胡志強，李季濤，王洪鑫

（1. 撫順礦業(yè)集團有限責(zé)任公司 運輸部，撫順 113008；2. 大連交通大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，大連 116028）

煤炭運輸是煤礦生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，煤礦企業(yè)編組站的主要生產(chǎn)活動就是調(diào)車作業(yè)，中間站的調(diào)車作業(yè)也很普遍。此外，煤礦企業(yè)調(diào)車作業(yè)不僅涉及到站內(nèi)走行，還存在大量的正線運行，途經(jīng)各種限速區(qū)段和平交道口。因此，煤礦企業(yè)調(diào)車作業(yè)具有點多面廣、情況多變的特點。受調(diào)車作業(yè)地點多變、工作對象不固定、人員技能水平差別較大、天氣環(huán)境多樣等多方面因素的影響，調(diào)車作業(yè)安全管理難度較大。

數(shù)字孿生以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實體行為，為物理實體擴展新的能力[1]。目前已在工業(yè)制造[2]、智能交通[3]等眾多領(lǐng)域得到應(yīng)用。數(shù)字孿生技術(shù)能精確模擬現(xiàn)實環(huán)境的具體活動，對解決具有高時效性及高安全性要求的調(diào)車作業(yè)監(jiān)控有天然優(yōu)勢。

因此，為解決煤礦企業(yè)在動態(tài)多變環(huán)境下調(diào)車作業(yè)全過程的實時監(jiān)測問題，破解安全管理“看不見、管不好、難預(yù)料”的困境，本文針對煤礦企業(yè)鐵路運輸突出的安全和效率痛點，以解決數(shù)據(jù)采集、遠程控制等技術(shù)難題為突破口，設(shè)計基于數(shù)字孿生的煤礦企業(yè)調(diào)車作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)（簡稱：監(jiān)控系統(tǒng)）。

1 調(diào)車作業(yè)實時監(jiān)控需求分析

從煤礦企業(yè)的實際業(yè)務(wù)和數(shù)字孿生技術(shù)在調(diào)車工作中的潛在應(yīng)用出發(fā)，調(diào)車作業(yè)實時監(jiān)控的業(yè)務(wù)需求可分為作業(yè)安全需求、可視化需求、管理需求3方面。

1.1 作業(yè)安全需求

目前，煤礦企業(yè)鐵路調(diào)車作業(yè)安全防護主要依靠無線平面調(diào)車燈顯設(shè)備[4-5]，由于該設(shè)備的操作和使用效果較大程度上取決于調(diào)車司機的技能和操作經(jīng)驗，因此受人的因素影響較大。在調(diào)車作業(yè)過程中，因為人為麻痹和疏忽導(dǎo)致的調(diào)車機車越過阻擋信號機所造成的擠岔事故，超速行駛造成的沖突事故和脫軌事故等慣性事故時有發(fā)生，嚴重威脅煤礦企業(yè)的鐵路運輸生產(chǎn)安全。

1.2 可視化需求

煤礦企業(yè)在過去10多年間實現(xiàn)了部分設(shè)備和流程的信息化，提高了管理的效率和效果[6-7]。然而，對于現(xiàn)場作業(yè)仍做不到實時或預(yù)防性管理，主要原因之一是管理者無法知曉生產(chǎn)現(xiàn)場的實際情況，決策周期較長?？梢?，提高調(diào)車作業(yè)管理水平的關(guān)鍵之一是可視化。如果能結(jié)合調(diào)機移動定位、煤炭企業(yè)專線鐵路網(wǎng)地圖顯示和安全防護設(shè)置，再輔以計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)進路和信號機狀態(tài)，就能夠及時發(fā)現(xiàn)調(diào)車作業(yè)過程中的異?，F(xiàn)象，及時報警或采取遠程控制措施，從而避免因疲勞、疏忽等問題帶來的安全隱患，提升調(diào)車作業(yè)安全的主動防護能力。

1.3 管理需求

（1）煤礦企業(yè)專線鐵路管轄范圍較大、線路里程長、車站眾多，日常運營涉及機車、車輛、信號、傳感設(shè)備、裝卸設(shè)備、電力設(shè)備等，設(shè)備數(shù)量龐大、種類繁多，管理復(fù)雜度高；（2）企業(yè)運輸部門雖已有一些監(jiān)控系統(tǒng)，但報警信息分散，故障根因追溯困難；（3）企業(yè)運輸部門現(xiàn)有應(yīng)用系統(tǒng)眾多，數(shù)據(jù)分散，且不能在同一個平臺展示，管理者難以基于分散數(shù)據(jù)實現(xiàn)正確決策。

