铁路机车车载设备数字孪生体构建方法研究

针对当前铁路车载专业培训系统缺少对设备运行状态实时映射、培训内容仿真度不足等问题，利用数字孪生虚实模型精确映射、数据实时仿真分析的技术特点，基于CINEMA 4D+Unity3D平台及数字孪生五维模型，提出一种铁路机车车载设备数字孪生体的构建方法。该方法通过分析物理设备运行状态、构建高保真虚拟设备模型，以及优化孪生数据采集方式，实现实时驱动虚拟设备状态显示及设备运行状态分析等功能；最后通过构建铁路机车车载设备培训系统，实现面向参培学员的实时培训指导。通过试验验证了该方法的可行性，并为铁路其他相关设备的数字孪生体构建提供了技术参考。     

列车转向架数字孪生建模仿真关键技术研究

为全面推进数字列车的工程化应用,以数字转向架建设为突破点开展数字孪生建模仿真关键技术研究,实现物理实体与数字孪生体之间的虚实交融,进一步提升转向架故障诊断及健康管理的有效率和准确率。转向架数字孪生体是一个数据驱动的多学科、多物理、多尺度、高保真度的虚拟模型,模型的输入为自身结构参数、车载在线监测系统数据、车库定期检修数据等多源数据,输出为实时动态展示的动力学性能评价指标(如脱轨系数和轮重减载率)、结构强度指标(如应力和累积损伤),能反映并预测转向架全寿命周期内的动力学及强度性能,从而革新现有的转向架运营维护模式。提出一种转向架数字孪生体建设的框架结构,可实现动力学、结构强度关键技术指标的实时动态展示与反馈设计功能。论述转向架孪生体建模的四大关键技术及技术路线,给出转向架动力学孪生子模型、结构强度孪生子模型的仿真方法及步骤,对比分析多种仿真试验设计方案并给出一种最优建议方案。提出一种基于深度学习神经网络的代理模型技术路线,并通过轮对的轮轨力预测、轮对应力预测案例验证模型的有效性及准确性。研究成果可用于指导构建列车转向架数字孪生工程应用的核心模块,并将其部署在地面中心。     

数字孪生技术在城轨车辆全生命周期中的应用研究

数字孪生作为物理实体在虚拟世界的多维数字化映射,可实现与物理世界的虚实融合、实时交互等,进而在产品全生命周期中实现多种服务与功能,包括仿真验证、运行监测、智能管控、健康管理等。随着信息技术的不断发展,互联网+、大数据、云计算等理念和技术的推广和普及为数字孪生技术的落地提供了可能。文章介绍了数字孪生技术的历史发展,并对其概念内涵进行了定义,提出了现阶段可与数字孪生技术结合运用的关键技术。针对城市轨道交通车辆的全生命周期,分析了数字孪生技术在各生命阶段的典型应用,对数字孪生技术在城轨车辆行业的应用和发展做出了展望和总结。     

基于数字孪生技术的变压器状态监测研究与探索

大容量变压器正常工作是保障铁路牵引供电系统正常运行的重中之重。本文基于数字孪生技术搭建数字化模型，实现多维度、多概率、全息影像映射的全过程仿真，在虚拟空间中完成实体设备生命周期内运行状态监测和管理，对变压器内部零件建立模型，完成3D实时运行动画映射。对变压器运行状态进行实时监测，利用模型进行赋值和虚拟-现实微观可视化展示，结合监测分析获得变压器实时运行数据，发出故障预警信息，并提出运行建议方案。利用历史运行数据，结合运行状态给出维护决策，根据自动生成的状态检修和风险管理策略完成对变压器的状态维修和寿命的精准预测，实现设备全方位的健康管理。     

