基于数字孪生的环行铁道智能铁路试验探索＊

林峰 王万齐 王学义 闫晓春 张郧

1.中国铁道科学研究院集团有限公司国家铁道试验中心；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

环行铁道作为我国轨道交通科技创新的重要组成部分，有必要为铁路数字化赋能转型探索道路，推动智能铁路高质量发展。本文从两个维度对智能铁路技术装备探索进行了分析总结：（1）环行铁道的数字孪生信息化建设实践，对数字环铁的概念内涵、总体构架和关键技术进行了阐述；（2）对在环行铁道开展BIM 技术、综合维修、周界入侵、铁路灾害监测系统等技术装备的试验验证，为智能铁路技术装备研发与应用提供了参考。

近年来，云计算、物联网、大数据、移动互联网等技术兴起，全球引发新一轮科技革命，产业变革进一步加速。国外等多个国家铁路相继提出了数字化与智能化发展的战略规划。智能铁路是我国落实国家大数据、人工智能战略与铁路运输深度融合发展的要求，是提升铁路运输服务质量、保障运输安全、增强经营管理效率的重要手段，是引领高铁发展的战略方向。

在国铁集团的支持下，于2000年成立了国家铁路智能运输系统工程技术研究中心，开启了智能铁路相关研究。历经20 余年，取得了丰富的科研成果，并依托智能京张、智能京雄、智能蒙华等重大工程建设，相关研究成果将得以验证、应用、推广，基本形成包括核心关键技术、移动装备、数据汇集及应用、标准规范等系列技术体系框架和成套解决方案。但是，智能铁路的不断突破发展，仍需要进一步深化数字技术、数据资源与铁路行业的交汇融合。

环行铁道试验基地是中国最大、世界领先的综合性试验基地，具备各种半径曲线、桥隧等60 种工况，拥有多个国家级科技创新平台，各种检测设施设备齐全，可在可控条件下模拟与正常运营线路相类似的条件，具备数字化探索的基础条件以及推广应用的先天优势。因此，在新的形势下，利用环行铁道试验基地为铁路基于数字底座的数字化赋能转型探索道路，是必要且可行的。

1 试验基地数字孪生探索

试验基地数字化建设简称“数字环铁”。“数字环铁”遵循智能铁路的总体架构布局，通过对试验基地数据的全域标识、试验状态与环境状态的精准感知和泛在互联、试验业务的有序分析和模型可视表达，建设数字环铁一体化平台，开展智能铁路技术装备的试验验证（如图1所示）。其中，物理空间和信息空间的整合交互是实现试验基地数字化、智能化赋能的关键，而数字孪生是实现物理空间和信息空间双向实时映射和交互的一种有效方法。

图1 数字环铁内涵Fig.1 The connotation of the digital test base

1.1 物理空间

“数字环铁”的物理空间（如图2所示）是由基础设施、检测监测设施、传输网络、数据平台等构成。

图2 环行铁道物理空间Fig.2 The physical space of the test base

（1）基础设施主要是指全长61.1km 的试验线路，由环行试验线、城轨试验线、标定线和站场线组成，包括轨道、路基、桥涵、隧道、接触网、变电所、信号等基础设施本体及其附属物。

（2）检测监测设施涵盖移动检测、地面固定监测、空天遥测和人工检查四大类，其中移动检测有综合检测列车和专业检测列车，地面固定监测有轨道部件检测、路基/桥梁/隧道状态检测系统、5T 综合检测系统、风雨雪异物侵限、周界入侵、视频监测等，空天遥测有北斗监测和无人机等。

（3）传输网络是联结各信息系统、试验线和实验室的纽带，是数字环铁建设的前提，其功能是信息的获取和传递。环行铁路传输网络是由近场通信、短距离通信、远距离通信构成的立体传输体系，有5G 专网、GSM-R 数字移动通信系统、STM 有线传输系统、LTE-M 系统、WLAN、ZigBee、RFID、NFC 等形式。

（4）数据平台主要是指计算机存储和计算资源，用来归集、存储和管理数据，包括基础设施台账、各类检测数据、业务数据和外部相关数据，通过统计与智能分析等手段，将数据转化为知识，输出故障诊断、故障预测、健康评估、演变规律等分析结果，为科学决策提供支撑。

基于基础设施的业务流程，是信息化的重要组成部分。环铁试验涉及科学研究、设计研发、检验认证、应用验证四大类，包括移动装备试验、基础设施试验、运输技术试验等方面。

1.2 逻辑架构

数字环铁依据智能铁路总体结构布局，其总体结构自下向上分为感知层、传输层、平台层、应用层（如图3所示）。

图3 数字环铁逻辑架构Fig.3 The logic architecture of the digital test base

（1）感知层主要是实现对移动装备、固定基础设施状态、环境、业务执行状态的感知，主要通过各类智能传感器、视频识别、遥感技术等实现，获取各种结构化数据（如监测数据、设备状态、报警信息等）、半结构化数据（如日志文件、报告等）、非结构化数据（如视频、音频数据等）、实时数据。

（2）传输层实现数据的传输，包括数据传输设备及信息通道，主要基于有线光纤方式、公网无线传输、GSM-R、5G-R、北斗短报文、WiFi 等方式，各类系统之间采用MQ/REST/Socket/RTMP/RTSP/FTP/SFTP 数据通讯协议实现数据的采集传输，最终实现泛在高速、多网协同的立体无缝覆盖。

