德国铁路数字孪生战略
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导读：
数字孪生是现实世界事物的数字化映射，是工业4.0应用程序的基础。近年来，德国铁路股份公司（Deutsche Bahn，DB）实施数字技术战略，创建铁路系统数字孪生，并将其作为德国铁路未来发展的核心和基础。文章将简要介绍DB的数字孪生战略。
一、数字孪生概述
1. 定义
数字孪生是将工业产品、制造系统、城市等复杂物理系统的结构、状态、行为、功能和性能映射到数字化的虚拟世界，通过实时传感、连接映射、精确分析和沉浸交互来刻画、预测和控制物理系统，实现复杂系统虚实融合，从而使系统全要素、全过程、全价值链达到最大限度的闭环优化。其能够以数字化的方式描述和映射对象、人员和流程，并以可理解和进一步处理的格式提供各种信息；除数据之外，其还可进行算法分析、模拟仿真等，以描述和影响所代表对象在过去、当前或未来的属性和行为。例如，利用轨道车辆的数字孪生可以预测轨道车辆在不同情况下的运行状况，并进行趋势分析和维护场景模拟，分析和模拟的结果有助于优化车辆维修流程，提高维修质量。
数字孪生潜力的发挥只能通过各领域、合作伙伴及供应商之间的信息交互实现。
2. 价值
铁路系统数字孪生是以实时监控、测量、诊断等系统提供的数据为基础创建的；通过对这些数据进行分析和评估，能够预测车辆及铁路基础设施的故障，实现其预测性维修，从而降低维修成本，提高维修质量和效率。
铁路系统数字孪生还将在调度中发挥重要作用。在未来，列车调度决策将以运营数据和人工智能（AI）模拟为基础。利用数字孪生可以实时检测运营中出现的故障并将其整合到模型中，从而达到故障自动处置的目标。
二、DB的数字孪生战略
创建铁路系统数字孪生是DB数字技术战略的重要组成部分，也是实现“强大铁路（Starke Schiene）”目标的关键因素（图1）。DB计划利用数字孪生，获得其所有系统的完整、全面数字化映射（包括所有组成部分、参与者、影响因素及其相互关系），并以此为基础进行仿真模拟，以识别各系统中的弱点，并有针对性地进行优化，从而显著提高系统性能。实施数字孪生战略的目标是，提高公司资产的可用性和盈利能力，改善客户服务质量。
为在不久的将来实现这一愿景，DB以现有技术方法为基础，与各相关部门、企业展开密切合作，共同创建DB铁路系统数字孪生。
三、数字孪生战略的实施
目前，DB的车辆及铁路基础设施上已经安装了各种传感器和智能设备，为数字孪生战略的实施奠定了物质基础。DB从2017年开始实施的TecEx计划以及2020年开始实施的“数字化维护”计划中积累了大量相关经验和数据，这2项计划成为进一步推进数字孪生战略的重要引擎。DB负责信息技术（IT）业务的子公司DB Systel、负责铁路技术业务的子公司DB Systemtechnik以及德国数字铁路（Digital Rail Germany）团队也进行了大量相关研究，取得了丰硕的研究成果，为创建DB铁路系统数字孪生提供了理论和知识保障。
数字孪生战略的成功实施需要开放的态度、灵活的方法作为支撑。为促进合作和交流，DB推出了数字孪生社区，在开展公司内部信息交流的同时，积极寻求与其他设备制造商、系统供应商、铁路运营商及研究机构的对话与合作。
数字孪生战略的实施需要一种整体方法。DB通过开展物联网灯塔（Leuchtturm）项目（图2），确立数字孪生战略实施原则，为其运作设定统一的路线，并且对其实施过程进行协调和控制。目前，DB正在重点针对列车空调、车门和转向架等部件，创建“数字列车孪生”（这是物联网灯塔项目的组成部分），以便为数字孪生整体战略的推进摸索方法、积累经验（图3）。
四、广泛的信息交互
数字孪生的一个重要特征是信息的广泛交互，这不仅指传感器信息和数据的交换，还包括与设备制造商、系统供应商、铁路运营商等合作伙伴之间的互动。因此，DB与上述合作伙伴互利互信、密切合作，并与各大学长期交流，启动进一步的研究项目，旨在对现有组件进行进一步开发和优化，以满足实施数字孪生战略的要求。
五、实施数字孪生战略面临的挑战
目前，数字孪生战略的实施还面临着诸多的挑战，除需解决建模等技术问题外，流程和法规也必须进行相应的变更。这需要许多单位和人员的参与和协调，而且往往非常耗时。
六、结语
数字孪生是有生命的物体，就如同其真实对应物一样，会经历成长、成熟的过程，必须对其进行持续的开发和维护，使其适应不断变化的需求。在这过程中，必须保持开放的态度，积极寻求与其他公司、合作伙伴和机构的对话与合作。数据交换及提供基于AI和仿真模型的数字服务是成功实施数字孪生战略的关键。DB将为此不懈努力，以实现数字孪生战略的成功落地。
