1 推動鐵路行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的意義

目前，對歐盟（EU）來說，推動鐵路數(shù)字化轉(zhuǎn)型是一個比以往任何時候都更迫切的議程，這被認為是開啟歐洲未來經(jīng)濟增長的關(guān)鍵一環(huán)。隨著數(shù)字技術(shù)培育的業(yè)務(wù)、產(chǎn)品和服務(wù)日益成熟，所有行業(yè)都在經(jīng)歷快速發(fā)展。交通運輸行業(yè)也不例外，鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的升級迭代將在歐洲實現(xiàn)“數(shù)字飛躍”的進程中扮演重要角色。

作為歐盟委員會（EC）打造迎合數(shù)字時代競爭的歐洲計劃的一部分，決策者需要大膽制定數(shù)字技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略，利用這些創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)對氣候變化等棘手問題，并塑造歐洲的數(shù)字化未來。毫無疑問，綠色和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的雙重挑戰(zhàn)是相輔相成的。歐盟明確表示，技術(shù)創(chuàng)新的目的之一是踐行高效、經(jīng)濟的資源利用方式，建立可持續(xù)發(fā)展模式。在這方面，數(shù)字化將是實現(xiàn)歐洲綠色、可持續(xù)發(fā)展目標的關(guān)鍵。

歐洲鐵路的供應(yīng)行業(yè)應(yīng)充分認識到，數(shù)字技術(shù)將有力推動社會的經(jīng)濟與文化向具有整體可持續(xù)性的社會模式方向過渡。這一愿景已載入歐洲鐵路工業(yè)聯(lián)盟（UNIFE）發(fā)表的《適應(yīng)數(shù)字時代的鐵路（2020）》報告。數(shù)字孿生是該報告所提及的眾多技術(shù)路線發(fā)展趨勢之一，明確反映數(shù)字化對增強鐵路相關(guān)資產(chǎn)可持續(xù)性（能源效率、可循環(huán)性和容量）的重要意義。

2 鐵路業(yè)界中的數(shù)字孿生技術(shù)機遇

數(shù)字孿生技術(shù)具備通過技術(shù)革新改進設(shè)計，顯著增強協(xié)作性，進而提高基礎(chǔ)設(shè)施性能和可靠性的潛質(zhì)，是近年來交通運輸領(lǐng)域最受矚目的話題之一。包括鐵路行業(yè)，許多行業(yè)領(lǐng)域已開始關(guān)注該技術(shù)。從醫(yī)療保健到智慧城市管理，數(shù)字孿生正成為整個制造業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新和價值鏈優(yōu)化的重要工具。

為從根本上改善和減緩氣候變化，適應(yīng)新的發(fā)展戰(zhàn)略并改善危機管理能力，在EU 層面，EC 明確強調(diào)數(shù)字孿生在綠色框架協(xié)議內(nèi)的重要地位并一直將《目的地 地球》倡議（DestinE）作為其數(shù)字脫碳計劃的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域。

另一方面，歐洲鐵路制造商將數(shù)字孿生視為鐵路運輸技術(shù)進步的巨大推動力，其地位與大數(shù)據(jù)、人工智能（AI）和區(qū)塊鏈同等。數(shù)字孿生技術(shù)的真正優(yōu)勢之一在于，它能夠預(yù)測鐵路系統(tǒng)和其子系統(tǒng)的關(guān)鍵發(fā)展動向，預(yù)測相關(guān)鐵路設(shè)施未來的性能變化，并在實際運用前通過試運行找到最佳解決方案。

數(shù)字孿生技術(shù)可以運用到鐵路設(shè)施的整個生命周期，鐵路基礎(chǔ)設(shè)施和機車車輛便是其潛在的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，尤其是在預(yù)測性狀態(tài)維護方面。事實上，在設(shè)施老化模擬中使用數(shù)字孿生技術(shù)有助于預(yù)測和識別出軌道和車輛中存在的具有故障風(fēng)險的部件。這一數(shù)字化解決方案可以指導(dǎo)人們根據(jù)運營要求進行設(shè)計改進，并將改進的成果應(yīng)用在未來的產(chǎn)品和系統(tǒng)中。此外，在新的鐵路線路或機車車輛規(guī)劃、建造或是更新、升級改造過程中，數(shù)字孿生技術(shù)可用于預(yù)測項目執(zhí)行過程中發(fā)生的變化，以及施工質(zhì)量潛在問題所帶來的風(fēng)險。因此，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)可以實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施和機車車輛投資價值最大化，避免拖期引起的成本增加。

