基于BIM的鐵路數字孿生工程研究現狀及展望

王可飛，郝蕊，盧文龍，范文娜，李達塽

（1.北京經緯信息技術有限公司，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司電子計算技術研究所，北京 100081）

0 引言

我國鐵路工程建設發展迅猛，截至2020年底，全國鐵路營業里程達到14.6萬km，其中高速鐵路3.8萬km。鐵路網覆蓋呈現廣而密的趨勢，項目工程質量安全要求高，鐵路規模愈發宏大，工程建設環境復雜，施工建設難度大，需要依靠新的技術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進行工程項目管理的成功經驗，并結合我國鐵路發展特點后，規劃了適用于我國鐵路工程建設信息化管理的發展路線。陸續開展了發展戰略、關鍵技術預測、體系架構研究、標準體系建立等智能高鐵相關研究，并取得豐富科研成果。

1 數字孿生鐵路概述

1.1 研究背景

數字孿生技術作為智能化發展的大勢技術，在各行業中正逐步推廣研究，其中鐵路行業起步較晚，研究內容亟待擴充。面對鐵路建設過程產生的大規模數據，通過建立基于鐵路工程施工全過程的數字孿生體系，建立基于BIM的鐵路數字孿生工程對象模型，形成“物理對象—數字孿生體系—應用服務”多元多層多級映射機制，最終有效支撐建設的全生命周期管理。

1.2 數字孿生鐵路的概念

數字孿生本質是物理世界與數字世界虛實映射的過程，通過利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等在實際工作過程中產生的數據，集成多學科、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，進而實時反映相對應的工程實體全生命周期過程動態信息。

數字孿生鐵路是以智能建造、智能裝備、智能運營為核心，以BIM為載體的智能高鐵技術應用數字環境，也是鐵路工程全生命周期應用的數據基礎，是物理維度鐵路實體和信息維度虛擬工程共生共存、虛實相融、相互對照的一種模擬仿真發展形態。

在實際鐵路工程項目中，需要以橋隧等重、難點工程BIM項目為載體，集中管理各專業設計資源、定制各專業設計參數交互流程、構建專業間數據層面邏輯關聯、賦予統一數據框架的協同建設體系，形成基于數字孿生的建設方案，為工程數字化建設提供了數據結構組織有序、易于維護、動態可感知的數字孿生工程，為重點難點工程提供支撐方案和技術保障（見圖1）。

圖1 數字孿生鐵路概念模型

2 國內外研究現狀

2.1 概述

數字孿生的概念最早出現于2003年，由Grieves教授在美國密歇根大學的產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等問題中。當前國內外有關數字孿生的研究主要涉及醫學、機械、船舶、交通、電力系統、智慧城市以及數字經濟等多個領域。數字孿生鐵路的研究起步較晚，喪失了先天優勢，未來將是鐵路工程建設信息化、數字化、智能化發展的重要方向。

2.2 數字孿生技術國內外研究現狀

科研工作者通過對過去數字孿生相關文獻系統的回顧和專題分析[1]，對數字孿生進行了表征，找出了知識上的差距，梳理了相關領域中數字孿生的應用成果（見表1）。

表1 數字孿生技術在各領域的研究現狀

2.2.1 工程機械

Leser等[2]將數字孿生理念融入工程斷裂力學，應用裂紋擴展模型進行疲勞壽命的不確定性預測，提出了一種在概率框架下進行現場診斷和預測降低疲勞壽命、預測不確定性的通用方法；Booyse等[3]提出了基于孿生的機械平穩預測的數據框架及方案；Piros等[4]提出基于模糊數學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]則依托數字孿生理論在機械制造領域提出了一種基于功能需求的設計數據構建框架和構建方法，并在切割工具磨損預測中進行驗證應用。

2.2.2 船舶

Bondarenko等[6]基于現象學中維貝燃燒模型研究提出了應用于預測推進柴油機系統動態的數字孿生模型方法。Arrichiello等[7]討論了工程自然孿生演化機理，梳理數字孿生在造船領域尤其是游輪的應用描述，認為系統工程和數字孿生是未來郵輪設計、生產和運營的發展趨勢。

2.2.3 航空

劉東等[8]提出了面向航空6G的頻譜認知智能管控體系架構，分析探討了面向航空6G的頻譜認知智能管控的三維頻譜空間數字孿生、3D頻譜智能決策、頻譜圖譜化快速協同學習的3個關鍵技術。劉蔚然等[9]從空間維度對數字孿生衛星的組成，從時間維度對數字孿生衛星核心要素進行了分析，探討提出了數字孿生技術與衛星工程的關鍵環節、關鍵場景、關鍵對象緊密結合的數字孿生衛星概念以及數字孿生衛星關鍵技術體系。

