1. Введение
В последние десятилетия в сфере информационно-вычислительных технологий наблюдается значительный интерес к разработке и применению цифровых двойников (Digital Twin) в различных отраслях науки и техники. Это выражается в существенном увеличении количества научных публикаций, докладов и дискуссий, посвященных данной тематике. В интернете по запросу "Digital Twin" можно найти миллионы статей, предлагающих различные определения и подходы к разработке цифровых двойников (ЦД).
Мировой опыт развития концепции «Цифровой двойник» и формирование самого термина до 2020 года подробно рассмотрены в работе
[1]
В настоящее время, благодаря прогрессу в системах передачи и обработки данных, технологии цифровых двойников достигли четвертого этапа своего развития. Этот этап характеризуется интеграцией физического и цифрового двойников в единую систему, обеспечивающую непрерывный обмен информацией и обновление данных в реальном времени. Это стало возможным благодаря развитию информационно-коммуникационных технологий, интернета вещей, вычислительной техники и облачных сервисов
[2]
В Российской Федерации на цифровые двойники был разработан и утвержден ГОСТ Р 57700.37–2021 «Компьютерные модели и моделирование. Цифровые двойники изделий. Общие положения». Согласно данному стандарту, цифровым двойником изделия (ЦД) считается система, включающая цифровую модель изделия и двусторонние информационные связи с самим изделием или его составными частями (при наличии изделия).
Государственная политика в области развития информационных технологий в настоящее время является одной из наиболее благоприятных. В рамках этой политики реализуется множество государственных программ, направленных на развитие информационных систем, включая технологии цифровых двойников.
Согласно «Белой книге» (Стратегия научно-технологического развития ОАО «Российские железные дороги» до 2025 года и далее до 2030 года), стоит задача развитие систем диагностики и мониторинга базе современных информационно-измерительных и управляющих систем, предоставляющих объективные данные о состоянии транспортной инфраструктуры. Они должны контролировать весь путь и предоставлять информацию для оценки текущего состояния конструкций.
В настоящее время активно изучаются технологии цифровых двойников и их применение для решения производственных задач на железнодорожном транспорте с целью выявления преимущества от их внедрения и проблем, с которыми придется столкнуться в ходе этого процесса
[3][4][5][6][7][8][9][10]
Также немаловажным фактором внедрения цифровых двойников на железнодорожной инфраструктуре является экономический фактор. Разработка и внедрение цифровых двойников является экономически целесообразным за счет повышения конкурентоспособности в железнодорожной области
[11]
Движение поезда по железнодорожному пути вызывает его колебания с разной амплитудой и частотой в зависимости от веса вагонов, входящих в подвижной состав и скорости передвижения. Возникающие колебания при движении поезда влияют на состояние железнодорожного пути и сроки его эксплуатации, чем интенсивней колебания, тем быстрей сокращается срок его службы. Характеристики колебаний железнодорожного пути можно измерять с помощью датчиков ускорения (акселерометров)
[12][13][14][15][16][17][18][19]
Целью данной работы является разработка программно-аппаратного комплекса цифрового двойника участка железнодорожного пути.
2. Методы и принципы исследования
Используя полученный опыт оценки основных технических параметров железнодорожного пути в реальном времени возможно получить цифровой след воздействия подвижного состава на железнодорожный путь и на базе его создать, цифровой двойник участка железнодорожного пути в соответствии со структурной схемой (рис. 1).
Структурная схема информационного потока данных
В контексте данной концепции, цифровой двойник участка железнодорожного пути представляет собой комплексную структуру, включающую следующие ключевые компоненты:
1. Физический актив — реальный участок железнодорожного пути, за которыми осуществляется мониторинг и управление.
2. Система сбора данных и интеграции — выполняет функцию агрегации информации, поступающей от датчиков, установленных на рельсах железнодорожного пути, и обеспечивает её передачу в информационную систему для хранения для последующей обработки и в цифровую модель.
3. Цифровая модель — представляет собой виртуальное отображение физического актива, включающее в себя поведенческие алгоритмы и логику функционирования системы.
4. Модуль обратной связи — осуществляет анализ полученных данных и формирует рекомендации для системы автоматизированного или автоматического управления объектом.
Таким образом, цифровой двойник участка железнодорожного пути является интегрированной системой, обеспечивающей высокую степень контроля и управления за состоянием инфраструктуры, что способствует повышению её надёжности и эффективности эксплуатации.
Исходя из представленной концепции информационная система цифрового двойника участка железнодорожного пути имеет следующую общую схему программно-аппаратного комплекса контроля участка железнодорожного пути (рис. 1), состоящую из аппаратного комплекса с датчиками и программного обеспечения связанные между собой системой передачи данных. Пример работы аппаратного комплекса приведены в работах
[13][14][18]
Программно-аппаратный комплекс контроля (ПАК), представляет собой интегрированную систему, состоящую из нескольких взаимосвязанных подсистем: датчиков (8 единиц), подсистемы сбора данных, подсистемы обработки информации и подсистемы визуализации результатов в ГИС-формате с возможностью создания цифрового двойника участка пути.
