CN113935083A - 一种基于数字孪生的轨道交通仿真系统 - Google Patents

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王志飞
汪晓臣
王越彤
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阚庭明
赵俊华
王煜
韩佩瑶
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Abstract

本发明提供一种基于数字孪生的轨道交通仿真系统，包括数字孪生体系统、物理孪生体系统、感知与传输系统和数字孪生组态软件系统。本发明通过根据轨道交通物理实体构建相应的数字孪生体三维模型，构建出可精确模拟轨道交通物理实体的数字孪生体，能实现对轨道交通各专业系统的数据挖掘与拓展；通过数字孪生组态软件系统实现对系统数据管理以及对所述物理孪生体系统和所述数字孪生体系统的可视化管理，从而能够实现轨道交通多专业设备的全域立体感知，有利于为轨道交通优化建设以及为数字孪生技术在轨道交通多专业全生命周期的应用提供参考。

Description

一种基于数字孪生的轨道交通仿真系统
技术领域
本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种基于数字孪生的轨道交通仿真系统。
背景技术
数字孪生是充分利用物理模型、物联网、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相应的实体系统的过程。
随着多学科、多专业建模综合技术、新技术的发展，数字孪生技术成为轨道交通装备系统运行维护领域的热点。然而，对于轨道交通的数字孪生，目前尚未有明确的应用方案。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种基于数字孪生的轨道交通仿真系统。
本发明提供一种基于数字孪生的轨道交通仿真系统，包括数字孪生体系统、物理孪生体系统、感知与传输系统和数字孪生组态软件系统，其中：
所述物理孪生体系统，用于实现轨道交通物理实体的实际运行过程；
所述数字孪生体系统，用于基于预先构建的数字孪生体三维模型对所述物理孪生体系统的实际运行过程进行实时仿真模拟；其中，所述数字孪生体三维模型与所述轨道交通物理实体相对应；
所述感知与传输系统，用于通过物联网技术进行系统数据采集，以及用于实现所述物理孪生体系统、所述数字孪生体系统与所述数字孪生组态软件系统之间的数据传输；
所述数字孪生组态软件系统，用于实现系统数据管理，以及用于实现对所述物理孪生体系统和所述数字孪生体系统的可视化管理。
根据本发明所述的基于数字孪生的轨道交通仿真系统，所述数字孪生组态软件系统包括误差校正模块，所述误差校正模块用于基于所述物理孪生体系统与所述数字孪生体系统之间的参数误差，根据预设智能算法对所述物理孪生体系统和所述数字孪生体系统进行误差自动校正。
根据本发明所述的基于数字孪生的轨道交通仿真系统，所述数字孪生组态软件系统还包括性能监测模块，所述性能监测模块用于结合预设的性能自适应模型以及所述物理孪生体系统的传感数据，对所述轨道交通物理实体的各专业物理部件和整机进行性能监测。
根据本发明所述的基于数字孪生的轨道交通仿真系统，所述数字孪生组态软件系统还包括故障预测模块，所述故障预测模块用于基于预设的故障预测模型对所述物理孪生体系统进行故障诊断和预测；其中，所述故障预测模型为结合历史维修数据以及所述性能自适应模型和所述数字孪生体三维模型进行构建得到。
根据本发明所述的基于数字孪生的轨道交通仿真系统，所述数字孪生组态软件系统还包括性能预测模块，所述性能预测模块用于基于预设的性能预测模型对所述物理孪生体系统进行性能预测和寿命预测；其中，所述性能预测模型为结合历史运行数据以及所述性能自适应模型进行构建得到。
