基于數(shù)字孿生的城軌智慧能源管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及展望

韓佩瑤，杜呈欣，張 銘，田 源

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

1 引言

在交通強(qiáng)國(guó)的背景之下，作為城市交通大動(dòng)脈和大城市公共交通工具，城市軌道交通（以下簡(jiǎn)稱“城軌”）已成為我國(guó)交通體系的重要組成部分和技術(shù)創(chuàng)新的重要陣地。中共中央先后發(fā)布《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》[1]和《2030 碳達(dá)峰行動(dòng)方案》[2]，要求加快推進(jìn)低碳交通運(yùn)輸體系建設(shè)；交通部發(fā)布《綠色交通“十四五”發(fā)展規(guī)劃》[3]對(duì)我國(guó)交通運(yùn)輸綠色發(fā)展提出了新的要求；中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)發(fā)布了《中國(guó)城市軌道交通綠色城軌發(fā)展行動(dòng)方案》[4]以指導(dǎo)城市軌道交通綠色轉(zhuǎn)型工作。

城軌作為“用能大戶”，需站在“雙碳”目標(biāo)征程的前列。綠色城軌作為智慧城軌的重要應(yīng)用場(chǎng)景，聚焦節(jié)能降碳的技術(shù)攻關(guān)、提升城軌綠色技術(shù)應(yīng)用效能，將成為未來(lái)一段時(shí)間的重點(diǎn)發(fā)展方向。要實(shí)現(xiàn)城軌的綠色智能化，建立一套完善的智慧能源管理體系成為重中之重。

城軌能源管控涉及牽引供電、車站通風(fēng)空調(diào)、智能照明、綜合能源管理等多個(gè)子系統(tǒng)，且傳輸網(wǎng)絡(luò)不一，制式不同，包含管控設(shè)備繁多、涉及專業(yè)多樣的多維系統(tǒng)，具有多源、多維、多尺度、異構(gòu)的數(shù)據(jù)特征。從功能檢（監(jiān)）測(cè)、數(shù)據(jù)分析到動(dòng)態(tài)調(diào)優(yōu)，傳統(tǒng)的能源管控技術(shù)已經(jīng)很難滿足當(dāng)前智慧綠色能源管控的要求。

為響應(yīng)國(guó)家雙碳戰(zhàn)略，提升城軌用能效率，各地紛紛增設(shè)城軌能源管理系統(tǒng)，主要包括線網(wǎng)級(jí)能源管理平臺(tái)、線路級(jí)能源管理系統(tǒng)。線網(wǎng)級(jí)能源管理系統(tǒng)是在線路級(jí)已有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行搭建，包含匯總各線路的能源數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)能耗和能效等功能；線路級(jí)能源管理系統(tǒng)包含能源質(zhì)量檢測(cè)及監(jiān)控、各項(xiàng)能耗的分類、節(jié)能管理等功能。此外，學(xué)者們也對(duì)相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了研究。文獻(xiàn) [5]設(shè)計(jì)了城軌電氣火災(zāi)監(jiān)控與能源管理融合系統(tǒng)，便于運(yùn)營(yíng)管理。文獻(xiàn)[6]提出了一種基于云平臺(tái)的城軌能源管理系統(tǒng)架構(gòu)和建設(shè)方式，利用云計(jì)算采用了線網(wǎng)-車站二層管理模式，降低了線網(wǎng)和線路運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本。

在此基礎(chǔ)上，本文總結(jié)數(shù)字孿生技術(shù)當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)，分析城軌能源管控的需求，并提出包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)虛實(shí)交互、數(shù)據(jù)管理、孿生模型應(yīng)用、虛擬孿生、訪問(wèn)權(quán)限設(shè)置功能的基于數(shù)字孿生的城軌智慧能源管控系統(tǒng)架構(gòu)，然后展望數(shù)字孿生技術(shù)在城軌智慧能源管控中的應(yīng)用。

2 數(shù)字孿生介紹

2.1 概述

數(shù)字孿生起源于2003 年，由Grieves 教授在美國(guó)密歇根大學(xué)產(chǎn)品生命周期管理課程上提出的“與物理產(chǎn)品等價(jià)的虛擬數(shù)字化表達(dá)”的概念，當(dāng)時(shí)被稱作“鏡像空間模型”，發(fā)展而來(lái)，其定義為包括實(shí)體產(chǎn)品、虛擬產(chǎn)品及兩者之間連接的三維模型[7]。但是直到2011 年，Grieves 教授才在書中明確應(yīng)用了“數(shù)字孿生體”一詞。

