胡兆冰，楊 林

(中國鐵道科學研究院集團有限公司 通信信號研究所，北京 100081)

1 概述

高速鐵路地震預警系統(tǒng)研發(fā)始于2012 年，致力于高速鐵路的地震災害防護。高速鐵路地震預警系統(tǒng)由中心系統(tǒng)、地面設備和車載設備組成[1]，通過自建地震監(jiān)測臺站從國家地震臺網(wǎng)獲取地震警報信息，再通過車載地震緊急處置裝置、列控系統(tǒng)和牽引供電系統(tǒng)的相關動作完成地震緊急處置命令的下達。高速鐵路地震預警系統(tǒng)具備完整的信息監(jiān)測、采集、傳輸、處理和決策的處理流程。高速鐵路地震預警系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 高速鐵路地震預警系統(tǒng)架構Fig.1 Architecture of earthquake early-warning system for high speed railway

近年來，高速鐵路地震預警系統(tǒng)工程化推廣迅速，目前已在5個鐵路局集團公司和30多條線路建設運行。隨著工程化的大規(guī)模推動，現(xiàn)場項目實施和運營維護所需人力物力增加，產(chǎn)生并積累了大量現(xiàn)場運營數(shù)據(jù)。如何實現(xiàn)系統(tǒng)故障的快速響應和智能化運營以減少人員水平差異造成的影響變成了亟待解決的問題。

我國“十四五”國家信息化規(guī)劃為中國高速鐵路指明了數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化的發(fā)展方向[2]。近年來，以數(shù)字孿生為代表的數(shù)字化技術成為主流[3-4]，并在鐵路相關行業(yè)廣泛應用。臧釗[5]通過提出鐵路建、管并用思想，研究采用“數(shù)字孿生”技術實現(xiàn)京張高速鐵路(北京北—張家口)的智能運維；韓亮亮[6]采用SolidWorks 3D軟件，開發(fā)展示了高速鐵路動車運用所室內及室外全貌的可視化模型，實現(xiàn)孿生體與物理實體的相關映射和主客觀的統(tǒng)一，驗證了方案技術可行性；樂建煒等[7]提出了基于數(shù)字孿生的編組站智能平臺框架；林峰等[8]提出基于數(shù)字孿生的環(huán)形鐵道智能鐵路試驗平臺架構。數(shù)字孿生技術通過虛實結合，實現(xiàn)遠程操控、動態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)集中、信息共享，從而有效指導系統(tǒng)智能維護，優(yōu)化升級等[9-10]。因此，針對高速鐵路地震預警系統(tǒng)工程化實施面臨的遠程操控和智能運維等問題，通過應用數(shù)字孿生技術進行探索研究。

2 基于數(shù)字孿生技術的高速鐵路地震預警系統(tǒng)模型

數(shù)字孿生技術是指在物聯(lián)網(wǎng)實時信息與歷史反饋信息的支持下，通過物理信息建模創(chuàng)建物理世界等價虛擬體，并基于計算機手段對物理實體進行實時監(jiān)控，動態(tài)仿真分析，達成對物理實體進行精確分析與決策的技術手段。陶飛等[11]針對數(shù)字孿生技術的應用需求提出一種通用的參考架構——數(shù)字孿生五維模型，該模型與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新信息技術集成與融合，滿足信息物理系統(tǒng)集成、信息物理數(shù)據(jù)融合、虛實雙向連接與交互等需求。通過借鑒數(shù)字孿生五維模型，提出基于數(shù)字孿生的高速鐵路地震預警系統(tǒng)整體架構如圖2所示。

基于數(shù)字孿生技術的高速鐵路地震預警系統(tǒng)模型包括物理系統(tǒng)、虛擬系統(tǒng)、孿生數(shù)據(jù)庫、對外服務以及各模塊間的關聯(lián)共5 部分。物理系統(tǒng)包括地震監(jiān)測臺站、信號監(jiān)控單元、具備牽變觸發(fā)功能的監(jiān)控單元(以下簡稱“牽變監(jiān)控單元”)、鐵路局中心系統(tǒng)、車載裝置；虛擬系統(tǒng)一對一建立各子系統(tǒng)的電子模型；孿生數(shù)據(jù)庫實時收集物理系統(tǒng)的設備狀態(tài)、運行狀態(tài)及過程數(shù)據(jù)，以及虛擬系統(tǒng)產(chǎn)生的仿真數(shù)據(jù)、遠程指令及虛實交互數(shù)據(jù)等，孿生數(shù)據(jù)庫中設置其他歷史數(shù)據(jù)，通過多數(shù)據(jù)融合分析處理為對外服務的決策預判提供數(shù)據(jù)支持；對外服務包括系統(tǒng)遠程操控、智能維護和信息歸口管理3項。

