德國鐵路數(shù)字孿生戰(zhàn)略

數(shù)字孿生是現(xiàn)實世界事物的數(shù)字化映射，是工業(yè)4.0應(yīng)用程序的基礎(chǔ)。近年來，德國鐵路股份公司（Deutsche?Bahn，DB）實施數(shù)字技術(shù)戰(zhàn)略，創(chuàng)建鐵路系統(tǒng)數(shù)字孿生，并將其作為德國鐵路未來發(fā)展的核心和基礎(chǔ)。文章將簡要介紹DB的數(shù)字孿生戰(zhàn)略。

1 數(shù)字孿生概述

1.1 定義

數(shù)字孿生是將工業(yè)產(chǎn)品、制造系統(tǒng)、城市等復(fù)雜物理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、行為、功能和性能映射到數(shù)字化的虛擬世界，通過實時傳感、連接映射、精確分析和沉浸交互來刻畫、預(yù)測和控制物理系統(tǒng)，實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)虛實融合，從而使系統(tǒng)全要素、全過程、全價值鏈達(dá)到最大限度的閉環(huán)優(yōu)化。其能夠以數(shù)字化的方式描述和映射對象、人員和流程，并以可理解和進(jìn)一步處理的格式提供各種信息；除數(shù)據(jù)之外，其還可進(jìn)行算法分析、模擬仿真等，以描述和影響所代表對象在過去、當(dāng)前或未來的屬性和行為。例如，利用軌道車輛的數(shù)字孿生可以預(yù)測軌道車輛在不同情況下的運(yùn)行狀況，并進(jìn)行趨勢分析和維護(hù)場景模擬，分析和模擬的結(jié)果有助于優(yōu)化車輛維修流程，提高維修質(zhì)量。

數(shù)字孿生潛力的發(fā)揮只能通過各領(lǐng)域、合作伙伴及供應(yīng)商之間的信息交互實現(xiàn)。

1.2 價值

鐵路系統(tǒng)數(shù)字孿生是以實時監(jiān)控、測量、診斷等系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)創(chuàng)建的；通過對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和評估，能夠預(yù)測車輛及鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的故障，實現(xiàn)其預(yù)測性維修，從而降低維修成本，提高維修質(zhì)量和效率。

鐵路系統(tǒng)數(shù)字孿生還將在調(diào)度中發(fā)揮重要作用。在未來，列車調(diào)度決策將以運(yùn)營數(shù)據(jù)和人工智能（AI）模擬為基礎(chǔ)。利用數(shù)字孿生可以實時檢測運(yùn)營中出現(xiàn)的故障并將其整合到模型中，從而達(dá)到故障自動處置的目標(biāo)。

2 DB的數(shù)字孿生戰(zhàn)略

創(chuàng)建鐵路系統(tǒng)數(shù)字孿生是DB數(shù)字技術(shù)戰(zhàn)略的重要組成部分，也是實現(xiàn)“強(qiáng)大鐵路（Starke?Schiene）”目標(biāo)的關(guān)鍵因素（圖1）。DB計劃利用數(shù)字孿生，獲得其所有系統(tǒng)的完整、全面數(shù)字化映射（包括所有組成部分、參與者、影響因素及其相互關(guān)系），并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行仿真模擬，以識別各系統(tǒng)中的弱點(diǎn)，并有針對性地進(jìn)行優(yōu)化，從而顯著提高系統(tǒng)性能。實施數(shù)字孿生戰(zhàn)略的目標(biāo)是，提高公司資產(chǎn)的可用性和盈利能力，改善客戶服務(wù)質(zhì)量。

圖1 DB鐵路系統(tǒng)數(shù)字孿生示意圖

為在不久的將來實現(xiàn)這一愿景，DB以現(xiàn)有技術(shù)方法為基礎(chǔ)，與各相關(guān)部門、企業(yè)展開密切合作，共同創(chuàng)建DB鐵路系統(tǒng)數(shù)字孿生。

