基于可重构数字孪生体的公路隧道运行管控仿真研究.pdf

第 39 卷 第 3 期2023 年 6 月 公 路 交 通 技 术Technology of Highway and Transport Vol.39 No.3 Jun.2023毛渝茸,王亚楠,曾正东,等.基于可重构数字孪生体的公路隧道运行管控仿真研究J.公路交通技术,2023,39(3):130-136.MAO Yurong,WANG Yanan,ZENG Zhengdong,et al.Simulation research of highway tunnel operation control based on reconfigurable digital twinsJ.Technology of Highway and Transport,2023,39(3):130-136.DOI:10.13607/ki.gljt.2023.03.019基金项目:交通运输行业重点科技项目(2021-MS6-145);山东省交通运输厅科技计划项目(2021B61)收稿日期:2023-03-28作者简介:毛渝茸(1982),女,四川省南充市人,硕士,高工,主要从事公路隧道建设与运营技术研究工作。E-mail:maoyurong 。通信作者:王亚楠(1991),男,重庆市人,硕士,工程师,研究方向为控制理论与控制工程,智能感知与自主控制,智慧交通,交通大数据。E-mail:wangyanan3 。基于可重构数字孪生体的公路隧道运行管控仿真研究毛渝茸1,2,王亚楠3,曾正东4,陈 宏5(1.重庆沪渝高速公路有限公司,重庆 401336;2.重庆渝黔高速公路有限公司,重庆 401336;3.招商局重庆交通科研设计院有限公司,重庆 400067;4.贵阳电气控制设备有限公司,贵阳 550081;5.山东高速股份有限公司,济南 250014)摘 要:为降低公路隧道机电系统设计、建设及运维阶段的时间和经济成本,从根本上保障机电系统的高质量、高标准运行,提出了基于可重构数字孪生体的公路隧道运行管控仿真方案:1)制定数字孪生体重构策略;2)构建数字孪生体与虚拟可编程逻辑控制器之间的 I/O 接口;3)在数字孪生体中对可编程逻辑控制器进行硬件在环仿真。仿真结果表明:该方案提供了更易于访问和高保真度的测试方法和场景,利用数字孪生体代替物理实体测试不同的设计和实现策略,能尽早发现并整合问题,制定更理想的解决方案。关键词:公路隧道;数字孪生体;重构;管控;仿真文章编号:1009-6477(2023)03-0130-07 中图分类号:U457+.4 文献标识码:ASimulation Research of Highway Tunnel Operation Control Based on Reconfigurable Digital TwinsMAO Yurong1,2,WANG Yanan3,ZENG Zhengdong4,CHEN Hong5(1.Chongqing Huyu Expressway Co.,Ltd.,Chongqing 401336;2.Chongqing Yuqian Expressway Co.,Ltd.,Chongqing 401336;3.China Merchants Chongqing Communications Technology Research&Design Institute Co.,Ltd.,Chongqing 400067;4.Guiyang Electrical Control Equipment Co.,Ltd.,Guiyang 550081;5.Shandong Hi-speed Company Limited,Jinan 250014)Abstract:In order to reduce the time and economic costs of the design,construction,and operation and maintenance stages of the highway tunnel electromechanical system,and fundamentally ensure the high-quality and high standard operation of the electromechanical system,a highway tunnel operation and control simulation scheme based on reconfigurable digital twins is proposed:1)A digital twin reconstruction strategy is developed;2)Build I/O interfaces between digital twins and virtual programmable logic controllers are built;3)Hardware in the loop simulation