基于数字孪生的铁路工程应用综述与展望
文章来源于：铁路BIM联盟
为促进数字孪生技术在铁路工程中的应用，以文献统计分析、文献内容分析等为主要研究手段，对国内外数字孪生技术在工程建设领域的学术研究论文进行梳理总结，以期为数字孪生在铁路工程中的应用提供参考，并对数字孪生技术在铁路工程各阶段的应用现状进行分析。结果表明，数字孪生技术在铁路工程领域的应用已经广泛展开，但多数相关工作仍处于探索的初级阶段，缺乏广泛的实验验证与深入实践。为加速数字孪生技术在铁路工程中的发展，未来研究必须持续深化，不断进行实际应用，验证技术可行性，探索更广泛的应用场景。
引言
铁路工程是一个错综复杂的系统工程，需要各阶段相互衔接、各专业协同设计，工程建设过程周期长、参与方众多［1-2］。随着国家新时代西部大开发和“交通强国”战略的推进，高速铁路网逐步由中东部平原丘陵地区向西部山区拓展，山区铁路地形地质复杂，构造物多，桥梁隧道总长占路线长度的比例大，铁路工程的建设越来越复杂，其影响因素也越来越多，对项目建设管理也提出了更高的要求，亟需新技术助力铁路工程建设［3-5］。
近年来，数字孪生技术不断发展，越来越多领域开始关注数字孪生技术，数字孪生技术在数字空间内用高度精确的数字模型来描述和模拟现实世界中的事物，结合物联网将现实世界中采集的真实信息反映到数字模型，使之随现实进行更新，在数字空间内，使用模型和信息进行预测性的仿真分析和可视化［6-7］。数字孪生技术最初被应用于航空航天领域［8-9］，后进一步在制造业发挥了重要作用［10］。目前，数字孪生作为新一代信息技术发展的重要方向，在推动铁路智能建造方面也逐渐发挥起重要作用，《“十四五”铁路科技创新计划》 提出“要推动数字孪生等前沿技术与铁路范畴深度融合，增强智能铁路技术研发利用，开展铁路基础设施数字孪生平台研发利用”；中国国家铁路集团有限公司发布的 《“十四五”铁路网络安全和信息化规划》 中提出“要构建智能建造数字孪生平台，支撑铁路全生命周期一体化、精细化、智能化管理”；《数字铁路规划》 强调要“突破数字铁路关键核心技术，深化大数据、云计算、人工智能、区块链、物联网、数字孪生、可信计算等前沿技术的铁路创新应用。”
为促进数字孪生技术在铁路工程建设管理中的应用，本文通过对近年来在国内外学术期刊发表的工程建设领域以“数字孪生”为主题的研究型论文进行检索，以文献统计分析和文献内容分析等为主要研究手段，对国内外数字孪生技术在工程建设领域的学术研究论文进行梳理总结，以期为数字孪生在铁路工程中的应用提供参考，并对数字孪生技术在铁路工程各阶段的应用现状进行分析与展望。
1 数字孪生技术
在工程建设领域研究现状
为了解数字孪生应用的最新情况，本文对近年来在国内外学术期刊发表的在工程建设领域以“数字孪生”为主题的研究型论文进行检索，通过在不同数据库检索相关关键词，排除不相关文献，对其进行统计分析再精细阅读的方法开展研究。为提高论文阅读效率，减少论文分析工作量，主要检索中国知网、万方数据库、Web Of Science 等数据库的期刊论文。
通过对整体文献进行分析，发现数字孪生技术的起源可以追溯到20世纪70年代，当时美国宇航局（NASA） 开始使用数字孪生技术对航天器进行建模和仿真，其后数字孪生一直处于孕育阶段；直至2002年PLM咨询顾问Michael Grieves博士在美国制造工程协会管理论坛上提出数字孪生最早的概念模型，数字孪生技术正式进入雏形阶段［11］，直至2010年NASA在技术报告中正式提出“数字孪生”一词，数字孪生技术正式进入蓬勃研发阶段。数字孪生技术发展历史见图1。
1. 1 中文文献分析
在中国知网、万方数据知识服务平台中文文献数据库中进行检索，共检索到数字孪生技术相关文献 5000余篇，数字孪生技术在工程领域应用的相关文献 1450余篇，经过文献去重，其中期刊论文1 000 余篇，学位论文 280 篇，会议论文114篇，报纸文献36篇，科技成果16篇。中文文献总体发文趋势见图2，由图 2 可知，我国中文期刊文献最早研究与报道数字孪生技术始于 2017 年，自此以后，数字孪生技术在我国得到快速发展。
