胡志强，李季涛，王洪鑫
（1. 抚顺矿业集团有限责任公司 运输部，抚顺 113008；
2. 大连交通大学 交通运输工程学院，大连 116028）
煤炭运输是煤矿生产的重要环节，煤矿企业编组站的主要生产活动就是调车作业，中间站的调车作业也很普遍。此外，煤矿企业调车作业不仅涉及到站内走行，还存在大量的正线运行，途经各种限速区段和平交道口。因此，煤矿企业调车作业具有点多面广、情况多变的特点。受调车作业地点多变、工作对象不固定、人员技能水平差别较大、天气环境多样等多方面因素的影响，调车作业安全管理难度较大。
数字孪生以数字化方式创建物理实体的虚拟模型，借助数据模拟物理实体行为，为物理实体扩展新的能力[1]。目前已在工业制造[2]、智能交通[3]等众多领域得到应用。数字孪生技术能精确模拟现实环境的具体活动，对解决具有高时效性及高安全性要求的调车作业监控有天然优势。
因此，为解决煤矿企业在动态多变环境下调车作业全过程的实时监测问题，破解安全管理“看不见、管不好、难预料”的困境，本文针对煤矿企业铁路运输突出的安全和效率痛点，以解决数据采集、远程控制等技术难题为突破口，设计基于数字孪生的煤矿企业调车作业监控系统（简称：监控系统）。
从煤矿企业的实际业务和数字孪生技术在调车工作中的潜在应用出发，调车作业实时监控的业务需求可分为作业安全需求、可视化需求、管理需求3方面。
1.1 作业安全需求
目前，煤矿企业铁路调车作业安全防护主要依靠无线平面调车灯显设备[4-5]，由于该设备的操作和使用效果较大程度上取决于调车司机的技能和操作经验，因此受人的因素影响较大。在调车作业过程中，因为人为麻痹和疏忽导致的调车机车越过阻挡信号机所造成的挤岔事故，超速行驶造成的冲突事故和脱轨事故等惯性事故时有发生，严重威胁煤矿企业的铁路运输生产安全。
1.2 可视化需求
煤矿企业在过去10多年间实现了部分设备和流程的信息化，提高了管理的效率和效果[6-7]。然而，对于现场作业仍做不到实时或预防性管理，主要原因之一是管理者无法知晓生产现场的实际情况，决策周期较长。可见，提高调车作业管理水平的关键之一是可视化。如果能结合调机移动定位、煤炭企业专线铁路网地图显示和安全防护设置，再辅以计算机联锁系统进路和信号机状态，就能够及时发现调车作业过程中的异常现象，及时报警或采取远程控制措施，从而避免因疲劳、疏忽等问题带来的安全隐患，提升调车作业安全的主动防护能力。
1.3 管理需求
（1）煤矿企业专线铁路管辖范围较大、线路里程长、车站众多，日常运营涉及机车、车辆、信号、传感设备、装卸设备、电力设备等，设备数量庞大、种类繁多，管理复杂度高；
（2）企业运输部门虽已有一些监控系统，但报警信息分散，故障根因追溯困难；
（3）企业运输部门现有应用系统众多，数据分散，且不能在同一个平台展示，管理者难以基于分散数据实现正确决策。
数字孪生作为一种充分利用模型、数据、智能算法并集成多学科的技术，能够充分发挥连接物理世界和信息世界的纽带作用，可在虚拟空间再现调车作业运营场景，通过虚实融合的系统实现方式，提高基础设施的感知能力、分析能力、管理能力和服务能力。
煤矿企业调车作业的数字孪生不是对调机、信号机、路网等物理对象的简单数字化，而是根据具体业务需求，从模型处理、可视化渲染、虚实融合等多方面进行全过程、全交互、全实时的监控[8-9]。
2.1 技术架构
监控系统是基于煤矿企业调车工作安全管理需求构建的，主要由5类技术紧密结合而成，系统的技术架构，如图1所示。
图1 监控系统技术架构
其中，（1）感知与标识技术为监控系统提供了数据采集和传输能力，如从调机车载系统采集机车实时运行数据（速度、经纬度坐标），从计算机联锁（CI）系统采集信号机实时状态数据等，并通过全域设施标识与路网模型集成；
（2）空间地理信息技术为监控系统提供了集成底板、参照基准和调机实时位置地图匹配服务；
（3）建模与渲染技术为监控系统提供了基础骨架，以实现对煤矿企业物理路网的精准刻画与可视化呈现；
（4）算法与仿真技术通过作业回溯、关联分析对问题进行诊断总结，通过态势模拟、深度学习将预测结果等呈现给管理人员用于决策；
（5）交互与控制技术为管理者和工作人员对日常调车作业监控与管理提供了互动操作支撑。
2.2 系统总体架构
监控系统按照中心平台与铁路现场相结合的方式，设计了中心集中监测与管控方案，系统总体架构，如图2所示。