數(shù)字孿生作為一種充分利用模型、數(shù)據(jù)、智能算法并集成多學(xué)科的技術(shù)，能夠充分發(fā)揮連接物理世界和信息世界的紐帶作用，可在虛擬空間再現(xiàn)調(diào)車作業(yè)運營場景，通過虛實融合的系統(tǒng)實現(xiàn)方式，提高基礎(chǔ)設(shè)施的感知能力、分析能力、管理能力和服務(wù)能力。

2 監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建

煤礦企業(yè)調(diào)車作業(yè)的數(shù)字孿生不是對調(diào)機、信號機、路網(wǎng)等物理對象的簡單數(shù)字化，而是根據(jù)具體業(yè)務(wù)需求，從模型處理、可視化渲染、虛實融合等多方面進行全過程、全交互、全實時的監(jiān)控[8-9]。

2.1 技術(shù)架構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)是基于煤礦企業(yè)調(diào)車工作安全管理需求構(gòu)建的，主要由5類技術(shù)緊密結(jié)合而成，系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

其中，（1）感知與標(biāo)識技術(shù)為監(jiān)控系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)采集和傳輸能力，如從調(diào)機車載系統(tǒng)采集機車實時運行數(shù)據(jù)（速度、經(jīng)緯度坐標(biāo)），從計算機聯(lián)鎖（CI）系統(tǒng)采集信號機實時狀態(tài)數(shù)據(jù)等，并通過全域設(shè)施標(biāo)識與路網(wǎng)模型集成；（2）空間地理信息技術(shù)為監(jiān)控系統(tǒng)提供了集成底板、參照基準(zhǔn)和調(diào)機實時位置地圖匹配服務(wù)；（3）建模與渲染技術(shù)為監(jiān)控系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)骨架，以實現(xiàn)對煤礦企業(yè)物理路網(wǎng)的精準(zhǔn)刻畫與可視化呈現(xiàn)；（4）算法與仿真技術(shù)通過作業(yè)回溯、關(guān)聯(lián)分析對問題進行診斷總結(jié)，通過態(tài)勢模擬、深度學(xué)習(xí)將預(yù)測結(jié)果等呈現(xiàn)給管理人員用于決策；（5）交互與控制技術(shù)為管理者和工作人員對日常調(diào)車作業(yè)監(jiān)控與管理提供了互動操作支撐。

2.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)按照中心平臺與鐵路現(xiàn)場相結(jié)合的方式，設(shè)計了中心集中監(jiān)測與管控方案，系統(tǒng)總體架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)

（1）基礎(chǔ)支撐層主要實現(xiàn)鐵路現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，以及少量遠程控制功能，采集數(shù)據(jù)主要包括調(diào)機速度和位置數(shù)據(jù)、進路和信號機狀態(tài)數(shù)據(jù)、調(diào)車作業(yè)計劃、股道現(xiàn)車數(shù)據(jù)、線路環(huán)境數(shù)據(jù)及司機實時狀態(tài)；（2）基礎(chǔ)支撐層通過鐵路有線、無線通信網(wǎng)與路網(wǎng)數(shù)字孿生模型相連接，路網(wǎng)數(shù)字孿生模型為監(jiān)控系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)、平臺和計算能力；（3）功能應(yīng)用層為調(diào)度中心工作人員和管理人員提供了路網(wǎng)全部調(diào)車機車作業(yè)全過程可視化監(jiān)控和調(diào)車司機狀態(tài)監(jiān)控功能，在緊急情況下中心工作人員可對調(diào)機進行遠程控制，管理人員可對歷史作業(yè)過程進行回溯、分析、診斷，以滿足科學(xué)合理的決策需求。

3 關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字孿生技術(shù)是通過構(gòu)建物理對象的數(shù)字化鏡像來描述物理對象在現(xiàn)實世界中的變化，以實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測、趨勢預(yù)測和安全管理。為此，需要解決數(shù)據(jù)采集與傳輸、路網(wǎng)數(shù)字孿生模型和遠程控制3方面的關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 數(shù)據(jù)采集與傳輸

數(shù)字孿生的核心是模型和數(shù)據(jù)，建立完善的路網(wǎng)數(shù)字孿生模型是第一步，而融入更多的數(shù)據(jù)才是關(guān)鍵。調(diào)車作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)需要獲取的主要數(shù)據(jù)是調(diào)機數(shù)據(jù)和線路信號數(shù)據(jù)，要想充分發(fā)揮監(jiān)控系統(tǒng)的潛能，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、一致性和傳輸?shù)姆€(wěn)定性也至關(guān)重要。

（1）調(diào)機數(shù)據(jù)