數(shù)字孿生技術(shù)最早在軍工及航天領(lǐng)域被應(yīng)用[8]。Gartner 自2016 年起連續(xù)多年將“數(shù)字孿生”列為未來(lái)十大戰(zhàn)略技術(shù)之一。由于數(shù)字孿生具備虛實(shí)融合與實(shí)施交互、迭代運(yùn)行與優(yōu)化、以及全要素/全流程/全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)，加上傳感器成本大幅下降、網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性提升和建模技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)字孿生技術(shù)的研究與應(yīng)用正在呈現(xiàn)爆炸性增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。北京航空航天大學(xué)陶飛教授提出數(shù)字孿生“五維模型”，探討在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、智能制造、智慧城市等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)物理世界和信息世界的交互共融[9]。

2.2 技術(shù)體系

數(shù)字孿生的本質(zhì)是技術(shù)集成。數(shù)字孿生的實(shí)現(xiàn)需要依賴諸多基礎(chǔ)數(shù)字技術(shù)的融合創(chuàng)新，正是因?yàn)檫@些基礎(chǔ)數(shù)字技術(shù)的蓬勃發(fā)展，數(shù)字孿生才有機(jī)會(huì)從小尺度到大尺度都有了更多應(yīng)用場(chǎng)景，并變成了新的融合貫通式的數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施。

（1）數(shù)據(jù)全面、精準(zhǔn)感知。通過(guò)智能傳感器、射頻識(shí)別設(shè)備（RFID）、衛(wèi)星定位系統(tǒng)等信息傳感設(shè)備，按照特定的協(xié)議要求采集物理世界中發(fā)生的物理事件和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)外部世界信息的感知和識(shí)別。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的泛在感知，實(shí)現(xiàn)感知信息高可靠性、高有效性[10]。數(shù)據(jù)的全面、精準(zhǔn)感知技術(shù)主要包括數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、傳感器協(xié)同感知采集技術(shù)、傳感數(shù)據(jù)解析及訪問(wèn)技術(shù)等。

（2）虛實(shí)數(shù)據(jù)可靠、高效傳輸交互。數(shù)據(jù)的傳輸是物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)之間實(shí)時(shí)互聯(lián)互通的核心，信息傳輸?shù)倪^(guò)程中需要保證高速率、低時(shí)延、大容量、可移動(dòng)的特性，以此支撐數(shù)字孿生系統(tǒng)的實(shí)時(shí)交互、數(shù)據(jù)計(jì)算及虛擬世界與物理世界的反饋閉環(huán)。5G通信技術(shù)為數(shù)字孿生的應(yīng)用提供了實(shí)現(xiàn)物理世界與虛擬世界精準(zhǔn)映射和實(shí)時(shí)感知控制的能力。虛實(shí)數(shù)據(jù)可靠、高效傳輸交互技術(shù)主要包括通信傳輸技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)、信息安全訪問(wèn)技術(shù)等。

（3）數(shù)據(jù)管理。數(shù)字孿生數(shù)據(jù)包含模型、信息的時(shí)間數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)，融合打通多源、多維、多層次的數(shù)據(jù)孤島，增加共享和復(fù)用能力，響應(yīng)業(yè)務(wù)需求，提供全要素、全流程、全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的支持。數(shù)據(jù)的管理與共享技術(shù)包括云計(jì)算和數(shù)據(jù)中臺(tái)技術(shù)。云計(jì)算主要包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及管理技術(shù)、編程模型等，數(shù)據(jù)中臺(tái)技術(shù)包括數(shù)據(jù)同步技術(shù)、數(shù)據(jù)開發(fā)技術(shù)、數(shù)據(jù)服務(wù)技術(shù)等[11]。

（4）孿生體建模技術(shù)。構(gòu)建數(shù)字孿生的第一步是創(chuàng)建高保真的數(shù)字孿生虛擬模型，真實(shí)再現(xiàn)物體實(shí)體的幾何圖形、屬性、行為和規(guī)則等。在建模對(duì)象行為復(fù)雜、規(guī)則難以分析的情況下一般采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式建模?？梢匀诤蠒r(shí)空數(shù)據(jù)與知識(shí)，提升建模的魯棒性和特定信息的表征力度。孿生體的建模技術(shù)主要包括基于時(shí)空虛實(shí)數(shù)據(jù)的分析技術(shù)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與知識(shí)融合分析技術(shù)、物理建模技術(shù)等。

