城市軌道交通數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系研究

覃文波 周誠 陳健

(1. 華中科技大學(xué) 國家數(shù)字建造技術(shù)創(chuàng)新中心，武漢 430074；2. 華中科技大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，武漢 430074)

引言

近年來，我國城市軌道交通建設(shè)與運(yùn)營規(guī)模持續(xù)增長。截至2020 年末，全國共有50 個(gè)城市開通城市軌道交通運(yùn)營線路，線網(wǎng)總規(guī)模超過9 000km，運(yùn)營車站達(dá)到5 343 座，全年累計(jì)完成客運(yùn)量236.9 億人次、進(jìn)站量146.3 億人次[1,2]。城市軌道交通工程建設(shè)周期通常長達(dá)五年以上，工程專業(yè)劃分眾多，施工環(huán)境復(fù)雜，工程建設(shè)后移交運(yùn)營管理的時(shí)間長達(dá)數(shù)十年乃至上百年，運(yùn)營過程也存在載客量大、空間相對封閉等管理難點(diǎn)。在傳統(tǒng)項(xiàng)目管控模式下，城市軌道交通工程的建設(shè)與運(yùn)營參與單位之間難以較好地實(shí)現(xiàn)工程信息的有效流轉(zhuǎn)與各方協(xié)同工作，項(xiàng)目成本、進(jìn)度、質(zhì)量、安全等管控效率迫切需要得到提升[3]。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)在城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)管理中的大規(guī)模應(yīng)用實(shí)踐，為城市軌道交通工程信息化管理變革帶來了新的契機(jī)。數(shù)字孿生技術(shù)由于其可視化、可驗(yàn)證、可診斷、可預(yù)測、可學(xué)習(xí)、可決策以及可交互等技術(shù)特點(diǎn)在提升工程管控水平方面的巨大潛力，受到廣泛的關(guān)注和重視。

1 標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建目的、現(xiàn)狀與原則

1.1 標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建目的

數(shù)字孿生是城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施智能建造與運(yùn)維的必然發(fā)展路徑，能夠促進(jìn)城市軌道交通持續(xù)健康的高質(zhì)量發(fā)展?！秶摇笆奈濉币?guī)劃綱要》明確提出，要“探索建設(shè)數(shù)字孿生城市”，為數(shù)字孿生城市建設(shè)提供國家戰(zhàn)略指引[4]，而城市軌道交通作為城市公共基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分，對優(yōu)化城市空間布局，緩解城市交通擁堵，促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。因此，構(gòu)建一個(gè)覆蓋城市軌道交通系統(tǒng)全生命周期的數(shù)字孿生技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系勢在必行。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建現(xiàn)狀

當(dāng)前，數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為支撐各個(gè)行業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)手段，數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)制定也已經(jīng)吸引了ISO、IEC、IEEE 等國際或區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)化組織的關(guān)注。我國于2019 年啟動了數(shù)字孿生相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定工作，已經(jīng)正式發(fā)布了兩項(xiàng)面向工業(yè)制造的數(shù)字孿生國標(biāo)，全國信標(biāo)委物聯(lián)網(wǎng)分委會數(shù)字孿生工作組正在推動工業(yè)領(lǐng)域數(shù)字孿生相關(guān)國標(biāo)的制定與立項(xiàng)[5]。

城市軌道交通工程不同于一般的工業(yè)產(chǎn)品，具有工程項(xiàng)目建設(shè)的一次性、整體性等特點(diǎn)，制造業(yè)數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)不能涵蓋城市軌道交通工程獨(dú)特的建設(shè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，需要制定專門的標(biāo)準(zhǔn)體系來指導(dǎo)城市軌道交通數(shù)字孿生。然而我國城市軌道交通數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)落后、標(biāo)準(zhǔn)缺失問題較為突出，存在各應(yīng)用主導(dǎo)單位的技術(shù)體系不統(tǒng)一、實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)不一致以及應(yīng)用效果缺乏評價(jià)依據(jù)等問題，導(dǎo)致技術(shù)研發(fā)不能形成合力，應(yīng)用落地缺乏有效指導(dǎo)[6]。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建原則

城市軌道交通數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系的制定除了要遵循協(xié)調(diào)性、可操作性和先進(jìn)性等一般的標(biāo)準(zhǔn)體系制定原則基礎(chǔ)上，還要引領(lǐng)城市軌道交通數(shù)字孿生技術(shù)與管控水平的發(fā)展進(jìn)步，主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）打通全生命周期各階段和主體，構(gòu)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(xié)同演進(jìn)的數(shù)字孿生體；

