數字孿生技術在城市軌道交通智慧運維中的應用

摘" 要：該文探討數字孿生技術在城市軌道交通智慧運維中的關鍵應用。通過構建高精度的仿真模型，數字孿生技術在列車運行模擬、設備故障預測與維護、能源管理與優(yōu)化策略、乘客安全與舒適提升及列車性能預測與優(yōu)化等方面展現其卓越效能。該文旨在為城市軌道交通運維領域的實踐和研究提供有益的參考和借鑒。

關鍵詞：數字孿生技術;城市軌道交通;智慧運維;運行模擬;列車運行模擬

中圖分類號：U213.2" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）26-0189-04

Abstract： This paper discusses the key application of digital twin technology in the intelligent operation and maintenance of urban rail transit. Through the construction of high-precision simulation model， the digital twin technology has demonstrated its excellent efficiency in train operation simulation， equipment failure prediction and maintenance， energy management and optimization strategy， passenger safety and comfort improvement， and train performance prediction and optimization. This paper aims to provide useful reference for the practice and research in the field of urban rail transit operation and maintenance.

Keywords： digital twin technology; urban rail transit; intelligent operation and maintenance; operation simulation; train operation simulation

隨著城市軌道交通系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)運維方式已無法滿足不斷增長的運營需求。在這一背景下，數字孿生技術作為一項嶄新的數字工具，以其獨特的特點和運行流程引起了廣泛關注。數字孿生技術通過高精度仿真、實時數據分析和預測性分析等手段，為城市軌道交通的智慧運維開辟了新的途徑。本文將深入研究數字孿生技術在城市軌道交通中的關鍵應用，通過對數字孿生技術在智慧運維領域的前景進行討論，為城市軌道交通的未來發(fā)展提供深刻見解與啟發(fā)[1]。

1" 數字孿生技術的特點及運行流程

1.1" 數字孿生技術特點

數字孿生技術是一種基于物理模型、傳感器更新、歷史和實時數據的集成，將物理世界與虛擬世界緊密連接的技術。它通過在虛擬環(huán)境中構建一個與真實世界物體、系統(tǒng)或流程相對應的數字化模型，實現對物理實體的實時監(jiān)測、模擬、預測和優(yōu)化[2]。這種技術允許操作人員在虛擬環(huán)境中模擬和測試各種場景，從而在不影響實際運營的情況下，對系統(tǒng)進行優(yōu)化和改進。

1.1.1" 高精度仿真

高精度仿真是數字孿生技術的核心特點之一，傳統(tǒng)的物理模型很難完全模擬實際生活中的復雜性和多變性，而數字孿生技術通過高精度的算法，能夠在虛擬的環(huán)境中構建出與實際生活相同的數字化模型。這種仿真不僅包括了物理實體結構、外觀、性能，還能準確模擬出不同環(huán)境下的操作對物理實體的影響[3]。因此，借助數字孿生技術可以構建高精度的仿真模型，準確反映物理實體的真實狀態(tài)，為管理者的決策提供可靠的理論支撐。

1.1.2" 實時數據分析

數字孿生技術通過與物理實體上的傳感器進行連接，能夠實時獲取溫度、濕度、壓力等的運行數據，這些數據信息不僅能夠為模型提供實時輸入，還能對模型進行調整，這種實時數據更新能夠保證數字孿生技術與實際生活同步，確保模型的準確性和可靠性?；跀底謱\生架構模型，虛擬空間與物理空間之間的虛實信息交互與數據同步映射， 通過對獲取建設項目所產生的大量物理建造數據和孿生模型中虛擬建造數據進行匯聚、 融合，如圖1所示，構建實體世界與數字世界之間的連通閉環(huán)，用于驅動生產建造數據可視化展示、業(yè)務集成化管理、仿真優(yōu)化，為用戶提供實時與優(yōu)化決策服務[4]。

1.1.3" 預測性分析

數字孿生技術通過手機大量的歷史和實時數據，運用先進的算法對這些數據信息進行深度分析，以預測未來發(fā)展趨勢和可能出現的問題，這種預測性分析能夠幫助運維人員提前發(fā)現潛在的安全隱患，進而制定行之有效的維護策略。因此，數字孿生技術的預測性分析功能對于提升城市軌道交通智慧運維的效率和安全性具有重要的意義[5]。

