基于BIM的铁路数字孪生工程研究现状及展望

2021-09-27王可飞郝蕊卢文龙范文娜李达塽

铁路技术创新 2021年4期

王可飞，郝蕊，卢文龙，范文娜，李达塽

（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）

0 引言

我国铁路工程建设发展迅猛，截至2020年底，全国铁路营业里程达到14.6万km，其中高速铁路3.8万km。铁路网覆盖呈现广而密的趋势，项目工程质量安全要求高，铁路规模愈发宏大，工程建设环境复杂，施工建设难度大，需要依靠新的技术手段辅助施工及管理。

我国铁路在充分借鉴国外利用新技术进行工程项目管理的成功经验，并结合我国铁路发展特点后，规划了适用于我国铁路工程建设信息化管理的发展路线。陆续开展了发展战略、关键技术预测、体系架构研究、标准体系建立等智能高铁相关研究，并取得丰富科研成果。

1 数字孪生铁路概述

1.1 研究背景

数字孪生技术作为智能化发展的大势技术，在各行业中正逐步推广研究，其中铁路行业起步较晚，研究内容亟待扩充。面对铁路建设过程产生的大规模数据，通过建立基于铁路工程施工全过程的数字孪生体系，建立基于BIM的铁路数字孪生工程对象模型，形成“物理对象—数字孪生体系—应用服务”多元多层多级映射机制，最终有效支撑建设的全生命周期管理。

1.2 数字孪生铁路的概念

数字孪生本质是物理世界与数字世界虚实映射的过程，通过利用物理模型、传感器更新、运行历史等在实际工作过程中产生的数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，进而实时反映相对应的工程实体全生命周期过程动态信息。

数字孪生铁路是以智能建造、智能装备、智能运营为核心，以BIM为载体的智能高铁技术应用数字环境，也是铁路工程全生命周期应用的数据基础，是物理维度铁路实体和信息维度虚拟工程共生共存、虚实相融、相互对照的一种模拟仿真发展形态。

在实际铁路工程项目中，需要以桥隧等重、难点工程BIM项目为载体，集中管理各专业设计资源、定制各专业设计参数交互流程、构建专业间数据层面逻辑关联、赋予统一数据框架的协同建设体系，形成基于数字孪生的建设方案，为工程数字化建设提供了数据结构组织有序、易于维护、动态可感知的数字孪生工程，为重点难点工程提供支撑方案和技术保障（见图1）。

图1 数字孪生铁路概念模型

2 国内外研究现状

2.1 概述

数字孪生的概念最早出现于2003年，由Grieves教授在美国密歇根大学的产品全生命周期管理课程上提出，后被美国国防部引入到航天飞行器的健康维护等问题中。当前国内外有关数字孪生的研究主要涉及医学、机械、船舶、交通、电力系统、智慧城市以及数字经济等多个领域。数字孪生铁路的研究起步较晚，丧失了先天优势，未来将是铁路工程建设信息化、数字化、智能化发展的重要方向。

2.2 数字孪生技术国内外研究现状

科研工作者通过对过去数字孪生相关文献系统的回顾和专题分析[1]，对数字孪生进行了表征，找出了知识上的差距，梳理了相关领域中数字孪生的应用成果（见表1）。

表1 数字孪生技术在各领域的研究现状

2.2.1 工程机械

Leser等[2]将数字孪生理念融入工程断裂力学，应用裂纹扩展模型进行疲劳寿命的不确定性预测，提出了一种在概率框架下进行现场诊断和预测降低疲劳寿命、预测不确定性的通用方法；Booyse等[3]提出了基于孪生的机械平稳预测的数据框架及方案；Piros等[4]提出基于模糊数学模型面向以金属吸收器—金属电阻测柱为孪生体的离子体辐射检测误差处理方法。Kong等[5]则依托数字孪生理论在机械制造领域提出了一种基于功能需求的设计数据构建框架和构建方法，并在切割工具磨损预测中进行验证应用。

2.2.2 船舶

Bondarenko等[6]基于现象学中维贝燃烧模型研究提出了应用于预测推进柴油机系统动态的数字孪生模型方法。Arrichiello等[7]讨论了工程自然孪生演化机理，梳理数字孪生在造船领域尤其是游轮的应用描述，认为系统工程和数字孪生是未来邮轮设计、生产和运营的发展趋势。

2.2.3 航空

刘东等[8]提出了面向航空6G的频谱认知智能管控体系架构，分析探讨了面向航空6G的频谱认知智能管控的三维频谱空间数字孪生、3D频谱智能决策、频谱图谱化快速协同学习的3个关键技术。刘蔚然等[9]从空间维度对数字孪生卫星的组成，从时间维度对数字孪生卫星核心要素进行了分析，探讨提出了数字孪生技术与卫星工程的关键环节、关键场景、关键对象紧密结合的数字孪生卫星概念以及数字孪生卫星关键技术体系。