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

2 數(shù)字孿生技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)

本文結(jié)合陶飛等提出的數(shù)字孿生五維模型架構(gòu)[7]以及制造業(yè)數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系[8]，從城市軌道交通全生命周期應(yīng)用管控需求出發(fā)，提出了城市軌道交通數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系框架。標(biāo)準(zhǔn)體系框架具體劃分為基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、安全標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)五個(gè)部分，如圖1 所示。

圖1 城市軌道交通數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系

2.1 基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)

與大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)類似，城市軌道交通數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)包括術(shù)語定義、參考架構(gòu)和適用準(zhǔn)則三個(gè)部分。術(shù)語定義標(biāo)準(zhǔn)界定了有關(guān)概念和縮略語，雖然《城市軌道交通工程基本術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)》（GBT 50833-2012）已對城市軌道交通工程領(lǐng)域相關(guān)術(shù)語做出說明，但數(shù)字孿生技術(shù)相關(guān)術(shù)語，以及在城市軌道交通工程領(lǐng)域融合應(yīng)用而發(fā)展出的新術(shù)語仍缺少標(biāo)準(zhǔn)界定；參考架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)是為城市軌道交通數(shù)字孿生提供的標(biāo)準(zhǔn)化架構(gòu)，明確了數(shù)字孿生體系的結(jié)構(gòu)，幫助使用者構(gòu)建各種不同類型的數(shù)字孿生應(yīng)用框架；適用準(zhǔn)則規(guī)定了城市軌道交通數(shù)字孿生的適用要求，幫助決策判斷城市軌道交通數(shù)字孿生應(yīng)用的總體性能指標(biāo)、功能可用性、可靠性、可維護(hù)性和安全性等方面是否滿足于工程需要。

2.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生的驅(qū)動力，城市軌道交通孿生數(shù)據(jù)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(shí)體的監(jiān)測數(shù)據(jù)，虛擬實(shí)體的仿真分析數(shù)據(jù)以及應(yīng)用數(shù)字孿生服務(wù)產(chǎn)生的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等。我國國家標(biāo)準(zhǔn)體系中已經(jīng)針對城市軌道交通數(shù)據(jù)制定了部分標(biāo)準(zhǔn)，如《城市軌道交通設(shè)施設(shè)備分類與代碼》（GB/T 37486-2019）規(guī)定了數(shù)據(jù)的分類標(biāo)準(zhǔn)，《軌道交通地理信息數(shù)據(jù)規(guī)范》（GB/T 37120-2018）對軌道交通地理信息的分類與編碼規(guī)則、數(shù)據(jù)描述、生產(chǎn)更新、組織管理、交換與互操作以及數(shù)據(jù)質(zhì)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(shù)據(jù)還涉及到結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)、維護(hù)管理數(shù)據(jù)等多方面孿生數(shù)據(jù)的表示、分類、預(yù)處理、存儲及使用等問題，需要建立統(tǒng)一的孿生數(shù)據(jù)體系，提升數(shù)據(jù)的通用性及互操作性。

2.3 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

城市軌道交通數(shù)字孿生技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)包括物理實(shí)體標(biāo)準(zhǔn)、虛擬實(shí)體標(biāo)準(zhǔn)、連接與集成標(biāo)準(zhǔn)、平臺與服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)四部分，如圖2 所示。物理實(shí)體包括城市軌道交通建設(shè)和運(yùn)營活動的全要素感知對象，包括人員、設(shè)備、材料、機(jī)械和環(huán)境等；虛擬實(shí)體是對物理實(shí)體的全部映射，包括幾何、物理、規(guī)則和行為模型等，通過動態(tài)映射物理實(shí)體，實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)活動全過程；連接與集成是各個(gè)模塊之間交互的橋梁，保證了物理實(shí)體、孿生模型、應(yīng)用服務(wù)之間的互聯(lián)互通；平臺與服務(wù)通過數(shù)據(jù)融合分析、同步仿真計(jì)算和統(tǒng)一的孿生業(yè)務(wù)平臺可視化呈現(xiàn)城市軌道交通工程全要素、全過程業(yè)務(wù)管理。

