01 温州轨道交通数字化现状
随着温州市域轨道S1线正式开通运行，温州市铁路与轨道交通投资集团有限公司（以下简称“市铁投集团”或“我们”）智慧轨道建设成果也正式投入使用，通过温州轨道交通大数据管理平台的初步建设，基本已实现轨道交通建设、运营等全方位的数据进行统一管理，有机融合。随着工程建设全面铺开，应用逐渐深入，我们发现数据管理层面仍稍显不足，其中比较突出的问题就是设计、施工、管线迁改、运营管理等业务中BIM、GIS以及IoT数据的精细化程度不足，与业务数据结合深度不够，对于相关数据的应用仍然欠缺。针对以上问题市铁投集团提出了基于CIM技术开展温州数字孪生轨道研究与探索，以充分了解数字孪生轨道建设在标准设计、数据建设、平台搭建、应用建设等方面的重点、难点和要点，为今后温州其他线路奠定全生命周期可视化管理的基础。
图1 数字孪生在轨道交通领域带来的变革
02 建设目标
温州市铁投集团“基于CIM的温州数字孪生轨道建设”的总体目标是：基于CIM技术和数字孪生轨道建设理念，开展数字孪生轨道可视化管理平台建设研究，以运营管理为切入点，初步实现温州市域轨道线路运营和车站管理的数字化，最终实现轨道规划、建设、运营全生命周期管理的数字化、自动化和智能化。
总体建设目标我们可分为四个阶段，第一阶段是达成轨道保护数字孪生模型建设的目标；第二阶段是在孪生实体模型上，结合物联网感知
图2 总体目标分解阶段图
03 建设总体框架
数字孪生轨道建设是一个多专业信息化融合的建设过程，是一个循序渐进、长期积累的过程，因此，我们在开展项目建设研究时，制定了“立足现状、技术引领、统一标准、按需推进”的建设原则，以当前温州轨道信息化建设的实际情况出发，充分调研了解现有的信息化成果，包括各类数据资源、业务系统、物联网设备、网络环境、云资源等内容，充分利用发挥GIS、BIM、CIM、IoT等先进技术理念优势，探索制定各专业统一的数字孪生轨道模型建设的标准，建立可融合连接各类数据资源的数字孪生轨道全息管理平台，并按业务需求逐步推进各部门业务数字化应用。
按照项目原则，研究内容可分为“立标准、建数据、搭平台、拓应用”四项。
图3 数字孪生总体框架
04 建设整体方案
数字孪生轨道数据建设
数字孪生轨道建设的核心是高精度轨道信息模型建设，数据包括轨道及周边的建筑物、构筑物、道路、地下管线、地质、水体、植被、地表高程、车站室内模型、机电模型等内容。我们认为高精度包括三层含义：一是轨道信息模型的空间位置精度要高，模型能准确反映自身的空间位置状态和与周边实体模型的位置关系；二是模型颗粒度的精细化程度要高，以运营管理为目的的CIM模型建设，要按运营维护工作的业务需要，将车站模型逐层分解细化，可清楚的表达业务工作中对应的每一个物理实体；三是模型仿真度要高，模型材质、纹理、规格、色彩要与物理实体高度一致。
图4 动车南站轨道模型图
高精度轨道信息模型建设可参考高精度城市信息模型建设的技术和方法，主要包括航空摄影测量、激光扫描、倾斜摄影、实地量测人工建模和BIM设计翻建等采集建模手段。在轨道建筑模型建设中，我们认为这些技术方法各有优劣势，分析如下：
表1 轨道建筑模型建设技术比对
由于模型数据生产方式的多样性，必然造成了数据的多源性，因此多源数据的融合是数字孪生轨道数据建设中的一项重要工作。我们研究探索中，利用了SuperMap提供的BIM数据转换插件，将Revit软件下建立的BIM模型直接导入到了GIS软件中，然后在SuperMap桌面软件上利用轻量化工具进行了模型处理，生成了3DM格式的，并结合影像图、地形图等数据进行空间位置调整，实现了BIM数据与GIS数据的多源融合。
图5 BIM与GIS融合的地下站
为了实现孪生模型与物理实体信息对应挂接，必须开展轨道信息模型的单体化和建立数字化唯一标识工作。单体化工作需在轨道信息模型建设过程中同步处理，其实质是对模型对象进行单体语义化处理，表明单体模型对象的功能、性质等特性。而数字化唯一标识工作，结合温州智慧轨道建设的EAM管理系统的现有成果，开展唯一标识同步对接，为所有物理实体建立数字化唯一标识，并对应记录到孪生模型中去。
图6 物理实体设备与孪生实体对比图
04 建设整体方案
数字孪生轨道平台建设
数字孪生轨道平台是承载CIM模型、物联网实时数据、轨道业务数据等大数据资源的重要载体。通过对轨道数据资产整理、轨道业务分析和需求调研，我们梳理了基于CIM的温州数字孪生轨道全息管理平台需要具备如下功能：
1. 具备综合可视化功能