На рисунке 2 представлена укрупненная схема архитектуры ПАК который состоит из двух основных компонентов: датчиков с измерительными элементами и локальным хранилищем для сбора данных при проходе состава, а также программного комплекса, где передача информации осуществляется по беспроводной технологии Wi-Fi, обеспечивающей надежную связь на увеличенных расстояниях как между датчиками, так и до сервера с программным обеспечением без потери данных.
Программное обеспечение построено по модульному принципу с разделением на функциональные подсистемы, что позволяет независимо масштабировать систему как по вертикали (добавляя новые уровни обработки данных), так и по горизонтали (подключая дополнительные модули анализа), обеспечивая тем самым возможность интеграции нового оборудования для снятия показателей и расширения аналитических возможностей комплекса за счет внедрения современных методик обработки информации.
Общая схема программно-аппаратного комплекса контроля участка железнодорожного пути
Общая функциональная блок-схема программно-аппаратного комплекса контроля участка железнодорожного пути
В процессе проектирования программно-аппаратного комплекса в него заложена масштабируемость путем установки и интегрирования на железнодорожный участок нескольких АПК, для увеличения длины контролируемого участка.
3. Основные результаты
Результатом работы является программно-аппаратный комплекс, состоящий из аппаратной части, непосредственно устанавливаемой на железнодорожный путь, и информационной системы, которая предназначена для управления аппаратным комплексом, хранения, обработки, графического представления, цифровой модели и формирования рекомендаций.
Аппаратный комплекс представляет собой систему с датчиками, устанавливаемыми на рельс (рис. 4), и системой передачи данных в информационную систему проводным и беспроводным способом и исполнен в нескольких вариантах
[18][21]
Аппаратный комплекс на базе акселерометров АЦ-90
Модуль цифрового двойника участка железнодорожного пути в себя включает паспорт и 3D-модель участка железнодорожного пути.
Основное окно информационной системы участка пути с предустановленными датчиками ПАК включает в себя разделы тестирования датчиков, статистического учета количества поездов и времени сбора данных, обработки и визуализации данных и кнопок управления. В свою очередь вкладка «Паспорт участка» содержит информацию о месте установки модуля датчика в формате пикет-километр (также возможно указание точных географических координат), статические характеристики участка пути, такие как ширина колеи, четность и нечетность пути, уровень, угол в плане, дата проведения испытаний (рис. 5).
Форма паспорта участка железнодорожного пути
Цифровой двойник участка пути реализован в виде 3D-модели участка железнодорожного пути и представляет проигрыватель файлов с данными с визуальной демонстрацией происходящих процессов в выбранном ракурсе динамического изменения технических параметров участка железнодорожного пути под воздействием колесных пар при прохождении подвижного состава по участку пути (рис. 6). Проигрыватель позволяет загружать выбранный файл из базы данных, запускать просмотр, останавливать, перематывать и менять ракурс просмотра. Параллельно просмотру справа от визуальной части расположено окно с демонстрацией количественных значений технических параметров участка пути.
3D-модель участка железнодорожного пути
4. Обсуждение
Разработанный программно-аппаратный комплекс представляет собой инновационное решение для проведения непрерывного мониторинга технических параметров на потенциально опасных участках железнодорожного пути в условиях эксплуатации подвижного состава. Это позволяет осуществлять детальный анализ воздействия железнодорожного транспорта на конкретные сегменты инфраструктуры и своевременно выявлять критические отклонения параметров от нормативных значений, обусловленные эксплуатационными факторами.
В отличие от существующих систем контроля, предложенный комплекс характеризуется высокой степенью автоматизации и оперативности сбора данных о воздействии каждого проходящего поезда на состояние рельсового полотна. Это обеспечивает более точную и актуальную оценку текущего состояния железнодорожного пути, что является критически важным для обеспечения безопасности движения и предотвращения аварийных ситуаций.
Таким образом, внедрение данного программно-аппаратного комплекса позволяет существенно повысить уровень мониторинга и диагностики технических параметров железнодорожного пути, что способствует оптимизации эксплуатационных процессов и обеспечению стабильного функционирования железнодорожной инфраструктуры.
5. Заключение
Предложенный в работе программно-аппаратный комплекс цифрового двойника участка железнодорожного пути представляет собой уникальное программное обеспечение, предназначенное для контроля состояния участка железнодорожного пути с демонстрацией оценок его основных технических параметров, таких как ширина колеи, подуклонка рельсовых нитей, температура, просадка пути, потайная просадка и т.д. 3D-модель участка железнодорожного пути дает возможность визуально наблюдать деформацию рельсового пути при воздействии на путь колесных пар подвижного состава при прохождении по участку пути с установленными датчиками. Внедрение цифрового двойника железнодорожного участка представляет собой инновационный подход к моделированию и оптимизации инфраструктуры, позволяющий проводить углубленный анализ и модификацию эксплуатационных характеристик конкретного участка. Этот метод открывает перспективы для масштабирования полученных данных и моделей на всю железнодорожную сеть, а также способствует переходу к прогностическому управлению содержанием пути. Новизна проведённого исследования заключается в разработке и обосновании принципиально нового подхода к мониторингу и управлению состоянием железнодорожной инфраструктуры посредством создания программно‑аппаратного комплекса цифрового двойника участка железнодорожного пути и является пионерской разработкой в данном направлении.