數字孿生技術研究與應用進展（交通行業）

數字孿生最早于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。數字孿生技術具備通過技術革新改進設計，顯著增強協作性，進而提高基礎設施性能和可靠性的潛質，是近年來交通運輸領域最受矚目的話題之一。

1 國內外數字孿生平臺

面對數字孿生技術的多元化需求，國內外主流廠商紛紛推出數字孿生平臺。作為構建和運行數字孿生業務應用的基礎，數字孿生平臺集成了多種技術的工具和套件，向上可以為各類應用開發提供服務接口，向下可以連接各類物理對象，有效降低企業應用數字孿生技術的開發成本和開發周期，表1所示。

表1 數字孿生平臺概覽

2 國外交通領域數字孿生技術應用

數字孿生技術已成為智慧交通建設中重要的研究方向和技術手段。德國、英國、法國、荷蘭、澳大利亞等國家的鐵路運營公司都致力于通過數字孿生技術提升鐵路設施的性能和可靠性，降低運營維護成本，實現投資價值的最大化。

德國鐵路股份公司（DB，Deutsche Bahn）實施數字技術戰略，創建鐵路系統數字孿生，并將其作為德國鐵路未來發展的核心和基礎。DB將數字孿生技術作為“強大鐵路”目標的關鍵技術，建立開放平臺與設備制造商、系統供應商和研究機構進行合作，通過開展物聯網燈塔（Leuchtturm）項目，確立數字孿生戰略實施原則，為其運作設定統一的路線，并且對其實施過程進行協調和控制。目前，DB 正重點針對列車空調、車門和轉向架等部件，創建“數字孿生列車”（物聯網燈塔項目的組成部分），以便為數字孿生整體戰略的推進摸索方法、積累經驗。如圖1所示。

圖1 DB 鐵路系統數字孿生示意圖

英國國營鐵路公司在跨奔寧山脈鐵路升級項目中，通過美國Bentley軟件公司的數字孿生技術，為整個鐵路線創建了三維數字化表現形式，用于設計、施工和未來維護?；贐entley iTwin 平臺，項目組創建了互聯數字化生態系統，所有項目團隊均可通過數據環境訪問，突破了數字化鐵路環境的界限。實施線路升級后，跨奔寧山脈鐵路將被改造成一條性能優異、安全可靠的線路，會有更高的準點率、更多的車次和更短的通行時間。

法國鐵路網管理公司（SNCF Reseau）在數字孿生技術方面投入大量資金，建立名為ARIANE的鐵路系統數據模型，對歷史工作數據進行數字化處理、開發具體應用程序，并將數字孿生技術作為公司眾多信息系統間的互聯工具，從而確保數據流通，輔助相關人員制定應對措施。目前，SNCF在Shift2Rail項目背景下，基于數字孿生技術建立包含更多實用信息的維修記錄，確保在鐵路施工階段和運維階段信息的連續性，提升鐵路基礎設施維保效率，具體開展的數字孿生項目如下。

2.1 接觸網幾何參數的自動計算和監控

接觸網高度的測量、控制以及錯位是路網性能中防止張力問題的關鍵要素。通過對激光雷達點云數據的連續自動算法分析，接觸網幾何測量的最高精度可達1 cm，并可以在數小時內完成幾百公里線路的測量。檢測接觸網支柱時，還能夠為作業人員自動生成長距離的定位計劃。

2.2 道砟回收作業

道砟剖面是道砟更換過程中的關鍵參考指標。通過激光雷達數據計算真實的道砟剖面，然后將其與參考剖面進行比較，從而確定道砟多余或不足區域，鐵路基礎設施管理部門能夠在道砟多余區域對道砟進行回收或轉移。

2.3 線路異物檢測

比較相隔幾周獲得的兩點云數據集之間的差異，對鋼軌、連接件等對象進行檢測，經過濾后可以識別和表征檢測對象的類型，并將檢測對象的類型和位置發送給現場作業人員，以便現場作業人員對這些物體進行移除和回收。

2.4 限界管理

為提高基礎設施的性能和安全性，SNCF正在開發一種基于激光雷達三維點云數據的基礎設施數字化方法，將設施一致性驗證的過程全數字化，以保障鐵路安全。

荷蘭鐵路運營公司（ProRail）采用數字孿生技術將來自各種信息系統的大量數據轉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建資產數據，并利用數據驅動的預測方法，在應對客流量增加的情況下，維持并進一步改進鐵路系統的安全性、可用性和性能。此外，荷蘭國家鐵路運營商Nederlandse Spoorwegen（NS）與三家公共交通公司合作推出一個新的多式聯運數字平臺，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（MaaS）”為旅客規劃、預訂和支付全國各地的旅行。

