从铁路信息一体化角度出发，为更多地发掘现有信息和未来信息所蕴藏的知识，结合“数字地球”思想研究并建设“数字铁路”是当今铁路运输发展的战略性目标

    复杂艰险山区铁路数字化新需求分析

    复杂艰险山区铁路，沿线地区具有“显著的地形高差”“强烈的板块活动”“频发的山地灾害”“脆弱的生态环境”等特征，为铁路勘察设计、工程建设、运营维护带来各种困难，也对铁路施工建造和运营管理智能化提出新的需求。

    首先，脆弱的生态环境和复杂的地形、地质条件，对铁路沿线科学考察、铁路勘察设计等带来巨大挑战。尤其是在设计、建设阶段，为了及时快速地掌握现场生态和地质变化，需要通过布置于现场的监测设备获取详细参数，并进行智能分析和决策。

    在工程建设阶段，全长千余公里的铁路线路，面临工程建设周期长、进度质量管理难度大、多种潜在灾害、施工人员安全和健康保障要求高以及现有通信难以保障等难题。其次，在运营维护阶段，面临复杂环境下维修养护无人化和少人化、超长隧道和复杂桥梁状态分析难度巨大、超长连续大坡道高海拔下装备性能下降以及特殊战略需求下应急指挥不畅通等难题。

    如何运用信息化和智能化技术手段解决上述难题，都将是复杂艰险山区数字铁路建设过程中必须要应对和深入思考的特殊需求。

    数字铁路设计思路

    数字铁路是高度集成的工程级数据闭环赋能体系，是支撑智能铁路的信息化技术手段，通过物理实体与信息空间虚实映射、以虚控实，赋能智能铁路。

    数字铁路内涵

    数字孪生是利用物理模型、传感器监测、运行历史等数据，集成仿真过程在虚拟空间中实现实体映射，从而反映实体全生命周期过程的理论技术体系。美国国防部最早提出将数字孪生技术用于航空航天飞行器的健康维护。数字铁路的构建是以数字孪生理论技术体系为依托。

    数字铁路通过数据全域标识、状态精准感知、数据实时分析、模型科学决策、智能精准执行，实现铁路的模拟、监控、预测、诊断和控制，解决复杂艰险山区铁路设计、建设、运营闭环过程中的复杂性和不确定性问题，提高铁路建设和运营时期的物质资源、智力资源、数据资源配置效率并改善运转状态，是促进智能铁路发展的内生动力。

    数字铁路内涵

    数字铁路特征体现在精准映射、虚实交互、软件定义、智能干预4个方面：

    （1）精准映射：数字铁路通过空天、地面、地下、河道等各层面的传感器布设，在铁路桥梁、隧道、路基、四电设备等基础设施BIM建模基础上，对铁路建造、运营状态充分感知和动态监测，形成虚拟铁路在信息维度上对实体铁路的精准信息表达和映射。

    （2）虚实交互：铁路站前工程和站后工程的建设、维修过程均有记录，实体铁路上开展的各项工作都可以在虚拟数字铁路体系中通过数据进行记录和标记，因此在虚拟数字铁路体系中可以搜索各类信息，构建各类模型仿真和模拟各类活动，从而使铁路建设过程、列车运行、日常检修等活动在虚拟空间得到极大的扩充，虚实融合、虚实协同将定义铁路未来发展新模式。

    （3）软件定义：针对物理铁路建立对应的虚拟铁路模型，并以软件的方式模拟建设期施工过程、施工装备、施工工艺工法，以及运营期运输调度、车辆运行状态、线路状态等在真实环境下的行为。

    （4）智能干预：通过在虚拟“数字铁路”上对施工过程、运营策略等进行模拟仿真，将铁路建造、运营阶段可能产生的不良影响、矛盾冲突、潜在危险进行智能预警，并提供合理可行的对策建议，以未来视角智能干预铁路原有建设运营计划，进而指引和优化实体铁路的建设、管理、运营等，赋予铁路“智能控制”能力。

    数字铁路与智能铁路关系

    数字铁路和智能设备共同构成智能铁路。数字铁路是智能铁路的中枢神经和大脑，通过对物理铁路进行数字化，再结合信息系统实现智能铁路的虚拟映射；智能设备是智能铁路的五官和四肢，监控和执行智能化操作。

    数字铁路与智能铁路关系

    数字铁路是物理铁路的虚拟映射对象和智能操控体，形成虚实对应、相互映射、协同交互的复杂巨系统，实现复杂艰险山区铁路全要素数字化和虚拟化、工程建设运维实时化和可视化、铁路建设运营管理决策智能化和协同化，为铁路规划建设运营全生命周期管理提供技术支撑。

    数字铁路总体架构设计

    基于对数字铁路内涵的分析，搭建以BIM+GIS、大数据与智能计算、网络安全、云服务等为核心的一体化数字铁路服务平台，以实现云服务和边缘计算相融合，铁路大数据资源湖和智联网为基础的多业务系统协作平台。针对地质地理复杂、工程建设周期长且管理难度大、自然和地质灾害显著等特点，重点设计地质地理信息一张图、精细化工程建设全业务协同、虚拟现场综合决策等应用场景，支撑复杂艰险山区铁路建造运营数字化管理。

