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        數(shù)字孿生技術(shù)研究與應(yīng)用進(jìn)展(交通行業(yè))

        2023-11-27 08:04:14
        鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用 2023年10期
        關(guān)鍵詞:鐵路

        數(shù)字孿生最早于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。數(shù)字孿生技術(shù)具備通過技術(shù)革新改進(jìn)設(shè)計(jì),顯著增強(qiáng)協(xié)作性,進(jìn)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(yùn)輸領(lǐng)域最受矚目的話題之一。

        1 國內(nèi)外數(shù)字孿生平臺(tái)

        面對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)的多元化需求,國內(nèi)外主流廠商紛紛推出數(shù)字孿生平臺(tái)。作為構(gòu)建和運(yùn)行數(shù)字孿生業(yè)務(wù)應(yīng)用的基礎(chǔ),數(shù)字孿生平臺(tái)集成了多種技術(shù)的工具和套件,向上可以為各類應(yīng)用開發(fā)提供服務(wù)接口,向下可以連接各類物理對(duì)象,有效降低企業(yè)應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)的開發(fā)成本和開發(fā)周期,表1所示。

        表1 數(shù)字孿生平臺(tái)概覽

        2 國外交通領(lǐng)域數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用

        數(shù)字孿生技術(shù)已成為智慧交通建設(shè)中重要的研究方向和技術(shù)手段。德國、英國、法國、荷蘭、澳大利亞等國家的鐵路運(yùn)營(yíng)公司都致力于通過數(shù)字孿生技術(shù)提升鐵路設(shè)施的性能和可靠性,降低運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本,實(shí)現(xiàn)投資價(jià)值的最大化。

        德國鐵路股份公司(DB,Deutsche Bahn)實(shí)施數(shù)字技術(shù)戰(zhàn)略,創(chuàng)建鐵路系統(tǒng)數(shù)字孿生,并將其作為德國鐵路未來發(fā)展的核心和基礎(chǔ)。DB將數(shù)字孿生技術(shù)作為“強(qiáng)大鐵路”目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù),建立開放平臺(tái)與設(shè)備制造商、系統(tǒng)供應(yīng)商和研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行合作,通過開展物聯(lián)網(wǎng)燈塔(Leuchtturm)項(xiàng)目,確立數(shù)字孿生戰(zhàn)略實(shí)施原則,為其運(yùn)作設(shè)定統(tǒng)一的路線,并且對(duì)其實(shí)施過程進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制。目前,DB 正重點(diǎn)針對(duì)列車空調(diào)、車門和轉(zhuǎn)向架等部件,創(chuàng)建“數(shù)字孿生列車”(物聯(lián)網(wǎng)燈塔項(xiàng)目的組成部分),以便為數(shù)字孿生整體戰(zhàn)略的推進(jìn)摸索方法、積累經(jīng)驗(yàn)。如圖1所示。

        圖1 DB 鐵路系統(tǒng)數(shù)字孿生示意圖

        英國國營(yíng)鐵路公司在跨奔寧山脈鐵路升級(jí)項(xiàng)目中,通過美國Bentley軟件公司的數(shù)字孿生技術(shù),為整個(gè)鐵路線創(chuàng)建了三維數(shù)字化表現(xiàn)形式,用于設(shè)計(jì)、施工和未來維護(hù)?;贐entley iTwin 平臺(tái),項(xiàng)目組創(chuàng)建了互聯(lián)數(shù)字化生態(tài)系統(tǒng),所有項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)均可通過數(shù)據(jù)環(huán)境訪問,突破了數(shù)字化鐵路環(huán)境的界限。實(shí)施線路升級(jí)后,跨奔寧山脈鐵路將被改造成一條性能優(yōu)異、安全可靠的線路,會(huì)有更高的準(zhǔn)點(diǎn)率、更多的車次和更短的通行時(shí)間。

        法國鐵路網(wǎng)管理公司(SNCF Reseau)在數(shù)字孿生技術(shù)方面投入大量資金,建立名為ARIANE的鐵路系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型,對(duì)歷史工作數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理、開發(fā)具體應(yīng)用程序,并將數(shù)字孿生技術(shù)作為公司眾多信息系統(tǒng)間的互聯(lián)工具,從而確保數(shù)據(jù)流通,輔助相關(guān)人員制定應(yīng)對(duì)措施。目前,SNCF在Shift2Rail項(xiàng)目背景下,基于數(shù)字孿生技術(shù)建立包含更多實(shí)用信息的維修記錄,確保在鐵路施工階段和運(yùn)維階段信息的連續(xù)性,提升鐵路基礎(chǔ)設(shè)施維保效率,具體開展的數(shù)字孿生項(xiàng)目如下。

