基于数字孪生技术的环铁一体化协同试验平台研究

吕向茹，范文娜，卢文龙，林 峰

（1. 北京经纬信息技术有限公司，北京 100081；2. 中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所，北京 100081；3. 中国铁道科学研究院集团有限公司 国家铁道试验中心，北京 100015）

国家铁道试验中心环形铁道（简称：环铁）试验基地始建于1958年，经过60多年的发展，在高速铁路、重载铁路、高原铁路、智能铁路、城市轨道交通等领域，累计开展900余项重大科研试验，对我国铁路技术进步提供了强力支撑，在铁路科技创新能力体系中发挥着不可替代作用。

数字孪生技术利用建模工具在信息空间构建物理对象的精准模型，通过数据与模型集成融合的手段为物理实体赋能，提升服务功能和决策能力，进而推动整个业务流程闭环优化[1]。近年来，国内外针对数字孪生技术开展大量研究。Lu等人[2]提出从BIM到数字孪生的智能资产管理发展路线；Negri等人[3]研究数字孪生技术在基于CPS（信息物理系统）的生产系统中的应用；Qi等人[4]从数据融合和集成应用的角度对数字孪生技术在智能制造全过程中的应用进行研究；陶飞等人[5-6]对数据孪生车间的系统组成、运行机制和关键技术进行研究，提出车间物理世界和信息世界融合理论和实现方法。

多年来，各种检测、监测设备的设置，以及5G移动通信、北斗卫星导航系统等信息基础设施的建设，不断增强环铁试验基地泛在感知和高速互联能力，为环铁试验基地设备设施的全面互联和智能管控提供了有利条件。但是，环铁试验基地的线路基础设施、设备等资源的运行状态尚未实现统一监测和管控，各个试验环节相对独立等问题日益突出。为充分发挥环铁试验基地在中国铁路技术创新中的战略性平台支撑作用，研究环铁一体化协同试验平台（简称：环铁试验平台），基于环铁试验基地数字孪生模型开发集成应用功能，以期增强环铁试验基地的试验服务能力，更好地服务于铁路科技创新。

1 基于数字孪生技术的环铁一体化协同试验平台设计

1.1 环铁一体化协同试验平台构想

环铁试验平台物理空间和信息空间的融合交互是实现环铁试验基地数字化、智能化赋能的关键，而数字孪生是一种实现物理空间和信息空间有效融合的方法。运用新一代信息技术和物联网技术，建立环铁试验基地数字孪生模型，实现环铁试验基地的物理空间和信息空间双向实时映射和交互，在此基础上搭建环铁一体化协同试验平台，如图1所示，实现试验要素、试验过程、试验数据的集成和融合，形成试验资源优化配置、试验项目闭环管理新模式。

图1 基于数字孪生技术的环铁一体化协同试验平台

环铁试验基地数字孪生模型的物理空间是指客观存在的实体集合，包括环形铁道以及环线上的接触网、道岔、铁塔、基站、信号机、应答器等，以及各试验室和试验室设备。环铁一体化协同试验平台的信息空间是对物理空间的数字化镜像，主要功能是对试验计划、试验过程进行模拟、分析和评估，并对试验进行监控和预测。在环铁试验基地数字孪生模型的驱动下，环铁一体化协同试验平台集成所有试验要素，对试验智能化管控提供支持和服务。

1.2 环铁一体化协同试验平台架构

基于数字孪生技术的环铁一体化协同试验平台划分为3个层次：数据层、模型层和应用层，如图2所示。

图2 环铁一体化协同试验平台架构

（1）数据层：提供大数据服务、智能计算服务、地理信息服务、BIM服务以及北斗时空信息服务等数据服务。通过与大数据、BIM和GIS等技术结合，汇集环铁试验基地基础设施、试验设备和试验过程等数据，提升环铁一体化协同试验平台的数据服务能力，发挥数据资产最大价值。