（3）平台层主要归集、存储、管理各类数据，构建数字环铁全域数据，提供跨专业智能分析与服务共享。其中：1）结构化数据采用Sqoop 工具完成数据的收集，服务器与子系统之间用接口服务器作为中转，采用MySQL数据库；半结构化和非结构化数据采用Flume 工具进行收集，存储到HDFS 分布式存储系统中。实时数据通过接口服务器传送至数据处理服务器，然后通过算法模型进行分布式计算。2）ETL 主要负责结构化数据的处理，其次完成半结构化和非结构化数据的处理；HadoopETL主要负责半结构化和非结构化数据的处理，同时也能完成部分实时数据的处理；流式计算ETL 则只负责实时数据的处理。3）采用HDFS 分布式文件系作为数据存储服务平台的基础，在HDFS 架构上采用分布式数据库，例如HBase、Hive，为面向SPL 或类SQL 提供数据接口。

（4）应用层主要为项目管理、运维管理、调度指挥、分析决策、安全监控、科研创新等方面提供支持，包括安全预警、趋势分析、状态评价、维修决策等。

2 智能铁路试验应用

2.1 BIM 技术应用

标定线设有隧道设备一座，全长205m。隧道内部共设有4 个试验及标定功能区，包括2 个试验段、1 个隧道检测系统标定段以及1 个隧道病害模拟槽，用于开展装配式隧道结构设计、施工工艺以及材料性能试验研究并利用不同工况的隧道对地质雷达进行标定试验（如图4所示）。利用设计图纸、影像数据、DEM 数据、DOM 数据构建三维实体模型，借助Unity3D 引擎进行坐标转换、位置转换、属性设置等，集成环行铁道试验数据，创建环行铁道数字孪生模型，实现多源异构数据的高效集成和融合[1]。

图4 标定线隧道BIM 三维模型Fig.4 3D BIM model of calibration line tunnel

BIM 技术在智能铁路建设过程中，涵盖工程设计及仿真、工厂化加工、精密测控、自动化安装、动态监测和信息管理等方面[2]。精细化的BIM 设计成果对保证工期、减少返工方面价值突出，但BIM 技术最大收益在运维阶段，设计和建设阶段产生的信息将贯穿全生命周期，在漫长的运维阶段其价值将不断增强。

2.2 综合维修管理

工电供一体管理（如图5所示）以环行铁道数字资产管理为基础，以自动诊断、综合诊断、预测分析、决策支持、闭环管理为目标。通过检测、巡检、监测等数据，提取故障特征，开展故障成因分析，构建故障库；通过对交互作用的故障进行综合诊断，便于进行跨专业综合诊断；预测未来设备状态的发展；优化维修养护计划；通过仿真模拟技术对铁路运维过程中的施工组织、资源调配、运维管理等关键流程进行优化；实现从检测检查、数据分析、生产调度、现场作业到质量评价的生产信息化闭环管理[3]。

图5 数字环铁一体化运维Fig.5 Integrated maintenance management system

基础设施一体化管理体系建设，为各检测系统互联互通，加强检测监测、运营维护的关联分析、深度分析，动态掌握设备状态、提高安全风险预警能力，提高设备养护维修精准度节约维修成本的重要尝试。

2.3 周界入侵试验验证

针对威胁铁路运行安全的破坏行为，设置振动光纤、电子围栏、光波对射、视频监控模式识别、微波探测、复合传感探等试验验证平台。试验如图6所示，选取业务主流设备供应商10 家，对环境适用性、系统准确可靠性能进行专项性能验证和横向比对。

图6 周界入侵试验布置图Fig.6 Perimeter intrusion test layout

试验验证了一种全天候综合识别技术较Faster RCNN提高了4%；改进的Cascade Mask R-CNN 模型实现了对于小目标检测F-measure 提高了0.24，解决了不同场景下铁路周界入侵检测问题，提高了视频小目标检测的准确率[4]。

2.4 铁路灾害监测系统验证

风雨雪综合试验区（如图7所示），对高速铁路灾害监测系统的灾害规律分析、灾害预测、运用规则优化、监测点布设优化、设备选型、设备状态分析等进行试验测试。

图7 风雨雪和异物监测比对区Fig.7 Wind,rain,snow and foreign body monitoring and comparison area

通过试验验证，优化大风报警阀值，可有效降低报警次数；电源故障是系统设备的主要故障，需要进行重点监测和维护。研究成果可解决目前灾害监测系统运用和维护中遇到的问题，为灾害监测综合分析与应用研究提供技术支持[5]。

3 结论

信息化真正发挥作用的在于和业务场景相结合，充分利用铁路的资源优势，发掘和释放数据资源的潜在价值，将有益于全面提升铁路信息智能化的经营开发水平。本文首先对环行铁道数字环铁平台项目进行了介绍，对数字环铁概念内涵、总体构架和关键技术进行了阐述；基于数字环铁的智能铁路技术装备试验。通过技术创新建设高质量的试验环境，提供高效便捷的协同能力，为智能铁路技术装备研发与应用提供参考。