投招標(biāo)、綜合建設(shè)項(xiàng)目評價(jià)、建設(shè)施工項(xiàng)目綜合管理、建設(shè)工程項(xiàng)目綜合管理、高速鐵路土建工程綜合設(shè)計(jì)、鐵路建設(shè)監(jiān)控等多方面。2014年選取了iTWO 5D BIM平臺開啟了數(shù)字化變革之路，2016年提出“鐵路數(shù)字化戰(zhàn)略”（鐵路4.0）；法國國家鐵路公司依據(jù)歐盟Shift2Rail計(jì)劃，進(jìn)行創(chuàng)新智能鐵路（In2Rail）項(xiàng)目的研究，并于2015年提出數(shù)字化法鐵戰(zhàn)略，為鐵路工程建設(shè)的數(shù)字化、智能化發(fā)展落地提供了政策支撐；日本作為第一個(gè)在全國范圍內(nèi)推進(jìn)建設(shè)領(lǐng)域信息化的國家，制定的《技術(shù)創(chuàng)新中長期規(guī)劃》為鐵路數(shù)字化、智能化發(fā)展創(chuàng)造了一個(gè)良好的政策環(huán)境。

2.3.2 國內(nèi)鐵路智能化發(fā)展現(xiàn)狀

我國鐵路依托京張、京雄高鐵和蒙華鐵路等重大重點(diǎn)項(xiàng)目的建設(shè)，貫穿鐵路工程建設(shè)全生命周期的路、橋、隧、軌全專業(yè)，應(yīng)用各類信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)包含智能數(shù)據(jù)采集、高效協(xié)同管理、可靠信息傳輸、數(shù)模有效集成、過程科學(xué)分析、結(jié)果智慧預(yù)測等工程建設(shè)各個(gè)環(huán)節(jié)的工程建設(shè)信息化。

建設(shè)管理方面，2005年開發(fā)研制鐵路建設(shè)項(xiàng)目管理信息系統(tǒng)（RCPMIS）并進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)用及全面推廣；2013年確立鐵路工程建設(shè)信息化總體技術(shù)路線，開發(fā)鐵路工程管理平臺；2017年發(fā)布了《鐵路信息化總體規(guī)劃》為鐵路建設(shè)管理信息化提供政策支撐，中國鐵路工程建設(shè)管理信息化穩(wěn)步推進(jìn)。

工程施工方面，我國鐵路工程建設(shè)在各個(gè)專業(yè)的施工均有所突破。在路基領(lǐng)域中，研究了高速鐵路路基凍脹時(shí)空發(fā)展規(guī)律，創(chuàng)新提出了嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路路基凍脹設(shè)計(jì)理論；在橋梁領(lǐng)域，推進(jìn)高速鐵路40 m跨度簡支梁研制和試用；在隧道領(lǐng)域提煉研究了八達(dá)嶺地下車站的設(shè)計(jì)施工、城市區(qū)大直徑盾構(gòu)隧道修建等關(guān)鍵技術(shù)等；在鐵路智能裝備領(lǐng)域中智能雙塊式無砟軌道施工設(shè)備、鋼梁自動焊接成套施工技術(shù)設(shè)備的研制大大提高了工程零件質(zhì)量穩(wěn)定性，提升結(jié)構(gòu)耐久性。

建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)方面，我中國鐵路信息化建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)先世界。依托鐵路BIM聯(lián)盟，建立了以IFC引領(lǐng)的中國鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)體系框架，并在涵蓋各專業(yè)的BIM試點(diǎn)工程中進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用，對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了有效驗(yàn)證。此外，開展了鐵路信息系統(tǒng)接口的標(biāo)準(zhǔn)研究以及正在努力推進(jìn)鐵路工程數(shù)字認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)研究。

2.4 小結(jié)

數(shù)字孿生通過將已成結(jié)果的物理實(shí)體逆向映射于數(shù)字空間中，旨在將物理世界發(fā)生的一切，尤其對于不易理解及表征的問題，塞回到數(shù)字世界中，建立數(shù)字化的模型，進(jìn)行仿真、分析、數(shù)據(jù)積累、挖掘、推理，解決物理世界難以解決的問題。數(shù)字孿生發(fā)展前景廣闊，隨著新技術(shù)不斷演進(jìn)，精密設(shè)備的增加，孿生發(fā)揮重要價(jià)值的應(yīng)用場景會相應(yīng)增加，使用該理念的性價(jià)比也將不斷提高。例如，在精密工程技術(shù)設(shè)計(jì)和測試時(shí)數(shù)字孿生讓以往由于物理?xiàng)l件限制、依賴于真實(shí)的物理實(shí)體而無法完成的操作變成可能。

