【愚公系列】《工业数字孪生与企业应用实践》027-案例:数字孪生监管高速动车运行状态助力智能生产
标题 | 详情 |
---|---|
作者简介 | 愚公搬代码 |
头衔 | 华为云特约编辑,华为云云享专家,华为开发者专家,华为产品云测专家,CSDN博客专家,CSDN商业化专家,阿里云专家博主,阿里云签约作者,腾讯云优秀博主,腾讯云内容共创官,掘金优秀博主,亚马逊技领云博主,51CTO博客专家等。 |
近期荣誉 | 2022年度博客之星TOP2,2023年度博客之星TOP2,2022年华为云十佳博主,2023年华为云十佳博主,2024年华为云十佳博主等。 |
博客内容 | .NET、Java、Python、Go、Node、前端、IOS、Android、鸿蒙、Linux、物联网、网络安全、大数据、人工智能、U3D游戏、小程序等相关领域知识。 |
欢迎 | 👍点赞、✍评论、⭐收藏 |
🚀前言
在现代交通运输领域,高速动车作为技术与速度的象征,承载着人们对高效出行的期待。然而,随着运营规模的不断扩大,动车的运行安全和效率管理面临着日益严峻的挑战。如何实现对高速动车的实时监控与智能化管理,成为了行业亟待解决的核心问题。数字孪生技术的应用,恰好为这一难题提供了创新的解决方案。
本期文章将围绕“数字孪生监管高速动车运行状态助力智能生产”的案例展开,深入探讨这一前沿技术如何在高速动车的运行管理中发挥关键作用。通过构建虚拟模型与真实车辆运行状态的实时映射,数字孪生不仅能够精确监测动车的动态表现,还能通过数据分析与预测性维护,提升整体运营效率和安全性。
🚀一、案例:数字孪生监管高速动车运行状态助力智能生产
🔎1.行业背景
高速动车的出现极大地提高了人们的出行效率和便利性。截至2022年年底,我国高铁通行总里程已达到42,000千米,继续位居世界第一,并且高铁网络还在继续建设中。根据国家《“十四五”现代综合交通运输体系发展规划》,预计到2025年,我国高铁总里程将达到50,000千米,覆盖95%以上的50万人口以上城市,基本形成“全国123高铁出行圈”,以更好地满足人民的出行需求。
随着高铁建设的深入,我国的高铁技术也在不断改进和完善,包括动车组、轨道电气化设备等方面的提升,极大增强了整个系统的安全性与可靠性,为旅客提供更优质的服务。未来,高铁将更加注重智能化与数字化发展,通过设备升级来确保数据指标的精准性,如硬件、传感器、数采设备和大数据管理软件的迭代,确保各项数据的准确有效。同时,采用数字孪生等先进技术,通过三维可视化展示整车数据驾驶舱,实时监控各项技术指标。
高速动车是地面交通中复杂度较高的装备,需建立动车运行状态智能监控与预警系统,实时监控关键参数,进行故障诊断与预测。通过数据分析为运营管理和维护保养提供建议,实现从“计划修”到“状态修”的转变,降低运营维护成本。
🔎2.技术特点
高速动车是当代高新技术的集成,代表了现代科技和经济发展的最高水平。它源于传统铁路,但通过多项高新技术的突破,成为了一种与既有路网兼容的新型交通系统。高速动车技术在不断更新换代,逐步完善,已经成为继航天工业后最庞大复杂的现代化系统工程。
高速动车涉及多个学科领域,包括计算机技术、微电子技术、电力电子器件的实用化、遥控自控技术等,充分展示了系统的综合性。依托这些技术,建立了先进可靠的列车运行控制系统、高效的运输组织和运营管理体系。各子系统围绕统一的运行管理目标相互配合,确保了高铁系统的高效运作和安全监控。
然而,由于高速动车系统数据繁杂,各个系统之间相互作用,导致数据监管的难度较大。车辆的基本信息(如列车号、线路、车型等)、运行数据(如当前位置、行驶里程、当前速度等)、部件监管数据、健康评估数据以及故障预警数据等都需要进行有效监管。
🔎3.行业需求
在高速动车运行状态的监管中,数字孪生技术起到了至关重要的作用。为了实现对动车运行状态的高效监管,需要接入大量的动车数据,并进行数据清洗、分析、存储、模型接入和可视化展示等。
🦋3.1 可视化需求
