城市軌道交通數字孿生標準體系研究

覃文波 周誠 陳健

(1. 華中科技大學 國家數字建造技術創新中心，武漢 430074；2. 華中科技大學 土木與水利工程學院，武漢 430074)

引言

近年來，我國城市軌道交通建設與運營規模持續增長。截至2020 年末，全國共有50 個城市開通城市軌道交通運營線路，線網總規模超過9 000km，運營車站達到5 343 座，全年累計完成客運量236.9 億人次、進站量146.3 億人次[1,2]。城市軌道交通工程建設周期通常長達五年以上，工程專業劃分眾多，施工環境復雜，工程建設后移交運營管理的時間長達數十年乃至上百年，運營過程也存在載客量大、空間相對封閉等管理難點。在傳統項目管控模式下，城市軌道交通工程的建設與運營參與單位之間難以較好地實現工程信息的有效流轉與各方協同工作，項目成本、進度、質量、安全等管控效率迫切需要得到提升[3]。隨著物聯網、大數據、人工智能等新一代信息技術在城市基礎設施建設管理中的大規模應用實踐，為城市軌道交通工程信息化管理變革帶來了新的契機。數字孿生技術由于其可視化、可驗證、可診斷、可預測、可學習、可決策以及可交互等技術特點在提升工程管控水平方面的巨大潛力，受到廣泛的關注和重視。

1 標準體系構建目的、現狀與原則

1.1 標準體系構建目的

數字孿生是城市軌道交通基礎設施智能建造與運維的必然發展路徑，能夠促進城市軌道交通持續健康的高質量發展。《國家“十四五”規劃綱要》明確提出，要“探索建設數字孿生城市”，為數字孿生城市建設提供國家戰略指引[4]，而城市軌道交通作為城市公共基礎設施建設的重要組成部分，對優化城市空間布局，緩解城市交通擁堵，促進城市可持續發展具有重要作用。因此，構建一個覆蓋城市軌道交通系統全生命周期的數字孿生技術標準體系勢在必行。

1.2 標準體系構建現狀

當前，數字孿生技術已經發展成為支撐各個行業發展的重要技術手段，數字孿生標準制定也已經吸引了ISO、IEC、IEEE 等國際或區域標準化組織的關注。我國于2019 年啟動了數字孿生相關標準制定工作，已經正式發布了兩項面向工業制造的數字孿生國標，全國信標委物聯網分委會數字孿生工作組正在推動工業領域數字孿生相關國標的制定與立項[5]。

城市軌道交通工程不同于一般的工業產品，具有工程項目建設的一次性、整體性等特點，制造業數字孿生標準不能涵蓋城市軌道交通工程獨特的建設生產環節，需要制定專門的標準體系來指導城市軌道交通數字孿生。然而我國城市軌道交通數字孿生標準體系建設落后、標準缺失問題較為突出，存在各應用主導單位的技術體系不統一、實施標準不一致以及應用效果缺乏評價依據等問題，導致技術研發不能形成合力，應用落地缺乏有效指導[6]。

1.3 標準體系構建原則

城市軌道交通數字孿生標準體系的制定除了要遵循協調性、可操作性和先進性等一般的標準體系制定原則基礎上，還要引領城市軌道交通數字孿生技術與管控水平的發展進步，主要包括以下幾個方面：

（1）打通全生命周期各階段和主體，構建貫穿城市軌道交通工程全生命周期各階段以及各主體的協同演進的數字孿生體；

（2）與新一代信息技術深度融合，建立項目管理模式與數字孿生技術相融合的城市軌道交通工程全生命周期管控體系；

2 數字孿生技術標準體系架構

本文結合陶飛等提出的數字孿生五維模型架構[7]以及制造業數字孿生標準體系[8]，從城市軌道交通全生命周期應用管控需求出發，提出了城市軌道交通數字孿生標準體系框架。標準體系框架具體劃分為基礎標準、數據標準、技術標準、安全標準和應用標準五個部分，如圖1 所示。