2.2.4 智慧城市

須峰[10]結合了全面建成小康社會和“十三五”規劃的收官之年背景以及新冠疫情影響的局勢，提出未來建筑業將轉向數字孿生發展。唐懷坤[11]指出未來智慧城市的探索將回歸到城市巨系統及技術經濟主線上，指出數字孿生便是未來智慧城市的發展走向之一。Du等[12]介紹了基于數字孿生建模的個性化信息系統的方法和工具，為未來智能城市開發個性化信息系統奠定了基礎。王金鋒[13]指出工程數字化歷經數十年的發展，數字孿生概念的提出將指導未來智慧城市的發展。張興旺等[14]、孔繁超[15]還對數字孿生圖書館的運營管理模式進行了探討與研究。

2.2.5 醫學

Corral等[16]綜述了數字孿生在心血管醫學領域的早期探索，討論了未來的挑戰和機遇，強調機械和統計模型在加速心血管研究和實現精確醫學愿景方面的協同作用。

2.2.6 建筑

Robins[17]指出數字孿生模型不僅會推動工作方式的變革，而且將推動整個基礎設施行業的發展，并將成為超越BIM的行業熱門話題。

2.2.7 電力系統

張旭輝等[18]提出一種數字孿生+MR的機電設備輔助維修指導方法，以煤礦井下關鍵設備電牽引采煤機搖臂部傳動系統為對象，以數字孿生驅動的采煤機維修指導總體模型和技術框架，研發了基于MR的故障輔助維修指導系統。賀興等[19]針對電力數字孿生系統進行了研究，通過實時態勢感知、超實時虛擬推演2種手段來認知電力系統繼而輔助電網運管調控的決策制定。

2.2.8 數字經濟

此外，以中國信息通信研究院[20]、中國電子信息產業發展研究院[21]、阿里研究院[22]等為代表的數字產業政府單位及企業單位，都牢牢把控當前數字化經濟發展趨勢，調研分析了數字經濟治理構建現狀，對產業數字化做出定義及對新圖景做出相關領域展望。

2.2.9 交通

葛雨明等[23]指出數字孿生對于自動駕駛測試的適用性，提出利用數字孿生的映射實現虛擬復雜道路場景下真實的網聯自動駕駛車輛測試的方法。鄭偉皓等[24]以數字孿生的五維結構模型為指導，提出了針對交通領域虛擬模型包含的幾何、物理、規則模型提出了具體的實現技術。分析了交通基礎設施分類及孿生數據特點，細化其構件層次關系，實現模型的標識編碼與存儲方案，完成系統驗證，梳理了像素層、表征層和決策層的應用開發思路。

2.2.10 鐵路

李純等[25]以京張高鐵BIM項目為載體，研究了各專業設計資源、定制各專業設計參數交互流程、構建專業間數據層面邏輯關聯及具有統一數據框架的協同設計體系；朱慶等[26]針對川藏鐵路提出地理、地質、設施、氣象、生態、災害、人員七大實體要素類型，從幾何、尺度、拓撲、屬性、行為特征及相互作用關系等進行刻畫，制定了川藏鐵路實體要素的統一編碼規則以及擴充方法，建立了川藏鐵路實體要素分類體系。

由于對應數據冗雜、精度要求高，孿生應用需求廣，數字孿生主要在精細化程度較高、復雜程度較大的領域應用空間廣闊。鐵路工程作為復雜系統工程對于數字孿生技術的應用研究鮮有成果，應大力植入該理念尤其在重點難點工程中進行應用，以有效地解決以往大數據領域中的技術短板問題。

2.3 基于BIM的智能化鐵路工程建設研究現狀

2.3.1 國外鐵路智能化發展現狀

對傳統鐵路強國德國、法國和日本智能化鐵路建設研究現狀進行分析，同時可為提升國內鐵路智能建造提供借鑒。

德國在鐵路建設管理中積極推進信息化應用，內容涵蓋項目投招標、綜合建設項目評價、建設施工項目綜合管理、建設工程項目綜合管理、高速鐵路土建工程綜合設計、鐵路建設監控等多方面。2014年選取了iTWO 5D BIM平臺開啟了數字化變革之路，2016年提出“鐵路數字化戰略”（鐵路4.0）；法國國家鐵路公司依據歐盟Shift2Rail計劃，進行創新智能鐵路（In2Rail）項目的研究，并于2015年提出數字化法鐵戰略，為鐵路工程建設的數字化、智能化發展落地提供了政策支撐；日本作為第一個在全國范圍內推進建設領域信息化的國家，制定的《技術創新中長期規劃》為鐵路數字化、智能化發展創造了一個良好的政策環境。

2.3.2 國內鐵路智能化發展現狀

我國鐵路依托京張、京雄高鐵和蒙華鐵路等重大重點項目的建設，貫穿鐵路工程建設全生命周期的路、橋、隧、軌全專業，應用各類信息技術，實現包含智能數據采集、高效協同管理、可靠信息傳輸、數模有效集成、過程科學分析、結果智慧預測等工程建設各個環節的工程建設信息化。