of programmable logic controllers in digital twins is performed.The simulation results show that this scheme provides a more accessible and high fidelity test method and scenario.Using digital twins to test different design and implementation strategies instead of physical entity can find and integrate problems as early as possible and develop a more ideal solution.Keywords:highway tunnel;digital twins;reconfiguration;control;simulation 公路隧道机电系统设备的种类多、结构复杂、应用范围广、投资成本高、施工工期短、技术含量高等,致使公路隧道机电系统设计、建设及运维过程中存在平行作业工序衔接多、要求高、质量技术管控难度大、项目变更返工现象严重等问题1。2019 年交通运输部印发的数字交通发展规划纲要明确提出推进新一代信息技术与交通行业深度融合,积极引导行业新业态、新模式发展,深化交通领域改革,深入实施创新驱动发展。在此背景下,基于大数据、区块链、人工智能等技术变革和需求升级的共同驱动下,数字孪生技术集成了多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程2,被广泛应用于机电设备的全生命周期管控、性能评估、设计优化、故障预测、应急演练和业务培训等多个方面3,为公路隧道运行管控智能化提供了新思路和新途径。而要突破传统隧道运行管控系统局限,便需有效承载面向隧道运行的物联网和传感网信息,构建与现实有机联系的隧道数字世界4,实现隧道内信息全域感知5,从而改善运行管控,提升应急效能,降低运维成本。当前国内外对数字孪生的建模、信息物理融合、交互与协作、服务应用等方面进行了研究6,而针对公路隧道运行管控的研究主要集中于建模、数据协同和可视化分析。在建模方面,缺乏物理实体全生命周期对应模型及项目变更高效应对手段,模型单体化处理技术不成熟;在数据协同方面,缺乏统一的数据编码及模型数据结构标准,不利于模型与数据库的协同应用;在可视化分析方面,仍停留在静态几何模型上的展示,在机电设备、交通流、环境和事件等要素实时准确地与数字孪生体无缝切换和融合显示等方面需进一步研究与应用。为此,本文提出基于可重构数字孪生体的公路隧道运行管控仿真技术方案,通过在数字孪生体中对公路隧道机电系统设计、建设及运维阶段的可编程控制器(PLC)进行硬件在环仿真,利用数字孪生体代替物理实体完成关键性的调试工作,不仅节约了大量时间和经济成本,还提高了机电系统的质量和标准,为隧道智慧化建设提出决策依据。1 公路隧道数字孪生体重构方法研究1.1 问题的提出数字孪生体的重构问题可归纳为 2 种情况:一是物理实体由于使用时间过长或意外损坏等原因发生了变化,需要对数字孪生体进行相应改动而进行的重构,使其与物理实体再次匹配;二是因政策方针、技术更新等致使隧道升级改造,在数字孪生体中对升级改造方案进行设计、验证与优化,指导隧道物理实体升级改造。1.2 公路隧道数字孪生体同步更新重构策略公路隧道数字孪生体同步更新重构策略如图 1所示,其实现流程为:1)通过比较物理实体中实体和数字孪生体,进行定性和定量的差异性分析;2)在已有的模型组件库中选择差异性最小的数字孪生体;3)根据需求依次开展设备级重构、系统级重构及隧道级重构,实现再次与物理实体“孪生”的目标;4)对重构的数字孪生体进行测试,不断完善数字孪生体同步更新重构策略。1.3 公路隧道数字孪生体升级改造重构策略公路隧道数字孪生体的升级改造重构完全基于当前隧道物理实体状态进行,保证升级改造方案的时效性和可靠性,且设计、施工和调试等过程的验证及优化不干扰隧道物理实体的正常运行。公路隧道数字孪生体升级改造重构策略如图 2 所示,其实现流程为:1)根据物理实体升级改造和当前数字孪生体情况,评估当前数字孪生体是否满足需求,若满足则跳过孪生体重构直接进行测试,若不满足则判断现有组件库是否能够继续使用;2)若能够继续使用,其重构流程同公路隧道数字孪生体同步更新重构策略一致;3)若不能继续使用,则进行隧道级重构,调整各个机电子系统的拓扑结构以及各个作业单元提供的组合服务类型和顺序。2 公路隧道数字孪生体构成2.1 公路隧道数字孪生体简化和假设公路隧道数字孪生体重点在于 PLC 控制功能验证,因此,为了提高数字孪生体性能及试验效率,模型在尺寸和结构等方面的细节不必与物理实体完全一致。1)数字孪生体的主要目标是 PLC 的控制功能验证,这意味着不受 PLC 控制或不与受控实体交互的系统在模型中不是必需的,如隧道中的路基路面、衬砌、检修道等。