基于數字孿生的鐵路貨運站場資源可視化系統

吳志偉,高 達

（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）

鐵路貨運站場是辦理貨運業務的主要場所[1-2],具有資源占用規模大、配置設備多、調度作業頻繁復雜等特點。當前,我國鐵路貨運站場資源按照分散式管理模式,作業狀態分散盯控、內部物流業務分散組織、站場資源分散運用,站場內部調度指揮主要依賴于人工經驗,作業效率有待提高[3]。此外,貨運站場內部的貨區貨位和箱區箱位還處于粗放式管理階段,站場系統無法快速準確地對所需要的貨物進行定位,極大地影響了站場的作業效率和精細化管理水平。

隨著信息技術的快速發展,不少學者對鐵路站場的管理方法展開了研究。李成宏等人[4]依靠車輛定位追蹤技術,研發了可視化的鐵路生產調度信息管理系統,提高了鐵路站場的作業效率；邱慧等人[5]針對鐵路站場設備種類多、數量大、能耗數據聯動控制難的問題,提出了鐵路站場能耗監測管理系統。這些研究在一定程度上提高了站場的管理水平,然而在站場各個系統之間的協調性、信息感知及數據共享方面還存在不足,專業應用分析決策和整體安全防護問題日益突出。

數字孿生技術充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據,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,可反映對應實體裝備的全生命周期過程[6],已被廣泛應用于航空航天、固定資產監控、智能安全制造及設計等諸多領域[7-9]。將數字孿生技術應用到站場管理中,發揮數字孿生技術的橋梁紐帶作用,能夠為鐵路站場的智能化管理提供更加實時、高效的服務[10-11]。本文根據鐵路貨運站場的實際需求,從數字孿生模型構建出發,設計了鐵路貨運站場資源可視化系統,提升了鐵路貨運站場的作業效率和精細化管理水平。

1 鐵路站場資源數字孿生構建

1.1 數字孿生應用原理

基于數字孿生的鐵路貨運站場資源可視化系統（簡稱：鐵路貨運站場資源可視化系統）以站場資源智能決策平臺、鐵路貨運站場、可視化仿真平臺為支撐,以孿生數據為驅動,將仿真數據與現實數據融合,通過各個主體之間的實時交互和映射,加強鐵路貨運站場內部各個系統之間數據的共享聯動,實現鐵路貨運站場資源的高效率、精細化管理。數字孿生技術在系統中的應用原理,如圖1 所示。

圖1 數字孿生應用原理

1.2 數字孿生架構

鐵路貨運站場資源可視化模型的數字孿生架構,如圖2 所示,其核心在于實現鐵路貨運站場（研究主體）到用戶（決策主體）的準確映射。

1.2.1 物理實體層

物理實體信息監測及定位的準確與否直接關系到映射的準確性,進而對整體模型的魯棒性與實用性產生影響。物理實體層負責明確并匯總鐵路貨運站場貨運工作業務的所有物理實體信息,包括鐵路貨運站場的靜態及動態設施設備[12]。通過獲取傳感器和監控設備的系統實時數據,確認鐵路貨運站場內股道、停車區、貨區貨位、箱區箱位、車輛、倉儲、裝卸工具、貨物清單等設施設備的實時位置,為感知與處理層提供支撐。

1.2.2 感知與處理層

通過將采集到的物理實體數據進行感知整合,對動態設施設備的實時定位實現對象控制,可將物理實體數據實時有效地傳遞到數字孿生體模塊；通過把感知到的信息進行處理,實現對設施設備的識別、定位、跟蹤、監控等智能化管理。

1.2.3 數字孿生體層

主要包括建模管理、仿真服務及孿生共智等功能。通過計算機建模實現對實體的映射、迭代及優化,使虛擬模型與物理實體的相符程度不斷提高；通過數據驅動和大數據分析等方式對模型進行分析診斷,在確定模型可行性的基礎上利用機器學習、自然語言處理等方式進行學習預測,同時,以模型仿真為基礎,基于模型的預測結果生成報告并提供分析服務；通過資源接口及互操作實現孿生共智。

1.2.4 用戶層

主要包括人、應用軟件及其他相關共智孿生體等,綜合云計算及區塊鏈等方式協助用戶主體進行決策,利用應用軟件將模型結果可視化,為用戶最優決策提供支撐。

2 系統設計

2.1 總體架構

基于鐵路貨運站場管理的實際需求,構建鐵路貨運站場資源可視化系統,總體架構如圖3 所示。

圖3 鐵路貨運站場資源可視化系統總體架構

2.1.1 物理層

通過高精度傳感器、高清攝像頭、智能網關等設備,從股道、車輛、倉庫、箱位、貨位、裝卸設備等多個維度,準確快速地采集鐵路貨運站場的實時數據,同時,對數據進行邊緣計算等預處理,提高數據的有效性。

2.1.2 數據層

包括鐵路貨運站場數據、仿真數據及外部數據,通過數據間的融合,構建形成鐵路貨運站場的孿生數據庫,為分析決策層提供有力的數據支撐。

2.1.3 分析決策層

包括智能決策及可視化仿真。其中,智能決策通過大數據分析、人工智能、機器學習、孿生推演等技術,為站場資源管理決策提供保障；可視化仿真主要通過視頻、跟蹤定位、仿真建模、增強現實/虛擬現實（AR/VR）等多種可視化手段,對鐵路貨運站場信息進行多維度的監管。