经检索，我们发现数字孪生技术在工程建设中的应 用 涉 及 到 的 主 题 主 要 有 ： 数 字 孪 生 、BIM 、数据驱动［12］、数字孪生流域、数字孪生模型［13］、数字孪生体、数字化转型、人工智能 、GIS、智慧水利［14］、物联网、物理实体、CIM、全生命周期、智能制造［15］、建筑信息模型、BIM技术、电力系统、智慧城市［16］、水利工程、可视化、大数据、BIM+3DGIS、管理平台、高质量发展、工业互联网、城市轨道交通、水利工程建设、数字孪生水利、故障诊断、数据融合［17］、信息模型、知识图谱、油气管道、智能运维、应用场景［18］、关键技术［19］、智慧运维等方面，主题分布见图 3。
经检索，我们发现数字孪生技术在工程建设中的应用涉及到的学科分布主要有：计算机软件及计算机应用、建筑科学与工程［20-21］、水利水电工程［22-23］、电力工业［24-25］、工业经济、铁路运输［26］、自动化技术、石油天然气工业［27］、信息经济、公路运输［28］、自然地理学和测绘学、航空航天科学与工程［29］、机械工业［30］、金属学及金属工艺、矿业工程、宏观经济管理与可持续发展［31］、电信技术、互联网技术、环境科学与资源利用［32］、动力工程等领域。学科分布见图4。
1.2 西文文献分析
主要针对美国 Web Of Science 数据库中进行关键词检索，共检索到6551篇文献，其中SCIE数据库收录4589篇、CPCI-S数据库收录1985篇，ESI高被引论文 143 篇、ESI 热点论文6篇。对检索到的全部西文文献的发表年份进行了分析，结果表明数字孪生技术在工程建设领域的应用起源于1994年，自 2010年研究逐渐增多，2017年开始得到比较快速的发展。
经检索，我们发现国外数字孪生技术在工程建设中的应用涉及到的学科分布主要有：电气电子、工程制造、航空航天、计算机科学跨学科应用、工程土木、工程多学科、电信、材料科学多学科、工程工业、能源燃料、物理应用、工程机械、运筹学管理科学、建筑技术、仪器仪表、自动化控制系统、化学多学科、环境科学、计算机科学人工智能、工程化学等方面［33-38］。
总的来看，国内外学者对数字孪生技术在工程建设的不同领域已开展了相关研究，可以看到，国外对数字孪生技术的研究开始相对较早，我国自2017年逐步开始数字孪生技术的研究，目前在建筑、水利、电力领域开展研究较多，铁路工程领域的数字孪生研究并不深入，数字孪生理论研究与实际应用相结合仍有较大的进步空间。
2 数字孪生技术
在铁路工程全生命周期应用现状
数字孪生技术能实时动态的反应物理对象的变化，其通过在数字空间实时构建物理对象的精准数字化映射，实现物理对象和孪生体的双向映射、数据连接、状态交互；并根据实时传感获取的数据，动态反映物理对象的变化，用于监测、诊断和预测，以优化铁路性能，目前在铁路工程多方面都已开展了相关的研究。按照铁路工程全生命周期的逻辑进行分析，从设计、施工和运维三个方面对相关的研究成果进行了归纳总结。
2. 1 数字孪生技术在铁路工程设计阶段应用现状
在设计阶段，数字孪生技术主要通过构建铁路工程的虚拟模型，提供精确、全面的设计参考，通过 BIM+数字孪生技术，可以构建铁路工程的三维数字模型，精确反映铁路线路的地理位置、地形地貌、桥梁隧道结构等关键信息；并且可以通过模型，对铁路工程的各种性能进行预测和优化，促进各方进行协同设计。
目前，数字孪生技术已经在模型构建、车站设计、协同设计、平台设计等方面发挥了作用。首先模型构建方面，王小书等［39］提出智能客站数字孪生五维模型，给出客站物理实体、客站数字孪生体、客站虚实连接、客站孪生数据、客站孪生体服务的内涵。郭泽［40］针对目前我国铁路隧道数字化建设主要基于BIM技术，实体模型的构建方法主要依托客户端软件手动绘制实现，方法效率低且通用性差的问题，开展了面向数字孪生的铁路隧道实体模型构建与跨平台服务进行研究，提出符合数字孪生的铁路隧道参数化建模方法，构建铁路隧道实体模型，实现跨平台空间数据服务。