    数字铁路总体架构

    总体架构按照自下向上分为智能感知及执行层、智能传输层、智能平台层和智能应用层。

    （1）智能感知及执行层：通过部署于现场的智能感知和操作终端设备，实现科学考察、勘察设计、工程建设、运营维护等数据的采集，同时执行计算和决策产生的相应操作。

    （2）智能传输层：基于卫星通信、无人机通信、蓝牙、Wi-Fi、近距离无线通信等设备，以及光传输、5G、IPV6等技术，构建智能传输网络。

    （3）智能平台层：涵盖数据工厂、数据挖掘、空间分析、全域数据、智能计算、能力开放以及智能决策。

    （4）智能应用层：涵盖“一张图”“一盘棋”“一个湖”3部分应用。“一张图”指地质地理信息和BIM模型，应用于数字铁路设计、建设、运营全生命周期，包含环境信息模型、设备设施模型以及事件关联模型；“一盘棋”指建设管理虚实结合一体化管控系统，实现工程建设全业务协同管理，包含基础设施综合检测、建设项目管理、防灾测定系统等；“一个湖”指全域数据湖，通过可视化分析、沉浸式体验等方式支撑虚拟现场综合决策。

    数字铁路关键技术体系

    数字铁路是支撑智能铁路的中枢神经和大脑，为了实现虚拟铁路与物理铁路的相互辅助、映射，需要在现有的铁路信息化关键技术体系、网络安全关键技术体系、业务应用关键技术体系基础上，进一步优化虚实映射体系和数字标准规范体系，为数字铁路体系实践运行提供技术保障。

    数字标准规范体系

    数字铁路的信息系统需要与各类智能终端交互，为了提升系统与终端的适配性，构建数字标准规范体系是非常重要的。目前，我国铁路已经构建了高速铁路和既有铁路标准体系，同时从信息管理角度提炼的铁路信息化标准规范体系，结合智能铁路的需求提炼出智能铁路标准规范体系。为进一步规范数字铁路体系的构建，提出数字标准规范体系。

    数字标准规范体系包括通用基础、数据资源、软件及工具、映射与安全、管理与服务标准等5个方面。

    （1）通用基础：指数字铁路构建过程中需要使用的基础性标准规范，包括术语、编制规则、测试评价等。可细分为数字铁路、全域数据、虚实映射、智能互控、智能推演以及数字标准化指南、数字铁路成熟度评价、实施结果后评估等。相关的国际、国家标准均可继承使用。

    （2）数据资源：对数字铁路相关数据进行统一规范，主要包括主数据、元数据、BIM数据规范、GIS数据规范、数据目录及数据分类等。

    （3）软件及工具：通用和专用的软件、工具将是支撑数字铁路系统构建的重要支持，主要包括接口协议、交互范式、数据传输、服务集成、平台基本服务、数据实施工具、应用支撑、应用系统、业务应用等的标准规范。

    （4）映射与安全：主要是支撑物理铁路与虚拟铁路的虚实映射技术体系和安全标准规范，包括模型映射、机理映射、虚实关系映射以及系统安全、数据安全分级、风险评估、隐私保护等。

    （5）管理与服务标准：指贯穿于数字铁路生命周期各阶段的管理与服务标准规范，主要包括研发与管理、运维管理、业务数据治理等。

    虚实映射体系

    基于数字孪生理论技术体系，实现物理铁路向虚拟铁路的映射，是实现数字铁路的重要环节。从铁路全生命周期的角度考虑，可将“物理铁路—虚拟铁路”之间的映射分为勘察设计、施工建设、运营维护3个阶段，且每个阶段都包含虚实映射的4个环节，即建模、描述、诊断和预测。

    “由实向虚”的映射是建模，包括通过从物理空间提取数据用于虚拟空间的建模，以及持续的模型完善；“由虚向实”的映射是通过模型仿真，实现对物理空间的精准描述，在此基础上预测可能出现的变化和未来发展趋势，对物理铁路进行融合互控。

    在勘察设计阶段，最重要的是从物理空间提取一系列设计需求，构建相对应的几何模型和机理模型，并通过模型融合构建数字孪生体；在施工建设阶段，最重要的是对数字孪生体的建造过程数据进行存储、计算、模拟，一方面为施工建设提供联动预测，另一方面为下一阶段的模拟推演提供数据支撑；在运营维护阶段，将增加大量线路运营过程中运营调度、运行状态、安全管理相关的预测模型，通过收集物联网监测检测的实时数据，为数字铁路提供运营状态实时模拟、风险预测和可靠性评估等。

    针对复杂艰险山区铁路数字化建设新需求，通过描述数字铁路的内涵，提出数字铁路总体架构，构建优化的数字标准规范体系、虚实映射体系等关键技术体系，提出了复杂艰险山区数字铁路总体方案。复杂艰险山区数字铁路与普通数字铁路相比，最大差异在于其勘察、建造和运营过程中复杂的沿线气象和地理环境带来了更大的挑战，因此总体方案中BIM、地质地理模型和建设运营时期的相关应用，也较普通数字铁路方案起到更为突出的作用。

    川藏铁路等复杂艰险山区铁路正在建设，其沿线地区极端艰险复杂的工程环境，为川藏铁路勘察设计、工程建设、运营维护带来各种困难。基于复杂艰险山区数字铁路总体方案，后续将进一步构建数字川藏铁路系统，将沿线地形、地质、设计资料电子化，以地理时空信息为纽带层层叠加，可实现川藏铁路沿线环境和实体工程全要素数字化、网络化、智能化和可视化，并设计川藏铁路规划建设底层数字化基础平台，实现物理实体铁路与数字虚体铁路的全要素映射，支撑勘察设计、工程建设、运营维护全域数字一体化管理。未来，数字铁路和智能铁路体系将逐步完善，为铁路的智能化和精细化管理提供支撑。

    内容来源：

    铁路BIM联盟成员单位——中国铁道科学研究院集团有限公司

    王富章，吴艳华，卢文龙，王腾霄，程智博，郝蕊.

    复杂艰险山区数字铁路总体方案研究[J].中国铁路.

    （铁路BIM联盟文章，转发请注明出处）

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