各模塊之間的關聯(lián)主要通過Socket、MQTT 消息通信以及JDBC、ODBC 等數(shù)據(jù)庫接口實現(xiàn)物理系統(tǒng)、虛擬系統(tǒng)、孿生數(shù)據(jù)庫和對外服務之間的數(shù)據(jù)交互。各部分間接口關聯(lián)示意圖如圖3所示。

圖3 各部分間接口關聯(lián)示意圖Fig.3 Schematic diagram of interface association between various parts

3 基于數(shù)字孿生技術的高速鐵路地震預警系統(tǒng)建模

高速鐵路地震預警系統(tǒng)數(shù)字孿生模型架構如公式⑴所示。

式中：PE表示物理系統(tǒng)；VE表示虛擬系統(tǒng)；DD表示可驅動系統(tǒng)的孿生數(shù)據(jù)庫；CN表示各部分間的連接；SS表示對外服務。

3.1 物理系統(tǒng)PE建模

按照高速鐵路地震預警系統(tǒng)級、單元級的層次性特點，物理系統(tǒng)PE可建模如下。

式中：Spe表示系統(tǒng)級構成；Upe表示單元級構成。

物理系統(tǒng)PE可表示如公式⑶所示。

3.2 虛擬系統(tǒng)VE建模

高速鐵路地震預警系統(tǒng)的虛擬系統(tǒng)可表示如下。

式中：Gv用于描述物理系統(tǒng)的幾何模型，包括實體的形狀、尺寸、顏色、安裝位置等；Pv用于描述物理系統(tǒng)的物理模型，包括內部裝配關系、對外接口等；Bv用于描述物理系統(tǒng)的行為模型，包括設備運行過程中的指示燈顯示、聲音報警、各單元的運行狀態(tài)等；Rv用于描述物理系統(tǒng)的規(guī)則模型，包括整個實體系統(tǒng)的運轉規(guī)則和各系統(tǒng)級間的運轉規(guī)則，其中整體規(guī)則如下：地震監(jiān)測臺站實時監(jiān)測地震波，當實測地震波峰值加速度≥40 gal，發(fā)送至鐵路局中心系統(tǒng)，中心系統(tǒng)根據(jù)此次地震的影響范圍，按照一級地震向車載裝置發(fā)送地震緊急處置信息，二級地震增加信號監(jiān)控單元緊急處置命令下達，三級地震再增加牽變監(jiān)控單元緊急處置命令下達；各系統(tǒng)級間的運轉規(guī)則如下：當?shù)卣鸨O(jiān)測臺站實測地震波峰值加速度大于報警閾值時，向鐵路局中心系統(tǒng)和相鄰信號監(jiān)控單元同時發(fā)送地震警報信息等。

按照在物理系統(tǒng)中對系統(tǒng)級實體的分類，每一項系統(tǒng)級實體對應一項虛擬系統(tǒng)，因此高速鐵路地震預警虛擬系統(tǒng)表示如下。

3.3 孿生數(shù)據(jù)庫DD

孿生數(shù)據(jù)庫采集和存儲的數(shù)據(jù)包括3 個方面：物理系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)PED、虛擬系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)VED、其他歷史數(shù)據(jù)SSD。

PED數(shù)據(jù)包括各系統(tǒng)(地震監(jiān)測臺站、牽變監(jiān)控單元、信號監(jiān)控單元、鐵路局中心系統(tǒng)、車載裝置)在運行過程中產(chǎn)生的狀態(tài)、參數(shù)及監(jiān)測數(shù)據(jù)。