圖1 城市軌道交通數字孿生標準體系

2.1 基礎標準

與大多數標準體系的基礎標準類似，城市軌道交通數字孿生標準體系的基礎標準包括術語定義、參考架構和適用準則三個部分。術語定義標準界定了有關概念和縮略語，雖然《城市軌道交通工程基本術語標準》（GBT 50833-2012）已對城市軌道交通工程領域相關術語做出說明，但數字孿生技術相關術語，以及在城市軌道交通工程領域融合應用而發展出的新術語仍缺少標準界定；參考架構標準是為城市軌道交通數字孿生提供的標準化架構，明確了數字孿生體系的結構，幫助使用者構建各種不同類型的數字孿生應用框架；適用準則規定了城市軌道交通數字孿生的適用要求，幫助決策判斷城市軌道交通數字孿生應用的總體性能指標、功能可用性、可靠性、可維護性和安全性等方面是否滿足于工程需要。

2.2 數據標準

數據是數字孿生的驅動力，城市軌道交通孿生數據的來源主要包括城市軌道交通工程全生命周期過程中工程物理實體的監測數據，虛擬實體的仿真分析數據以及應用數字孿生服務產生的業務數據等。我國國家標準體系中已經針對城市軌道交通數據制定了部分標準，如《城市軌道交通設施設備分類與代碼》（GB/T 37486-2019）規定了數據的分類標準，《軌道交通地理信息數據規范》（GB/T 37120-2018）對軌道交通地理信息的分類與編碼規則、數據描述、生產更新、組織管理、交換與互操作以及數據質量等方面做出了全面的要求。但整體而言，城市軌道交通孿生數據還涉及到結構監測數據、維護管理數據等多方面孿生數據的表示、分類、預處理、存儲及使用等問題，需要建立統一的孿生數據體系，提升數據的通用性及互操作性。

2.3 技術標準

城市軌道交通數字孿生技術標準包括物理實體標準、虛擬實體標準、連接與集成標準、平臺與服務標準四部分，如圖2 所示。物理實體包括城市軌道交通建設和運營活動的全要素感知對象，包括人員、設備、材料、機械和環境等；虛擬實體是對物理實體的全部映射，包括幾何、物理、規則和行為模型等，通過動態映射物理實體，實時監控生產活動全過程；連接與集成是各個模塊之間交互的橋梁，保證了物理實體、孿生模型、應用服務之間的互聯互通；平臺與服務通過數據融合分析、同步仿真計算和統一的孿生業務平臺可視化呈現城市軌道交通工程全要素、全過程業務管理。

圖2 城市軌道交通數字孿生技術架構

技術標準所構建的技術體系能夠實現城市軌道交通工程涉及到的物理實體到虛擬實體模型的多尺度映射，對采集和挖掘的孿生數據進行融合分析，將全生命周期過程中產生的多源異構數據實時傳送至虛擬空間對應的虛擬實體，全方位監控城市軌道交通工程生產要素，實現對物理空間的實時反饋控制，提高城市軌道交通工程管理水平和效率。

2.4 安全標準

安全標準包括物理系統安全要求、功能安全要求、信息安全要求三個部分，用于規范數字孿生體系中的人員作業安全、設備使用安全以及信息管理安全等技術要求。物理系統安全要求，如《城市軌道交通工程安全控制技術規范》（GB/T 50839-2013）主要對建設過程的物理實體施工安全控制作出要求，《城市軌道交通安全防范系統技術要求》（GB/T 26718-2011）對物理實體在運營階段的安全防護措施作出了要求；功能安全要求主要從數字孿生系統層面分析系統功能使用過程中的風險和安全完整性，《軌道交通可靠性、可用性、可維修性和安全性規范及示例》（GB/T 21562-2008）為城市軌道交通數字孿生的功能安全要求制定提供了指導；信息安全要求主要用于規范網絡服務、數據防護等數字孿生系統信息安全措施，如《城市軌道交通安全防范通信協議與接口》（GB/T 38311-2019）的相應要求。