此外，數(shù)字孿生生態(tài)系統(tǒng)涵蓋范圍比鐵路相關(guān)核心系統(tǒng)及其子系統(tǒng)更廣泛。大型鐵路基礎(chǔ)設(shè)施項目，例如“大巴黎快線”（Le Grand Paris Express）計劃中，這些生態(tài)系統(tǒng)可以擴展到建筑和土木工程行業(yè)領(lǐng)域，應(yīng)用成果惠及基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃和房地產(chǎn)管理人員。這一數(shù)字技術(shù)也有助于提升資源使用效率。通過跟蹤鐵路設(shè)施從設(shè)計階段到報廢回收階段的生命周期，可以提高流程效率和產(chǎn)品可持續(xù)性。因此，數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用有助于鐵路行業(yè)實現(xiàn)綠色歐洲協(xié)議規(guī)定的循環(huán)經(jīng)濟要求。

但需要注意的是，應(yīng)當仔細研究數(shù)字孿生技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)之間的關(guān)系。數(shù)字孿生系列技術(shù)利用真實的信息系統(tǒng)，生產(chǎn)和處理大量的數(shù)據(jù)，這將帶來數(shù)據(jù)訪問的權(quán)限和所有權(quán)問題。UNIFE 強調(diào)，必須在鐵路部門（包括城市軌道交通）建立有效的數(shù)據(jù)共享框架，以解決與數(shù)據(jù)訪問和其所有權(quán)相關(guān)的問題。在《數(shù)據(jù)治理法案》背景下，“公共移動數(shù)據(jù)空間”的建立也已經(jīng)提上日程。

3 歐洲鐵路主要研究與創(chuàng)新項目

研究與創(chuàng)新（R&I）在推動鐵路數(shù)字化轉(zhuǎn)型方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。執(zhí)行董事卡洛·博基尼（Carlo Borghini）領(lǐng)導(dǎo)的“構(gòu)建未來鐵路系統(tǒng)聯(lián)合行動計劃”（Shift2Rail）聯(lián)合項目的目的在于將整個行業(yè)的創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)整合到一起，確保行業(yè)前進道路具有前瞻性和長期性。Shift2Rail研究數(shù)字孿生相關(guān)應(yīng)用在各種子系統(tǒng)中的潛力，具體項目有：調(diào)控命令和信號X2Rail 項目、機車車輛Pivot項目、基礎(chǔ)設(shè)施In2Track 項目和能源In2Stempo 項目。Shift2Rail 內(nèi)部開展的數(shù)字孿生的研究與創(chuàng)新活動有助于更高效地預(yù)測和控制鐵路設(shè)施當下和未來的發(fā)展趨勢與效益。

Shift2Rail 的繼任者“歐洲地平線”（歐洲鐵路聯(lián)合事業(yè)部）將繼續(xù)數(shù)字孿生技術(shù)的相關(guān)研究工作。在歐洲鐵路研究咨詢委員會（ERRAC）發(fā)布的“戰(zhàn)略研究與創(chuàng)新議程”（SRIA）中，擬商議的轉(zhuǎn)型項目之一是“鐵路數(shù)字孿生、仿真和虛擬化”。改造項目將應(yīng)用于對鐵路業(yè)務(wù)績效影響較大的幾個領(lǐng)域，處理相關(guān)子系統(tǒng)的所有模塊，即車輛、基礎(chǔ)設(shè)施、供電、信號，以及它們相互之間的接口。目標是基于Shift2Rail 的要求，真正開發(fā)一個涵蓋整個鐵路部門和系統(tǒng)的“鐵路數(shù)字孿生技術(shù)”框架。

數(shù)字孿生不僅有助于了解資產(chǎn)歷史和當前情況，還能模擬場景，并預(yù)測使用和維護演變/變化的備選方案。通過這些改造項目，數(shù)字孿生的應(yīng)用方法將在預(yù)測其能產(chǎn)生積極影響的領(lǐng)域持續(xù)不斷地改進。該技術(shù)將引發(fā)設(shè)計革命，由此造就鐵路系統(tǒng)的重大演化，并使鐵路行業(yè)從中獲得巨大的發(fā)展優(yōu)勢和影響力。