上述系統(tǒng)工作狀態(tài)的實測數(shù)據(jù)目前實現(xiàn)了統(tǒng)一實時匯總至鐵路局中心系統(tǒng)，由中心系統(tǒng)的監(jiān)測終端遠程監(jiān)控管理，使用MySQL 數(shù)據(jù)庫，建立數(shù)據(jù)庫與中心系統(tǒng)后臺連接，實現(xiàn)上述數(shù)據(jù)向孿生數(shù)據(jù)庫DD傳輸和存儲。

虛擬系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)VED包括虛擬系統(tǒng)中各虛擬單元和設備的模型數(shù)據(jù)，包括靜態(tài)類模型數(shù)據(jù)、動作類模型數(shù)據(jù)等；仿真數(shù)據(jù)，包括高速鐵路地震預警系統(tǒng)設計仿真、裝配仿真、各站點機房室內環(huán)境仿真、高速鐵路地震預警系統(tǒng)通信協(xié)議仿真、系統(tǒng)運行燈光指示、系統(tǒng)繼電器動作、設備故障、服務器或終端警報等聲音仿真；虛實交互數(shù)據(jù)，包括系統(tǒng)遠程調控數(shù)據(jù)和系統(tǒng)優(yōu)化升級數(shù)據(jù)。

歷史數(shù)據(jù)SSD包括工程數(shù)據(jù)、維保數(shù)據(jù)、巡檢數(shù)據(jù)和故障記錄等，將此類測量、記錄數(shù)據(jù)整理為標準模板的excel數(shù)據(jù)，再導入DbVisualizer數(shù)據(jù)庫中。歷史數(shù)據(jù)包括如下。

（1）故障記錄：各系統(tǒng)設備的歷史故障記錄，包括故障設備、故障時間、故障表現(xiàn)、故障原因、處理方法、處理工具，人員響應時間、故障解決用時等。

（2）維修記錄：各系統(tǒng)設備的歷史維修記錄，包括維修時間、維修原因、維修方式、維修人員、維修工具等。

（3）技術文檔和系統(tǒng)配置：研發(fā)過程的技術類文件，包括系統(tǒng)軟硬件設計、驗證和確認報告；各系統(tǒng)在現(xiàn)場的軟硬件配置和數(shù)據(jù)配置等，包括軟件版本，軟件環(huán)境；硬件設備的型號、數(shù)量、序列號等。

（4）RAMS/MTBF/MTTR要求：各系統(tǒng)的RAMS/MTBF/MTTR要求。

（5）服役設備工作時長記錄：各系統(tǒng)設備的服役時間、質保年限記錄。

（6）維保和巡檢相關：包括維保人員的技術培訓和安全培訓，維保工具的定期鑒定和日常維，維保作業(yè)依據(jù)的規(guī)章、制度等；巡檢記錄。

4 基于數(shù)字孿生技術的高速鐵路地震預警系統(tǒng)技術架構

高速鐵路地震預警數(shù)字孿生系統(tǒng)主要包含3D建模模塊、數(shù)據(jù)接口模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、故障診斷預測模塊和數(shù)據(jù)可視化模塊，基于數(shù)字孿生技術的高速鐵路地震預警系統(tǒng)技術架構如圖4所示。

圖4 基于數(shù)字孿生技術的高速鐵路地震預警系統(tǒng)技術架構Fig.4 Technical framework of high speed railway earthquake early-warning system based on digital twin technology

（1）3D 建模模塊。建立高速鐵路地震預警鐵路局中心系統(tǒng)、地面設備及車載設備的機柜、箱體、設備、模塊、板卡等核心零部件的3D 模型數(shù)字孿生體，運用動畫等方式模擬產(chǎn)品安裝與運行，3D 建模采用SolidWorks、Unity3D、Spin3D 等目前業(yè)內常用的建模軟件。

（2）數(shù)據(jù)接口模塊。目前地面設備和車載設備的工作狀態(tài)和指標參數(shù)統(tǒng)一匯總至鐵路局中心系統(tǒng)，通過設計中心系統(tǒng)與數(shù)字孿生虛擬系統(tǒng)間各設備/模塊的電壓、電流、溫度等指標關聯(lián)性，各設備工作狀態(tài)如主機、網(wǎng)絡、UPS、隔離開關等及故障、異常參數(shù)報警作為虛擬系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)，實現(xiàn)動態(tài)交互與實時展現(xiàn)。