根据本发明所述的基于数字孪生的轨道交通仿真系统，所述数字孪生组态软件系统还包括性能优化模块，所述性能优化模块用于基于预设的控制优化模型对所述物理孪生体系统的控制策略进行优化；其中，所述控制优化模型为根据局部线性化模型与设备运行状态环境模型进行融合后构建得到。
根据本发明所述的基于数字孪生的轨道交通仿真系统，所述数字孪生体系统包括空气动力学仿真模块，所述空气动力学仿真模块用于对所述物理孪生体系统的列车过站流场进行仿真模拟。
根据本发明所述的基于数字孪生的轨道交通仿真系统，所述数字孪生体系统还包括动力学仿真模块，所述动力学仿真模块用于将所述空气动力学仿真模块产生的空气动力学仿真数据结果映射至预设的轨道交通站台防护装备模型中，以对所述物理孪生体系统的轨道交通站台防护装备进行动力学仿真模拟。
根据本发明所述的基于数字孪生的轨道交通仿真系统，所述数字孪生体系统还包括控制系统仿真模块，所述控制系统仿真模块用于基于预设的动力学数学模型对所述数字孪生体系统的列车运动进行自动控制，并生成所述数字孪生体系统的列车运动过程中的动力及阻力仿真数据。
根据本发明所述的基于数字孪生的轨道交通仿真系统，所述物联网技术包括无线传感器网络、DCS技术和传输组网技术。
本发明提供的基于数字孪生的轨道交通仿真系统，通过根据轨道交通物理实体构建相应的数字孪生体三维模型，构建出可精确模拟轨道交通物理实体的数字孪生体，能实现对轨道交通各专业系统的数据挖掘与拓展；通过数字孪生组态软件系统实现对系统数据管理以及对所述物理孪生体系统和所述数字孪生体系统的可视化管理，从而能够实现轨道交通多专业设备的全域立体感知，有利于为轨道交通优化建设以及为数字孪生技术在轨道交通多专业全生命周期的应用提供参考。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例提供的基于数字孪生的轨道交通仿真系统的结构示意图；
图2是本发明一实施例提供的基于数字孪生的轨道交通仿真系统的另一结构示意图；
图3是本发明一实施例提供的基于数字孪生的轨道交通仿真系统的系统架构示意图；
图4是本发明一实施例提供的建模流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供一种基于数字孪生的轨道交通仿真系统，包括数字孪生体系统、物理孪生体系统、感知与传输系统和数字孪生组态软件系统，其中：
所述物理孪生体系统，用于实现轨道交通物理实体的实际运行过程；
所述数字孪生体系统，用于基于预先构建的数字孪生体三维模型对所述物理孪生体系统的实际运行过程进行实时仿真模拟；其中，所述数字孪生体三维模型与所述轨道交通物理实体相对应；
所述感知与传输系统，用于通过物联网技术进行系统数据采集，以及用于实现所述物理孪生体系统、所述数字孪生体系统与所述数字孪生组态软件系统之间的数据传输；
所述数字孪生组态软件系统，用于实现系统数据管理，以及用于实现对所述物理孪生体系统和所述数字孪生体系统的可视化管理。
需要说明的是，本发明实施例提供的基于数字孪生的轨道交通仿真系统，通过根据轨道交通物理实体构建相应的数字孪生体三维模型，构建出可精确模拟轨道交通物理实体的数字孪生体，能实现对轨道交通各专业系统的数据挖掘与拓展；通过数字孪生组态软件系统实现对系统数据管理以及对所述物理孪生体系统和所述数字孪生体系统的可视化管理，从而能够实现轨道交通多专业设备的全域立体感知，有利于为轨道交通优化建设以及为数字孪生技术在轨道交通多专业全生命周期的应用提供参考。
请结合图2-4，需要说明的是，本发明实施例的物理孪生体系统，用于实现轨道交通物理实体的实际运行过程。具体地，在轨道交通多专业的关键技术装备中，涉及移动装备、线路、车辆、供电、通信、信号、机电、AFC设备等。具体地，物理孪生体模型的构建过程包括：1、识别与表征物理实体关键要素、关系；2、建立关键要素行为模型，实现其内部运行机制；3、建立要素间关系模型，实现要素间相互连接、相互交互机制；4、模型校核、验证与确认。