1.2" 數字孿生技術的運行流程

數字孿生技術的運行流程為數據采集、數據傳輸、數據處理、模型構建、模擬預測和決策優(yōu)化。其中，數據采集是數字孿生技術的第一步，主要通過設置在物理實體上的傳感器來搜集各類數據信息，這些數據信息可能包括結構數據、運行數據以及環(huán)境數據等，它們可以真實反映當前物理實體的實際狀態(tài)。數據傳輸是將傳感器搜集而來的數據傳輸到數據中心進行處理和分析，數據傳輸可以保證數據的真實性和準確性，保證數字孿生模型能夠始終根據最新的數據進行模擬。數據處理可以在數據中心將接受到的數據進行處理，比如清洗、存儲、挖掘等，數據處理的目的是從中提取有價值的信息，為后續(xù)模型的構建提供重要支持。模型構建根據經過處理后的數據，可以構建數字孿生模型，該模型是物理實體的真實表示，具有極高的準確性，模型可以根據化學、物理學及工程學等知識進行構建，并通過利用機器人學習算法完成對模型的優(yōu)化。將構建好的數字孿生模型在虛擬的環(huán)境中進行模擬預測，通過模擬不同場景下的物體實體性能，制定最優(yōu)操作策略。根據模擬預測結果，制定相應的優(yōu)化方案，比如設備維護策略、操作流程優(yōu)化、系統(tǒng)性能提升等，以此提高物理實體的效率。

2" 數字孿生技術在城市軌道交通智慧運維中的應用方法

2.1" 列車運行模擬優(yōu)化

數字孿生技術在列車運行模擬優(yōu)化中發(fā)揮著至關重要的作用，數字孿生技術通過構建高精度的列車運行仿真模型，可以模擬列車在不同運行條件下的狀況，從而優(yōu)化列車運行策略。通過模擬優(yōu)化，可以制定出最優(yōu)列車運行方案，提升列車運行效率，減少能源的消耗與排放，保證列車運行安全。在實際的運行過程中，數字孿生技術需要根據實時數據，對列車的運行狀態(tài)進行實時的監(jiān)測與跟蹤。一旦發(fā)現列車出現故障，系統(tǒng)可以迅速發(fā)起響應，找到故障位置，分析故障發(fā)生的原因，幫助運維人員快速分析和排除故障，恢復列車正常運行。這種實時監(jiān)測能力有效提高了列車運行效率，為城市軌道交通的安全、穩(wěn)定運行提供重要保障。

2.2" 設備故障預測維護

隨著科技的不斷進步，數字孿生技術已逐漸成為現代運維領域的一大利器。其憑借對歷史與實時數據的精準收集與分析，不僅能夠有效預測設備故障的趨勢與位置，而且能夠幫助運維人員提前制定出周全的運維計劃。這樣的預防性維護策略，不僅顯著降低了設備發(fā)生故障的風險，還極大地減少了維護成本。同時，數字孿生技術對于設備使用壽命的延長與性能的提升也起到了積極的推動作用。通過對設備狀態(tài)的實時監(jiān)控與優(yōu)化，運維人員能夠及時發(fā)現并解決潛在問題，從而延長了設備的使用壽命，提升了設備性能。在具體的應用過程中，數字孿生技術的實施可以借助于先進的機器學習技術與人工智能技術。通過這些前沿技術的應用，運維人員能夠深入了解設備的運行狀態(tài)，對其進行科學而精細的優(yōu)化，從而提升其工作效率，為企業(yè)創(chuàng)造更多的經濟效益。

2.3" 能源管理與優(yōu)化策略

在城市軌道交通領域，數字孿生技術通過實時監(jiān)測列車在運行過程中產生的能源消耗情況，為運維人員提供了準確的數據支持。這些數據不僅可以幫助運維人員準確評估能源的使用時長，還可以為其提出針對性的節(jié)能措施提供有力依據。

在列車運行策略方面，數字孿生技術可以實時監(jiān)測列車的運行狀態(tài)，包括速度、加速度、制動力等關鍵指標。通過分析這些數據，運維人員可以根據實際運營需求，對列車的運行策略進行優(yōu)化。例如，在高峰時段增加列車運行頻率，減少等待時間，提高運輸效率;在低峰時段則可以適當降低列車運行速度，減少能源消耗。此外，在列車照明和空調系統(tǒng)使用方面，數字孿生技術也可以發(fā)揮重要作用。通過對列車內部環(huán)境的實時監(jiān)測，數字孿生技術可以根據乘客數量、室內外溫差等因素，自動調節(jié)照明和空調系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