基于BIM+GIS技术的高铁动车运用所数字孪生关键技术研究

动车运用所作为动车组日常整备检修作业的场所,其信息化管理水平与高速铁路高效、安全运行息息相关。为适应高速铁路数字化、网络化、智能化转型发展,基于BIM+GIS融合技术开展动车运用所数字孪生关键技术研究。提出动车运用所数字孪生总体技术架构,阐明动车运用所数字孪生模型、业务数据库及数据库关联驱动的构建方法、构建流程和涉及的关键技术,并给出了动车运用所数字孪生典型应用。研究成果实现了动车运用所物理世界的数字化映射与交互,体现了数字孪生技术的应用价值,为动车运用所智能运维研究与工程应用提供了一定技术支撑。     

数字孪生技术在轨道交通车辆全寿命周期管理中的应用思路

为将数字孪生技术应用于轨道交通车辆全寿命周期管理各业务，实现作业效率和作业质量的进一步提升，结合数字孪生在其它产业的应用情况，从数字孪生的定义、特征、关键支撑技术出发，阐述了数字孪生技术在轨道交通车辆行业产品研发、工艺设计、采购物流、生产制造及检修运维等业务板块的应用场景。对于建立理想状态的轨道交通车辆数字孪生体，从开展MBD(基于模型的工程定义)技术的协同应用、产品构型管理、产品健康管理，以及构建多物理场、多学科的协同仿真等方面提出建议。     

基于数字孪生模型和状态监测系统的道岔预测性维修

随着智能制造和数字技术的进步,通过持续监测道岔状态以实现其预测性维修已成为可能。为根据列车和道岔间的相互作用构建道岔预测性维修技术体系,文章首先提出通过将多体仿真和有限元分析相结合,分析列车-道岔间相互作用,以确定道岔易损伤位置及相关传感器布设位置的建模方法;然后将有限元分析所得的钢轨动态柔度和接触力结果与多体仿真模拟计算结果进行比较,以验证模型的有效性;最后展望将数值模拟模型转化为数字孪生模型,以及利用3D打印技术实现基础设施智能监控的未来愿景。     

24脉波整流器中故障信号的重构

24脉波整流器在出现故障时,产生的故障信号数据量大,稀疏度低,无法准确做到故障预警。为此提出一种基于压缩感知理论(CS)的故障信号恢复重构的方法。首先,在MATLAB中搭建24脉波整流器模型,仿真出故障信号;其次,利用冗余字典对原始故障信号进行稀疏表示,并提出一种基于Dice系数相似性匹配准则的分段正交匹配追踪(Dice-StOMP)算法,该重构算法用Dice系数相似性匹配准则来替代内积度量匹配性准则,从而实现对支撑集的优化并恢复出原始信号;最后,在MATLAB中验证模型的有效性与算法的优越性。仿真结果表明,搭建的模型可以正确仿真出故障信号,而且新提出的算法相对于其他恢复算法,具有更高的重构精度与更短的重构时间。     

基于数字孪生模型的铁路客运站应急响应仿真方案研究

客运站是铁路客运组织的重要场所,客运站内任何突发事件将带来不良社会影响。面对突发事件时,如何确保客运站现有的资源条件和响应机制,能够有效控制事态演化,是目前亟待解决的问题之一。文章在梳理铁路客运站应急响应业务基本流程的基础上,明确应急响应事前、事中、事后的仿真需求;采用数字孪生概念和方法,建立客运站数字孪生应急响应模型,设计客运站应急响应仿真软件主要功能,并重点对大面积晚点、大客流、火灾与暴恐等典型应急场景,细化仿真功能设计,为下一步开发客运站应急响应仿真及能力评估应用奠定基础。     

列车牵引系统网侧过流故障实时诊断与保护策略研究

目前机车和动车组牵引系统网侧过流故障存在诊断与保护方式单一且无法准确定位具体故障源的问题,因此提出了一种基于决策树模型的实时诊断方法:通过离线分析网侧过流故障的相关信号,得出其故障特征量并建立决策树模型;实时采集运行过程中的信号并计算其故障特征量,基于决策树模型来实现故障的准确定位;根据故障诊断结果采取不同保护策略,以实现故障的最优保护与隔离.现场测试结果表明,该方法简单有效,可实现对故障的实时诊断与最优保护,大幅提升列车可用性和智能化水平.     