在车站设计方面，史天运等［41］结合信息物理融合和数字孪生的理念开展智能铁路客运车站的深化研究，提出增强型智能铁路客运车站的建设目标和设计理念，基于物联网平台采集的车站实际数据，利用数据融合、虚实交互、3D建模、增强现实等技术构建数字孪生平台，实现车站各业务仿真、安检应急和环境状态模拟、设备设施监控，以达到对车站未来状态的推理并以3D可视化展示。在协同设计方面，孟然［42］基于数字孪生的关键技术，进行了BIM+多元数字化协同技术研发，并通过工程实践尝试，实现了BIM+多元数字化技术在铁路工程建筑设计过程中不同阶段的实践应用，促使数字化技术向更全面、更智能、更便捷方向发展。李纯等［43］基于数字孪生铁路，以京张客运专线BIM项目为载体，研究能够集中管理各专业设计资源、定制各专业设计参数交互流程、构建专业间数据层面逻辑关联、具有统一数据框架的协同设计体系，强化各专业间的联系，提升了设计质量，为工程数字化建设提供了数据结构组织有序、易于维护、动态可感知的数字孪生工程，同时也为勘察设计企业拓展工程全生命周期业务提供了可靠的技术保障。张轩等［44］针对铁路工程面临的统一协同设计环境和规范化资料管理手段缺乏、流程流转效率和真实性低、项目信息化管理手段不足、三维成果可视化分析不易、知识数据资产无法沉淀的问题，提出了协同设计平台框架，结合层次化索引、增量存储技术、流程数字化构建、数据采集技术、基于WebGL引擎的数字孪生场景构建五项关键技术，并研发了协同设计平台，包含数字孪生场景可视化分析等功能，实现在数字孪生场景中查看全线设计成果，极大提升设计效率和质量，有效提高企业数字化水平。在平台设计方面，王爱丽等［45］提出铁路数字孪生生态共享服务平台的体系框架，对平台的总体架构、技术架构、功能架构和典型应用等进行总体设计和详细阐述，明确平台建设思路，以期为数字孪生铁路的设计和建设提供可行技术方案和基础支撑；此外，Ferdousi等［46］ 设计了一个名为“铁路数字孪生”的通用框架，结合对铁路工程当前状态的深入理解、对未来状态的预测以及对当前和未来状态的监督，实现自动化和驱动控制［47］，推动铁路行业实现超越传统结构建模或信息系统的数字孪生。
从文献调研结果来看，目前数字孪生在铁路工程设计阶段已经开展了实际应用的相关研究，数字孪生功能的实现，依赖于孪生模型实时动态的反应现实状态的变化，然而目前大多研究集中在构建数字孪生平台进行功能设计等方面，缺乏针对构建数字孪生模型的深入研究，总体来看，当前数字孪生技术在设计阶段的应用尚处于初级阶段，亟待加强对孪生模型构建方法、实时数据同步机制及模型精准度提升等方面的深入研究，以充分释放数字孪生技术在铁路工程设计中的潜力与价值。
2.2 数字孪生技术在铁路工程施工阶段应用现状
在施工阶段，数字孪生技术主要应用于施工过程的监控和管理，通过构建的数字孪生模型，实时监控铁路工程的施工进度；也可以利用数字孪生模型进行虚拟施工模拟，提前发现潜在的安全隐患和事故风险。
目前，数字孪生技术已经在桥隧施工管理、铁路数据应用、智能装备等方面开展了应用研究。在桥梁施工方面，谢以顺［48］将数字孪生技术应用于桥梁施工管理，基于三维实景复 制技术构建三维虚拟场景，将实际生产运行数据与虚拟场景结合，打造高铁桥梁施工的“数字双胞胎”，实现混凝土拌合站、钢筋加工厂、试验室、施工现场等不同区域的实时管控。Bello等［49］对数字孪生从概念的起源到当前以桥梁为重点的最佳实践进行了文献综述，发现将数字孪生应用于桥梁的研究相对较少，并发现数字孪生应用的主要挑战与过程中涉及的大量数据有关［50］，为了应对潜在问题，创新性地提出了一个基于数字孪生的桥梁智能设施管理框架。在隧道施工方面，梁策等［51］通过建立实体构件及施工工序的虚实映射机制，解决构件级数字孪生对象的动态创建与更新技术，设计多场景多类型模型融合与数据一体化模式，设置隧道施工质量诊断规则，以及构建隧道施工作业质量预测与优化反馈模型，形成一种钻爆法施工隧道数字孪生系统构建方法，有效辅助开展隧道精准质量管控和优化指导施工决策。