2.5 應用標準

應用標準是技術標準的使用規范，城市軌道交通工程全生命周期數字孿生過程涉及到設計、施工和運營等多方面的參與單位，考慮數字孿生在不同階段場景上應用的技術差異性，需要結合各階段應用需要與特點對數字孿生應用的落地進行規范。如針對應用對象需求的適用性評價標準，在數字孿生體系搭建過程中指導技術選型、實施過程和驗收測試的應用標準，以及落地后的管理與應用效果評價標準等。由于應用標準的缺少，數字孿生技術在城市軌道交通工程中的推廣應用難以順利實施，面對多場景的廣泛應用需求，應用標準能夠推動降低數字孿生技術在相應場景的應用門檻。

考慮中長期電量合約分解的調頻備用市場機制//董力,高賜威,喻潔,滕賢亮,涂孟夫,丁恰//(14):61

3 數字孿生技術標準內容分析

數字孿生技術標準是城市軌道交通數字孿生標準體系的核心，也是體現城市軌道交通數字孿生區別于其他領域數字孿生的重要部分。城市軌道交通工程的建設過程不同于工業生產，從啟動到完成不能重復，更不可能推倒重來，同時還面臨著從建設到運營期的巨大安全風險，必須建立完善的技術體系，時刻把控工程各生產要素信息并進行反饋控制。因此，本文將重點分析城市軌道交通數字孿生標準體系中的技術標準內容。

3.1 物理實體標準

城市軌道交通物理實體是數字孿生中建模仿真的前提和對象，包括城市軌道交通工程基礎設施本身以及參與全生命周期數字孿生過程中的人員、設備和環境，以及感知其空間位置、性能參數等信息的傳感設備。隨著物聯網技術的進步，許多物理實體及生產活動過程都可以自動實時監控，包括識別危險情況、監控工人行為以及監控靜態和動態建筑環境等。如表1所示，現有城市軌道交通實體感知標準中，《城市軌道交通設施運營監測技術規范》（GB/T 39559-2020）已經對橋梁、隧道、軌道和路基等永久結構實體的感知參數類型、頻次和閾值等作出了規定，基坑支護等臨時結構感知目前主要參考《建筑基坑工程監測技術標準》（GB50497-2019）等通用工程標準。總體而言，城市軌道交通結構實體的現有規范標準較為全面。

表1 現有標準與相關研究中的部分物理實體感知參數

在城市軌道交通人員實體方面，住建部在《建筑工人實名制管理辦法（試行）》(建市〔2019〕18 號)中對施工現場員的基本信息采集和更新作出了規定，并要求設立進出場門禁系統，應采用移動定位、電子圍欄等技術實施考勤管理，人員實時位置感知還被用于監測違規進入吊裝作業等未授權作業區域。隨著計算機視覺、深度學習和生理計算等技術的發展，未佩戴安全帽、基坑支撐行走等常見工人不安全行為識別算法，以及監測工人在惡劣條件下生理需求的生物傳感技術已被開發出來，并成功應用在軌道交通工程中。可以看出，現有人員實體感知技術與應用發展已經遠超過了標準制定的速度，目前人員實體感知標準制定還處于空白的狀態，應當制定相應標準規范人員實體的感知范圍，還特別應注意在制定獲取人員感知參數范圍時涉及的隱私問題，避免過度監控人員的生理狀態和行為。

在城市軌道交通裝備實體方面，盾構機以其自動化程度高、速度快、安全經濟、占地面積小和對環境影響程度低等優勢，成為了城市軌道交通施工中最常用的掘進工具。現有盾構機相關國標，如《全斷面隧道掘進機泥水平衡盾構機》（GB/T 35019-2018），僅規定了數據的記錄、查詢和報表生成等基礎要求，對盾構機運行參數的實時感知監控能夠快速診斷和檢測盾構機故障，保證地鐵隧道施工的正常進行。但盾構機廠家眾多，所采用的產品標準各不相同，建立統一的盾構機實體感知標準有利于保障城市軌道交通項目中的盾構機實體接入效率。除了盾構機，門式起重機、汽車起重機等起重機械也是城市軌道交通施工中常用的機械設備，按照《起重機械安全監控管理系統》（GB/T 28264-2017）的相關要求，大型起重機械基本都實現了監控系統接入，但監控參數較為有限，狀態判斷簡單。因此，裝備實體標準需要在現有標準基礎上著重補充裝備的數據接口方面的要求，保證裝備實體數據能夠以規范的形式上傳并滿足于數字孿生分析診斷需求。