圖2 城市軌道交通數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)所構(gòu)建的技術(shù)體系能夠?qū)崿F(xiàn)城市軌道交通工程涉及到的物理實(shí)體到虛擬實(shí)體模型的多尺度映射，對采集和挖掘的孿生數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析，將全生命周期過程中產(chǎn)生的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至虛擬空間對應(yīng)的虛擬實(shí)體，全方位監(jiān)控城市軌道交通工程生產(chǎn)要素，實(shí)現(xiàn)對物理空間的實(shí)時(shí)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(biāo)準(zhǔn)

安全標(biāo)準(zhǔn)包括物理系統(tǒng)安全要求、功能安全要求、信息安全要求三個(gè)部分，用于規(guī)范數(shù)字孿生體系中的人員作業(yè)安全、設(shè)備使用安全以及信息管理安全等技術(shù)要求。物理系統(tǒng)安全要求，如《城市軌道交通工程安全控制技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50839-2013）主要對建設(shè)過程的物理實(shí)體施工安全控制作出要求，《城市軌道交通安全防范系統(tǒng)技術(shù)要求》（GB/T 26718-2011）對物理實(shí)體在運(yùn)營階段的安全防護(hù)措施作出了要求；功能安全要求主要從數(shù)字孿生系統(tǒng)層面分析系統(tǒng)功能使用過程中的風(fēng)險(xiǎn)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(guī)范及示例》（GB/T 21562-2008）為城市軌道交通數(shù)字孿生的功能安全要求制定提供了指導(dǎo)；信息安全要求主要用于規(guī)范網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、數(shù)據(jù)防護(hù)等數(shù)字孿生系統(tǒng)信息安全措施，如《城市軌道交通安全防范通信協(xié)議與接口》（GB/T 38311-2019）的相應(yīng)要求。

2.5 應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)

應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的使用規(guī)范，城市軌道交通工程全生命周期數(shù)字孿生過程涉及到設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營等多方面的參與單位，考慮數(shù)字孿生在不同階段場景上應(yīng)用的技術(shù)差異性，需要結(jié)合各階段應(yīng)用需要與特點(diǎn)對數(shù)字孿生應(yīng)用的落地進(jìn)行規(guī)范。如針對應(yīng)用對象需求的適用性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)字孿生體系搭建過程中指導(dǎo)技術(shù)選型、實(shí)施過程和驗(yàn)收測試的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，以及落地后的管理與應(yīng)用效果評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等。由于應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的缺少，數(shù)字孿生技術(shù)在城市軌道交通工程中的推廣應(yīng)用難以順利實(shí)施，面對多場景的廣泛應(yīng)用需求，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)能夠推動降低數(shù)字孿生技術(shù)在相應(yīng)場景的應(yīng)用門檻。

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

3 數(shù)字孿生技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容分析

數(shù)字孿生技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是城市軌道交通數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系的核心，也是體現(xiàn)城市軌道交通數(shù)字孿生區(qū)別于其他領(lǐng)域數(shù)字孿生的重要部分。城市軌道交通工程的建設(shè)過程不同于工業(yè)生產(chǎn)，從啟動到完成不能重復(fù)，更不可能推倒重來，同時(shí)還面臨著從建設(shè)到運(yùn)營期的巨大安全風(fēng)險(xiǎn)，必須建立完善的技術(shù)體系，時(shí)刻把控工程各生產(chǎn)要素信息并進(jìn)行反饋控制。因此，本文將重點(diǎn)分析城市軌道交通數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系中的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容。

3.1 物理實(shí)體標(biāo)準(zhǔn)

城市軌道交通物理實(shí)體是數(shù)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(chǔ)設(shè)施本身以及參與全生命周期數(shù)字孿生過程中的人員、設(shè)備和環(huán)境，以及感知其空間位置、性能參數(shù)等信息的傳感設(shè)備。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，許多物理實(shí)體及生產(chǎn)活動過程都可以自動實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括識別危險(xiǎn)情況、監(jiān)控工人行為以及監(jiān)控靜態(tài)和動態(tài)建筑環(huán)境等。如表1所示，現(xiàn)有城市軌道交通實(shí)體感知標(biāo)準(zhǔn)中，《城市軌道交通設(shè)施運(yùn)營監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（GB/T 39559-2020）已經(jīng)對橋梁、隧道、軌道和路基等永久結(jié)構(gòu)實(shí)體的感知參數(shù)類型、頻次和閾值等作出了規(guī)定，基坑支護(hù)等臨時(shí)結(jié)構(gòu)感知目前主要參考《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50497-2019）等通用工程標(biāo)準(zhǔn)?？傮w而言，城市軌道交通結(jié)構(gòu)實(shí)體的現(xiàn)有規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)較為全面。