（3）數(shù)據(jù)存儲模塊。通過結構化和非結構化數(shù)據(jù)存儲實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)字孿生虛擬系統(tǒng)與物理系統(tǒng)之間交互數(shù)據(jù)的存儲，為后續(xù)數(shù)據(jù)預測性分析提供數(shù)據(jù)積累。

（4）故障診斷預測模塊。根據(jù)產(chǎn)品數(shù)字孿生體海量歷史數(shù)據(jù)以及實時傳輸和交互的數(shù)據(jù)，通過人工智能算法模型、邏輯規(guī)則等模擬、監(jiān)控、診斷、預測和控制產(chǎn)品物理實體在現(xiàn)實物理環(huán)境中的形成過程和狀態(tài)[12-13]。

（5）數(shù)據(jù)可視化模塊。結合3D 建模模塊產(chǎn)生的產(chǎn)品數(shù)字孿生體，利用HTML5、JavaScript 等技術，實現(xiàn)數(shù)字孿生體的網(wǎng)頁版三維展示、數(shù)據(jù)流展示、故障診斷結果和報警實時展示等。

5 基于數(shù)字孿生技術的高速鐵路地震預警系統(tǒng)功能設計

5.1 系統(tǒng)遠程操控

實現(xiàn)高速鐵路地震預警系統(tǒng)遠程調試，如主機、網(wǎng)絡及電源等設備重啟、隔離模塊啟停、數(shù)值參數(shù)調整等；實現(xiàn)全系統(tǒng)板卡級實時監(jiān)控，包括各設備運行過程中的指示燈顯示監(jiān)控、繼電器吸起落下狀態(tài)監(jiān)控、輸出電壓動態(tài)監(jiān)控、環(huán)境溫度濕度等實時監(jiān)控。此外，通過不間斷的狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)系統(tǒng)模型、算法的逐步優(yōu)化，動態(tài)推動高速鐵路地震預警系統(tǒng)可持續(xù)化發(fā)展。

目前北京局中心系統(tǒng)已建設并投入運用[14-15]，北京局集團公司管內京張、京雄(大興—雄安)、京唐(燕郊—唐山)、京濱(寶坻南—北辰)等線路地震監(jiān)測、牽變、信號監(jiān)控單元均建設完成，這里以北京局中心系統(tǒng)為例，展示系統(tǒng)遠程操控服務功能。高速鐵路地震預警系統(tǒng)面臨正式開通、聯(lián)調聯(lián)試、系統(tǒng)建設等多種不同狀態(tài)，為保證系統(tǒng)聯(lián)調聯(lián)試不影響其他正常開通的線路，通常采取開通線路牽變監(jiān)控單元和信號監(jiān)控單元“硬隔離”。假設北京局集團公司當前已經(jīng)開通的線路有京張線、京雄線，如果對預開通的京唐線進行聯(lián)調聯(lián)試，則需將京張線和京雄線大約50 個牽變監(jiān)控單元和信號監(jiān)控單元的隔離開關手動打到隔離檔位，牽變和信號監(jiān)控單元多設于鐵路沿線的分區(qū)所、中繼站等，整個過程需要派大量專員逐一前往進行隔離操作，一方面增加試驗配合的人力物力，另一方面操作運營系統(tǒng)可能帶來不可預估的安全風險。系統(tǒng)遠程操控服務可通過遠程下達隔離命令，通過邏輯處理使地震模擬信息只發(fā)送到測試線路，實現(xiàn)測試線路的自我隔離，不影響開通運行線路的同時也保證了聯(lián)調聯(lián)試期間發(fā)生天然地震運營線地震預警系統(tǒng)可正常發(fā)揮作用，整個測試計劃更加嚴謹合理。隔離功能顯示如圖5所示。