為獲取調(diào)機位置、速度等實時數(shù)據(jù)，本文利用射頻識別技術(shù)（RFID，Radio Frequency Identification）、衛(wèi)星定位模塊、視頻攝像頭等感知設(shè)備，實現(xiàn)對調(diào)車機車的實時數(shù)據(jù)采集，并對采集到的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理；利用無線通信技術(shù)，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛娣?wù)器，實現(xiàn)在虛擬路網(wǎng)上對調(diào)車作業(yè)信息的持續(xù)更新，為生產(chǎn)管理、安全預(yù)警、遠程控制提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（2）信號數(shù)據(jù)

研究多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)，開發(fā)了與計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換接口；采用基于離散事件的觸發(fā)方式和推送協(xié)議，從計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)實時獲取路網(wǎng)信號機狀態(tài)數(shù)據(jù)；采用全域標(biāo)識技術(shù)為線路信號機、區(qū)段等物理對象賦予唯一的身份編碼，從而確保調(diào)車作業(yè)過程中的路網(wǎng)物理實體能與孿生空間中的路網(wǎng)數(shù)字虛體實現(xiàn)精準(zhǔn)映射，從而實現(xiàn)了信號機狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集、傳輸與可視化顯示。

3.2 路網(wǎng)數(shù)字孿生模型

為實現(xiàn)對調(diào)車作業(yè)的可視化實時監(jiān)控，在獲取調(diào)機和信號數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，構(gòu)建了與真實路網(wǎng)相映射的數(shù)字孿生路網(wǎng)，如圖3（a）所示，支持WGS84和CGCS2000投影坐標(biāo)系。實現(xiàn)了以點和線段作為基本單位，對路網(wǎng)內(nèi)進出站信號機、平交道口等關(guān)鍵位置進行個性化安全防護設(shè)置，為調(diào)車作業(yè)主動安全防護和調(diào)度中心遠程控制提供數(shù)據(jù)支持，如圖3（b）所示。對路網(wǎng)模型的有效管理，為監(jiān)控系統(tǒng)提供了集成底板和參照基準(zhǔn)。

圖3 路網(wǎng)數(shù)字孿生模型

3.3 遠程控制技術(shù)

為消除嚴重安全隱患，如違規(guī)冒進信號等行為，調(diào)車作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)調(diào)機實時位置和速度數(shù)據(jù)，結(jié)合路網(wǎng)數(shù)字孿生模型安全防護設(shè)置的信號機安全防護區(qū)段，判斷調(diào)機是否存在冒進信號行為；在調(diào)車機車駕駛室安裝了控制主機箱，如圖4（a）所示，實時接收調(diào)度中心監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出的遠程控制指令；在機車制動風(fēng)管處加裝電磁閥，如圖4（b）所示，在接收到主機箱指令后自動排風(fēng)，調(diào)車機車緊急制動，實現(xiàn)了在緊急情況下對調(diào)車機車的遠程制動控制，可有效防止事故的發(fā)生。

圖4 調(diào)車機車遠程控制裝置

4 系統(tǒng)應(yīng)用

目前，本文研發(fā)的基于數(shù)字孿生的煤礦企業(yè)調(diào)車作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)已在撫順礦業(yè)集團有限公司運輸部上線運行。該公司運輸部路網(wǎng)線路總延長415 km，主要擔(dān)負著撫順礦業(yè)集團與國家鐵路的交接和礦內(nèi)的列車運行、調(diào)車及裝卸作業(yè)。監(jiān)控系統(tǒng)路網(wǎng)調(diào)車作業(yè)實時監(jiān)控界面，如圖5所示，在路網(wǎng)模型上實時顯示了全部作業(yè)調(diào)機的位置和速度信息；單臺調(diào)機運行監(jiān)控界面，如圖6所示，可更詳細地看到作業(yè)進路上的信號機狀態(tài)；實現(xiàn)了對調(diào)車司機作業(yè)過程的實時可視化監(jiān)控?，F(xiàn)場實際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能對該公司運輸部調(diào)車作業(yè)全過程進行較高精度的實時監(jiān)控，有效降低了日常違規(guī)作業(yè)現(xiàn)象，消除了嚴重違規(guī)作業(yè)風(fēng)險，提升了主動安全防護水平。

圖5 路網(wǎng)調(diào)車作業(yè)實時監(jiān)控界面

圖6 單臺調(diào)機運行監(jiān)控界面

5 結(jié)束語

在加快煤礦智能化發(fā)展的時代背景下，本文研制了基于數(shù)字孿生的煤礦企業(yè)調(diào)車作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對調(diào)車作業(yè)全過程的實時監(jiān)控和安全管理，同時，支持跨設(shè)備、跨系統(tǒng)、跨流程的孿生一體化和決策控制一體化，具有一定的推廣應(yīng)用價值。