表1 現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)與相關(guān)研究中的部分物理實(shí)體感知參數(shù)

在城市軌道交通人員實(shí)體方面，住建部在《建筑工人實(shí)名制管理辦法（試行）》(建市〔2019〕18 號)中對施工現(xiàn)場員的基本信息采集和更新作出了規(guī)定，并要求設(shè)立進(jìn)出場門禁系統(tǒng)，應(yīng)采用移動定位、電子圍欄等技術(shù)實(shí)施考勤管理，人員實(shí)時(shí)位置感知還被用于監(jiān)測違規(guī)進(jìn)入吊裝作業(yè)等未授權(quán)作業(yè)區(qū)域。隨著計(jì)算機(jī)視覺、深度學(xué)習(xí)和生理計(jì)算等技術(shù)的發(fā)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(jiān)測工人在惡劣條件下生理需求的生物傳感技術(shù)已被開發(fā)出來，并成功應(yīng)用在軌道交通工程中。可以看出，現(xiàn)有人員實(shí)體感知技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展已經(jīng)遠(yuǎn)超過了標(biāo)準(zhǔn)制定的速度，目前人員實(shí)體感知標(biāo)準(zhǔn)制定還處于空白的狀態(tài)，應(yīng)當(dāng)制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范人員實(shí)體的感知范圍，還特別應(yīng)注意在制定獲取人員感知參數(shù)范圍時(shí)涉及的隱私問題，避免過度監(jiān)控人員的生理狀態(tài)和行為。

在城市軌道交通裝備實(shí)體方面，盾構(gòu)機(jī)以其自動化程度高、速度快、安全經(jīng)濟(jì)、占地面積小和對環(huán)境影響程度低等優(yōu)勢，成為了城市軌道交通施工中最常用的掘進(jìn)工具?，F(xiàn)有盾構(gòu)機(jī)相關(guān)國標(biāo)，如《全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)泥水平衡盾構(gòu)機(jī)》（GB/T 35019-2018），僅規(guī)定了數(shù)據(jù)的記錄、查詢和報(bào)表生成等基礎(chǔ)要求，對盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)感知監(jiān)控能夠快速診斷和檢測盾構(gòu)機(jī)故障，保證地鐵隧道施工的正常進(jìn)行。但盾構(gòu)機(jī)廠家眾多，所采用的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)各不相同，建立統(tǒng)一的盾構(gòu)機(jī)實(shí)體感知標(biāo)準(zhǔn)有利于保障城市軌道交通項(xiàng)目中的盾構(gòu)機(jī)實(shí)體接入效率。除了盾構(gòu)機(jī)，門式起重機(jī)、汽車起重機(jī)等起重機(jī)械也是城市軌道交通施工中常用的機(jī)械設(shè)備，按照《起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》（GB/T 28264-2017）的相關(guān)要求，大型起重機(jī)械基本都實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)接入，但監(jiān)控參數(shù)較為有限，狀態(tài)判斷簡單。因此，裝備實(shí)體標(biāo)準(zhǔn)需要在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上著重補(bǔ)充裝備的數(shù)據(jù)接口方面的要求，保證裝備實(shí)體數(shù)據(jù)能夠以規(guī)范的形式上傳并滿足于數(shù)字孿生分析診斷需求。

在城市軌道交通環(huán)境實(shí)體方面，除了常規(guī)的溫度、濕度、風(fēng)速、噪聲及污染物等空氣指標(biāo)外，地質(zhì)環(huán)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(guān)鍵。特別是在基坑施工過程中，地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)增高，并且對周邊建筑物安全構(gòu)成影響，需要實(shí)時(shí)有效的環(huán)境感知參數(shù)輔助施工安全控制?，F(xiàn)有國家標(biāo)準(zhǔn)，如《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（GB50911-2013）對于環(huán)境實(shí)體方面作出了相應(yīng)的規(guī)定。

3.2 虛擬實(shí)體標(biāo)準(zhǔn)