2.3 趨勢(shì)分析

隨著數(shù)字孿生技術(shù)的研究逐步深入和在城軌領(lǐng)域的不斷探索，其未來(lái)發(fā)展方向包含以下幾點(diǎn)。

（1）體系設(shè)計(jì)方面。隨著數(shù)字孿生應(yīng)用的深入，其可以與分布式計(jì)算技術(shù)相結(jié)合，形成模塊化的數(shù)字孿生塊，各模塊包含各自的業(yè)務(wù)領(lǐng)域，分而治之，協(xié)同處理，提高處理事件的效率，便于形成數(shù)據(jù)共享協(xié)同應(yīng)用的機(jī)制。

（2）模型迭代方面。加強(qiáng)數(shù)據(jù)與模型的有機(jī)融合，加強(qiáng)孿生間隨時(shí)間的相互作用、相互變化，提升孿生體的建模適應(yīng)性和仿真精準(zhǔn)性，并切實(shí)提升模型在各個(gè)車站之間的普適性，降低建模成本。

（3）任務(wù)計(jì)算方面。通過(guò)城軌大腦云計(jì)算平臺(tái)和邊緣計(jì)算綜合使用，提升多源、異構(gòu)孿生數(shù)據(jù)的處理分析能力，提升面向任務(wù)的數(shù)據(jù)處理分析能力。

（4）智能服務(wù)方面。結(jié)合人工智能、仿真等技術(shù)，在數(shù)字空間形成更加智能、高效、準(zhǔn)確的決策，反饋到物理世界，提升現(xiàn)實(shí)世界的智能服務(wù)效率。

（5）應(yīng)用安全方面。能源管控系統(tǒng)涉及許多敏感數(shù)據(jù)，將區(qū)塊鏈技術(shù)、訪問(wèn)控制技術(shù)嵌入數(shù)字孿生系統(tǒng)內(nèi)，防止數(shù)據(jù)的篡改、訪問(wèn)錯(cuò)誤，確保數(shù)據(jù)的安全性及可靠性。

3 城軌智慧能源的管控現(xiàn)狀

各城市的軌道交通能源管控現(xiàn)狀存在差異，但總體來(lái)說(shuō)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，大多數(shù)城市的軌道交通已經(jīng)開始采用智能化技術(shù)進(jìn)行能源管理和控制，如能源管理系統(tǒng)、能量回收系統(tǒng)、能源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。

城軌系統(tǒng)能源消耗主要集中在電力消耗上，能源管理系統(tǒng)通過(guò)對(duì)不同設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分析和處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)能源消耗情況的監(jiān)測(cè)和調(diào)整。能量回收系統(tǒng)是一種將城軌車輛制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量進(jìn)行回收利用的技術(shù)，可以降低城軌系統(tǒng)的能耗和碳排放量。能源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)城軌各種設(shè)備的能耗情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，幫助運(yùn)營(yíng)人員了解能耗情況，進(jìn)而對(duì)能源管理進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

基于數(shù)字孿生的城軌能源管控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多系統(tǒng)、多設(shè)備的互聯(lián)互通，構(gòu)建協(xié)同智能分析的能源管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的共享與協(xié)同處理。

以下將從節(jié)能分析規(guī)劃調(diào)整、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分析、能耗優(yōu)化調(diào)整等方面探討城軌能源管控系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)的可行性。

3.1 節(jié)能規(guī)劃調(diào)整

城軌能源管控最基本的方法是通過(guò)運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)時(shí)間線、客流量來(lái)調(diào)整能源設(shè)備、系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)值，以此優(yōu)化城軌能耗的管控。

城軌能源管控系統(tǒng)包含風(fēng)、水、電、動(dòng)力能源等多系統(tǒng)、多運(yùn)行單元，其節(jié)能優(yōu)化管控不僅是一個(gè)多目標(biāo)的優(yōu)化問(wèn)題，子系統(tǒng)間中還包含多種耦合運(yùn)行因素，各專業(yè)系統(tǒng)之間的深層能源關(guān)系有待挖掘，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化調(diào)控方法能深入探究分析，滿足不同需求及關(guān)系下的能耗調(diào)整[12]。

3.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分析

能源管控系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與分析是對(duì)各種感知設(shè)備、采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的匯總和分析。