除了對列車本身的運行策略和設備使用進行優(yōu)化外，數字孿生技術還可以結合可再生能源，實現對能源的智能化管理。在城市軌道交通系統(tǒng)中，可以利用太陽能、風能等可再生能源為列車提供輔助能源。通過數字孿生技術的實時監(jiān)測和分析，可以實現對這些可再生能源的智能化調度和管理，進一步提高能源的使用效率。

2.4" 乘客安全與舒適提升

在如今高度發(fā)展的城市軌道交通系統(tǒng)中，確保乘客的安全和提供舒適的乘車體驗是至關重要的。為了實現這一目標，現代科技不斷推陳出新，其中數字孿生技術以其獨特的優(yōu)勢，正逐漸成為提升乘客安全與舒適度的重要工具。簡而言之，數字孿生技術是通過構建物理系統(tǒng)的虛擬模型，實現對實際運行狀態(tài)的實時監(jiān)測與預測。在城市軌道交通領域，這一技術的應用具有廣泛的潛力。它能夠通過安裝在車廂內外的各類傳感器，實時收集乘客的乘車行為數據，包括站位、坐姿、移動軌跡等，從而精準地分析乘客的安全風險和不舒適的原因。

在列車運行過程中，數字孿生技術能夠實時監(jiān)測乘客的站位和坐姿，結合車廂內的擁擠程度，評估乘客的舒適性。當系統(tǒng)檢測到乘客出現不適，如站立不穩(wěn)、長時間保持同一姿勢等，或是存在安全隱患，如乘客靠近車門、緊急制動等情況時，系統(tǒng)會立即發(fā)出預警，提醒運維人員及時采取措施。此外，數字孿生技術還能夠為運維人員提供優(yōu)化列車運行策略的依據。通過分析乘客的乘車行為和車廂的擁擠程度，系統(tǒng)可以預測未來的客流變化，從而幫助運營方調整列車運行速度、增加或減少班次，以更好地滿足乘客的需求，提高乘客的安全和舒適度。

2.5" 列車性能預測與優(yōu)化

數字孿生技術通過搜集列車的運行數據、故障維護記錄、運行環(huán)境參數等，構建出一個全面、系統(tǒng)的列車性能數據庫。在此過程中，利用先進的算法和模型，為列車的運行狀態(tài)、磨損程度、能源消耗進行科學合理的預測。這種預測不僅能夠提供列車在未來一段時間內的運行狀態(tài)和使用性能趨勢，還能夠及時發(fā)現列車潛在的安全隱患，為運維人員提供正確的決策支持。根據列車性能預測的結果，數字孿生技術可以更進一步生成行之有效的優(yōu)化建議，比如維護策略優(yōu)化、運行策略調整、環(huán)境適應性優(yōu)化等。這種持續(xù)性的優(yōu)化策略不僅能夠提升列車性能預測的精準性，還能使制定的優(yōu)化策略更加符合城市軌道交通運行的實際情況。

總的來說，數字孿生技術在城市軌道交通智慧運維中的應用具有廣泛而深遠的意義。通過列車運行模擬優(yōu)化、設備故障預測維護、能源管理與優(yōu)化策略以及乘客安全與舒適提升、列車性能預測與優(yōu)化等方面的應用，數字孿生技術為城市軌道交通的安全、高效和舒適運營提供了有力保障。隨著技術的日新月異，數字孿生技術將在未來城市軌道交通智慧運維中發(fā)揮更加重要的作用，為乘客提供更加優(yōu)質和便捷的出行服務。

3" 數字孿生技術面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢

3.1" 數據獲取及處理難度

數據孿生技術在城市軌道交通智慧運維中的應用，需要依賴大量的數據信息來構建列車運行模型。在具體的應用過程中，如何獲取準確的數據、完整的數據信息是一項巨大的挑戰(zhàn)。首先，傳感器設置的不合理是導致數據不準確的主要原因之一。傳感器作為數據采集的源頭，其位置、類型和精度的選擇至關重要。如果傳感器設置不當，不僅可能導致數據缺失，還可能引入誤差，嚴重影響模型的準確性。其次，數據信息傳輸的不穩(wěn)定性也是影響數據質量的重要因素。在城市軌道交通系統(tǒng)中，列車運行速度快、運行環(huán)境復雜，這些因素都可能對數據傳輸造成干擾。如果數據傳輸不穩(wěn)定，就可能導致數據丟失或延遲，從而影響模型的實時性和準確性。此外，數據格式的不統(tǒng)一也是影響數據整合和利用的難題。在城市軌道交通系統(tǒng)中，各種設備和系統(tǒng)可能采用不同的數據格式和標準，這給數據整合帶來了很大的困難。