通過對有關(guān)數(shù)字孿生研究現(xiàn)狀及智能鐵路研究現(xiàn)狀的調(diào)研及分析，數(shù)字孿生的應(yīng)用研究已經(jīng)不限于航天器、船舶等造價(jià)不菲的設(shè)備設(shè)施，而是向數(shù)字信息復(fù)雜的領(lǐng)域發(fā)散。鐵路工程這個(gè)龐大的系統(tǒng)工程未來對于數(shù)字孿生理念的引入就是大勢所趨。另一方面，智能鐵路在近些年來發(fā)展迅猛，在建設(shè)管理、建設(shè)施工以及標(biāo)準(zhǔn)研究中都取得了顯著成果，這為孿生技術(shù)融入鐵路工程奠定了良好基礎(chǔ)。

3 數(shù)字孿生概念在鐵路工程建設(shè)中應(yīng)用展望

數(shù)字孿生概念以云、網(wǎng)、端為主要構(gòu)成的技術(shù)生態(tài)體系，對應(yīng)數(shù)字孿生體、信息網(wǎng)絡(luò)和工程實(shí)體，由云與端互聯(lián)互通，以信息數(shù)據(jù)交換為基礎(chǔ)，處理、映射、應(yīng)用為核心，將實(shí)體管理因素連接，實(shí)現(xiàn)鐵路工程建設(shè)中各個(gè)環(huán)節(jié)的延伸。未來，數(shù)字孿生理念將融合其他先進(jìn)技術(shù)，面向超大型復(fù)雜工程項(xiàng)目，在數(shù)據(jù)冗雜或精細(xì)程度高的施工環(huán)節(jié)中發(fā)揮優(yōu)勢，起到支撐輔助作用。

（1）巨規(guī)?？臻g數(shù)據(jù)分類、組織與存儲。主要針對當(dāng)前高速鐵路長距離、大規(guī)模、多專業(yè)發(fā)展趨勢特點(diǎn)，利用數(shù)字孿生，將大體量多維模型數(shù)據(jù)、多尺度、多時(shí)相、多場景的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分類、組織、處理，實(shí)現(xiàn)多維模型可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和多路復(fù)用的存取調(diào)度策略，挖掘數(shù)據(jù)集成應(yīng)用的新價(jià)值，為建設(shè)過程中的決策與評估奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（2）基于云端的高質(zhì)量圖形處理。對于鐵路實(shí)體線路、橋梁、隧道等專業(yè)圖形造型算法復(fù)雜，應(yīng)用數(shù)字孿生，依托云、端互動技術(shù)，建立數(shù)字孿生體，實(shí)現(xiàn)大迸發(fā)情況下的巨規(guī)模數(shù)據(jù)交互與差異化轉(zhuǎn)化。建立“云+端”協(xié)同判識的質(zhì)量安全評判與控制體系，形成統(tǒng)一的質(zhì)量安全研判規(guī)則庫，開展相關(guān)專業(yè)及工序的研判、控制及多維趨勢預(yù)測。

（3）基于BIM一體化的鐵路工程管理平臺數(shù)據(jù)處理。在鐵路工程全生命周期信息化管理中，要有效對綜合、進(jìn)度、質(zhì)量、安全、投資、環(huán)保等信息化管理過程中的信息進(jìn)行采集、分析、預(yù)警，打通數(shù)據(jù)接口，建立面向人、機(jī)、料、環(huán)、法，以多維數(shù)據(jù)模型為核心的精細(xì)化管理體系，通過數(shù)字孿生模型的建立，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)映射，保障數(shù)據(jù)的完整性、有效性、調(diào)取應(yīng)用的及時(shí)性。同時(shí)依托孿生平臺建立貫穿全生命周期鐵路建造評估體系，及時(shí)對建設(shè)過程進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)化，打造優(yōu)質(zhì)管理平臺。

（4）引入信息化新技術(shù)的數(shù)字孿生工程融合體系?！笆奈濉睍r(shí)期，我國鐵路工程建設(shè)將進(jìn)入新發(fā)展階段，除了已有信息技術(shù)的研究應(yīng)用外，又面臨諸多矛盾與風(fēng)險(xiǎn)，把握新機(jī)遇、搶占新技術(shù)、引領(lǐng)新發(fā)展就成了重要一環(huán)。伴隨著云大物移、人工智能、區(qū)塊鏈、5G等一系列新技術(shù)崛起，以及摒棄單一新技術(shù)應(yīng)用，發(fā)展交叉技術(shù)融合應(yīng)用理念的興起，建立新技術(shù)與數(shù)字孿生相融合的鐵路信息化工程建設(shè)體系將形成一種全新的管理模式，為鐵路工程建設(shè)智能化發(fā)展提供有力支撐。

4 結(jié)束語

數(shù)字孿生將成為鐵路工程建設(shè)信息化研究的大勢所趨，隨著數(shù)字孿生理念的剖析、深化、應(yīng)用，鐵路工程建設(shè)在數(shù)字化、智能化的發(fā)展道路上必將更進(jìn)一步。