需要说明的是，通过测量轨道交通多专业关键技术装备的物理孪生体在现实世界中的真实几何尺寸，建立相对应的数字孪生体三维模型。所述数字孪生体系统，用于基于预先构建的数字孪生体三维模型对所述物理孪生体系统的实际运行过程进行实时仿真模拟。具体地，数字孪生体三维模型的建模过程包括：1、分析物理实体组成与结构；2、建立数字模型，刻画其几何属性(尺寸、形状、位姿……)；3、关联数字模型，刻画其运行、结构属性；4、编辑其属性和功能。
在本发明实施例中，构建出所述物理孪生体系统和所述数字孪生体系统之后，其虚实映射过程包括：1、分析物理实体数据来源、特性和结构；2、定义数据结构，描述数据间关联关系；3、选用合适的通信协议/数据接口，建立双向通信通道；4、定义监控变量，建立关键监控事件及其响应规则。在完成虚实映射之后，可以通过数字孪生仿真系统实现孪生共智，包括：1、归集虚实数据(实时监控数据、虚拟仿真数据……)；2、大数据分析(数据预处理、数据存储、数据可视化)；3、人工智能决策优化(数据融合、知识发现、仿真模型优化……)；4、建立决策服务，实现闭环反馈控制。
需要说明的是，数字孪生体中的模型需要实时更新物理实体的数字信息，由于孪生体模型对物理实体的行为做出分析与反馈的速度与信息流传输的速度密切相关，而物联网技术可以为数字孪生提供实时全面的数据采集以及虚拟模型和物理实体之间的有效互联互通。在本发明实施例中，通过物联网技术进行系统数据采集，以及用于实现所述物理孪生体系统、所述数字孪生体系统与所述数字孪生组态软件系统之间的数据传输；进一步地，物联网技术包含无线传感器网络、DCS技术和传输组网技术。
需要说明的是，数字孪生技术是轨道交通多学科仿真与验证平台的核心部分，是资源共用、数据共享、业务联动的基础。本发明实施例以数字孪生组态软件系统为中心，衔接物理孪生体空间中的部件要素和数字孪生体系统，所述数字孪生组态软件系统用于实现系统数据管理，以及用于实现对所述物理孪生体系统和所述数字孪生体系统的可视化管理。
在本发明实施例中，数字孪生组态软件系统面向使用者，通过三维模型展示、数据和模型融合展示、参数监控等方式，在虚拟空间中再现轨道交通多专业设备的工作工况、数据和分析结果，并通过交互方式为管理人员提供监控辅助。数字孪生组态软件系统的应用平台开发主要包括设备精准建模、搭建工作面环境、设备数据驱动算法开发、UI交互设计等几个方面。
在上述实施例的基础上，进一步地，所述数字孪生组态软件系统包括误差校正模块、性能监测模块、故障预测模块、性能预测模块和性能优化模块。
所述误差校正模块用于基于所述物理孪生体系统与所述数字孪生体系统之间的参数误差，根据预设智能算法对所述物理孪生体系统和所述数字孪生体系统进行误差自动校正。
在本发明实施例中，组态软件平台通过程序实时比较信息系统和物理系统两个空间中的参数值，计算虚实系统的误差，在软件后台实现基于智能算法的误差自动校正、资源自动配置及虚实双系统自动调节与控制。
所述性能监测模块用于结合预设的性能自适应模型以及所述物理孪生体系统的传感数据，对所述轨道交通物理实体的各专业物理部件和整机进行性能监测。
在本发明实施例中，将实时传感器数据与物理孪生全结合，随运行环境变化和物理孪生体性能的变化，构建出的性能自适应模型，可精准监测轨道交通各专业物理部件和整机性能。
所述故障预测模块用于基于预设的故障预测模型对所述物理孪生体系统进行故障诊断和预测；其中，所述故障预测模型为结合历史维修数据以及所述性能自适应模型和所述数字孪生体三维模型进行构建得到。
在本发明实施例中，将历史维修数据中的故障模式注入数字孪生体三维模型和性能自适应模型，构建出故障预测模型，可应用于故障诊断和预测。