3.2" 數據安全及乘客隱私保護

在數據孿生技術的應用過程中，大量的數據需要在不同系統(tǒng)、不同部門之間進行交換和共享。這一過程不僅涉及技術層面的挑戰(zhàn)，還涉及數據的安全性和乘客的隱私問題。如果數據保護措施不到位，就可能引發(fā)數據泄露、篡改等安全隱患，給交通運營帶來極大的風險。同時，乘客的個人信息也可能在這一過程中被泄露，嚴重侵犯乘客的隱私權。因此，如何保證數據的安全性、可靠性和乘客的隱私性是一個重要的挑戰(zhàn)，需要采取科學合理的安全措施來保護數據的安全，避免數據出現被篡改、泄露等問題。

3.3" 模型的構建與驗證

數據孿生技術在城市軌道交通智慧運維中的應用，其核心在于構建一個與列車運行高度相似的虛擬模型，這一模型能夠準確反映列車的運行狀態(tài)、性能表現和設備的磨損情況。由于系統(tǒng)的復雜性使得這一任務目標的實現變得異常艱巨，主要體現在以下幾個方面。

3.3.1" 系統(tǒng)的復雜性

在實際的應用過程中，系統(tǒng)涉及多個組件、子系統(tǒng)，這些組件和子系統(tǒng)之間的關系尤為復雜，在構建數字孿生模型時，需要綜合考慮這些因素，準確地描述二者之間的相互作用和可能帶來的影響，這就要求建模人員具備雄厚的專業(yè)知識和技術能力。

3.3.2" 數據的準確性

數字孿生模型的構建需要以大量的數據為支撐，諸如結構數據、環(huán)境數據及列車運行數據等。在具體的應用過程中，如何獲得準確和完整的數據是一項艱巨的任務。數據的不準確或者失真會影響數據的準確性。3.4" 未來發(fā)展趨勢

數字孿生技術是一種通過構建虛擬模型進行模擬和預測列車在實際運行狀態(tài)下的新興技術，其在城市軌道交通智慧運維中的應用，將會對城市軌道交通帶來深遠的變革。對數字孿生技術在城市軌道交通中未來發(fā)展趨勢的一些預測如下。

3.4.1" 智能化運維管理

隨著數字孿生技術的不斷發(fā)展，城市軌道交通智慧運維必將會逐漸向著智能化的方向邁進。運維人員通過構建虛擬的城市軌道交通模型，可以實時監(jiān)測軌道交通的運行狀態(tài)，及時發(fā)現潛在的安全隱患，進而實現對軌道交通更加高效和精準的管理。

3.4.2" 優(yōu)化運維策略

數字孿生技術可以通過模擬軌道交通實際的運行狀況，為軌道交通提供更加科學合理的運營策略及建議。比如，通過對城市軌道交通歷史數據和實時數據的搜集、分析和整理，可以幫助運維人員準確預測城市軌道交通實際的運維狀態(tài)，可以為乘客提供更加舒適和便捷的乘車體驗，從而優(yōu)化列車的運行間隔和路線規(guī)劃，提高運營效率和服務質量。

4" 結束語

綜上所述，數字孿生技術在城市軌道交通智慧運維中的應用，展現出了巨大的作用和功能。通過構建虛擬的城市軌道交通模型，數字孿生技術可以實時監(jiān)測軌道交通系統(tǒng)的運行狀態(tài)，進而為運維人員提供科學、合理的決策支持。展望未來，隨著科學技術的日新月異，數字孿生技術在城市軌道交通智慧運維中的應用將會更加廣泛和深入。數字孿生技術將與其他先進技術如物聯網、云計算、大數據等進一步融合，共同推動城市軌道交通智慧運維的發(fā)展?？傊瑪底謱\生技術在城市軌道交通智慧運維中的應用前景廣闊。它將為城市軌道交通的運維管理帶來革命性的變革，推動城市軌道交通向更加智能化、高效化、安全化的方向發(fā)展。

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作者簡介：鄭美（1975-），女，碩士，工程師。研究方向為智慧交通。