4 數(shù)字孿生技術(shù)在法國鐵路網(wǎng)的發(fā)展和機遇

4.1 數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用面臨的問題

目前鐵路行業(yè)工業(yè)體系面臨的問題是如何通過創(chuàng)新，切實確定新的性能目標并構(gòu)建數(shù)字孿生模型。長期以來，數(shù)字孿生技術(shù)一直被認為是一種盡可能逼真地復(fù)制物體的3D 模型。在鐵路系統(tǒng)中，由于鐵路沿線周圍環(huán)境會隨著季節(jié)的變化而變化，對鐵路線附近區(qū)域進行建模時需要獲取和管理可以隨著時間的推移在超過50 000 km 的鐵路網(wǎng)中演變的數(shù)字模型推演的能力。然而，這種純粹的空間推演沒有考慮到鐵路網(wǎng)的動態(tài)機能，例如列車運行周期、管理規(guī)則或運營流程。因此，每天、每周和每月都需要獲取額外的數(shù)據(jù)來轉(zhuǎn)化和調(diào)整網(wǎng)絡(luò)運行的周期。系統(tǒng)需要添加不同的信源，借此還原出由于各個系統(tǒng)或子系統(tǒng)因潛在事件影響網(wǎng)絡(luò)而產(chǎn)生的各種復(fù)雜程度不同的事件。

國家鐵路系統(tǒng)在本質(zhì)上是高度復(fù)雜的。因此，數(shù)字孿生技術(shù)必須能夠在空間和時間上以不同的維度反映這些多樣的復(fù)雜事件，如列車到站的延遲時間、架空接觸網(wǎng)的幾何結(jié)構(gòu)管理、工作人員維護操作記錄的保存、新項目的財務(wù)規(guī)劃等。所面臨挑戰(zhàn)的一方面是需要構(gòu)建一套能在未來進化中被整合的、具備包容性和全球系統(tǒng)性的愿景；另一方面，這一系統(tǒng)還可以通過引入經(jīng)濟杠桿以及通過線網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提高性能，為基礎(chǔ)設(shè)施管理者帶來現(xiàn)實的收益。

因此，自2018年以來，法國國家鐵路網(wǎng)（SNCF）基于這2 個方向進行數(shù)字孿生建模：在全球范圍內(nèi)，通過概念化當前和未來的使用場景，導(dǎo)入名為阿麗亞娜（ARIANE）的新系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型，使得歷史上存儲在不同計算機信息系統(tǒng)中的工作數(shù)據(jù)具備橫向性。此外，在另一個層面，開發(fā)具體的應(yīng)用程序，以方便地評估通過數(shù)字方法創(chuàng)建的新流程的價值，助力系統(tǒng)性能的提高。

4.2 數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

SNCF 的數(shù)字孿生模型當前必須依賴公司內(nèi)部目前正在進行的各種數(shù)字應(yīng)用計劃之間的互聯(lián)互通才能運行。主要應(yīng)用形式之一是在計算機系統(tǒng)中借助數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)在產(chǎn)品的整個生命周期中，對其使用歷史和變化過程進行數(shù)字化處理。雖然從業(yè)者正在努力確定和推廣可為推進新項目提供思路的數(shù)字孿生模型新用途，但數(shù)字孿生技術(shù)目前在SNCF 的普及速度尚未達到預(yù)期。以下是目前正在進行的5 個項目，這些項目有可能通過數(shù)字孿生建模的方法獲得更好的績效。

4.2.1 持續(xù)不斷的信息流助力維保反應(yīng)提速

在Shift2Rail 項目的背景下，SNCF 正在與其他行業(yè)合作，采用內(nèi)部的工程養(yǎng)護機械在網(wǎng)絡(luò)中進行線路翻新維保等工作，設(shè)立包含更多實用信息的維修記錄。目標是確保在施工階段和隨后的運行和維保階段之間所收集的信息的數(shù)字連續(xù)性。系統(tǒng)將向所有員工提供完全數(shù)字化的易于訪問的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，員工將可在該鐵路系統(tǒng)生命周期內(nèi)訪問這些數(shù)據(jù)。

4.2.2 AI用于整個網(wǎng)絡(luò)的列車限界管理

詳細了解鐵路設(shè)施（站臺、橋梁、中軸線等）的限界是確保鐵路安全的基本要素。為提高性能和安全性，SNCF 正在開發(fā)一種基于激光3D 雷達點云數(shù)據(jù)的將基礎(chǔ)設(shè)施完全數(shù)字化的方法，通過開發(fā)能夠處理數(shù)據(jù)的復(fù)雜算法，實現(xiàn)對設(shè)備裝配合規(guī)性的整體驗證過程數(shù)字化。Omega2N 項目是其中的代表。此外，SNCF 還為英國基礎(chǔ)設(shè)施管理的英國國營鐵路公司（Network Rail）實施該方法，該公司也在調(diào)查點云數(shù)據(jù)處理的潛力，以更新其內(nèi)部的限界數(shù)據(jù)庫。