目前各種系統(tǒng)的采集設(shè)備的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，對(duì)電力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間單位為秒（s），對(duì)氣體、溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間單位為分（min）。

3.3 能耗優(yōu)化調(diào)整

能源優(yōu)化調(diào)整的最主要目的是優(yōu)化能源利用結(jié)構(gòu)，提高車站內(nèi)能源的利用效率，確保在低能耗的情況下設(shè)施設(shè)備安全、高效、穩(wěn)定運(yùn)行。目前，對(duì)于車站的節(jié)能控制策略，“供求平衡”是最根本的原則，即在城軌站內(nèi)環(huán)境指標(biāo)維持在焓值目標(biāo)的情況下，盡量減少不必要的能量消耗。

車站多系統(tǒng)耦合的能源優(yōu)化問(wèn)題往往基于實(shí)際系統(tǒng)的仿真模型，通過(guò)分析相互之間的能源影響機(jī)理，構(gòu)建一個(gè)最優(yōu)化問(wèn)題，通過(guò)轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問(wèn)題尋求能耗最優(yōu)解。

3.4 碳排放核算與評(píng)價(jià)

節(jié)能降耗戰(zhàn)略地位的提升促進(jìn)了相關(guān)行業(yè)的發(fā)展與研究，也促進(jìn)了對(duì)于能效分析、碳排放核算等綜合評(píng)價(jià)方法與指標(biāo)體系方面的相關(guān)研究。

通過(guò)對(duì)設(shè)施設(shè)備能耗的分析、碳排放的核算、能耗指標(biāo)體系的評(píng)價(jià)和經(jīng)濟(jì)效益的分析等，可提升能源數(shù)據(jù)使用價(jià)值，提升優(yōu)化能耗精準(zhǔn)度的價(jià)值。

3.5 建模仿真

車站能源系統(tǒng)仿真主要是構(gòu)建車站內(nèi)不同設(shè)施設(shè)備的物體實(shí)體及其之間的運(yùn)行關(guān)系，利用數(shù)據(jù)公式及物理原理構(gòu)建空調(diào)、電表、水表、屏蔽門、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)（AFC）等關(guān)鍵設(shè)施設(shè)備及功能網(wǎng)絡(luò)模型。利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法搭建一套完整、可靠的車站能源運(yùn)行仿真模型。

建模仿真是為了盡可能真實(shí)地構(gòu)建數(shù)字化的設(shè)施設(shè)備及其運(yùn)行狀態(tài)，并在此基礎(chǔ)上驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)及優(yōu)化的準(zhǔn)確性。城軌車站能源系統(tǒng)作為一個(gè)多元多模態(tài)復(fù)合系統(tǒng)，依靠傳統(tǒng)方法很難有效建模分析，因此如何將物理實(shí)體映射到數(shù)字實(shí)體并進(jìn)行后續(xù)操作，是當(dāng)前亟需解決的難點(diǎn)。

4 城軌智慧能源數(shù)字孿生框架

本文從感知、傳輸、平臺(tái)、應(yīng)用、仿真、安全等方面提出基于數(shù)字孿生的城軌智慧能源管控框架，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)將物體實(shí)體的對(duì)象、特征、運(yùn)行規(guī)則、性能等進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體和虛擬實(shí)體的一對(duì)一映射，并可對(duì)虛擬實(shí)體趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)關(guān)鍵性能進(jìn)行優(yōu)化分析，將有效結(jié)果返回至物理實(shí)體糾正當(dāng)前運(yùn)行情況，提升基于數(shù)字孿生的城軌智慧能源管控的安全性與穩(wěn)定性?？傮w架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于數(shù)字孿生的城軌智慧能源管控系統(tǒng)框架

4.1 數(shù)據(jù)采集

物理感知是構(gòu)建數(shù)字孿生系統(tǒng)的基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)物理實(shí)體數(shù)據(jù)的感知、分析，構(gòu)建城軌智慧能源管控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可分為中心級(jí)和車站級(jí)2 層結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。中心級(jí)是城軌智慧能源管控的核心，是信息接入、抽取、清洗、存儲(chǔ)、分析的數(shù)據(jù)中心，也是對(duì)全線能源管理的人工智能、最優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用平臺(tái)。中心級(jí)各模塊分別與車站級(jí)設(shè)施設(shè)備信息和數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，并集中管理。