        2.1 接觸網(wǎng)幾何參數(shù)的自動(dòng)計(jì)算和監(jiān)控

        接觸網(wǎng)高度的測(cè)量、控制以及錯(cuò)位是路網(wǎng)性能中防止張力問題的關(guān)鍵要素。通過對(duì)激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的連續(xù)自動(dòng)算法分析,接觸網(wǎng)幾何測(cè)量的最高精度可達(dá)1 cm,并可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)完成幾百公里線路的測(cè)量。檢測(cè)接觸網(wǎng)支柱時(shí),還能夠?yàn)樽鳂I(yè)人員自動(dòng)生成長(zhǎng)距離的定位計(jì)劃。

        2.2 道砟回收作業(yè)

        道砟剖面是道砟更換過程中的關(guān)鍵參考指標(biāo)。通過激光雷達(dá)數(shù)據(jù)計(jì)算真實(shí)的道砟剖面,然后將其與參考剖面進(jìn)行比較,從而確定道砟多余或不足區(qū)域,鐵路基礎(chǔ)設(shè)施管理部門能夠在道砟多余區(qū)域?qū)Φ理倪M(jìn)行回收或轉(zhuǎn)移。

        2.3 線路異物檢測(cè)

        比較相隔幾周獲得的兩點(diǎn)云數(shù)據(jù)集之間的差異,對(duì)鋼軌、連接件等對(duì)象進(jìn)行檢測(cè),經(jīng)過濾后可以識(shí)別和表征檢測(cè)對(duì)象的類型,并將檢測(cè)對(duì)象的類型和位置發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員,以便現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員對(duì)這些物體進(jìn)行移除和回收。

        2.4 限界管理

        為提高基礎(chǔ)設(shè)施的性能和安全性,SNCF正在開發(fā)一種基于激光雷達(dá)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化方法,將設(shè)施一致性驗(yàn)證的過程全數(shù)字化,以保障鐵路安全。

        荷蘭鐵路運(yùn)營(yíng)公司(ProRail)采用數(shù)字孿生技術(shù)將來自各種信息系統(tǒng)的大量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為自有的集成信息模型,這些信息模型既可以用3D格式表示,也可以用地理地圖、示意圖或設(shè)施列表表示。ProRail公司利用信息模型,便捷地以兼容模式從源頭構(gòu)建資產(chǎn)數(shù)據(jù),并利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的預(yù)測(cè)方法,在應(yīng)對(duì)客流量增加的情況下,維持并進(jìn)一步改進(jìn)鐵路系統(tǒng)的安全性、可用性和性能。此外,荷蘭國家鐵路運(yùn)營(yíng)商N(yùn)ederlandse Spoorwegen(NS)與三家公共交通公司合作推出一個(gè)新的多式聯(lián)運(yùn)數(shù)字平臺(tái),將火車、巴士、地鐵、共享汽車和自行車等信息集成起來,提供“出行即服務(wù)(MaaS)”為旅客規(guī)劃、預(yù)訂和支付全國各地的旅行。

        澳大利亞利用數(shù)字孿生技術(shù)解決新修建鐵路項(xiàng)目中數(shù)字化協(xié)同方面的難點(diǎn)。澳大利亞布里斯班在價(jià)值超63億澳元的跨河鐵路項(xiàng)目中全面應(yīng)用數(shù)字技術(shù)。在建造過程中,該項(xiàng)目使用了美國Bentley公司的數(shù)字孿生技術(shù),通過高度仿真的虛擬技術(shù)提前發(fā)現(xiàn)和解決工程問題,做出施工決策,降低成本和風(fēng)險(xiǎn),確保各相關(guān)方高效協(xié)作。

        3 國內(nèi)交通領(lǐng)域數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用

        近幾年,隨著中國數(shù)字經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,數(shù)字孿生技術(shù)賦能交通行業(yè),為交通行業(yè)的數(shù)字化發(fā)展注入了新的活力。

        寧波市軌道交通集團(tuán)構(gòu)建數(shù)字孿生地鐵安全應(yīng)急保障平臺(tái),助力地鐵安全應(yīng)急保障應(yīng)用。該平臺(tái)以海量異構(gòu)多維軌道交通時(shí)空主題數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,融合GIS地理信息系統(tǒng)、BIM模型數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)主題,進(jìn)行三維重建與數(shù)字孿生,為數(shù)據(jù)賦予空間特性及用途,構(gòu)建涵蓋軌道應(yīng)急總體態(tài)勢(shì)圖、全域/站點(diǎn)感知、室內(nèi)室外、二三維一體等全息、高清數(shù)字孿生體,實(shí)現(xiàn)集“應(yīng)急場(chǎng)景、全景監(jiān)控、監(jiān)測(cè)預(yù)警、指揮調(diào)度、移動(dòng)應(yīng)急”于一體的數(shù)字化、智能化應(yīng)急指揮平臺(tái)。如圖2所示。