- 利用3D建模、GIS、BIM等技术手段,建立高速动车的三维可视化模型,形成可视化载体,提供以下展示方式:
- GIS全场景展示:全面展示动车的运行环境。
- 自由三维漫游展示:允许用户自由浏览动车内部及其运行状态。
- 单体设备三维展示:对各类设备进行单独的三维展示。
- GIS+BIM模型展示:结合地理信息系统与建筑信息模型,展示整个系统的空间布局。
- 监控仪表数据可视化展示:实时展示各项关键运行数据,便于操作人员监控。
🦋3.2 数据采集需求
-
高速动车车载数据处理中心数据采集:该项目需要对接智能列车车载数据处理中心,采集、分析并存储列车传感器网络、列车控制网络和基于电子标签的物联网数据。通过这些数据实现动车各功能模块及前端设备的三维可视化展示和预警。
-
高速动车组远程故障诊断系统数据采集:需要对接动车组系统,将动车组运行过程中列车控制网络中的重要运行参数及设备故障情况实时展示在三维可视化模型中,便于值班人员实时掌握设备情况和安全状态。这样可以提高故障处置和设备检修效率。
通过这些需求的实施,数字孪生技术能有效帮助高速动车进行状态监控、故障预测和管理优化,提升运营效率,降低维护成本,并保障安全运行。
🔎4.功能展示
🦋4.1 数据监管流程说明
详细数据监管流程如图5-31所示,涉及多个层次和流程:
-
数据接入与处理:接入车载上位机数据源,在接口层对源数据进行以下操作:
- 数据解析
- 数据校验
- 数据转换
- 数据存储
-
数据管理:在数据层进行数据目录构建、元数据管理、字典管理和数据安全管理。接口层和数据层进行双向数据传输,确保数据的一致性、稳定性和业务连续性。
-
资源层保障:底层资源层提供数据传输、解析和计算的保障。
-
功能层管理:功能层负责接口解析、数据层作业调度的管理,确保数据治理流程的有效实施,提供数据接口解析和数据治理的安全保障,并对大数据集群进行监控。
-
应用层功能:
- 模型及算法接入
- 数据检索
- 作业调度
- 日志审计
-
展示层:展示层通过调用应用层服务,实现平台各类业务数据的分类展示与综合展示。
🦋4.2 高速动车运行数据三维可视化
通过三维可视化展示高速动车的运行数据,形成高速动车运行可视化看板(见图5-32),包括以下主要步骤:
-
数据收集:
- 收集高速动车的运行数据,如列车位置、速度、加速度、转弯半径、温度等信息。这些数据来源于列车上的传感器、GPS系统、行车记录仪等设备。
-
数据预处理:
- 对收集到的数据进行清洗和归一化处理,确保数据的准确性与一致性,为后续的可视化做好准备。
-
数据建模与转换:
- 将收集到的运行数据进行建模,转换为适合在三维空间中展示的形式。例如,将列车坐标转换为三维空间的点,速度和加速度转换为向量,温度转换为颜色等。
-
设计可视化场景:
- 定义可视化场景,包括列车运行轨迹、速度变化、加速度分布等,创建一个三维空间并展示各种数据。
-
数据呈现与交互:
- 使用可视化工具呈现数据,并添加交互功能,如鼠标控制视角、观察列车的轨迹和变化趋势,及添加标签、图例等元素提供更多信息。
-
设计美化:
- 通过调整颜色、光照效果、透明度等优化可视化结果,使其更加直观与吸引人。
-
可视化展示:
- 将完成的三维可视化结果以图片、视频或交互式网页等形式展示给用户,便于浏览与交流。
🦋4.3 高速动车预警数据三维可视化
通过三维可视化场景展示高速动车运行过程中的技术参数,帮助精准监控预警信息。具体功能如下:
-
参数展示:在三维可视化场景中加入动车模型、铁轨、地形等元素,将预警参数通过颜色、大小、形状等方式展示。
-
重点监管数据:根据监管需求,灵活调配展示重点关注的预警项(见图5-33)。使用醒目的颜色或视觉效果突出显示问题区域,帮助用户快速识别潜在的安全问题。
🦋4.4 高速动车全景三维可视化看板
高速动车全景三维可视化看板(见图5-34)提供全面的运行状态和关键数据展示,主要布局和内容包括:
-
整体场景展示:
- 在三维场景中展示高速动车的全貌,包括铁路线路、车辆、站点等元素,采用适当比例和精细模型展示真实场景。
-
实时运行状态:
- 动态展示列车的实时运行状态,包括列车位置、速度、方向等,使用动画效果展现列车的实时运行。
-
关键指标展示:
- 显示如平均速度、累计里程、使用电量等关键指标,使用仪表盘或数值显示突出重要数据。
-
预警监控:
- 通过三维可视化展示预警情况,标识关键部件(如发动机、制动系统等)存在的风险,结合信息弹窗提供详细预警信息和处理建议。
-
数据统计和趋势分析:
- 展示动车运行数据的统计与趋势分析,采用图表(如柱状图、折线图、雷达图等)呈现关键参数的变化趋势和统计分布。
-
交互与导航:
- 提供交互和导航功能,如缩放、旋转、平移等,帮助用户自由浏览三维场景并快速定位关注区域和数据。
-
告警信息和事件记录:
- 在看板上展示告警信息和历史事件记录,以列表或时间轴的形式,帮助用户及时响应和了解过去的安全事件。
通过这样的三维可视化看板,用户能够全面掌握高速动车的运行状态、关键指标、预警情况和历史记录,从而实现及时监控与调整。
🔎5.应用成效
近年来,随着科技的进步,数字孪生技术已成为动车制造企业提升车辆性能的关键工具。通过数字孪生技术,能够实现对动车高速运行状态及各项性能指标的可视化监管。具体来说,数字孪生技术具有以下应用成效:
-
实时监控与异常检测
数字孪生技术能够模拟动车运行的各种参数,如加速度、减速度、转向角度等,实时监控车辆的运行状态。通过精准的数据分析,可以及时发现异常情况并采取有效措施,保障车辆的安全运行。 -
性能监控与提升
数字孪生不仅可以监控车辆的运行状态,还能够对车辆的动力性能、燃油经济性、操纵性能等各项指标进行实时监控。这样,动车制造企业能够精准获取车辆性能数据,为进一步提升车辆性能提供科学依据。 -
全面可视化监管
通过数字孪生技术,动车的高速运行状态及各项性能指标得以可视化呈现,为监管部门提供了清晰直观的监控平台。数字孪生技术为动车制造企业提供了一种新的解决方案,助力车辆性能的持续提升和优化。
🔎6.实施过程
高速动车运行状态数字孪生监管系统的实施过程较为复杂,涉及多个步骤和环节。实施过程需要根据具体情况进行灵活调整,可能需要进行多次迭代与改进。此外,项目管理和用户参与在实施过程中也起着至关重要的作用。具体实施流程如下:
-
需求分析
首先,确定数字孪生监管系统的具体需求和目标。这包括监管的范围、监控的参数和指标、以及预警和报警机制等。 -
数据采集与整合
收集高速动车运行过程中产生的各项数据,如列车位置、速度、温度、振动等参数。数据采集可以通过传感器、数据采集设备以及现有的监控系统进行整合。 -
数字孪生建模
基于收集到的数据,构建高速动车运行状态的数字孪生模型。这个模型是一个虚拟的、实时仿真模型,用于模拟和预测实际车辆的运行状态。 -
数据分析与算法开发
对数字孪生模型和实际数据进行分析,开发适当的算法和模型,来实现高速动车运行状态的监测与预测。这些算法包括异常检测、趋势分析、状态评估等。 -
可视化界面开发
开发用户界面,将监管系统的监测和预测结果以易于理解和操作的方式呈现给监管人员。这些界面可以包括实时数据显示、图表、地图等可视化元素,确保数据展示直观且易于操作。 -
系统集成与部署
将开发好的监管系统与现有的数据源和系统进行集成,确保数据的准确传输和实时更新。根据需求,可能还需要进行系统的部署和配置,确保系统能够高效运行。 -
测试与验证
对数字孪生监管系统进行测试和验证,确保其稳定性和正确性。验证工作包括功能测试、性能测试、安全性与隐私保护等方面的测试,确保系统在实际运行中的可靠性。 -
运行与维护
系统上线后,进入日常的运行和维护阶段。包括监控数据的更新和维护、故障排查与修复、以及对系统性能的优化,确保系统的持续稳定运行。
通过这些步骤的实施,数字孪生技术能够有效提升高速动车的运行管理水平,为车辆性能的优化与安全运营提供强有力的技术支持。
- 点赞
- 收藏
- 关注作者
评论(0)