城市軌道交通設(shè)施虛擬實(shí)體是對物理實(shí)體的全部映射，包括可視化顯示物理實(shí)體構(gòu)件尺寸信息的幾何模型，反應(yīng)結(jié)構(gòu)在應(yīng)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(jī)械等具備能動性實(shí)體的行為和規(guī)則模型，如圖3 所示。由于其虛擬實(shí)體模型的建模深度、技術(shù)細(xì)節(jié)、實(shí)現(xiàn)方法、實(shí)施步驟及標(biāo)準(zhǔn)成果等缺乏標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)，導(dǎo)致建筑項(xiàng)目各參與方均單獨(dú)創(chuàng)建業(yè)務(wù)活動所需的模型，繼而產(chǎn)生模型不一致、不兼容等情況，導(dǎo)致模型難以集成、利用效率低等問題。

圖3 虛擬實(shí)體類型

幾何模型對物理實(shí)體的形狀、尺寸、位置等基礎(chǔ)幾何信息以及裝配關(guān)系進(jìn)行了描述，包括BIM 模型、GIS 模型、點(diǎn)云模型等。我國早在2012 年就啟動了BIM 標(biāo)準(zhǔn)的編制工作，并已發(fā)布了《建筑信息模型設(shè)計(jì)交付標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51301-2018）等BIM 國標(biāo)，但這些BIM 標(biāo)準(zhǔn)所涵蓋的領(lǐng)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(yè)。中國鐵路總公司在2013 年提出了中國鐵路BIM 標(biāo)準(zhǔn)的體系框架[9]，并牽頭組建了中國鐵路BIM 聯(lián)盟，制定了15 項(xiàng)鐵路BIM 標(biāo)準(zhǔn)，基本解決了鐵路工程信息模型構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)為城市軌道交通虛擬實(shí)體標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)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(yīng)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(fēng)險(xiǎn)，例如臨近地鐵區(qū)間隧道基坑開挖施工，穿越既有隧道、樁基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)盾構(gòu)施工等，在施工前做出高精度的仿真分析是有效的技術(shù)手段。但考慮到經(jīng)濟(jì)性和時(shí)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(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)有限元建模依據(jù)、建模方法及有限元模型檢查等內(nèi)容。

行為和規(guī)則模型是物理實(shí)體隨時(shí)間推進(jìn)的行為演化、運(yùn)行規(guī)則的模型表達(dá)，例如人員疏散模型、結(jié)構(gòu)失效模型、列車運(yùn)行圖和檢修計(jì)劃等。對于城市軌道交通工程，行為和規(guī)則模型的建模技術(shù)大多處于研究中，距離實(shí)際工程應(yīng)用還有一定的距離，與技術(shù)上已成熟應(yīng)用的有限元模型等物理模型相比，行為和規(guī)則模型形成標(biāo)準(zhǔn)為時(shí)尚早，但在標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建在也是不可忽視的一部分。

3.3 平臺與服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)

平臺與服務(wù)提供城市軌道交通數(shù)字孿生所需的基礎(chǔ)共性能力支撐，服務(wù)是數(shù)字孿生功能高效行使的媒介，而平臺是數(shù)字孿生服務(wù)最終向用戶呈現(xiàn)的形態(tài)。城市軌道交通數(shù)字孿生服務(wù)應(yīng)當(dāng)以全生命周期的服務(wù)模式提供給用戶，才能夠充分發(fā)揮數(shù)字孿生的優(yōu)勢，提升工程數(shù)字化價(jià)值。但在現(xiàn)實(shí)中，由于跨階段的城市軌道交通項(xiàng)目各參與方會各自主導(dǎo)本階段的數(shù)字孿生平臺建設(shè)，提供本階段特定的數(shù)字孿生服務(wù)，這導(dǎo)致了平臺與服務(wù)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(wù)標(biāo)準(zhǔn)制定中引導(dǎo)打通現(xiàn)有的各階段數(shù)字孿生平臺以及服務(wù)之間的業(yè)務(wù)接口。

在設(shè)計(jì)階段，城市軌道交通數(shù)字孿生主要用于基于受力性能分析的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、基于客流的車站建筑布置優(yōu)化設(shè)計(jì)、導(dǎo)向標(biāo)志優(yōu)化設(shè)計(jì)等服務(wù)。數(shù)字孿生服務(wù)主要用于設(shè)計(jì)單位自身的設(shè)計(jì)工作中，最終以設(shè)計(jì)成果的形式交付給客戶，建立數(shù)字孿生設(shè)計(jì)優(yōu)化服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)有利于設(shè)計(jì)單位提供規(guī)范化的設(shè)計(jì)優(yōu)化服務(wù)，促進(jìn)數(shù)字孿生技術(shù)在設(shè)計(jì)服務(wù)中推廣。