在铁路数据应用方面，冯仕清等［52］以数据驱动构建数字孪生框架，提供车站物理实体和运营过程的全生命周期集成视图，通过全要素、全数据、全模型、全空间的虚实映射和交互融合，构建了数字孪生的智能高速铁路车站大脑系统，实现高速铁路车站管理运营由现象驱动向数据驱动的巨大转变，为智能车站实现和发展提供技术参考。在智能装备方面，刘海斌等［53］针对现有的高铁接触网腕臂柔性预配生产线，从平台架构和总体方案、模型的文件格式和导入方法、腕臂柔性预配生产线电气控制系统硬件架构、数据的分类和采集等方面，用Unity 3D建立了实景数字孪生平台，首次与数字孪生技术融合，设计开发实景数字孪生平台，提升高铁接触网建造配套智能装备的自动化和智能化水平。在智能监控方面，赵耀等［54］将铁路综合视频监控系统与BIM融合应用，形成数字孪生应用体系，提升铁路综合视频监控系统的用户交互及数据应用水平，促进铁路数字化转型及BIM、业务系统能力提升。
从文献调研结果来看，目前数字孪生在铁路工程施工阶段已经开展了实际应用的相关研究，但是从现有多数研究内容来看，当前大部分研究仍聚焦于模型演示与数据可视化的初级应用层面，若想要实现数字孪生的全面应用，尚需深入探索并拓展数字孪生在铁路工程施工阶段的应用与集成能力。
2.3 数字孪生技术在铁路工程运维阶段应用现状
在运维阶段，通过收集铁路设备的运行数据并构建数字孪生模型，可以实时监测设备的运行状态并进行故障预测，在突发事件或紧急情况下，数字孪生模型可以为应急响应和决策支持提供重要帮助。目前，数字孪生技术已经在车站智能运维、铁路基础设施运维、铁路通信运维、铁路数据运维等方面开展了相关研究工作。在桥梁运维方面，Dang 等［55］ 提出了一种使用数字孪生模型对既有老化预应力混凝土梁桥进行预防性维护的新概念，概念包含数字孪生模型 （DTM）、现实孪生模型（RTM） 和机械孪生模型 （MTM），DTM 采用集成建筑信息模型 （BIM），RTM则通过基于3D扫描数据的逆向工程表面模型进行验证，在桥梁的整个生命周期中，RTM 被持续生成，记录桥梁随时间发生的所有损坏情况，为决策团队制定桥梁维护任务的长期战略提供了重要支持。在车站智能运维方面，颜雯琪等［56］ 引入数字孪生技术，设计搭建智能高速铁路车站大脑系统，在参考数字孪生经典五维模型的基础上，搭建以物理空间为基础的管理平台，将真实数据提供至平台驱动系统，对实际情况进行描述和刻画，以期能够为旅客提供个性化定制服务、为站内工作人员提供工作路径优化服务，以提升整体工作效率。王小书等［57］运用数字孪生概念和方法，围绕客运站应急响应业务，提出客运站应急响应仿真方案，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的基本功能框架，并重点针对大面积晚点、大客流、火灾与暴恐等典型应急场景进行了细化仿真功能设计，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。针对重载铁路完成作业耗时较普通列车增大，车站站坪长度的延长导致作业人员走行距离更长，车站管理难度更大等问题，迫切需要对重载铁路车站进行数字化升级研究，宋宗莹等［58］ 从智能监测与感知系统、泛在互联车站网络系统、多方式融合高精度定位系统、车站运营场景数字孪生系统等方面对车站智能化基础平台进行了设计，提升了重载铁路车站作业质量和车站资源利用效率。在铁路基础设施运维方面，陈华鹏等［59］ 基于数字孪生的铁路基础设施的智能运维技术框架，指出了当前数字孪生在铁路基础设施智能运维应用中存在的主要问题及解决方案，为铁路基础设施智能运维管理提供新的理论方法。Doubell等［60］ 对数字孪生在铁路基础设施中的应用进行了综述，发现在基础设施领域，铁路行业对于数字孪生的应用仍处于初级阶段，实际实施案例较少，数字孪生技术通过整合来自不同来源的数据、验证管理范式以及处理大量数据等方面，为解决铁路部门基础设施数据管理的新兴需求提供了可能。在通信运维方面，刘宸荣［61］ 尝试将数字孪生体应用于铁路通信的日常维护管理工作中，以实景方式展示维护内容，尽可能地为通信维护管理工作提供直观、详尽的信息支撑和准确、可靠的决策依据，以期完善运营维护支撑体系，优化维护和生产组织，提高维护工作效率和维护质量，并为其他相关研究提供借鉴。在铁路数据运维方面，赵耀［62］ 提出系统总体架构，基于 BIM 模型构建数据中心数字孪生体，形成数字化底座及三维可视平台，利用物联网技术采集、更新数据中心全生命周期数据；在铁路数据中心建设阶段指导设计、施工，在运营阶段提供可视化、数据化平台，有效促进了铁路数据中心智能运维技术发展。