4.2.3 通過自動計算監(jiān)測柔性架空接觸網(wǎng)的幾何形狀

接觸網(wǎng)高度測控以及超差監(jiān)測是防止接觸網(wǎng)張力出現(xiàn)問題，導(dǎo)致性能異常的關(guān)鍵控制點。通過對激光雷達點云數(shù)據(jù)的連續(xù)自動算法分析，可以在1 cm 的精度上實現(xiàn)幾何測量，實現(xiàn)在幾個小時內(nèi)測量幾百公里線路的效果。接觸網(wǎng)支柱的檢測機能還可以在很大的距離范圍內(nèi)為工作人員自動生成定位信息。

4.2.4 通過計算轉(zhuǎn)移多砟或少砟區(qū)域的道砟

識別道碴外形是道砟清篩過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。SNCF根據(jù)激光雷達的數(shù)據(jù)計算真實的道砟剖面，將其與參考的剖面形狀進行比對，以確定多砟或少砟的具體區(qū)域。相關(guān)區(qū)域?qū)⒈粯俗⑸系乩砦恢脜⒖夹畔ⅲ阌诠?wù)管理人員及時趕到現(xiàn)場回收多余道砟或是將多余道砟載往少砟區(qū)域。這將在發(fā)展內(nèi)部循環(huán)經(jīng)濟的同時獲得更好的經(jīng)濟收益。

4.2.5 鐵路侵限障礙物檢測

SNCF 正在努力通過監(jiān)測鐵路線上的障礙物以提高網(wǎng)絡(luò)安全。工務(wù)維修后可能會有工具等物體被無意遺留在軌道上。對這些物體的檢測可以通過比較相隔幾周采集的2 組點云數(shù)據(jù)集之間的差異來進行。通過這種方式，還可在過濾后識別并表征對象物體的類型。然后，將物體的類型和位置信息發(fā)送給現(xiàn)場工作人員，以便他們清除或重新固定好相應(yīng)的物體?？焖僮詣訖z測可以在更短的時間內(nèi)作出反應(yīng)，以降低此類事件導(dǎo)致的安全風(fēng)險和列車延誤的可能性。

4.3 小結(jié)

SNCF 在數(shù)字孿生技術(shù)上投入大量資金進行研發(fā)，以便對鐵路網(wǎng)進行建模，同時也將其用作不同計算機系統(tǒng)間的互連互通工具，以確保計算、模擬、預(yù)測所需數(shù)據(jù)暢行無阻，同時可以便捷地向所有相關(guān)工作人員發(fā)布這些信息，以便開發(fā)針對特定案例的解決方案，使得基礎(chǔ)設(shè)施管理者可通過全新的數(shù)字作業(yè)系統(tǒng)創(chuàng)造更多價值。

5 數(shù)字孿生技術(shù)提升荷蘭鐵路系統(tǒng)數(shù)據(jù)使用效率

5.1 存在的問題與改進方向

荷蘭的鐵路系統(tǒng)是世界上最繁忙、最準時的鐵路網(wǎng)絡(luò)之一。為方便乘客及時獲取列車到站信息，需要對新鐵路和歐洲鐵路交通管理系統(tǒng)（ERTMS）進行大量投資，并對現(xiàn)有設(shè)施進行更智能的管理。在客流量增加的情況下，維持并進一步改進安全性、可用性和性能是荷蘭鐵路系統(tǒng)面臨的巨大挑戰(zhàn)。

隨著鐵路運輸需求日益旺盛，客運和貨運列車的增加將導(dǎo)致鐵路設(shè)施的磨耗增加，可用于（緊急）維護活動或維保的必要時間將進一步縮短。此外，每次線路的中斷都將產(chǎn)生更大的影響，影響更多的乘客和貨運代理。ProRail 公司認為，“基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的預(yù)測方法”是應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的最佳解決方案之一。公司正將注意力轉(zhuǎn)移到未來，做出預(yù)測并采取新的運作方法。數(shù)字孿生技術(shù)的概念是這一數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵部分，代表著一種新的設(shè)施管理方式。