在城市軌道交通環境實體方面，除了常規的溫度、濕度、風速、噪聲及污染物等空氣指標外，地質環境對于絕大部分線路和車站都處于地下的城市軌道交通工程來說十分關鍵。特別是在基坑施工過程中，地質環境風險增高，并且對周邊建筑物安全構成影響，需要實時有效的環境感知參數輔助施工安全控制。現有國家標準，如《城市軌道交通工程監測技術規范》（GB50911-2013）對于環境實體方面作出了相應的規定。

3.2 虛擬實體標準

城市軌道交通設施虛擬實體是對物理實體的全部映射，包括可視化顯示物理實體構件尺寸信息的幾何模型，反應結構在應力場、溫度場及噪聲場等條件下仿真性能的物理模型，以及管理人員和機械等具備能動性實體的行為和規則模型，如圖3 所示。由于其虛擬實體模型的建模深度、技術細節、實現方法、實施步驟及標準成果等缺乏標準指導，導致建筑項目各參與方均單獨創建業務活動所需的模型，繼而產生模型不一致、不兼容等情況，導致模型難以集成、利用效率低等問題。

圖3 虛擬實體類型

幾何模型對物理實體的形狀、尺寸、位置等基礎幾何信息以及裝配關系進行了描述，包括BIM 模型、GIS 模型、點云模型等。我國早在2012 年就啟動了BIM 標準的編制工作，并已發布了《建筑信息模型設計交付標準》（GB/T 51301-2018）等BIM 國標，但這些BIM 標準所涵蓋的領域都局限為民用建筑，無法全面涵蓋城市軌道交通涉及的隧道、橋梁、軌道等專業。中國鐵路總公司在2013 年提出了中國鐵路BIM 標準的體系框架[9]，并牽頭組建了中國鐵路BIM 聯盟，制定了15 項鐵路BIM 標準，基本解決了鐵路工程信息模型構建的標準化問題，由于城市軌道交通工程與鐵路工程的共通性，鐵路標準為城市軌道交通虛擬實體標準制定可以提供很好的借鑒意義。

物理模型在幾何模型的基礎上采用ANSYS、FLAC 3D、ABAQUS 等有限元分析工具建立了城市軌道交通工程在應力場、溫度場等條件下仿真分析模型。由于地下工程施工不可避免地會對臨近土體造成擾動并造成安全風險，例如臨近地鐵區間隧道基坑開挖施工，穿越既有隧道、樁基礎等結構盾構施工等，在施工前做出高精度的仿真分析是有效的技術手段。但考慮到經濟性和時間成本，有限元分析在城市軌道交通工程施工方案分析中的普及度并不高，城市軌道交通工程的有限元分析模型尚未形成標準指導有限元建模依據、建模方法及有限元模型檢查等內容。

行為和規則模型是物理實體隨時間推進的行為演化、運行規則的模型表達，例如人員疏散模型、結構失效模型、列車運行圖和檢修計劃等。對于城市軌道交通工程，行為和規則模型的建模技術大多處于研究中，距離實際工程應用還有一定的距離，與技術上已成熟應用的有限元模型等物理模型相比，行為和規則模型形成標準為時尚早，但在標準體系構建在也是不可忽視的一部分。

3.3 平臺與服務標準

平臺與服務提供城市軌道交通數字孿生所需的基礎共性能力支撐，服務是數字孿生功能高效行使的媒介，而平臺是數字孿生服務最終向用戶呈現的形態。城市軌道交通數字孿生服務應當以全生命周期的服務模式提供給用戶，才能夠充分發揮數字孿生的優勢，提升工程數字化價值。但在現實中，由于跨階段的城市軌道交通項目各參與方會各自主導本階段的數字孿生平臺建設，提供本階段特定的數字孿生服務，這導致了平臺與服務的割裂，“信息孤島”這一長期存在的問題依然難以解決，需要在平臺與服務標準制定中引導打通現有的各階段數字孿生平臺以及服務之間的業務接口。

