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基于数字孪生的列车模拟运行监控系统随着城市轨道交通网络规模进一步快速发展扩大，对轨道交通中既有线路的运行调度必须进行研究和优化，对城市轨道交通不同场景下的列车运行调整问题也一直是专家研究的重点。但城市轨道交通列车的线路规划、站点停靠及调度方案的问题不能通过简单的调研得出，且其理论计算的方法存在明显不足，采用实验方法成本过高且得不偿失。

2、数字孪生作为一种新兴热点技术，借助数据、模型和分析技术为物理实体提供检测、诊断、预测等服务，然而数字孪生技术市场日益扩张但尚未普及，近年来才出现包含交通领域方面的智慧数字孪生城市的研究，且数字孪生技术在优化列车运行方案方面的运用不多。目前成都已经基于数字孪生架构建设了地铁全自动运行智慧平台，但在其他地区并没有看到该技术的投入应用，存在着广阔的需求市场。

解决方案

因此，发明一种基于数字孪生的列车模拟运行监控系统，在软件中利用数字孪生模型重现列车运行状况并模拟和验证线路与列车调度运行方案设计是否可行，同时对城市轨道交通不同场景下的列车运行调整问题以及轨道交通中既有线路的运行调度问题进行研究，可大大节省实际列车运行所需的时间和资源成本给实际线路调度方案提供决策依据，具有很好的应用和研究价值。

技术方案

该项目设计一套基于数字孪生模型的列车模拟运行系统，借助自主研发的一套列车模拟运行模型及数据监测及生成数据，利用生成数据进行复盘展示和调度运行方案优化分析，为解决列车运行、站点设置、调度优化等问题提供设计依据。

本系统可以定义模拟的路线及站点参数模型，然后按照预定的设置控制列车的运行，同时建立列车的数字模型以实时呈现列车的运行状态，并将各项参数存储进预设的数据库，并进行数据分析，将结果可视化呈现，此为实时监测显示。当需要利用自定义数据构建数字模型时，可以利用系统基于数字模型的仿真模拟显示功能，输入自定义的初始数据，结合前期得出的列车运行时各参数变化情况的函数模型，计算出列车在实际运行时应有的数据，将这些数据存入数据库并构建数字模型。系统还具有复盘展示功能，可以在显示结束后调用数据库中的历史数据重建列车的运行时的数字模型，绘制模拟运行图，并将对应的数据呈现出来，且随着模拟运行图同步动态变化，以便于后续进一步的分析和研究。

软件部分

设计创新

1、本系统可以模拟列车真实运行情况，通过定义模拟的线路及站点的模型、设置列车运行参数，如启动加速度、制动加速度、运行速度等，根据定义的线路及列车运行状态，生成相应的指令控制列车运行并进行在线监测，可以实现列车模拟运行的功能包括：

（1）可以以折线图、柱状图等多种数据显示形式实时显示监测的参数，直观反映各类监测数据的变化趋势及变化情况；

（2）可以以模拟模型图、实际线路图的形式动态显示列车的运动轨迹，且同步将所有监测数据存入数据库，进行查询统计和大数据分析；

（3）可以在软件系统自主定义所需要的线路模型，包括线路、站点，并按照软件系统的线路定义在实验室搭建出相应模型轨道；

（4）可以进行实物模拟。通过实物模拟，可以直观看到列车在自主定义线路上的运行状况并作出分析，能更高效、方便以及更切合实际地去规划列车的建设；

（5）本系统在实验室搭建模型轨道，并安装各类传感器，能实时监测列车整个运行过程的状态参数，采集列车的各类参数，包括电压、电流、温度、位置、速度等，并实时存入后台数据库，通过后台数据分析，还能对各指标进行超限预警，提高列车运行的安全性。

2、利用孪生模型模拟可为既有线路和列车调度运行方案设计提供试验和验证功能，大大节省实际列车运行所需的时间和资源成本，具有很好的应用和研究价值。

（1）项目研究的重点在于搭建列车数字孪生体模型和实现动态数据驱动的仿真，即基于实时数据构建数字孪生模型和降低数字模型的误差，以提高系统的可靠性和准确性。

（2）借助新兴热点的数字孪生技术，建立与实际列车运行系统相匹配的复杂列车模拟运行孪生体模型，借助数据、模型和分析技术搭建一套科学有效的列车模拟运行监测系统。

（3）此系统具有数据复盘和运行效果的展示，能提供运行调度方案分析功能，提高系统的实用性，对实验所得数据进行更细致的分析整理，给既有线路运行管理提供更多、更具有参考价值的实验依据。

关键技术

本系统的关键技术主要有“模型层”的构建、虚拟时间线的构建、数据分析以及列车运行方案的优化评估。

4.1 “模型层”的构建

根据用户定义的线路模型，对线路在二维平面上的线性模型虚拟划分为三维平面上的逻辑模型。模型层的引入，使得系统能够在有限的轨道上模拟任意线路，并且能任意地改变线路，提高本系统的适用性。模型层是对用户定义的线路模型进行虚拟划分的层。用户通过定义站点、监测点、供电区间以及红绿灯完成对线路模型的定义。由于线路在平面上是线性的，当线路长度相当大时，在二维平面难以完整的描述线路模型上所有的站点、监测点、供电区间以及红绿灯的信息。而模型层的引入使得在有限的轨道上能够模拟任意长距离的任意线路。模型层对二维平面的线路模型进行虚拟划分，使之成为三维平面上的逻辑模型，换言之，有轨电车并非在二维平面线性的线路上运行，而是在各层模型层.上运行。由于有轨电车在线路上的运行是连贯且循序的，因此各模型层的先后关系应当是与有轨电车在线路模型运行的顺序---对应并且各模型层上的站点、监测点、供电区间以及红绿灯与线路模型也是一一对应的。模型层具有多样性特点 ，用户可按照实际需求改变模型定义中的某些可变参数，模拟不同的运行轨道与列车，可适应性强。