2)隧道中同一类型设备可能有多个,如每隔一段距离会布设一组风机或车道指示器,但同一类型设备都具有相同的传感器或执行器。因此,模型中每个受控实体不需要所有实例,只需要一个或多个分别验证单控或群控即可。131 第 3 期 毛渝茸,等:基于可重构数字孪生体的公路隧道运行管控仿真研究图 1 公路隧道数字孪生体同步更新重构策略Fig.1 Reconstruction strategy for digital twins in highway tunnels while physical entity using图 2 公路隧道数字孪生体升级改造重构策略Fig.2 Reconstruction strategy for digital twins in highway tunnels when physical entity upgrading231公 路 交 通 技 术 第 39 卷 3)隧道几何形状、道路坡度宽度、道路线形以及设备布设位置等都不会对 PLC 验证结果造成影响,因此,这些都可以简化。如虽然隧道实体道路线形略有弯曲,且隧道出入口有坡度,但模型中隧道道路线形可以是笔直的,且出入口没有坡度。2.2 非受控实体数字孪生体中的非受控实体不受 PLC 的控制,这些实体是环境对象或与受控实体交互的对象。它们使用与受控实体相同的脚本和组件进行建模,但不使用带有 PLC 信号的 IO 脚本。非受控实体主要是指交通流、照明,烟雾和消防灭火设施,见表 1。表 1 非受控实体名称及描述Table 1 Name and description of uncontrolled entity非受控实体名称描述交通流交通流是隧道内重要的非受控实体,它与受控实体有很多交互作用,以最高速度、加速度和制动减速度 3 个变量用于实现驾驶行为照明照明是隧道内的重要环境参数之一,以点光源为模型,使用烘焙照明技术模拟照明效果,如图 3 所示烟雾烟雾是隧道内的重要环境参数之一,由 Unity 中生成粒子的组件产生,烟雾强度通过改变烟雾颜色 值消防灭火设施隧道内消火栓、灭火器等设施在隧道火灾事件处置中起着关键性作用,但其由本地控制,无法在数字孪生体中进行控制,可通过模拟实现灭火效果照明设置如图 3 所示,光照数据(阴影和光反射)被烘焙(绘制)到模型的纹理上,使模型中的光照不那么强烈,从而改善模型的外观及其性能,实现对用户来说更加逼真的照明效果。烟雾设置如图 4 所示。图 4 中,揭示了不同烟雾颜色 值下的隧道能见度效果。值越低烟雾越透明,隧道能见度越高;值越高烟雾越浓,隧道能见度越低。2.3 受控实体公路隧道受控实体一般包括车辆检测器、摄像机、可变信息标志、CO/VI 检测器、NO2检测器、光强检测器、风速风向检测器、火灾探测器、车道指示器、交通信号灯、有线广播、紧急电话、灯具、风机、横洞(a)未烘焙照明(b)烘焙照明图 3 照明设置Fig.3 Lighting layout(a)未设置烟雾(b)设置烟雾图 4 烟雾设置Fig.4 Smoke loyout卷帘门、指示标志等。受控实体与非受控实体之间的主要区别在于,受控实体基于执行器布尔值执行操作,或根据数字孪生中实体的状态设置传感器布尔值。传感器布尔值作为 PLC 的输入,称为输入变量;而执行器布尔值作为 PLC 的输出,称为输出变量。对于每个实体,将编写一个 IO 脚本来处理此实体的输入和输出变量。3 仿真应用案例3.1 数字孪生体开发数字孪生体的构建包含 3 个技术核心:对物理实体抽象而成的信息模型、物理与虚拟世界间的实时双向通信机制、多源异构数据处理7。为了建立数字孪生虚实映射,在横向上,可将生产的全要素纳人考虑,即从“感知、预警、决策、控制、分析”角度出331 第 3 期 毛渝茸,等:基于可重构数字孪生体的公路隧道运行管控仿真研究发,建立虚实映射;在纵向上,对每一生产要素,可从“几何-物理-行为-规则-约束”5 个维度建立虚实映射8-9;在生命周期上,在制造系统“设计-建设-运维”阶段,分别建立数字孪生的模型信息双向同步交互10。公路隧道数字孪生体开发过程中使用的主要工具为 CIF、TWinCAT3、Unity、Prespective 插件,开发流程为:1)建立 3D 模型并导入 Unity,对模型中不同组件的行为及其之间的交互进行建模;2)利用Prespective 插件将模型链接到虚拟 PLC;3)使用CIF 工具箱设计并生成 PLC 代码;4)使 PLC 代码在虚拟 PLC 上运行。工具及流程如图 5 所示。图 5 数字孪生体主要开发工具及程序及流程Fig.5 Main development tools and programs of digital twins3.2 仿真架构设计基于可重构数字孪生体的公路隧道运行管控仿真架构包括数字孪生体、TwinCAT(虚拟 PLC)、测试界面,描述了仿真的控制栈,具体如图 6 所示。其中,数字孪生体是物理实体的模型,TwinCAT11-13充当虚拟 PLC,数字孪生体和 TwinCAT 之间的接口与物理实体和物理 PLC 之间的接口几乎完全相同。