圖5 隔離功能顯示Fig.5 Isolation function display

5.2 智能維護服務

通過對現(xiàn)場設備實時運行數(shù)據(jù)和基于歷史故障案例庫數(shù)據(jù)的分析整合，標注故障風險等級，實現(xiàn)高速鐵路地震預警系統(tǒng)緊急型和非緊急型故障的診斷和預測，為現(xiàn)場維護人員提供相應的維修措施、維修建議和指導，實現(xiàn)系統(tǒng)預測性維修，從而降低維修成本，提高維修質量和效率。高速鐵路地震預警系統(tǒng)的故障診斷主要采用基于規(guī)則和深度學習融合的方式實現(xiàn)，即通過設置常見故障處理手冊以及現(xiàn)場采集到的系統(tǒng)級、單元級運行狀態(tài)數(shù)據(jù)和電氣化參數(shù)，輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡之中，輸出則為具體的處理措施，通過模型訓練和物理系統(tǒng)與虛擬系統(tǒng)實時交互的數(shù)據(jù)可實現(xiàn)故障的快速處理，形成智能維護決策樹如圖6所示。

圖6 智能維護決策樹Fig.6 Intelligent maintenance decision tree

當診斷出來具體故障之后給出詳細的故障原因和處理方法，例如監(jiān)控主機雙機故障，可能的故障原因為“系統(tǒng)故障，工控機停止工作或網(wǎng)口故障，網(wǎng)口指示燈滅”，對應的處理措施為“檢查電源和硬盤工作狀態(tài)的LED 指示燈是否顯示正常”“重新啟動監(jiān)控單元主機”“更換網(wǎng)口，排查是否為網(wǎng)口故障”等。現(xiàn)場維護人員可根據(jù)提示快速進行處置和維護，大大提高維護效率。

5.3 信息管理及可視化服務

實現(xiàn)高速鐵路地震預警系統(tǒng)研發(fā)、生產(chǎn)、安裝、工程實施及運維巡檢等各階段信息數(shù)據(jù)的統(tǒng)一歸口管理。通過板卡級設備參數(shù)的詳細記錄，實現(xiàn)系統(tǒng)關鍵原材料有效追溯；通過硬件設備配置參數(shù)記錄、系統(tǒng)軟件和應用軟件版本記錄，實現(xiàn)運營產(chǎn)品系統(tǒng)版本控制。以系統(tǒng)工程實施階段為例，目前高速鐵路地震預警系統(tǒng)現(xiàn)場應用涉及5 個鐵路局集團公司，工程實施過程較長，工程往來信息較分散，紙質記錄不便于長期保存和匯總，常常存在表單遺失和記錄不全面等情況?；跀?shù)字孿生技術的高速鐵路地震預警系統(tǒng)可將系統(tǒng)全生命周期中產(chǎn)生的信息數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一融合，實現(xiàn)3D可視化處理。

當前高速鐵路地震預警系統(tǒng)以高速鐵路線路的管轄區(qū)段為單位設置系統(tǒng)監(jiān)測維護終端，來顯示系統(tǒng)間各設備的運行狀態(tài)。通常一條鐵路線需要設多臺終端，且每臺終端的顯示范圍僅為該線路的當前管轄區(qū)段?；跀?shù)字孿生技術的高速鐵路地震預警系統(tǒng)架構提供的遠程操控服務可實現(xiàn)鐵路線、鐵路局集團公司、甚至全路范圍的高速鐵路地震預警系統(tǒng)的運行監(jiān)控。信息管理及可視化如圖7所示。

圖7 信息管理及可視化Fig.7 Information management and visualization

6 結束語

通過提出基于數(shù)字孿生技術的高速鐵路地震預警系統(tǒng)五維模型，從關鍵的物理系統(tǒng)建模、虛擬系統(tǒng)建模、孿生數(shù)據(jù)庫建模以及實現(xiàn)建模的關鍵技術和主要提供的對外服務功能等方面論述了構建數(shù)字孿生高速鐵路地震預警系統(tǒng)的具體方法和實現(xiàn)的預期效果；通過提出數(shù)字孿生系統(tǒng)可實現(xiàn)的遠程操控、故障預判和信息管理功能，說明數(shù)字孿生技術可解決當前系統(tǒng)面臨的問題，實現(xiàn)以虛映實，虛實交互，以虛控實，為高速鐵路地震預警系統(tǒng)的數(shù)字化發(fā)展提供思路。