从文献调研结果来看，在铁路工程的运维阶段，数字孪生技术已广泛应用于多个研究领域，其核心目标在于构建一个能够精确映射并预测铁路设施实际运行状态与性能的虚拟模型。然而，当前的研究与实践面临一项重要挑战：即由于模型构建过程中不可避免的简化处理及假设条件的设定，导致这些数字孪生模型在复杂多变的运营环境和不同运输负荷条件下，难以完全无偏差地反映物理实体的真实状态。鉴于此，未来的研究应聚焦于两大方向：一是确保从设计、建设到运维各阶段数据的有效连续与整合，以减少信息断层；二是深化物理实体与数字孪生体之间的实时互动与精准映射，通过技术创新增强两者间的关联性与同步性，从而更准确地指导铁路工程的运维决策与优化管理。
2.4 数字孪生技术在铁路工程多阶段应用现状
目前数字孪生的在铁路工程领域的应用逐渐从单阶段应用，向多阶段全周期应用发展，相关学者逐步开展相应的研究工作，韩元利［63］基于数字地球的三维选线设计系统支撑，提出了构建真正具备全生命周期应用价值的孪生三维数字铁路普适性资产构建与应用产品体系，为行业提供全生命周期的技术服务体系。文武松等［64］对桥梁智能建造和智慧服务体系进行研究，通过人工智能＋物联网对梁厂生产过程进行智能安全管控，打造梁体的完整全生命周期数字孪生数据链，实现BIM+GIS的多模型融合＋真实场景的数字孪生系统，并形成桥梁建养一体化服务平台，不断提升桥梁行业全产业链生产效率。梁策等［65］提出数字孪生技术在桥隧建造中的应用是必然趋势，设计阶段能较好地集成早期建设的隧道、桥梁工序过程层面的信息化应用系统及其数据，在施工过程中能直接指导施工，同步形成面向竣工交付的数字资产。
3 铁路工程领域
数字孪生技术应用展望
总的来看，数字孪生技术正在蓬勃发展，在铁路工程领域国内外学者已开展了相关的研究工作，但多数相关工作仍处于探索的初级阶段，从设计-施工-运维三个阶段的移交和转换的研究较少，未来仍需不断深入探索。可以看出，随着数字孪生技术的逐步成熟，在铁路工程中的应用将具有广阔的发展前景。
（1） 技术融合与创新
随着技术的不断发展，数字孪生技术在铁路行业的应用将与其他先进技术深度融合，如物联网、人工智能、机器学习、大数据等。通过技术集成与创新，可以开发出更加智能、高效的铁路管理系统，共同推动铁路工程领域的智能化升级和创新发展。例如，利用物联网技术实现设备的远程监控和故障预警；利用人工智能技术实现列车的自动驾驶和智能调度等。
（2） 标准化与规范化
随着数字孪生技术在铁路工程领域的广泛应用，相关标准和规范将不断完善和统一，为技术的推广和应用提供更加有力的保障。例如，制定铁路工程领域数字孪生建模的管理标准和规范可以统一术语、元数据和数据格式等，从而提高不同厂商、不同系统间数字孪生模型的互操作性，提高模型的融合工作，为推广数字孪生模型的应用提供保障。
（3） 数字孪生生态体系建设
未来，铁路工程领域将围绕数字孪生技术构建完整的生态体系，包括技术研发、应用推广、人才培养、产业协同等多个方面，通过构建高度集成、智能互联的数字孪生平台，实现物理世界与数字世界的精准映射与实时交互，从而优化资源配置、提升决策效率、推动产业升级，这将为数字孪生技术在铁路工程领域的持续发展和创新提供更加广阔的空间和机遇。
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内容来源：
1.中国铁道科学研究院集团有限公司 BIM软件铁路行业重点实验室
2.中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所 张素华，郝 蕊，范文娜，王 焜，张 瑾，李润淼；铁道技术标准第6卷 第8期；中国知网。