（2）模型层：提供模型构建、数据—模型融合、属性扩展、模型展示等模型服务。通过对多源异构数据处理、数据-模型融合、可视化展示应用等技术的研究，构建环铁试验基地路基、桥梁、隧道、轨道和四电等各专业模型，在信息空间刻画环铁细节、呈现环铁体征、推演未来趋势，使环铁一体化协同试验平台成为综合信息载体。

（3）应用层：提供试验管理、资产管理和调度管理等应用服务。在环铁试验基地数字孪生模型的支持下，从信息空间的维度构建环铁试验基地试验环境，精准模拟环铁试验基地资产和试验设备实际运行情况，充分发挥环铁试验基地检测/检验和认证等核心职能，提升环铁试验基地在铁路技术装备研制、铁路建设和运营管理等方面的技术支撑能力。

2 环铁实验基地全域数据资产管理

为了充分利用环铁实验基地试验及运维产生的各类数据，提升数据存储、管理、挖掘和应用的质量效率，环铁一体化协同试验平台从环铁实验基地各数据源获取原始数据，梳理各类业务数据在组织存储、分类标准等方面的差异，实现不同数据要素在同一时空体系中的有机融合，形成内容完整的集中式全域数据资产。

环铁试验基地全域数据资产管理包括数据汇集接入、数据存储治理、数据主题域构建、数据服务等过程。

2.1 数据汇集接入

确定接入数据范围、接入数据来源，通过打通技术接口实现数据接入，并开展数据登记；环铁一体化协同试验平台接入数据的具体内容见表1。

表1 环铁一体化协同试验平台接入数据

2.2 数据存储治理

按照数据类型和应用方式进行分类存储，实现数据高效存储；通过数据清洗和治理，提升数据质量。环铁数字孪生试验平台数据存储治理流程，如图3所示。

图3 环铁一体化协同试验平台数据存储治理流程

（1）数据存储：按照数据类型和应用方式对全域数据进行分类存储。

（2）数据分析：分析数据是否存在缺失、异常或重复等情况，及时发现数据质量问题，确保数据清洗效率和清洗效果。

（3）确定清洗方法：根据数据分析发现的数据质量问题，结合相关业务规则，制订相应的数据清洗方法。

（4）校验清洗方法：为保证清洗方法的有效性，在进行数据清洗之前，先从数据源中抽取部分样本进行验证，检验所选方法的清洗效果是否符合要求。

（5）执行清洗方法：根据所选定的数据清洗方法，编程实现数据清洗流程。

（6）干净数据回流：将清洗后的数据替换原来的“脏数据”，用于数据挖掘。

2.3 数据主题域构建

从多个数据源获取原始数据，主要针对试验管理、资源管理、运营维护、安全防护、科技创新等不同业务领域，构建包括模型数据、试验数据、监测数据、资产数据等不同类别的全域全要素数据，为环铁试验基地数字化应用场景提供数据支撑。环铁一体化协同试验平台数据主题域如图4所示。

图4 环铁一体化协同试验平台数据主题域

2.4 数据服务

环铁一体化协同试验平台将集成环铁试验基地相关各领域数据，通过统一服务接口，实现数据访问、共享和分析等服务，提供完善的数据服务，供环铁试验基地试验单位及运维单位依托数据服务开展一体化应用，充分发挥各类数据资产的价值。

3 环铁试验基地数字孪生模型

3.1 模型创建

铁路工程不仅涉及了建筑领域，还涉及了桥梁、隧道、路基、轨道、通信、信号、牵引变电等众多专业领域。铁路工程建造过程中的每个领域均具有其特有的空间结构和专业构件。《铁路工程信息模型数据存储标准》（IFC）针对铁路众多专业领域进行了详细的定义和扩展[7]。图5给出了铁路隧道领域类型、实体和属性定义。