2.1.4 應用層

直接面向用戶,圍繞鐵路貨運業務,將應用層分為推演應用、站場管理與維護應用、精準號碼識別應用、數據分析應用及可視化應用等,全面提升鐵路貨運站場可視化管理水平。

推演應用主要是模擬推演相關場景,包括安防推演、便捷通行推演、風險推演、調度推演等；站場管理與維護應用主要是對鐵路貨運站場進行管理作業,包括鐵路貨運站場環境監控、場景聯動、設備監控、人車監控、能效監控、安防監控、事件報警、消防監控等；精準號碼識別應用主要是將貨車、集裝箱和汽車的精準號碼識別在系統中進行應用,包括號碼管理、識別設備管理、圖片分揀、識別管理、標簽管理、視頻分揀等；數據分析應用主要是基于分析決策層功能,實現人員、車輛、運力分析；可視化應用主要是對當前鐵路貨運站場資源進行可視化展示,包括指揮中心、可視化大屏、AR、VR 等。

2.2 系統功能

鐵路貨運站場資源可視化系統功能架構,如圖4所示。

圖4 鐵路貨運站場資源可視化系統功能架構

2.2.1 箱區箱位管理

主要通過智能感知設備實現對箱區內箱位的監控、識別、統計和智能調配,提高站場內集裝箱定位的準確性和箱位的利用率。

2.2.2 貨區貨位管理

基于智能感知設備實現對貨區內貨位的監控、識別、統計及分配,加強站場內貨物位置的管理,提高人力資源及設備的利用率。

2.2.3 倉儲管理

實現對倉庫的出入庫、庫存等信息的統計和管理。通過對倉庫內的智能搬運、裝卸設備進行管理和控制,實現倉庫的智能化、精細化管理。

2.2.4 車輛管理

通過感知設備和車輛識別技術,對站場內的車輛信息、車位信息進行整合和分析,實現車位匹配、車輛控制及車輛引導等功能。

2.2.5 股道管理

實現道岔和隔離開關的集中控制及股道作業圖像監控,監視關鍵地段機車移動情況,保障段內機車運行及作業安全,提高作業效率。

2.2.6 裝卸設備管理實現裝卸設備的調度、控制、維護和運維數據的管理,提高裝卸機械化水平,保證裝卸機械質量和安全,從而提高運輸質量和效率。

2.2.7 能源管理

包括能源控制和能源預警。其中,能源控制實現站場內的水、電、照明等能源的集中化、智能化、節約化管理,從而有效地降低能耗；能源預警對可能危害能源安全的危險因素提出預警,提醒相關人員采取措施、消除危險。

2.2.8 安防管理

對出入車輛及出入人員進行記錄、識別和管理；基于監控系統對異常事件、設備事件、能源事件進行報警,從而實時掌握站場安全情況。

3 關鍵技術

3.1 鐵路貨運站場資源精細化建模與仿真

鐵路貨運站場資源可視化系統基于三維建模、邏輯建模、自動模型生成及數字孿生建模方法,從幾何、功能和性能等方面對鐵路貨運站場內的物理實體進行精細化建模與耦合仿真,從而精確地模擬股道、停車區、貨區貨位、箱區箱位、車輛、裝卸工具等物理實體的形狀、行為和性能,實現對鐵路貨運站場內物理實體的高保真模擬和實時預測。

3.2 交互與協同

鐵路貨運站場資源可視化系統基于VR、AR 技術實現與站場內物理實體的交互與協同。通過視覺、聲覺等傳遞方式對鐵路貨運站場內的物理實體進行智能監測、評估,從而達到對鐵路貨運站場內的資源進行指導和優化的目的。

3.3 數據融合和分析

通過深度學習、機器學習、強化學習等數據分析方法,對鐵路貨運站場內部的數據進行高度集成和共享,同時對多領域異構數據實時更新、修正、優化和動態評估,完善孿生數據結構及系統算法結構,從而提高鐵路貨運站場資源可視化系統的計算性能和網絡傳輸時效性。

4 系統應用

目前,已有部分鐵路貨運站場開發實施了相對完善的管理信息系統,可完成貨運生產作業全流程管理,但其站場內部各類設施設備的精細化管理程度還不夠。本文設計的鐵路貨運站場資源可視化系統已在中國鐵路濟南局集團有限公司兗州北站進行試用,能夠完善現有的鐵路貨運站場管理信息系統,提升鐵路貨運站場的精細化管理水平,具體效果如下。

（1）通過虛擬仿真和物理場景的高度融合,構建了完整的鐵路貨運站場資源體系,實現對貨場各類設施設備、移動裝備的統一編碼、識別、展示,提升鐵路貨運站場內設施設備的運行管理維護效率。鐵路貨運站場資源可視化系統對集裝箱的管理效果如圖5 所示。

圖5 集裝箱管理效果

（2）通過孿生推演、智能分析及智能決策,實現了鐵路貨運站場內各類設施設備、資源之間的高度協調和控制,提升了鐵路貨運站場作業效率和資源利用率。

5 結束語

本文基于數字孿生技術,設計鐵路貨運站場資源可視化系統,利用站場資源精細化建模與仿真技術,將虛擬仿真環境與鐵路貨運站場內的現實場景相結合。依靠數據融合和分析技術增強鐵路貨運站場內各個系統之間的協調性和數據共享水平,通過交互與協同技術實現鐵路貨運站場內股道、車輛、箱區、貨位、倉庫、裝卸等資源的協同作業和精細化管理,有效提高了鐵路貨運站場的信息化管理水平。未來將研究提升資源可視化展示的精度、擴展系統應用場景,將研究成果應用到更多實際生產作業中,進一步提升鐵路貨運站場的資源管理水平。