基于工况事件时序特征的牵引变压器次边短路故障实时诊断与保护

针对目前列车牵引变压器次边短路故障无法实现实时检测,难以实现全工况有效保护和故障点精确定位的问题,提出了一种基于工况事件时序特征的实时诊断与保护方法。该方法通过分析不同工况下时序特征变化规律,总结与工况强关联的事件时序特征模式,并设计出能实现其故障检测与定位的工况事件诊断规则模型与时序特征模式诊断规则库,基于诊断结果设计合理的检测保护策略,实现次边短路故障的全工况实时诊断与保护。最后通过仿真测试验证了所提方法的有效性。     

欧洲铁路数字孪生战略实施计划与应用现状

文章首先探讨在数字孪生趋势下欧洲铁路行业发展的机遇,阐述在数字孪生研发上进行持续投入对推动铁路数字化转型的关键作用。然后,简述法国国家铁路网应用数字孪生技术时面临的挑战,介绍目前与该公司数字孪生计划相关的5个项目的详细信息,以及通过部署此类技术带来的铁路网络性能的潜在收益。最后,介绍数字孪生技术作为铁路向数字化转变的一部分是如何在荷兰ProRail公司推广并应用于复杂、关键设施设备的健康状态判断的,以期为铁路行业从业者提供经验借鉴。     

盾构机远程监控系统在GIS+BIM平台中的集成开发及应用

为解决远程实时监控盾构机施工并联动查看项目其他数据的问题,结合GIS+BIM技术,在GIS+BIM数字化项目管控平台中集成开发了盾构机远程监控系统,实现远程查看多台盾构机的实时数据,包括盾构位置、盾构台账、运行参数、盾构姿态、时间材料统计分析以及风险预警,同时能够联动查看GIS+BIM平台中施工进度、监控量测、视频监控、协同资料与场地模型等施工项目数据。分别从系统硬件架构、软件开发及实施流程、系统主要功能进行研究与分析。系统辅助管理人员进行盾构施工掘进决策,提高了管理效率,节约了管理成本,并在青岛地铁8号线项目中进行了推广应用,效果良好。     

神经网络在机车测速传感器故障诊断中的应用

提出了采用径向基(RBF)神经网络设计一种新型的机车测速传感器故障诊断方法.以光电式测速传感器的常见故障为模型建立RBF神经网络预测器,通过对预测器进行在线训练和实时检测来判断测速传感器是否发生故障,并对故障传感器提出决策方法和进行数据重构.仿真结果表明,该方法能够高精度地模拟传感器的输出特性,快速有效地进行测速传感器的故障诊断.     

基于六导线模型的接触网广义测距方法研究

针对不同的工况，牵引供电系统的运营方式比较灵活，在不同供电模式下，故障测距的方法也不同。不同区间、不同故障行别、不同故障类型等因素，在很大程度上增加了测距方法的复杂性。本文提出基于六导线模型的广义测距方法，通过搭建牵引供电系统的六导线模型，以末端并联运行的复杂情况为例，根据全线数据推导出广义测距公式，该方法无需考虑故障区间、故障类型等因素，同时适用于各种复线并联的运行模式；引入线路的不平衡系数，能够根据不同现场情况修正测距结果；利用RTplus牵引供电系统实时数字仿真仪器进行测试，测试结果与理论分析具有较好的一致性，验证了方法的可行性和准确性，完全满足工程需求。     