2.2.4 智慧城市

须峰[10]结合了全面建成小康社会和“十三五”规划的收官之年背景以及新冠疫情影响的局势，提出未来建筑业将转向数字孪生发展。唐怀坤[11]指出未来智慧城市的探索将回归到城市巨系统及技术经济主线上，指出数字孪生便是未来智慧城市的发展走向之一。Du等[12]介绍了基于数字孪生建模的个性化信息系统的方法和工具，为未来智能城市开发个性化信息系统奠定了基础。王金锋[13]指出工程数字化历经数十年的发展，数字孪生概念的提出将指导未来智慧城市的发展。张兴旺等[14]、孔繁超[15]还对数字孪生图书馆的运营管理模式进行了探讨与研究。

2.2.5 医学

Corral等[16]综述了数字孪生在心血管医学领域的早期探索，讨论了未来的挑战和机遇，强调机械和统计模型在加速心血管研究和实现精确医学愿景方面的协同作用。

2.2.6 建筑

Robins[17]指出数字孪生模型不仅会推动工作方式的变革，而且将推动整个基础设施行业的发展，并将成为超越BIM的行业热门话题。

2.2.7 电力系统

张旭辉等[18]提出一种数字孪生+MR的机电设备辅助维修指导方法，以煤矿井下关键设备电牵引采煤机摇臂部传动系统为对象，以数字孪生驱动的采煤机维修指导总体模型和技术框架，研发了基于MR的故障辅助维修指导系统。贺兴等[19]针对电力数字孪生系统进行了研究，通过实时态势感知、超实时虚拟推演2种手段来认知电力系统继而辅助电网运管调控的决策制定。

2.2.8 数字经济

此外，以中国信息通信研究院[20]、中国电子信息产业发展研究院[21]、阿里研究院[22]等为代表的数字产业政府单位及企业单位，都牢牢把控当前数字化经济发展趋势，调研分析了数字经济治理构建现状，对产业数字化做出定义及对新图景做出相关领域展望。

2.2.9 交通

葛雨明等[23]指出数字孪生对于自动驾驶测试的适用性，提出利用数字孪生的映射实现虚拟复杂道路场景下真实的网联自动驾驶车辆测试的方法。郑伟皓等[24]以数字孪生的五维结构模型为指导，提出了针对交通领域虚拟模型包含的几何、物理、规则模型提出了具体的实现技术。分析了交通基础设施分类及孪生数据特点，细化其构件层次关系，实现模型的标识编码与存储方案，完成系统验证，梳理了像素层、表征层和决策层的应用开发思路。

2.2.10 铁路

李纯等[25]以京张高铁BIM项目为载体，研究了各专业设计资源、定制各专业设计参数交互流程、构建专业间数据层面逻辑关联及具有统一数据框架的协同设计体系；朱庆等[26]针对川藏铁路提出地理、地质、设施、气象、生态、灾害、人员七大实体要素类型，从几何、尺度、拓扑、属性、行为特征及相互作用关系等进行刻画，制定了川藏铁路实体要素的统一编码规则以及扩充方法，建立了川藏铁路实体要素分类体系。

由于对应数据冗杂、精度要求高，孪生应用需求广，数字孪生主要在精细化程度较高、复杂程度较大的领域应用空间广阔。铁路工程作为复杂系统工程对于数字孪生技术的应用研究鲜有成果，应大力植入该理念尤其在重点难点工程中进行应用，以有效地解决以往大数据领域中的技术短板问题。

2.3 基于BIM的智能化铁路工程建设研究现状

2.3.1 国外铁路智能化发展现状

对传统铁路强国德国、法国和日本智能化铁路建设研究现状进行分析，同时可为提升国内铁路智能建造提供借鉴。

德国在铁路建设管理中积极推进信息化应用，内容涵盖项目投招标、综合建设项目评价、建设施工项目综合管理、建设工程项目综合管理、高速铁路土建工程综合设计、铁路建设监控等多方面。2014年选取了iTWO 5D BIM平台开启了数字化变革之路，2016年提出“铁路数字化战略”（铁路4.0）；法国国家铁路公司依据欧盟Shift2Rail计划，进行创新智能铁路（In2Rail）项目的研究，并于2015年提出数字化法铁战略，为铁路工程建设的数字化、智能化发展落地提供了政策支撑；日本作为第一个在全国范围内推进建设领域信息化的国家，制定的《技术创新中长期规划》为铁路数字化、智能化发展创造了一个良好的政策环境。

2.3.2 国内铁路智能化发展现状

我国铁路依托京张、京雄高铁和蒙华铁路等重大重点项目的建设，贯穿铁路工程建设全生命周期的路、桥、隧、轨全专业，应用各类信息技术，实现包含智能数据采集、高效协同管理、可靠信息传输、数模有效集成、过程科学分析、结果智慧预测等工程建设各个环节的工程建设信息化。

