数字孪生技术在地铁综合智能维保中的应用

 数字孪生技术在地铁综合智能维保中的应用

吕文斌

上海申电通轨道交通科技有限公司

摘要：随着信息技术的飞速发展，数字孪生技术已成为轨道交通智能维保领域备受关注的热点。该技术的应用可以实现维护设备监测数据的虚拟映射，通过对现场设备的数字化再造，有效地提升生产调度的应急指挥水平，同时优化轨道交通综合维保的生产管理流程。本文旨在介绍数字孪生技术在上海5号线智能维保平台上的应用，并对综合维保模式进行探讨分析，为轨道交通维护的降本增效、安全运营提供了一种可行的解决方案。

关键词：数字孪生；综合维保；智能维保；数字化；设备构型

引言

随着人们对轨道交通需求的不断增加和生活水平的提高，轨道交通系统面临着越来越大的运营维护压力。为了提高运行效率、降低维保成本并确保安全可靠的运营，近年来对维保模式和智能化监测手段的研究持续扩大。本文旨在通过对维保痛点的分析，提出一种综合智能维保的新模式。该模式打破了传统的多专业数字壁垒，建立了统一的数字化智能维保管理平台，并借助数字孪生技术实现对设备运行状态和性能的实时监测。

1.传统维保模式的不足

传统轨道交通维保模式的不足包括以下几个方面：

1.1多专业数据融合分析困难

在轨道交通维保工作中，需要对大量的设备数据和运行数据进行收集、处理和分析，以便于及时发现设备故障和预测设备寿命等信息。然而，这些数据通常来自于不同的数据源，不同的设备、系统和网络，甚至受限于厂家的专业壁垒，因此数据融合和分析难度较大。

1.2维护成本居高不下

传统维保模式依赖于人工操作，需要大量的维保人员进行设备检修和维护，但是随着轨道交通系统的不断扩张，人力成本居高不下。同时缺乏有效的设备监测手段，无法提前对设备健康状态进行预警，导致更严重的故障发生，从而产生更高的维护成本。   

1.3缺乏一体化的维保管理平台

传统的维保模式缺乏一体化的维保管理平台，平台建设规划通常会随着生产需要的变化而不断地进行调整和补充，导致平台功能比较零散且缺乏统一规划。由于各维保部门之间信息共享难度大，因此很难形成协同管理，甚至会出现相互之间信息孤岛的情况。此外，各维保部门往往会为了满足自己的需求而重复投资，导致平台功能有重叠和重复。

2.综合智能维保模式探讨

2.1综合智能维保模式产生背景

为了解决传统维保模式存在的不足，提出了综合智能维保模式的新概念。综合维保是将多个专业整合，实现人员复用，有效精简部门。同时，不断进行技术创新，利用“智能维保”为维保工作提供更多的可视化和智能化手段，为不同层级的维保人员提供新的解决方案。该模式一方面提供智能化平台支持，为维保工作管理闭环提供支持；另一方面持续提升设备设施自身状态监测水平，并辅以更人性化的状态提醒，推动设备设施计划修向状态修的转变。

2.2综合智能维保模式介绍

综合与智能维保模式重点关注“设备、数据和人”三个关键要素，实现集中监测、数据分析、故障预警、维护检修和应急管理等功能，降低维护成本、提升维护效率，提高设备设施的可靠性和可用性。各专业之间既相对独立，又存在接口数据的交互性。综合与智能维保模式通过一个基于“多源数据共享”的智能维保和健康管理平台，整合所有专业接口和核心数据，采集并汇聚到一个平台系统。

同时，建立各专业数据相互关联的故障模型并形成算法和算力，将运行中的故障告警、故障模型的分析结果给调度统一展示，真正实现“一屏观天下”。各专业技术人员联合办公，节约信息沟通时间，提升内外部沟通效率，故障发现、分析、处置和施工协调效率大大提高。

3.数字孪生技术概念

数字孪生技术是一种将实际物理系统数字化、仿真和预测的技术，在工业制造、航空航天、能源等领域被广泛应用[1]。通过建立物理系统的数字模型，数字孪生技术将实际设备的运行状态和性能转化为数字数据，使得运行状态和性能可以在数字模型中进行模拟和预测。数字孪生技术利用物理模型、传感器更新、运行数据等多种信息，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，实现了在虚拟空间中完成实体设备的全生命周期过程的映射。