圖2 城軌智慧能源管控系統(tǒng)實(shí)體

車站級(jí)包括節(jié)能系統(tǒng)車站交換機(jī)、節(jié)能工作站、節(jié)能PLC[13]。車站級(jí)是設(shè)備信息采集、設(shè)備運(yùn)行調(diào)整的源頭，通過(guò)相關(guān)系統(tǒng)的接入和互聯(lián)互通，采集各表計(jì)、傳感器、設(shè)備上傳的信息。利用內(nèi)置的PLC 節(jié)能算法，有效節(jié)能調(diào)控車站內(nèi)設(shè)施設(shè)備。

4.2 數(shù)據(jù)虛實(shí)交互

傳輸交互是實(shí)現(xiàn)孿生體與物理實(shí)體高效連接、實(shí)時(shí)交互的重要保障，主要包括孿生體與物理實(shí)體、物理實(shí)體與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析平臺(tái)、孿生體與數(shù)據(jù)分析平臺(tái)之間的連接。針對(duì)數(shù)字孿生模型對(duì)傳輸過(guò)程低時(shí)延、高可靠的要求，可采用云邊端協(xié)同的傳輸與計(jì)算方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的靈活、可靠傳輸。

4.3 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理是數(shù)字孿生模型提供智慧化服務(wù)的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)包括物理世界的屬性信息及運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、虛擬世界的模擬仿真的數(shù)據(jù)，以及各實(shí)體運(yùn)行的機(jī)理知識(shí)數(shù)據(jù)等。

物理實(shí)體的屬性數(shù)據(jù)是設(shè)施設(shè)備的基礎(chǔ)外觀信息、具備的功能等要素?cái)?shù)據(jù)；物理實(shí)體的生產(chǎn)數(shù)據(jù)是在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中產(chǎn)生的能源數(shù)據(jù)，包括各設(shè)施設(shè)備的使用能耗數(shù)據(jù)、以及使用對(duì)象、分析結(jié)果的結(jié)構(gòu)式、非結(jié)構(gòu)式數(shù)據(jù)；虛擬實(shí)體的模擬仿真數(shù)據(jù)是通過(guò)仿真計(jì)算、優(yōu)化生成的數(shù)據(jù)；各實(shí)體運(yùn)行的機(jī)理知識(shí)數(shù)據(jù)包括各種設(shè)施設(shè)備使用的規(guī)章制度、遵循的標(biāo)準(zhǔn)等。

4.4 孿生模型應(yīng)用

孿生應(yīng)用是基于云、大、物、移、智、鏈等新型技術(shù)集成的智能模型、算法的智能服務(wù)集合體，能夠在孿生體模型中真實(shí)模擬優(yōu)化物理實(shí)體運(yùn)行方式，并可將優(yōu)化結(jié)果反饋到物理實(shí)體。

城軌車站能源管控目前主要是通過(guò)運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)去設(shè)定風(fēng)水聯(lián)動(dòng)、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）系統(tǒng)等數(shù)值，缺乏對(duì)多系統(tǒng)之間耦合關(guān)系的分析，亟需通過(guò)深度學(xué)習(xí)、智能優(yōu)化算法等技術(shù)實(shí)現(xiàn)車站能源設(shè)備、系統(tǒng)的高效能耗管理。

4.5 虛擬孿生

虛擬孿生是將物理世界一比一映射到孿生世界，包含物理世界的實(shí)體信息、運(yùn)行機(jī)理信息以及數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的融合。機(jī)理信息與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模式相結(jié)合，可提高模型的準(zhǔn)確度。

虛擬孿生體相當(dāng)于物理實(shí)體的平行時(shí)空體，可以不受空間、時(shí)間、環(huán)境等條件的限制，能夠依照設(shè)定的指令推演未知的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)物理世界的潛藏隱患，優(yōu)化物理世界的運(yùn)行狀態(tài)，最大限度的保障物理世界的安全、節(jié)能、穩(wěn)定運(yùn)行。

4.6 訪問(wèn)權(quán)限

訪問(wèn)權(quán)限是車站智慧能源管控系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入交互、模型訪問(wèn)等環(huán)節(jié)的重要保障。傳統(tǒng)的能源管理架構(gòu)很難保證智慧能源管控系統(tǒng)的不可篡改、可追溯性。而采用動(dòng)態(tài)訪問(wèn)控制技術(shù)及相關(guān)身份認(rèn)證技術(shù)，可形成各系統(tǒng)協(xié)同控制聯(lián)動(dòng)的共享機(jī)制，為基于數(shù)字孿生的智慧能源系統(tǒng)提供安全基礎(chǔ)。