建設管理方面，2005年開發研制鐵路建設項目管理信息系統（RCPMIS）并進行試點應用及全面推廣；2013年確立鐵路工程建設信息化總體技術路線，開發鐵路工程管理平臺；2017年發布了《鐵路信息化總體規劃》為鐵路建設管理信息化提供政策支撐，中國鐵路工程建設管理信息化穩步推進。

工程施工方面，我國鐵路工程建設在各個專業的施工均有所突破。在路基領域中，研究了高速鐵路路基凍脹時空發展規律，創新提出了嚴寒地區高速鐵路路基凍脹設計理論；在橋梁領域，推進高速鐵路40 m跨度簡支梁研制和試用；在隧道領域提煉研究了八達嶺地下車站的設計施工、城市區大直徑盾構隧道修建等關鍵技術等；在鐵路智能裝備領域中智能雙塊式無砟軌道施工設備、鋼梁自動焊接成套施工技術設備的研制大大提高了工程零件質量穩定性，提升結構耐久性。

建設標準方面，我中國鐵路信息化建設標準領先世界。依托鐵路BIM聯盟，建立了以IFC引領的中國鐵路BIM標準體系框架，并在涵蓋各專業的BIM試點工程中進行實踐應用，對標準進行了有效驗證。此外，開展了鐵路信息系統接口的標準研究以及正在努力推進鐵路工程數字認證標準研究。

2.4 小結

數字孿生通過將已成結果的物理實體逆向映射于數字空間中，旨在將物理世界發生的一切，尤其對于不易理解及表征的問題，塞回到數字世界中，建立數字化的模型，進行仿真、分析、數據積累、挖掘、推理，解決物理世界難以解決的問題。數字孿生發展前景廣闊，隨著新技術不斷演進，精密設備的增加，孿生發揮重要價值的應用場景會相應增加，使用該理念的性價比也將不斷提高。例如，在精密工程技術設計和測試時數字孿生讓以往由于物理條件限制、依賴于真實的物理實體而無法完成的操作變成可能。

通過對有關數字孿生研究現狀及智能鐵路研究現狀的調研及分析，數字孿生的應用研究已經不限于航天器、船舶等造價不菲的設備設施，而是向數字信息復雜的領域發散。鐵路工程這個龐大的系統工程未來對于數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展迅猛，在建設管理、建設施工以及標準研究中都取得了顯著成果，這為孿生技術融入鐵路工程奠定了良好基礎。

3 數字孿生概念在鐵路工程建設中應用展望

數字孿生概念以云、網、端為主要構成的技術生態體系，對應數字孿生體、信息網絡和工程實體，由云與端互聯互通，以信息數據交換為基礎，處理、映射、應用為核心，將實體管理因素連接，實現鐵路工程建設中各個環節的延伸。未來，數字孿生理念將融合其他先進技術，面向超大型復雜工程項目，在數據冗雜或精細程度高的施工環節中發揮優勢，起到支撐輔助作用。

（1）巨規模空間數據分類、組織與存儲。主要針對當前高速鐵路長距離、大規模、多專業發展趨勢特點，利用數字孿生，將大體量多維模型數據、多尺度、多時相、多場景的數據進行有效分類、組織、處理，實現多維模型可擴展的數據結構和多路復用的存取調度策略，挖掘數據集成應用的新價值，為建設過程中的決策與評估奠定堅實基礎。

（2）基于云端的高質量圖形處理。對于鐵路實體線路、橋梁、隧道等專業圖形造型算法復雜，應用數字孿生，依托云、端互動技術，建立數字孿生體，實現大迸發情況下的巨規模數據交互與差異化轉化。建立“云+端”協同判識的質量安全評判與控制體系，形成統一的質量安全研判規則庫，開展相關專業及工序的研判、控制及多維趨勢預測。

（3）基于BIM一體化的鐵路工程管理平臺數據處理。在鐵路工程全生命周期信息化管理中，要有效對綜合、進度、質量、安全、投資、環保等信息化管理過程中的信息進行采集、分析、預警，打通數據接口，建立面向人、機、料、環、法，以多維數據模型為核心的精細化管理體系，通過數字孿生模型的建立，實現數據映射，保障數據的完整性、有效性、調取應用的及時性。同時依托孿生平臺建立貫穿全生命周期鐵路建造評估體系，及時對建設過程進行調整、優化，打造優質管理平臺。

（4）引入信息化新技術的數字孿生工程融合體系。“十四五”時期，我國鐵路工程建設將進入新發展階段，除了已有信息技術的研究應用外，又面臨諸多矛盾與風險，把握新機遇、搶占新技術、引領新發展就成了重要一環。伴隨著云大物移、人工智能、區塊鏈、5G等一系列新技術崛起，以及摒棄單一新技術應用，發展交叉技術融合應用理念的興起，建立新技術與數字孿生相融合的鐵路信息化工程建設體系將形成一種全新的管理模式，為鐵路工程建設智能化發展提供有力支撐。

4 結束語

數字孿生將成為鐵路工程建設信息化研究的大勢所趨，隨著數字孿生理念的剖析、深化、應用，鐵路工程建設在數字化、智能化的發展道路上必將更進一步。