        圖2 寧波市軌道交通數(shù)字孿生地鐵安全應(yīng)急保障中心

        貴陽市公共交通數(shù)字孿生平臺(tái)利用數(shù)字孿生技術(shù),通過對(duì)城市公共交通多源數(shù)據(jù)的深入挖掘和分析應(yīng)用,揭示軌道交通建設(shè)與城市發(fā)展的數(shù)據(jù)關(guān)系、軌道交通出行與城市空間要素的數(shù)據(jù)規(guī)律、城市出行畫像與出行圈層分布的數(shù)據(jù)關(guān)系,為貴陽市公共交通運(yùn)營(yíng)降本增效、提升出行服務(wù)質(zhì)量、助力城市交通綜合治理等提供新思路。如圖3所示。

        圖3 貴陽市公共交通數(shù)字孿生平臺(tái)

        城市軌道交通數(shù)字孿生運(yùn)維管理平臺(tái),圍繞BIM、GIS、IoT等技術(shù)的融合應(yīng)用,設(shè)計(jì)了包含采集接入層、數(shù)據(jù)支撐層、應(yīng)用服務(wù)層、用戶交互層的4層平臺(tái)架構(gòu)。該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了全景數(shù)字孿生、結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)字孿生、設(shè)備資產(chǎn)數(shù)字孿生及應(yīng)急場(chǎng)景模擬等關(guān)鍵功能,充分發(fā)揮了數(shù)字孿生技術(shù)在提升城市軌道交通運(yùn)維管理效率、可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性方面的巨大潛力,滿足城市軌道交通運(yùn)維管理的各項(xiàng)需求,推動(dòng)城市軌道交通行業(yè)智慧化發(fā)展。如圖4所示。

        圖4 城市軌道交通數(shù)字孿生運(yùn)維管理平臺(tái)功能實(shí)例

        在國內(nèi)鐵路行業(yè),圍繞鐵路工程建設(shè)、移動(dòng)裝備、客運(yùn)運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域開展了數(shù)字孿生的研究與應(yīng)用探索。

        鐵路工程建設(shè)方面,基于數(shù)字孿生技術(shù)開發(fā)的三維數(shù)字鐵路,具備在全球三維地理空間下,開展實(shí)時(shí)三維選線設(shè)計(jì)和生成全線普適性三維數(shù)字資產(chǎn)的能力。京張高鐵利用BIM+GIS技術(shù),構(gòu)建了一條與周邊環(huán)境深度融合且與實(shí)體鐵路物理特征保持一致的數(shù)字化虛擬鐵路,服務(wù)于工程全生命周期管理。

        移動(dòng)裝備方面,開展了基于數(shù)字孿生的裝備多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合分析方法、孿生建模技術(shù)與模型自洽優(yōu)化方法、數(shù)模驅(qū)動(dòng)的裝備PHM運(yùn)維決策技術(shù)的研究,為裝備的精準(zhǔn)運(yùn)維提供更通用的信息融合載體、更強(qiáng)大的建模分析和推理能力、更形象的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)方式、更豐富的運(yùn)維交互環(huán)境,實(shí)現(xiàn)裝備全生命周期的融合分析、知識(shí)提取、信息共享、虛實(shí)協(xié)同、精準(zhǔn)評(píng)估、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)模驅(qū)動(dòng)與智能決策,提升裝備的運(yùn)行安全性和運(yùn)維經(jīng)濟(jì)性,為裝備的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化注入新的生命力。

        客貨運(yùn)輸方面,構(gòu)建面向智能客站的數(shù)字孿生體,提供客站可視化監(jiān)控、設(shè)備設(shè)施運(yùn)維、客站設(shè)備/流線運(yùn)用與仿真、客站站房結(jié)構(gòu)模擬、安全應(yīng)急仿真、環(huán)境模擬等孿生服務(wù),實(shí)現(xiàn)客站運(yùn)營(yíng)虛實(shí)互控及全場(chǎng)景仿真、安全態(tài)勢(shì)推演及應(yīng)急處置仿真,為物理車站與數(shù)字車站協(xié)同交互、平行運(yùn)轉(zhuǎn)提供技術(shù)支撐。此外,基于數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建鐵路物流數(shù)字孿生平臺(tái)和貨運(yùn)場(chǎng)站可視化平面圖,推動(dòng)鐵路客貨運(yùn)輸全生產(chǎn)要素?cái)?shù)字化、全狀態(tài)感知可視化、運(yùn)輸作業(yè)全過程管理協(xié)同化和智能化。如圖5所示。

        圖5 京張高鐵清河站數(shù)字孿生體

        綜上所述,數(shù)字孿生技術(shù)正以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和潛力,深度賦能交通行業(yè)。未來,隨著新技術(shù)應(yīng)用的不斷發(fā)展,數(shù)字孿生將為各行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和發(fā)展提供強(qiáng)大的推動(dòng)力。

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