所述性能预测模块用于基于预设的性能预测模型对所述物理孪生体系统进行性能预测和寿命预测；其中，所述性能预测模型为结合历史运行数据以及所述性能自适应模型进行构建得到。
在本发明实施例中，将历史运行数据与性能自适应模型结合并融合数据驱动的方法，构建出性能预测模型，可应用于预测整机性能和剩余使用寿命。
所述性能优化模块用于基于预设的控制优化模型对所述物理孪生体系统的控制策略进行优化；其中，所述控制优化模型为根据局部线性化模型与设备运行状态环境模型进行融合后构建得到。
在本发明实施例中，将局部线性化模型与设备运行状态环境模型融合并构建控制优化模型，可实现发动机等控制策略的寻优，使设备在运行过程中发挥更好的性能。
需要说明的是，上述各个模型联合刻画出一个具有多种行为特征的多专业数字设备，并向物理空间传递在特定场景下所呈现的行为信息，实现对物理轨道交通设备的精准监测、故障诊断、性能预测和控制优化；从而最终实现轨道交通多专业设备的全域立体感知、全系统可信互联、全体系精准管控、全数据智能决策、全景实时可视交互。
在上述各实施例的基础上，进一步地，所述数字孪生体系统包括空气动力学仿真模块、动力学仿真模块和控制系统仿真模块。
所述空气动力学仿真模块用于对所述物理孪生体系统的列车过站流场进行仿真模拟。
本发明实施例通过实现列车过站流场仿真分析的流程固化，形成专业的仿真模板，以对所述物理孪生体系统的列车过站流场进行仿真模拟。同时，可在用户界面中快速定义计算域尺寸、网格单元尺寸、边界条件等，实现快速几何创建数字孪生体三维模型、高效网格生成、自动化仿真设置和处理报告生成。
所述动力学仿真模块用于将所述空气动力学仿真模块产生的空气动力学仿真数据结果映射至预设的轨道交通站台防护装备模型中，以对所述物理孪生体系统的轨道交通站台防护装备进行动力学仿真模拟。
在本发明实施例中，通过实现轨道交通站台防护装备数字孪生体三维模型，将已有的列车空气动力学仿真数据结果压力-时间数据映射到轨道交通站台防护装备相应表面，从而进行轨道交通站台防护装备动力学仿真，自动进行仿真后处理，可以生成轨道交通站台防护装备力学响应结果云图、曲线等仿真数据。
所述控制系统仿真模块用于基于预设的动力学数学模型对所述数字孪生体系统的列车运动进行自动控制，并生成所述数字孪生体系统的列车运动过程中的动力及阻力仿真数据。
在本发明实施例中，通过建立移动装备的单质点与多质点混合的动力学数学模型，实现不同挡位时，不同运动速度下的牵引力、制动力与基本附加阻力、曲线附加阻力、坡度附加阻力的计算，并设计了包含滤波器的控制器，实现列车运动的自动控制，实现了对设定运行速度曲线的快速稳定跟踪，可生成实际移动装备的加速度、速度、各个阻力与驱动力的曲线等仿真数据。
与现有技术相比，本发明实施例提供的数字孪生的轨道交通仿真系统涉及轨道交通多学科、多专业综合技术和新技术，构建出可精确模拟物理实体的数字孪生体，以及运行的实体物理模型，能实现对轨道交通各专业系统的数据挖掘与拓展，以及实时预测系统行为，使研究由试验分析、解析分析、仿真分析过渡至模型驱动和数据驱动的综合分析，构建轨道交通多专业数字孪生体，可实现对物理轨道交通的精准监测、故障预测、性能和控制优化，为数字孪生技术在轨道交通多专业全生命周期的应用提供参考。
基于上述各实施例提供的基于数字孪生的轨道交通仿真系统，以下对该系统的系统架构进行举例说明：
如图3所示，所述基于数字孪生的轨道交通仿真系统包括应用层、平台层、边缘层和现场层；其中：
应用层主要实现数据可视化管理，包括工况数据监测、三维姿态展示、运行情况动态展示、数据融合模型展示、数据融合模型展示、装备控制虚拟仿真、工作面数字孪生三维显示/UI设计等。
平台层主要实现设备工况监测、模型空间姿态/定位驱动、异常状态诊断分析、多专业协同虚拟仿真、历史数据重演等。
边缘层主要实现数据组织、数据治理、边缘应用、数据汇聚、数据过滤、数据融合等。