数字孪生轨道可视化是数字孪生轨道全息管理平台最基础的，也是最核心的功能。平台应具备二三维一体化、室内外一体化、地上地下一体化、移动端PC端多端一体化等全维度空间的可视化功能。
2. 具备承载多源数据融合管理功能
数字孪生轨道数据的多样性，造成了数据格式的多样性，因此平台需具备多源数据融合能力，包括实现二维数据和三维数据融合、激光点云数据与三维数据融合、BIM数据和GIS数据融合、视频流数据和三维数据融合、物联网监测数据和模型数据融合等。
3. 具备场景化定制管理功能
数字孪生轨道全息数据量大、种类多，需要按照场景化需求对数据进行组织，形成符合特殊场景需求下，用户对数据展示的需要。因此，平台需要支持按空间尺度或按专业分类等方式进行场景化数据组织。按空间尺度方式，可分为市域级、线路级、区间级、站点级、楼层级、大型设备级等多层级的三维场景管理。按专业分类方式，可分为消防、给排水、通风、信号、供电等专业层级的三维场景管理。
图7 空间尺度场景化管理图
4. 具备物联网数据实时接入功能
平台应具有流数据接入和实时处理的能力，支持实时对流数据进行属性和空间关系过滤；支持对位置事件进行快速响应和告警通知；可快速处理视频流数据，并可将视频流直接在三维场景下进行投射播放，可快速实现物理实体和孪生实体的实时映射。
5. 具备仿真推演模拟功能
仿真推演模拟功能是数字孪生平台的价值体现，平台需支持火灾、洪水、台风、治安、断电等事件的三维效果模拟功能，可在三维场景中动态标注事件位置，绘制事件影响范围，模拟人员所在位置等，为轨道应急安全预案设置和虚拟演练等方面三维辅助。
6. 具备“条数据”到“块数据”
数字孪生轨道平台应具备以孪生实体模型为中心，将与该实体相关的各个条线的业务数据联系到一起进行查询、展示、管理的功能。
05 数字孪生轨道应用
在轨道经营管理中的应用
采用数字孪生技术融合、挖掘、分析视频监测数据、AFC刷卡数据和车站相关的GIS数据，精准计算各个时段车站的人流量，以及乘客年龄构成，进行车站内广告的精准营销和商铺规划。以及分析乘客换乘线路及
图7.1 数字孪生在轨道经营管理中的应用
05 数字孪生轨道应用
在全面优化轨道资产管理的应用
通过数字孪生技术结合大量的设计、规划、竣工、检查、维修以及传感器等数据，建立不同专业的设备数字孪生模型，通过数字孪生模型与设备台账的关联以及传感器的实时检测预警，实现资产管理的全生命周期管理。例如某种型号的开关，它服役后的运行状态、检修历史、缺陷信息等，不管它是在
图7.2 数字孪生在轨道资产管理中的应用
05 数字孪生轨道应用
在轨道保护安全监管的应用
针对轨道安全保护区内作业项目繁杂、风险源多、周期长、难以管理等问题，全面梳理
图7.3 数字孪生在轨道保护安全监管中的应用
05 数字孪生轨道应用
在轨道应急指挥的应用
数字孪生技术为轨道各种灾害综合管理提供灾害预测和救灾指挥提供有效手段，通过建立轨道沿线和车站内的城市安全风险数据的高精度模型，将风险、人员、物资与空间信息关联起来进行联动管理，可在三维场景中进行灾害模拟演示，实现编制的应急预案可视化部署和下达执行。满足责任部门日常应急资源管理和战时应急救援处置的需要。
图7.4 数字孪生在轨道应急指挥中的应用
05 数字孪生轨道应用
在绿色环保节能管理的应用
轨道的绿色环保节能工作就是在满足车站运营环境( 温度、湿度及车站亮度等要求) 的同时，以最小的能耗完成轨道的日常运营服务，通过采用数字孪生技术，在满足轨道运营环境照度的基础上，调节灯具的照度输出，即调节灯具的输出功率或开关，从而减少照明系统的能耗。
图7.5 数字孪生在环保节能管理中的应用
05 数字孪生轨道应用
在运营检修管理方面的应用
轨道数字孪生模型和实体设备一起使用，利用GIS+BIM+IOT技术实现设备动态可视化监控和设备的集中管理维护，在日常巡检上可以通过各种物联网传感器和智能终端实时获取的数据，基于数字孪生模型，对轨道各专业设备的运行状况进行实时监测和可视化综合呈现，提高故障预判和维修效率。
图7.6 设备的可视化检修
总结
基于CIM的温州数字孪生轨道建设研究和探索是市铁投集团在数字化改革上的重要研究，今后将进一步推进以BIM、GIS、IoT技术为基础的数据融合，不断探索数字孪生模型在“智慧工地”、“智慧运维”等方面的应用。此外，通过轨道交通大数据管理平台的数据融合和共享交换能力，还将持续为温州市“城市大脑”提供城市交通一体化管理、城市应急一体化管理等方面所需的精细化、可视化的轨道交通数据，使智慧轨道、智慧交通理念全面落地。