图2 监控系统总体架构
（1）基础支撑层主要实现铁路现场数据的采集，以及少量远程控制功能，采集数据主要包括调机速度和位置数据、进路和信号机状态数据、调车作业计划、股道现车数据、线路环境数据及司机实时状态；
（2）基础支撑层通过铁路有线、无线通信网与路网数字孪生模型相连接，路网数字孪生模型为监控系统提供了数据、平台和计算能力；
（3）功能应用层为调度中心工作人员和管理人员提供了路网全部调车机车作业全过程可视化监控和调车司机状态监控功能，在紧急情况下中心工作人员可对调机进行远程控制，管理人员可对历史作业过程进行回溯、分析、诊断，以满足科学合理的决策需求。
数字孪生技术是通过构建物理对象的数字化镜像来描述物理对象在现实世界中的变化，以实现状态监测、趋势预测和安全管理。为此，需要解决数据采集与传输、路网数字孪生模型和远程控制3方面的关键技术。
3.1 数据采集与传输
数字孪生的核心是模型和数据，建立完善的路网数字孪生模型是第一步，而融入更多的数据才是关键。调车作业监控系统需要获取的主要数据是调机数据和线路信号数据，要想充分发挥监控系统的潜能，数据的准确性、一致性和传输的稳定性也至关重要。
（1）调机数据
为获取调机位置、速度等实时数据，本文利用射频识别技术（RFID，Radio Frequency Identification）、卫星定位模块、视频摄像头等感知设备，实现对调车机车的实时数据采集，并对采集到的数据进行预处理；
利用无线通信技术，将采集到的数据传输到地面服务器，实现在虚拟路网上对调车作业信息的持续更新，为生产管理、安全预警、远程控制提供数据基础。
（2）信号数据
研究多源数据融合技术，开发了与计算机联锁系统的数据交换接口；
采用基于离散事件的触发方式和推送协议，从计算机联锁系统实时获取路网信号机状态数据；
采用全域标识技术为线路信号机、区段等物理对象赋予唯一的身份编码，从而确保调车作业过程中的路网物理实体能与孪生空间中的路网数字虚体实现精准映射，从而实现了信号机状态数据的采集、传输与可视化显示。
3.2 路网数字孪生模型
为实现对调车作业的可视化实时监控，在获取调机和信号数据基础上，构建了与真实路网相映射的数字孪生路网，如图3（a）所示，支持WGS84和CGCS2000投影坐标系。实现了以点和线段作为基本单位，对路网内进出站信号机、平交道口等关键位置进行个性化安全防护设置，为调车作业主动安全防护和调度中心远程控制提供数据支持，如图3（b）所示。对路网模型的有效管理，为监控系统提供了集成底板和参照基准。
图3 路网数字孪生模型
3.3 远程控制技术
为消除严重安全隐患，如违规冒进信号等行为，调车作业监控系统可根据调机实时位置和速度数据，结合路网数字孪生模型安全防护设置的信号机安全防护区段，判断调机是否存在冒进信号行为；
在调车机车驾驶室安装了控制主机箱，如图4（a）所示，实时接收调度中心监控系统发出的远程控制指令；
在机车制动风管处加装电磁阀，如图4（b）所示，在接收到主机箱指令后自动排风，调车机车紧急制动，实现了在紧急情况下对调车机车的远程制动控制，可有效防止事故的发生。
图4 调车机车远程控制装置
目前，本文研发的基于数字孪生的煤矿企业调车作业监控系统已在抚顺矿业集团有限公司运输部上线运行。该公司运输部路网线路总延长415 km，主要担负着抚顺矿业集团与国家铁路的交接和矿内的列车运行、调车及装卸作业。监控系统路网调车作业实时监控界面，如图5所示，在路网模型上实时显示了全部作业调机的位置和速度信息；
单台调机运行监控界面，如图6所示，可更详细地看到作业进路上的信号机状态；
实现了对调车司机作业过程的实时可视化监控。现场实际应用表明，该系统能对该公司运输部调车作业全过程进行较高精度的实时监控，有效降低了日常违规作业现象，消除了严重违规作业风险，提升了主动安全防护水平。
图5 路网调车作业实时监控界面
图6 单台调机运行监控界面
在加快煤矿智能化发展的时代背景下，本文研制了基于数字孪生的煤矿企业调车作业监控系统，实现了对调车作业全过程的实时监控和安全管理，同时，支持跨设备、跨系统、跨流程的孪生一体化和决策控制一体化，具有一定的推广应用价值。
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