4.数字孪生技术在上海5号线的应用

基于上海5号线试点综合智能维保，通过对上海5号线现场设备进行智能化的改造，通号专业加装智能巡检机器人，车辆加装轨旁360系统并接入车辆监测数据，供电实现对SCADA数据、电能计量监测、直流负荷监测、故障录波、油色谱监测、弓网监测等数据接入。将接入的数据与以设备构型为基础建立的数字化底座进行关联映射，利用数字孪生技术，建立现场设备的虚拟化三维模型，通过中控大屏对现场设备进行全景监测，实时现场设备健康状况的掌控。

4.1数字化构型

智能维保平台按照复杂装备维护保障标准，通过数据构型方式打造设备数字化底座，以设备功能和定位两个维度，建立设备构型体系。采用全场景数字化，构建基于最小可维修单元的构型数据库，实现可视化、可预测、可追溯和专家诊断等。

与传统设备树相比，可以支持快速设备查找和准确高效定位,特别适用于设备日常配置管理和应急情况下设备查找等场景。

4.2数据接入的规范管理

数字孪生技术在智能维保平台的应用过程中，需要大量的数据才能实现预测、仿真和优化等功能，因此建立严格的数据管理规范非常重要。在数据管理方面，数字孪生技术的应用需要关注数据收集、存储、分析、共享和更新等各个环节的管理要求，包括以下方面：

1）数据安全和隐私保护

数字孪生技术中使用的数据包括设备的生产厂商、性能参数、价格、数量清单或人员、资质等内部敏感信息，必须确保数据的安全和隐私受到保护，采用加密、访问控制、身份验证等技术来实现。

2）数据准确性和完整性

数字孪生技术需要可靠、准确的数据来进行预测和仿真，因此需要确保数据的准确性和完整性。可以通过数据质量控制、数据验证等措施来实现。

3）数据维护和管理

数字孪生技术需要不断地进行验证和维护，因此需要制定维保管理要求，包括维保流程、维护计划、故障处理等，可以确保系统的稳定性和可靠性。

4.3三维可视化呈现

依托收集的设备构型数据，可通过功能和定位属性确定到最小的可拆分的零部件单元。采用数字孪生模型对设备机房真实场景进行实景重构，建立设备机房三维实景模型。

以构型数据为底座，将智能化改造加装的传感设备或系统接入采集的状态监测数据、故障数据、实时数据等与设备进行一一关联。同时将设备构型数据根据功能和定位属性与设备机房三维模型进行数据映射，利用数字孪生技术可最大程度的呈现机房设备的真实运行工况，通过三维视图可视化呈现现场（如图1：供电主变机房三维视图和设备实时监测数据）设备状态，为设备管理和调度指挥人员提供身临其境的应急处置感受。

图1：供电主变机房三维视图和设备实时监测数据

除了可关联设备的监测数据，还可利用智能维保平台将线路的抢险物资分布状况、应急抢险人员和车辆位置、机房摄像机[2]的分布、抢险处置预案和原理图等与机房站点关联，方便设备维修调度人员调配相关的应急处置资源，同时为设备维保人员提供更多的设备状态信息和处置手段，提升应急处置的效率和质量。

5.结语

在轨道交通领域，数字孪生技术已经开始发挥着越来越重要的作用。数字孪生技术通过将实际运营数据与虚拟的数字化三维模型相结合，可以模拟设备机房系统的运行情况，并对设备的实时状态进行监测和预警。这种技术的应用可以设施设备维保人员及时发现问题，快速调配应急处置资源，提高设施设备的维护质量和运行效率。

综合维保模式的应用，可以打破各专业的维护界面，实现维保调度的统一指挥和扁平化的管理。当维保调度利用智能维保平台发现设备的故障预警信息后，可通过中控平台查找就近的综合维保人员，先期介入设备故障的处置响应，为故障的应急处置赢得时间。同时专业工程师可利用数字孪生技术再造的设备机房虚拟场景，远程诊断和分析设备故障原因，辅助现场人员完成故障处理。

总之，数字孪生技术在轨道交通综合智能维保中的应用，轨道交通维保人员可以实现设备全面监控和预测，提高设备可靠性和运行安全性，降低维修成本，提高维保效率和质量。

参考文献

[1]邹东,冯剑冰.数字孪生技术在城市轨道交通供电系统中的应用场景分析[J].城市轨道交通研究,2021,24(03).

[2]李胜广,戚程远,陈虹旭.数字孪生技术在轨道交通安保中的作用[J].中国安防,2021(03).