建设管理方面，2005年开发研制铁路建设项目管理信息系统（RCPMIS）并进行试点应用及全面推广；2013年确立铁路工程建设信息化总体技术路线，开发铁路工程管理平台；2017年发布了《铁路信息化总体规划》为铁路建设管理信息化提供政策支撑，中国铁路工程建设管理信息化稳步推进。

工程施工方面，我国铁路工程建设在各个专业的施工均有所突破。在路基领域中，研究了高速铁路路基冻胀时空发展规律，创新提出了严寒地区高速铁路路基冻胀设计理论；在桥梁领域，推进高速铁路40 m跨度简支梁研制和试用；在隧道领域提炼研究了八达岭地下车站的设计施工、城市区大直径盾构隧道修建等关键技术等；在铁路智能装备领域中智能双块式无砟轨道施工设备、钢梁自动焊接成套施工技术设备的研制大大提高了工程零件质量稳定性，提升结构耐久性。

建设标准方面，我中国铁路信息化建设标准领先世界。依托铁路BIM联盟，建立了以IFC引领的中国铁路BIM标准体系框架，并在涵盖各专业的BIM试点工程中进行实践应用，对标准进行了有效验证。此外，开展了铁路信息系统接口的标准研究以及正在努力推进铁路工程数字认证标准研究。

2.4 小结

数字孪生通过将已成结果的物理实体逆向映射于数字空间中，旨在将物理世界发生的一切，尤其对于不易理解及表征的问题，塞回到数字世界中，建立数字化的模型，进行仿真、分析、数据积累、挖掘、推理，解决物理世界难以解决的问题。数字孪生发展前景广阔，随着新技术不断演进，精密设备的增加，孪生发挥重要价值的应用场景会相应增加，使用该理念的性价比也将不断提高。例如，在精密工程技术设计和测试时数字孪生让以往由于物理条件限制、依赖于真实的物理实体而无法完成的操作变成可能。

通过对有关数字孪生研究现状及智能铁路研究现状的调研及分析，数字孪生的应用研究已经不限于航天器、船舶等造价不菲的设备设施，而是向数字信息复杂的领域发散。铁路工程这个庞大的系统工程未来对于数字孪生理念的引入就是大势所趋。另一方面，智能铁路在近些年来发展迅猛，在建设管理、建设施工以及标准研究中都取得了显著成果，这为孪生技术融入铁路工程奠定了良好基础。

3 数字孪生概念在铁路工程建设中应用展望

数字孪生概念以云、网、端为主要构成的技术生态体系，对应数字孪生体、信息网络和工程实体，由云与端互联互通，以信息数据交换为基础，处理、映射、应用为核心，将实体管理因素连接，实现铁路工程建设中各个环节的延伸。未来，数字孪生理念将融合其他先进技术，面向超大型复杂工程项目，在数据冗杂或精细程度高的施工环节中发挥优势，起到支撑辅助作用。

（1）巨规模空间数据分类、组织与存储。主要针对当前高速铁路长距离、大规模、多专业发展趋势特点，利用数字孪生，将大体量多维模型数据、多尺度、多时相、多场景的数据进行有效分类、组织、处理，实现多维模型可扩展的数据结构和多路复用的存取调度策略，挖掘数据集成应用的新价值，为建设过程中的决策与评估奠定坚实基础。

（2）基于云端的高质量图形处理。对于铁路实体线路、桥梁、隧道等专业图形造型算法复杂，应用数字孪生，依托云、端互动技术，建立数字孪生体，实现大迸发情况下的巨规模数据交互与差异化转化。建立“云+端”协同判识的质量安全评判与控制体系，形成统一的质量安全研判规则库，开展相关专业及工序的研判、控制及多维趋势预测。

（3）基于BIM一体化的铁路工程管理平台数据处理。在铁路工程全生命周期信息化管理中，要有效对综合、进度、质量、安全、投资、环保等信息化管理过程中的信息进行采集、分析、预警，打通数据接口，建立面向人、机、料、环、法，以多维数据模型为核心的精细化管理体系，通过数字孪生模型的建立，实现数据映射，保障数据的完整性、有效性、调取应用的及时性。同时依托孪生平台建立贯穿全生命周期铁路建造评估体系，及时对建设过程进行调整、优化，打造优质管理平台。

（4）引入信息化新技术的数字孪生工程融合体系。“十四五”时期，我国铁路工程建设将进入新发展阶段，除了已有信息技术的研究应用外，又面临诸多矛盾与风险，把握新机遇、抢占新技术、引领新发展就成了重要一环。伴随着云大物移、人工智能、区块链、5G等一系列新技术崛起，以及摒弃单一新技术应用，发展交叉技术融合应用理念的兴起，建立新技术与数字孪生相融合的铁路信息化工程建设体系将形成一种全新的管理模式，为铁路工程建设智能化发展提供有力支撑。