5 城軌智慧能源數(shù)字孿生應(yīng)用展望

基于數(shù)字孿生的智慧能源管控系統(tǒng)通過(guò)各能源子系統(tǒng)的感知，實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)設(shè)備使用量、狀態(tài)值、時(shí)空狀態(tài)進(jìn)行全面的感知，利用高帶寬、低時(shí)延的可靠性傳輸，將物理世界一比一映射到孿生世界。

5.1 技術(shù)路線

基于數(shù)字孿生的城軌智慧能源管控系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)路線是依照上文分析的具體實(shí)施路徑。其包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層以及應(yīng)用層，如圖3 所示。

圖3 基于數(shù)字孿生的城軌智慧能源管控系統(tǒng)技術(shù)路線

（1）感知層。通過(guò)部署不同系統(tǒng)、設(shè)備專屬的傳感器，規(guī)范智慧能源的邊界體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)城軌智慧能源管控對(duì)象的全面狀態(tài)感知、量值交互、環(huán)境監(jiān)測(cè)等。

（2）網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層基于專用網(wǎng)絡(luò)、有線/無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙、無(wú)線射頻識(shí)別（RFID）等方式實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)可靠傳輸，將獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)理等內(nèi)容納入到孿生體模型中，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體與虛擬實(shí)體的互聯(lián)互通。

（3）平臺(tái)層。平臺(tái)層主要負(fù)責(zé)提供基于數(shù)字孿生的城軌智慧能源管控的數(shù)據(jù)處理分析及孿生體交互建模。數(shù)據(jù)處理分析主要包括數(shù)據(jù)的清洗、抽取和融合；孿生體建模主要包括運(yùn)行機(jī)理、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)及2 種方式相結(jié)合的方法。平臺(tái)層底層支撐的技術(shù)包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、讀取技術(shù)、多源數(shù)據(jù)融合與安全共享技術(shù)、信息共享交互技術(shù)等。

（4）應(yīng)用層。應(yīng)用層主要是孿生體模型在實(shí)際中的應(yīng)用，利用人工智能、最優(yōu)化等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)城軌車站能源的智慧化管控與分析。利用人工智能算法，針對(duì)城軌車站人工經(jīng)驗(yàn)無(wú)法精準(zhǔn)預(yù)測(cè)分析的問(wèn)題，開展用能行為分析、智能動(dòng)態(tài)調(diào)控、故障預(yù)測(cè)等。針對(duì)孿生體的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用層除可開展各系統(tǒng)用能分析、碳核算和評(píng)價(jià)、用能動(dòng)態(tài)調(diào)控、多系統(tǒng)用能耦合性分析外，還可以開展多種增值服務(wù)業(yè)務(wù)。

基于感知、網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)、應(yīng)用4 個(gè)層面，實(shí)現(xiàn)城軌車站能耗管控與數(shù)字孿生體之間的閉環(huán)優(yōu)化反饋?；跀?shù)字孿生的城軌智慧能源管控系統(tǒng)的核心技術(shù)包括物理世界與孿生世界的精準(zhǔn)映射技術(shù)、孿生體的精準(zhǔn)建模及仿真技術(shù)、能耗智能優(yōu)化調(diào)控技術(shù)等。其中，能耗智能優(yōu)化調(diào)控技術(shù)主要利用應(yīng)用層的人工智能算法，進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控及多智能體協(xié)同控制。最終目標(biāo)是構(gòu)建運(yùn)行機(jī)理及數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的孿生體，并使之隨時(shí)間自主進(jìn)化。

5.2 應(yīng)用案例

（1）能耗監(jiān)測(cè)及狀態(tài)評(píng)價(jià)。當(dāng)前城軌能耗管控系統(tǒng)存在信息多源、多模態(tài)、數(shù)據(jù)耦合性強(qiáng)、分析難等難點(diǎn)?；跀?shù)字孿生的城軌能源管控系統(tǒng)通過(guò)各種傳感器采集數(shù)據(jù)，構(gòu)建能源孿生體，實(shí)現(xiàn)真實(shí)物體在虛擬世界的復(fù)制，并基于多模態(tài)、多源數(shù)據(jù)共享與融合技術(shù)、遷移學(xué)習(xí)及認(rèn)知推理技術(shù)，開展能耗相關(guān)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)。城軌能耗設(shè)備的孿生體構(gòu)建提供了一種設(shè)備在全時(shí)間鏈下不同環(huán)境、條件下的運(yùn)行交互模式，能夠不斷自主進(jìn)化演變，有助于城軌能耗設(shè)備的全生命周期管理及調(diào)控，提升運(yùn)行效率，降低運(yùn)營(yíng)成本。