在施工階段，數(shù)字孿生服務(wù)主要以智慧工地為載體。住建部等部門在《關(guān)于推動智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見》（建市〔2020〕60 號）中明確提出要大力推進(jìn)智慧工地的研發(fā)與應(yīng)用，各地方和社會團(tuán)體也在積極制定智慧工地相關(guān)建設(shè)指南、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等指導(dǎo)文件，引導(dǎo)和促進(jìn)智慧工地建設(shè)。智慧工地的推廣為施工數(shù)字孿生打下了基礎(chǔ)，但在實(shí)踐中，智慧工地的具體應(yīng)用平臺與服務(wù)功能還需對不同建設(shè)管理內(nèi)容所需要的軟硬件設(shè)施提出要求[10]，進(jìn)一步完善智慧工地的建設(shè)與應(yīng)用規(guī)范。

在運(yùn)維階段，數(shù)字孿生主要用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、服役性能評估等服務(wù)。現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T 202-2013）已就檢查、監(jiān)測、評價(jià)和維修做出了較為詳細(xì)的規(guī)定，但在檢測技術(shù)朝著智能化方向發(fā)展的背景下，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范還需要進(jìn)一步修訂，以適應(yīng)基于計(jì)算機(jī)視覺的滲漏水、裂縫檢測等新技術(shù)支持下的運(yùn)維平臺與服務(wù)要求。

3.4 連接與集成標(biāo)準(zhǔn)

連接與集成標(biāo)準(zhǔn)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、孿生數(shù)據(jù)以及服務(wù)之間的數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)的核心是將各類數(shù)字孿生信息要素精準(zhǔn)的匹配與表達(dá)，從而實(shí)現(xiàn)從物理實(shí)體到虛擬實(shí)體的全要素、多層次、多維度連接。物理實(shí)體的數(shù)據(jù)可以通過傳感器、接口協(xié)議等獲取，虛擬實(shí)體的映射可以通過數(shù)據(jù)可視化等手段實(shí)現(xiàn)，平臺與服務(wù)通過孿生數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)寫入與讀取來實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、孿生數(shù)據(jù)和服務(wù)之間的互聯(lián)互通。

傳輸標(biāo)準(zhǔn)在城市軌道交通數(shù)字孿生中是一個(gè)亟待破解的問題。城市軌道交通建設(shè)環(huán)境復(fù)雜，干擾源多，且場地布置隨著施工的進(jìn)展一直在發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)可靠傳輸首先需要保持長期惡劣的地下環(huán)境中網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定連接。

為了解決組網(wǎng)傳輸問題，許多研究嘗試了藍(lán)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(guī)范化的城市軌道交通工程組網(wǎng)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致現(xiàn)有城市軌道交通工程的傳輸實(shí)時(shí)性和可靠性得不到保障。

交互與集成標(biāo)準(zhǔn)的缺失會導(dǎo)致城市軌道交通數(shù)字孿生體各部分之間的輸入輸出不兼容、交互機(jī)制難以匹配、虛擬運(yùn)行難以協(xié)同等問題[8]。數(shù)字孿生服務(wù)需要調(diào)用的資源往往是多個(gè)模塊協(xié)同提供的，例如盾構(gòu)機(jī)吊裝作業(yè)中需要物理實(shí)體感知、虛擬實(shí)體實(shí)時(shí)仿真計(jì)算和起重機(jī)構(gòu)執(zhí)行反饋調(diào)節(jié)等多個(gè)環(huán)節(jié)的配合，因此各部分之間的交互與集成對于數(shù)字孿生服務(wù)的成功實(shí)施至關(guān)重要。

4 結(jié)語

本文首先分析了城市軌道交通數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建目的，結(jié)合當(dāng)前數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)制定現(xiàn)狀，提出了體系構(gòu)建的重點(diǎn)原則?；诠I(yè)領(lǐng)域的數(shù)字孿生五維模型架構(gòu)和數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系，提出了適應(yīng)于城市軌道交通工程領(lǐng)域的數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系，具體包括基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、安全標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)五個(gè)部分。最后著重就城市軌道交通數(shù)字孿生技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、平臺與服務(wù)、連接與集成這四部分技術(shù)的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施情況和構(gòu)建思路進(jìn)行了分析，以期在未來的城市軌道交通數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建過程中起到引導(dǎo)作用。