图 6 数字孪生体仿真架构设计示意Fig.6 Schematic overview of the simulation architecture design for the digital twins在仿真过程中,一方面,用户通过测试界面向PLC 下发指令,PLC 通过执行器控制物理实体;另一方面,物理实体通过传感器向各自的资源管理器发送数据,再由资源管理器向 PLC 发送数据,最后通过用户接口在测试界面上提供反馈。下面着重介绍测试界面和 TwinCAT 中运行的 PLC 代码。1)测试界面测试界面如图 7 所示,其是济莱高速公路隧道管控平台操作界面的模型,具有同样的通信及控制功能,满足用于执行数字孪生体的验证试验的要求。界面上的所有按钮都作为输入信号存在于 PLC 代码中,按下按钮时发送这些输入信号,输出信号通过按钮颜色变化进行反馈。图 7 控制模拟验证试验操作界面Fig.7 Operation interface of control simulation verification test2)PLC 代码PLC 代码用于在 PLC 和数字孪生体之间建立连接。生成 PLC 代码后,将其转化为 xml 文件,并加载到 TwinCAT 中,以便能够运行和读取生成的PLC 代码。为了使物理实体能够对来自 TwinCAT中虚拟 PLC 的输出信号作出反应,将输入信号发送到虚 拟 PLC 上,需 要 在 Unity 中 预 置 和 引 用GameObjects 逻辑组件,该组件可看作是用于虚拟PLC 通信的布尔值。3.3 仿真结果对 PLC 进行硬件在环仿真,验证了基于可重构数字孪生体的公路隧道运行管控仿真方案。以车道指示器和交通信号灯为例,车道指示器下发禁行指令前后效果对比和交通信号灯下发黄灯指令前后效果对比分别如图 8、图 9 所示。经过仿真分析,通过数字孪生体代替物理实体进行部署及调试的方式,可有效验证在设计、建设和431公 路 交 通 技 术 第 39 卷(a)下发禁行指令前(b)下发禁行指令后图 8 车道指示器下发禁行指令前后效果对比Fig.8 Effect comparison before and after issuing an order forbidding for lane indicator(a)下发黄灯指令前(b)下发黄灯指令后图 9 交通信号灯下发黄灯指令前后效果对比Fig.9 Effect comparison before and after issuing yellow light instruction for traffic signal运维阶段 PLC 对可变信息标志、车道指示器、交通信号灯等设备的控制功能。优势在于:1)在早期阶段测试设计和实现策略,可发现并整合问题,制定优化方案,减少项目变更风险,提高机电系统建设的质量和标准。2)在数字孪生体中完成对 PLC 控制功能的关键性调试,现场施工时仅限于安装和基本调试,大大节约时间,降低经济成本。3)提供安装及调试环境,缓解平行作业矛盾,降低施工协调难度,减少因施工导致的隧道封闭时间。4 结束语本文构建了可重构公路隧道数字孪生体,以Unity、TwinCAT 等为具体开发工具实现了公路隧道运行管控仿真。主要工作包括:1)开发了完整的公路隧道数字孪生体,构建了“虚拟 PLC-数字孪生体”的 I/O 接口,在数字孪生体中对 PLC 控制功能进行了硬件在环仿真,结果表明:利用数字孪生体代替物理实体测试不同的设计和实现策略,能尽早发现并整合问题,制定更理想的解决方案。2)提供了一套完整的用于 PLC 硬件在环仿真的公路隧道数字孪生体开发方法,提高了数字孪生模型的可复用性,促进数字孪生技术的落地应用。3)探索了数字孪生体在公路隧道运行管控仿真中的应用,为更精细更全面的运行管控仿真、操作员培训和应急演练等场景应用奠定了基础。4)可重构数字孪生体的公路隧道运行管控仿真方案基于“双向交互、实时、动态、全生命周期”4个特性,对隧道机电系统的设计、建设及运维阶段进行硬件在环仿真,利用数字孪生体代替物理实体完成关键性的调试工作,增加了隧道机电系统安装及调试手段,缓解了平行作业工序衔接要求高、质量技术管控难度大,以及项目变更返工现象严重等现状问题。参 考 文 献References1 魏政晨.高速公路隧道机电施工常见问题与解决措施J.工程技术研究,2019,4(24):163-164.WEI Zhengchen.Common problems and solutions in electromechanical construction of expressway tunnelsJ.Engineering and Technological Research,2019,4(24):163-164.2 于勇,范胜廷,彭关伟,等.数字孪生模型在产品构型管理中应用探讨J.航空制造技术,2017(7):41-45.YU Yong,FAN Shengting,PENG Guanwei,et 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