在設計階段，城市軌道交通數字孿生主要用于基于受力性能分析的結構優化設計、基于客流的車站建筑布置優化設計、導向標志優化設計等服務。數字孿生服務主要用于設計單位自身的設計工作中，最終以設計成果的形式交付給客戶，建立數字孿生設計優化服務標準有利于設計單位提供規范化的設計優化服務，促進數字孿生技術在設計服務中推廣。

在施工階段，數字孿生服務主要以智慧工地為載體。住建部等部門在《關于推動智能建造與建筑工業化協同發展的指導意見》（建市〔2020〕60 號）中明確提出要大力推進智慧工地的研發與應用，各地方和社會團體也在積極制定智慧工地相關建設指南、建設標準和評價標準等指導文件，引導和促進智慧工地建設。智慧工地的推廣為施工數字孿生打下了基礎，但在實踐中，智慧工地的具體應用平臺與服務功能還需對不同建設管理內容所需要的軟硬件設施提出要求[10]，進一步完善智慧工地的建設與應用規范。

在運維階段，數字孿生主要用于結構健康監測、服役性能評估等服務。現有標準《城市軌道交通結構安全保護技術規范》（CJJ/T 202-2013）已就檢查、監測、評價和維修做出了較為詳細的規定，但在檢測技術朝著智能化方向發展的背景下，相關標準規范還需要進一步修訂，以適應基于計算機視覺的滲漏水、裂縫檢測等新技術支持下的運維平臺與服務要求。

3.4 連接與集成標準

連接與集成標準主要實現數字孿生物理實體、虛擬實體、孿生數據以及服務之間的數據連接、映射、傳輸、交換與集成等,如圖4 所示[11]。

圖4 連接類型

連接映射標準的核心是將各類數字孿生信息要素精準的匹配與表達，從而實現從物理實體到虛擬實體的全要素、多層次、多維度連接。物理實體的數據可以通過傳感器、接口協議等獲取，虛擬實體的映射可以通過數據可視化等手段實現，平臺與服務通過孿生數據中的數據寫入與讀取來實現業務數據的實時更新，實現物理實體、虛擬實體、孿生數據和服務之間的互聯互通。

傳輸標準在城市軌道交通數字孿生中是一個亟待破解的問題。城市軌道交通建設環境復雜，干擾源多，且場地布置隨著施工的進展一直在發生變化，實現可靠傳輸首先需要保持長期惡劣的地下環境中網絡的穩定連接。

為了解決組網傳輸問題，許多研究嘗試了藍牙、WI-FI、NFC、RFID、ZigBee 等短距離無線通信賦予地下工程離散感知的能力[12]，但并未形成一套規范化的城市軌道交通工程組網傳輸標準，導致現有城市軌道交通工程的傳輸實時性和可靠性得不到保障。

交互與集成標準的缺失會導致城市軌道交通數字孿生體各部分之間的輸入輸出不兼容、交互機制難以匹配、虛擬運行難以協同等問題[8]。數字孿生服務需要調用的資源往往是多個模塊協同提供的，例如盾構機吊裝作業中需要物理實體感知、虛擬實體實時仿真計算和起重機構執行反饋調節等多個環節的配合，因此各部分之間的交互與集成對于數字孿生服務的成功實施至關重要。

4 結語

本文首先分析了城市軌道交通數字孿生標準體系構建目的，結合當前數字孿生標準制定現狀，提出了體系構建的重點原則。基于工業領域的數字孿生五維模型架構和數字孿生標準體系，提出了適應于城市軌道交通工程領域的數字孿生標準體系，具體包括基礎標準、數據標準、技術標準、安全標準和應用標準五個部分。最后著重就城市軌道交通數字孿生技術標準的物理實體、虛擬實體、平臺與服務、連接與集成這四部分技術的現有標準實施情況和構建思路進行了分析，以期在未來的城市軌道交通數字孿生標準體系構建過程中起到引導作用。