澳大利亞利用數字孿生技術解決新修建鐵路項目中數字化協同方面的難點。澳大利亞布里斯班在價值超63億澳元的跨河鐵路項目中全面應用數字技術。在建造過程中，該項目使用了美國Bentley公司的數字孿生技術，通過高度仿真的虛擬技術提前發現和解決工程問題，做出施工決策，降低成本和風險，確保各相關方高效協作。

3 國內交通領域數字孿生技術應用

近幾年，隨著中國數字經濟的快速發展，數字孿生技術賦能交通行業，為交通行業的數字化發展注入了新的活力。

寧波市軌道交通集團構建數字孿生地鐵安全應急保障平臺，助力地鐵安全應急保障應用。該平臺以海量異構多維軌道交通時空主題數據為數據源，融合GIS地理信息系統、BIM模型數據、業務主題，進行三維重建與數字孿生，為數據賦予空間特性及用途，構建涵蓋軌道應急總體態勢圖、全域/站點感知、室內室外、二三維一體等全息、高清數字孿生體，實現集“應急場景、全景監控、監測預警、指揮調度、移動應急”于一體的數字化、智能化應急指揮平臺。如圖2所示。

圖2 寧波市軌道交通數字孿生地鐵安全應急保障中心

貴陽市公共交通數字孿生平臺利用數字孿生技術，通過對城市公共交通多源數據的深入挖掘和分析應用，揭示軌道交通建設與城市發展的數據關系、軌道交通出行與城市空間要素的數據規律、城市出行畫像與出行圈層分布的數據關系，為貴陽市公共交通運營降本增效、提升出行服務質量、助力城市交通綜合治理等提供新思路。如圖3所示。

圖3 貴陽市公共交通數字孿生平臺

城市軌道交通數字孿生運維管理平臺，圍繞BIM、GIS、IoT等技術的融合應用，設計了包含采集接入層、數據支撐層、應用服務層、用戶交互層的4層平臺架構。該平臺實現了全景數字孿生、結構監測數字孿生、設備資產數字孿生及應急場景模擬等關鍵功能，充分發揮了數字孿生技術在提升城市軌道交通運維管理效率、可靠性、安全性和經濟性方面的巨大潛力，滿足城市軌道交通運維管理的各項需求，推動城市軌道交通行業智慧化發展。如圖4所示。

圖4 城市軌道交通數字孿生運維管理平臺功能實例

在國內鐵路行業，圍繞鐵路工程建設、移動裝備、客運運輸等領域開展了數字孿生的研究與應用探索。

鐵路工程建設方面，基于數字孿生技術開發的三維數字鐵路，具備在全球三維地理空間下，開展實時三維選線設計和生成全線普適性三維數字資產的能力。京張高鐵利用BIM+GIS技術，構建了一條與周邊環境深度融合且與實體鐵路物理特征保持一致的數字化虛擬鐵路，服務于工程全生命周期管理。

移動裝備方面，開展了基于數字孿生的裝備多源異構數據融合分析方法、孿生建模技術與模型自洽優化方法、數模驅動的裝備PHM運維決策技術的研究，為裝備的精準運維提供更通用的信息融合載體、更強大的建模分析和推理能力、更形象的數據呈現方式、更豐富的運維交互環境，實現裝備全生命周期的融合分析、知識提取、信息共享、虛實協同、精準評估、實時監測、數模驅動與智能決策，提升裝備的運行安全性和運維經濟性，為裝備的數字化、網絡化、智能化注入新的生命力。

客貨運輸方面，構建面向智能客站的數字孿生體，提供客站可視化監控、設備設施運維、客站設備/流線運用與仿真、客站站房結構模擬、安全應急仿真、環境模擬等孿生服務，實現客站運營虛實互控及全場景仿真、安全態勢推演及應急處置仿真，為物理車站與數字車站協同交互、平行運轉提供技術支撐。此外，基于數字孿生技術構建鐵路物流數字孿生平臺和貨運場站可視化平面圖，推動鐵路客貨運輸全生產要素數字化、全狀態感知可視化、運輸作業全過程管理協同化和智能化。如圖5所示。

圖5 京張高鐵清河站數字孿生體

綜上所述，數字孿生技術正以其獨特的優勢和潛力，深度賦能交通行業。未來，隨著新技術應用的不斷發展，數字孿生將為各行業數字化轉型和發展提供強大的推動力。