3 數(shù)字孿生戰(zhàn)略的實施

目前，DB的車輛及鐵路基礎(chǔ)設(shè)施上已經(jīng)安裝了各種傳感器和智能設(shè)備，為數(shù)字孿生戰(zhàn)略的實施奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。DB從2017年開始實施的TecEx計劃以及2020年開始實施的“數(shù)字化維護(hù)”計劃中積累了大量相關(guān)經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，這2項計劃成為進(jìn)一步推進(jìn)數(shù)字孿生戰(zhàn)略的重要引擎。DB負(fù)責(zé)信息技術(shù)（IT）業(yè)務(wù)的子公司DB?Systel、負(fù)責(zé)鐵路技術(shù)業(yè)務(wù)的子公司DB?Systemtechnik以及德國數(shù)字鐵路（Digital?Rail?Germany）團(tuán)隊也進(jìn)行了大量相關(guān)研究，取得了豐碩的研究成果，為創(chuàng)建DB鐵路系統(tǒng)數(shù)字孿生提供了理論和知識保障。

數(shù)字孿生戰(zhàn)略的成功實施需要開放的態(tài)度、靈活的方法作為支撐。為促進(jìn)合作和交流，DB推出了數(shù)字孿生社區(qū)，在開展公司內(nèi)部信息交流的同時，積極尋求與其他設(shè)備制造商、系統(tǒng)供應(yīng)商、鐵路運(yùn)營商及研究機(jī)構(gòu)的對話與合作。

數(shù)字孿生戰(zhàn)略的實施需要一種整體方法。DB通過開展物聯(lián)網(wǎng)燈塔（Leuchtturm）項目（圖2），確立數(shù)字孿生戰(zhàn)略實施原則，為其運(yùn)作設(shè)定統(tǒng)一的路線，并且對其實施過程進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制。目前，DB正在重點(diǎn)針對列車空調(diào)、車門和轉(zhuǎn)向架等部件，創(chuàng)建“數(shù)字列車孿生”（這是物聯(lián)網(wǎng)燈塔項目的組成部分），以便為數(shù)字孿生整體戰(zhàn)略的推進(jìn)摸索方法、積累經(jīng)驗（圖3）。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)燈塔項目

圖3 數(shù)字列車孿生示意圖

4 廣泛的信息交互

數(shù)字孿生的一個重要特征是信息的廣泛交互，這不僅指傳感器信息和數(shù)據(jù)的交換，還包括與設(shè)備制造商、系統(tǒng)供應(yīng)商、鐵路運(yùn)營商等合作伙伴之間的互動。因此，DB與上述合作伙伴互利互信、密切合作，并與各大學(xué)長期交流，啟動進(jìn)一步的研究項目，旨在對現(xiàn)有組件進(jìn)行進(jìn)一步開發(fā)和優(yōu)化，以滿足實施數(shù)字孿生戰(zhàn)略的要求。

5 實施數(shù)字孿生戰(zhàn)略面臨的挑戰(zhàn)

目前，數(shù)字孿生戰(zhàn)略的實施還面臨著諸多的挑戰(zhàn)，除需解決建模等技術(shù)問題外，流程和法規(guī)也必須進(jìn)行相應(yīng)的變更。這需要許多單位和人員的參與和協(xié)調(diào)，而且往往非常耗時。

6 結(jié)語

數(shù)字孿生是有生命的物體，就如同其真實對應(yīng)物一樣，會經(jīng)歷成長、成熟的過程，必須對其進(jìn)行持續(xù)的開發(fā)和維護(hù)，使其適應(yīng)不斷變化的需求。在這過程中，必須保持開放的態(tài)度，積極尋求與其他公司、合作伙伴和機(jī)構(gòu)的對話與合作。數(shù)據(jù)交換及提供基于AI和仿真模型的數(shù)字服務(wù)是成功實施數(shù)字孿生戰(zhàn)略的關(guān)鍵。DB將為此不懈努力，以實現(xiàn)數(shù)字孿生戰(zhàn)略的成功落地。