现场层主要实现数据采集和感知、数据流和控制流的传输等。其中，现场层与边缘层可以通过工业以太网、现场总线等物联网手段进行连接。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于数字孪生的轨道交通仿真系统，其特征在于，包括数字孪生体系统、物理孪生体系统、感知与传输系统和数字孪生组态软件系统，其中：
所述物理孪生体系统，用于实现轨道交通物理实体的实际运行过程；
所述数字孪生体系统，用于基于预先构建的数字孪生体三维模型对所述物理孪生体系统的实际运行过程进行实时仿真模拟；其中，所述数字孪生体三维模型与所述轨道交通物理实体相对应；
所述感知与传输系统，用于通过物联网技术进行系统数据采集，以及用于实现所述物理孪生体系统、所述数字孪生体系统与所述数字孪生组态软件系统之间的数据传输；
所述数字孪生组态软件系统，用于实现系统数据管理，以及用于实现对所述物理孪生体系统和所述数字孪生体系统的可视化管理。
2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的轨道交通仿真系统，其特征在于，所述数字孪生组态软件系统包括误差校正模块，所述误差校正模块用于基于所述物理孪生体系统与所述数字孪生体系统之间的参数误差，根据预设智能算法对所述物理孪生体系统和所述数字孪生体系统进行误差自动校正。
3.根据权利要求1所述的基于数字孪生的轨道交通仿真系统，其特征在于，所述数字孪生组态软件系统还包括性能监测模块，所述性能监测模块用于结合预设的性能自适应模型以及所述物理孪生体系统的传感数据，对所述轨道交通物理实体的各专业物理部件和整机进行性能监测。
4.根据权利要求3所述的基于数字孪生的轨道交通仿真系统，其特征在于，所述数字孪生组态软件系统还包括故障预测模块，所述故障预测模块用于基于预设的故障预测模型对所述物理孪生体系统进行故障诊断和预测；其中，所述故障预测模型为结合历史维修数据以及所述性能自适应模型和所述数字孪生体三维模型进行构建得到。
5.根据权利要求3所述的基于数字孪生的轨道交通仿真系统，其特征在于，所述数字孪生组态软件系统还包括性能预测模块，所述性能预测模块用于基于预设的性能预测模型对所述物理孪生体系统进行性能预测和寿命预测；其中，所述性能预测模型为结合历史运行数据以及所述性能自适应模型进行构建得到。
6.根据权利要求1所述的基于数字孪生的轨道交通仿真系统，其特征在于，所述数字孪生组态软件系统还包括性能优化模块，所述性能优化模块用于基于预设的控制优化模型对所述物理孪生体系统的控制策略进行优化；其中，所述控制优化模型为根据局部线性化模型与设备运行状态环境模型进行融合后构建得到。
7.根据权利要求1所述的基于数字孪生的轨道交通仿真系统，其特征在于，所述数字孪生体系统包括空气动力学仿真模块，所述空气动力学仿真模块用于对所述物理孪生体系统的列车过站流场进行仿真模拟。
8.根据权利要求7所述的基于数字孪生的轨道交通仿真系统，其特征在于，所述数字孪生体系统还包括动力学仿真模块，所述动力学仿真模块用于将所述空气动力学仿真模块产生的空气动力学仿真数据结果映射至预设的轨道交通站台防护装备模型中，以对所述物理孪生体系统的轨道交通站台防护装备进行动力学仿真模拟。
9.根据权利要求1所述的基于数字孪生的轨道交通仿真系统，其特征在于，所述数字孪生体系统还包括控制系统仿真模块，所述控制系统仿真模块用于基于预设的动力学数学模型对所述数字孪生体系统的列车运动进行自动控制，并生成所述数字孪生体系统的列车运动过程中的动力及阻力仿真数据。
10.根据权利要求1所述的基于数字孪生的轨道交通仿真系统，其特征在于，所述物联网技术包括无线传感器网络、DCS技术和传输组网技术。
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