数字孪生在轨道交通电力牵引系统应用的探讨与展望

随着我国轨道交通电力牵引系统的快速发展与技术成熟,其可靠性评估与智能化监控技术逐渐引起关注,数字孪生是基于数据与机器学习对实际物理系统的虚拟刻画技术,可以实现对实际物理系统的行为特征模拟与参数监测,因此将数字孪生技术引入轨道交通电力牵引系统领域,可为其数字化、智能化监控与运维提供发展思路与技术手段。文章首先对数字孪生技术目前在电力牵引系统中的应用现状进行了综述,进而列举了电力牵引系统数字孪生构建过程中所需的关键技术及其发展情况——在电力牵引系统领域,数字孪生及其相关技术仍在理论研究阶段,只有针对部分子系统的探索性研究,尚未形成完善的系统建模与智能监控体系;最后,文章展望了数字孪生技术在电力牵引系统领域的工程化实现前景,探讨了其投入工程应用可能会面临的内部技术问题与外部客观挑战,旨在为后续技术研究与实践提供参考。     

片间短路时变压器铁芯涡流场的三维建模与分析

由于变压器铁芯每级叠片的尺寸不同等原因,当前用于电机定子铁芯故障的二维方法难以适用。为得到故障时变压器铁芯局部磁通及涡流分布的变化,进而为优化设计提供相应的仿真依据,本文提出故障时变压器铁芯故障点的等效电导率,且基于此建立牵引变压器三维有限元故障模型;其次利用该模型对故障时变压器铁芯内部的磁通分布、涡流分布以及涡流损耗进行仿真研究;最后采用较精确的涡流损耗计算方法——等效电路法对涡流损耗的仿真结果加以验证。结果表明:该有限元故障模型对涡流损耗的仿真结果与等效电路计算结果相近,证明该模型对变压器片间短路故障仿真的有效性。     

基于数字孪生的城市轨道交通智慧运维应用

目的：在城市轨道交通数字化转型的发展趋势下，我国大部分城市轨道交通运营单位均致力于城市轨道交通智慧运维体系建设，需对城市轨道交通智慧运维应用过程中出现的问题及面临的痛点进行深入研究。方法：介绍了上海城市轨道交通智慧运维的应用情况，提出将数字孪生应用于城市轨道交通智慧运维平台中。对海量多源异构数据的处理、“管用修”智慧管理业务流程的建立、信息资源的融合等问题提出了智慧运维的解决方案。在此基础上，搭建了智慧车站平台、智慧维保平台的功能架构，阐述了城市轨道交通线网-车站两级云计算平台在实时数据和业务整合上的方案。结果及结论：智慧运维需要在建设之初即应做好统一规划。基于数字孪生的城市轨道交通智慧运维应用可以提高设备的智能化感知水平，降低人工运维强度，提高运维质量，降低运维成本。     

一种新型基于模型的动车组牵引逆变器开路故障诊断方法

针对CRH3型动车组牵引逆变器绝缘栅双极型晶体管开路问题,提出一种新型基于模型的动车组牵引逆变器开路故障诊断方法。利用键合图对非线性的牵引逆变器进行建模;依据键合图模型,推导出符合能量守恒的系统行为约束方程;基于系统行为约束方程,利用最小二乘法对系统当前行为进行辨识;通过比较系统的实际行为以及预期行为,产生故障识别向量,从而对开路IGBT进行识别和定位。仿真试验表明,本文所提方法能够对单个IGBT开路以及两个IGBT同时开路故障情况进行准确、实时地检测和定位。     

牵引变电设备状态感知与分析系统方案研究

牵引供电系统正在向智能化、数据化、自动化的方向发展，而牵引供电系统的在线监测数据相对单一，缺乏对各类设备信息中有效数据的综合应用及分析。本文通过研究状态感知与分析技术，结合牵引变电关键设备故障特点及原因，提出牵引变电设备状态感知与分析系统设计方案，并对该方案进行现场验证，实现对牵引变电设备运行状态实时诊断评估、故障预警及诊断分析，提高了牵引变电设备运行的质量。