图5 铁路隧道领域类型、实体和属性定义

在创建环铁实验基地数字孪生模型前，先在设计软件或插件中对铁路信息模型对象及相关属性信息进行定义，定义过程如图6所示。

图6 铁路对象定义过程

根据《铁路工程信息模型数据存储标准》，将铁路各专业对象及其属性和继承关系描述为Schema对象，生成对应的XML格式文档，可导入相应软件进行解析。在具体应用中，对铁路实体对象进行绑定，由此实现基于模型的信息传递和利用。

3.2 数据融合

环铁数字孪生模型-数据融合技术路线如图7所示。

图7 环铁试验基地数字孪生模型-数据融合技术路线

基于环铁试验基地的试验线、试验室等设计图纸和基础设施设备台账，以及基础地理数据、影像数据、DEM数据、DOM数据、全景照片构建三维实体模型和三维地形模型，借助Unity 3D引擎进行坐标转换、位置转换、配景模型创建、植被素材制作、图像处理、贴图、纹理材质处理、属性设置等模型优化处理，并集成环铁试验基地实际运行数据，创建环铁试验基地数字孪生模型，实现多源异构数据的高效集成和融合[8-9]。

基于环铁试验基地数字孪生模型，环铁一体化协同试验平台可提供全景浏览、数据查询、属性编辑、场景模拟、特效展示、交互处理等应用服务。

4 平台应用

环铁一体化协同试验平台可支撑环线和试验室试验管理、资产管理和调度管理等功能应用。

4.1 试验管理

为环线上和相关试验室内开展的所有试验项目提供全面的一体化管理应用，涵盖试验计划、试验流程、试验过程、试验结果及科研成果；基于试验室和设备的三维仿真模型，提供室内漫游、模型拆解、设备查看和试验过程模拟等功能，帮助试验方分析、验证和评估试验方案，辅助试验方高效组织和管理试验项目。试验管理应用示例如图8所示。

图8 试验管理应用示例

4.2 资产管理

创建环铁试验基地的资产管理台账，具有二维、三维和卫星地图3种展示模式，提供全景浏览、数据查询、可视化分析等功能，实时动态展示环铁试验基地工务、电务、供电、通信、信号等专业，以及北斗卫星导航系统、5G移动通信等基础设施设备信息、报警信息和维修作业计划，便于实时追踪设备设施维修动态，为实施预防性维修提供数据支持，推动环铁试验基地资产管理和设备维护的数字化转型。资产管理应用示例如图9所示。

图9 资产管理应用示例

4.3 调度管理

依据试验计划自动生成列车运行计划，列车运行过程中实时监控环线信号设备和列车运行状态，基于环铁数字孪生模型实现列车运行场景的实时展示和视角切换，并根据列车运行位置和到发时刻，自动绘制列车实绩运行图。

调度管理应用示例如图10所示。

图10 调度管理应用示例

5 结束语

针对环铁试验基地试验资源和试验过程相对独立，缺乏统一监测和管控的问题，搭建了基于数字孪生技术的环铁一体化协同试验平台；实现环铁实验基地全域数据资产管理，构建环铁试验基地数字孪生模型，在此基础上提供试验管理、资产管理、调度管理等应用功能，实现环线和试验室试验计划和试验流程的统一管理，有助于优化环铁试验基地试验资源配置，进一步增强环铁试验基地的试验服务能力。

目前，仅部分试验室接入到环铁一体化协同试验平台，今后将持续推进环铁一体化协同试验平台的集成工作，将环铁试验基地配置的所有试验设施设备及其数据资源全部纳入环铁一体化协同试验平台。同时，结合环铁试验基地日益完善的试验功能和不断拓展的试验项目，对试验数据提取和交换技术、各类试验设施设备的物理空间和信息空间映射和交互技术进行深入研究，在环铁试验基地实际运行过程中，不断加强试验资源、试验计划、试验过程和试验结果的有效管控，持续完善环铁一体化协同试验平台在支持数据资源共享、促进多种试验项目协同方面的能力，推进环铁试验基地的数字化、智能化赋能。