控制、指揮以及交通管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)錯誤將影響車輛的正常行駛。更加智慧地使用數(shù)據(jù)管理物流流程，調(diào)度列車，已經(jīng)成為迫切的需求。然而，運營商還無法通過數(shù)據(jù)將諸如鐵路、路堤、橋梁、隧道、道岔和架空接觸網(wǎng)等設(shè)施的信息把握到位。因此，需要通過安裝在檢測列車上的傳感器來監(jiān)測這些系統(tǒng)的健康狀況。在設(shè)施上加裝物聯(lián)網(wǎng)（IoT）傳感器，并定期進行手動狀態(tài)評估，再通過升級狀態(tài)監(jiān)測的頻率和自動化程度，工作人員可以獲得更多相關(guān)數(shù)據(jù)和訊息，從而更好地管理整個系統(tǒng)。

5.2 數(shù)字孿生與信息處理

目前工作的難點是將來自各種信息系統(tǒng)的基于不同信息模型的大量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有用的信息。數(shù)字孿生技術(shù)是 ProRail 公司員工全面掌控自有設(shè)施信息的理想渠道。這些信息可以用紛繁復(fù)雜的3D 格式完成，也可以用簡單的地理地圖、示意圖或設(shè)施列表表示。因此，ProRail使用自己的集成信息模型，使員工便捷地以兼容模式從源頭構(gòu)建資產(chǎn)數(shù)據(jù)，并使數(shù)據(jù)更易于處理、鏈接和集成。

5.2.1 數(shù)據(jù)高級分析

ProRail 公司專注于數(shù)據(jù)的高級分析工作，將大數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有用的信息，以洞悉到更深刻、更關(guān)鍵的規(guī)律。例如，通過特殊的檢測列車獲得歷史磨損數(shù)據(jù)，將歷史數(shù)據(jù)推演到未來，在此期間考慮新出現(xiàn)的影響因素，如鐵路交通量和火車類型的計劃內(nèi)增長，以及氣候的變化等，最終確定荷蘭境內(nèi)的線網(wǎng)中哪些軌道的壽命已經(jīng)臨近、需要更換。這種分析方式讓運營商對壽命、風(fēng)險、預(yù)算和預(yù)期績效擁有更深入的了解，更智慧地安排設(shè)施維保更新工作。

為便于終端用戶深入了解鐵路設(shè)施老化情況，ProRail 開始研究新的數(shù)據(jù)收集方法，例如新型的物聯(lián)網(wǎng)傳感器，以及使用普通客運列車上的傳感器進行高頻數(shù)據(jù)采集。ProRail 的一個成功案例是對鐵軌照片進行自動分析，以發(fā)現(xiàn)鐵軌和軌枕上的小裂縫，或電氣接頭附近的侵蝕等病害。創(chuàng)新點在于使用特殊測量列車上的相機拍攝照片并通過新開發(fā)的算法年復(fù)一年地檢測照片中的異常。此外，通過比較多年來的圖像還可以發(fā)現(xiàn)這些病害的發(fā)展趨勢與發(fā)展趨勢的變化。

5.2.2 重視數(shù)據(jù)質(zhì)量

在過去的幾年中，ProRail 發(fā)現(xiàn)，獲取的數(shù)據(jù)質(zhì)量越高，算法的功能越能有效發(fā)揮。因此，數(shù)據(jù)質(zhì)量也應(yīng)該成為一個需要重點關(guān)注的問題。除此之外，最終用戶希望了解為他們提供數(shù)據(jù)的模型創(chuàng)建過程，以避免“黑箱算法”。這意味著運營商需要做到從原始數(shù)據(jù)到解決方案的一切透明、可追溯。如何將算法和平臺作為服務(wù)一同提供給客戶將是行業(yè)面臨的下一個問題。

5.3 未來趨勢預(yù)測

數(shù)字化轉(zhuǎn)型目前旨在通過將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為相關(guān)解決方案來支持最終用戶，這些解決方案用于做出正確的決策和行動。算法的發(fā)展目標是自動決策，其可用的計算和分析能力可以自動處理越來越多的變量。這使運營商能夠憑借算法做出更好的模擬、預(yù)測和決策。鐵路行業(yè)未來的工作方式正在快速發(fā)生變化。鐵路業(yè)界中的人工智能發(fā)展趨勢無法阻止，并將助力于鐵路系統(tǒng)的長遠發(fā)展。未來幾年里，全世界的鐵路業(yè)界會有很多有意義的工作在數(shù)字化領(lǐng)域展開。