（2）能耗用能分析及自主調(diào)控。當(dāng)前傳統(tǒng)的建模方法很難解決城軌能耗運(yùn)行優(yōu)化的難題，數(shù)字孿生技術(shù)可實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與運(yùn)行機(jī)理相結(jié)合的模式進(jìn)行各系統(tǒng)設(shè)備的仿真，同時(shí)應(yīng)用層嵌入多智能體控制、智能優(yōu)化等人工智能算法模型，支撐城軌能源管控優(yōu)化策略及預(yù)測(cè)。同時(shí)采用虛實(shí)交互的方式，促使數(shù)據(jù)與環(huán)境交互，通過(guò)自主學(xué)習(xí)進(jìn)化，獲得最優(yōu)策略，增強(qiáng)了各系統(tǒng)設(shè)施的動(dòng)態(tài)調(diào)控。城軌能源管控系統(tǒng)通過(guò)環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)（Fire Alarm System，F(xiàn)AS）、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、動(dòng)力照明系統(tǒng)等系統(tǒng)，獲取在線數(shù)據(jù)，天氣等因素?cái)?shù)據(jù)，電能、水能數(shù)據(jù)以及各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)等。通過(guò)遷移學(xué)習(xí)、優(yōu)化算法、混合在線學(xué)習(xí)等方式提升各系統(tǒng)在不同場(chǎng)景下的能源利用效率，最終實(shí)現(xiàn)環(huán)境的主動(dòng)分析和能源的自主調(diào)控，將優(yōu)化決策實(shí)時(shí)反饋更新到實(shí)際應(yīng)用中。傳統(tǒng)的仿真模型無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)天氣等因素帶給能源管控的影響，也無(wú)法通過(guò)感知客流等情況與環(huán)境交互并構(gòu)建自主分析與調(diào)控的能源管控模型。利用數(shù)字孿生技術(shù)，可以實(shí)時(shí)感知、預(yù)測(cè)多方因素，精準(zhǔn)調(diào)控能源，實(shí)現(xiàn)高效決策能耗優(yōu)化。

（3）碳排放評(píng)價(jià)及核算。碳排放的評(píng)價(jià)及核算當(dāng)前還在初步的研究階段，但是傳統(tǒng)的方法對(duì)能耗的監(jiān)測(cè)及分析缺乏完善的體系架構(gòu)，無(wú)法精準(zhǔn)地評(píng)估當(dāng)前狀態(tài)下的能耗，并梳理清晰與相關(guān)系統(tǒng)的耦合關(guān)聯(lián)關(guān)系。而數(shù)字孿生體能夠明確各系統(tǒng)的能耗界限，給出一種高保真、在線的評(píng)價(jià)及核算體系。

（4）多元增值服務(wù)。利用數(shù)字孿生技術(shù)可以衍生出許多增值性服務(wù)，優(yōu)化能源的管控與運(yùn)行，提升乘客的出行體驗(yàn)，滿足不同用戶的多樣性需求。針對(duì)城軌大客流、高密度的特點(diǎn)，在綜合乘客乘車路徑時(shí)空特征分析、能源動(dòng)態(tài)分區(qū)、乘客候車時(shí)長(zhǎng)及行為分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合廣告牌、宣傳視頻等媒體的位置，實(shí)現(xiàn)多元化互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)車站其他增值性服務(wù)。

6 結(jié)論

我國(guó)綠色城軌的發(fā)展尚處于初級(jí)階段，城軌的智慧能源管控也仍在研究階段，亟需通過(guò)多元感知來(lái)提升能源管控的智慧化程度，以分析城軌多系統(tǒng)、多能源要素耦合及其交互的過(guò)程。利用數(shù)字孿生技術(shù)可實(shí)現(xiàn)城軌能源從物理實(shí)體到虛擬實(shí)體的精準(zhǔn)映射，通過(guò)智能分析、計(jì)算、預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)能源管控措施的優(yōu)化，并由虛擬實(shí)體反饋到物理實(shí)體，從而提升城軌能源的管控效率。