数字双胞胎获得了一个新的神经系统

铁路系统的革命——走向数字化的未来。”这是《德国数字铁路》(digitalschiene Deutschland)的标题。列车运行间隔较短，可通过传感器技术实时智能自动控制，识别其所处的环境和位置;这就是未来铁路的样子。

在铁路部门，用于实现现实世界与优化和控制软件之间的交互的一个概念是数字双胞胎。数字铁路双胞胎是基于计算机的铁路基础设施的数字表示。它将现实世界与作战规划系统连接起来，包含了关于真实系统的所有数据和信息，因此可以利用最新的软件技术，实时进行完整的分析和优化。然后，优化后的数字双胞胎就可以把数据转移到现实世界。

在…的帮助下数字的双胞胎在美国，铁路运营商正试图大幅提高效率。随着容量的增加，预测性和缩短维护时间，以及详细的实时信息的提供，人们的期望非常高。数字双胞胎已成为工业4.0的一个大趋势，其应用领域已远远超出生产或工厂优化;现实世界中几乎所有的物体都可以创建一个数字双胞胎。

然而，数字轨道双胞胎的数据需求是巨大的，因为数据网络越精细，数据越最新，就越能更好地反映现实。这就是数字铁路双胞胎面临的挑战之一。用密集的单个传感器网络覆盖整个铁路网，这几乎是难以想象的努力，每个传感器都不断发送数据，并需要电源供应。除了必须安装的传感器数量之外，人们还可以假设，由于故障而导致的数据可用性将是一个问题。

光纤网络是替代无源传感器网络的一个很有前途的选择，它通常用于电信，而且大部分铁路已经安装在那里了。利用光纤传感器(FOS)技术，现有的光纤传输网络可以用于传感器的目的。FOS技术的测量原理是基于沿光纤内征光散射的物理原理。光电系统向光纤电缆发送激光脉冲并检测背向散射光。地面振动冲击光缆改变了本征光散射，传感器信号也改变了。有了FOS技术，这条迄今为止只用于数据传输的无源光纤电缆，变成了一条由成千上万个传感器组成的长链，可以探测铁路沿线的振动和环境噪声。

就像人类用感官感知环境一样，数字铁路双胞胎使用FOS技术，通过基础设施一侧的光纤记录线路上每一个点的普遍振动。沿着光纤的变化可以定位到几米之内。

与FOS技术一起，光纤网络形成了铁路网络的声学、数字双胞胎神经系统。FOS技术在铁路运营方面的一个特别有益的应用是使用光纤电缆作为麦克风链，收集火车在轨道上运行时产生的所有声音和频率模式。FOS信号始终与列车的位置、速度和长度有关。即使同时在一条轨道上行驶的多列火车也能被检测到，并能相互区分。

图1:用于轨道选择列车跟踪的FOAS

光纤神经系统提供了一个时间和空间上连续的声音图像-一个声学的数字双胞胎-铁路网络和运行在上面的列车。因此，FOS信号始终与列车的位置、速度和长度相关。即使在同一轨道上同时行驶的多列列车也可以被检测到，并且可以相互区分(见图1)。特别是，列车位置和列车长度的数据使FOS技术具备了空间连续列车完整性验证的条件。

虽然客运列车可以独立地确保其完整性或完整性，但货运列车完整性的可靠验证目前仍通过静态区段边界的点传感器(如轴计数器)进行。然而，静态块极大地限制了轨道上的列车数量，从而限制了铁路网的可用容量。利用FOS技术，该技术提供了一种及时的、空间连续的传感器，可获得列车的精确位置和状态数据，无需进一步使用昂贵的传感器技术，就可以弥补增加列车密度的技术差距。

AP传感与达姆施塔特大学和DB Net AG合作，启动了FOSSIL 4.0项目(安全完整性级别的光纤传感)。该项目部分由德国交通部资助，目的是评估基于fos的数字双胞胎是否可以作为一种有益的、可靠的新工具，有助于实现移动块的概念和持续的列车完整性验证。AP Sensing总部位于德国Böblingen，在全球的项目中都有应用，如欧洲隧道、新德里的地铁网络和新加坡，以及柏林到德国德累斯顿的高速线路，都有应用其光纤传感器技术。图2中红色虚线表示AP Sensing作为综合传感器网络使用的现有光纤网络。

图2:铁路信息图。

基于fos的数字双胞胎能够在其声学神经系统的帮助下实现一系列其他应用，包括节能驾驶、检测赛道上的障碍、快速定位短路(这些已经在各种试点试验中进行了测试)，以及许多其他可以想象的应用。除了上面提到的基于光纤神经信号的实时评估之外，数字双胞胎的一个关键优势是它还可以用于基础设施诊断——它的内存。这样就可以分析线路一段的声波信号的发展历史，或者将它们与另一段的信号联系起来并进行比较。由此，即使是缓慢的、与磨损相关的轨道结构变化也可以可靠地检测到。
近年来，AP Sensing的FOS测量技术在灵敏度和量程方面都取得了显著的提高。现在，人们可以探测到行驶中的火车声信号的微小变化，并确定其起源。轮轨声学信号的解纠缠表明这种变化是由列车本身还是由轨道体引起的。声学存储器是智能维护的核心组成部分，进而预计将有助于增加未来的轨道可用性和容量。

在移动的街区行驶可以提高列车密度，但这也意味着对基础设施的磨损更大。超越预测维护的智能维护可以基于声学数字双胞胎做出贡献，因此不会蚕食移动块增加的网络容量的基础设施可用性，而是加强了它。

总的来说，基于fos的声学数字双生铁路网是提高运力和效率的重要组成部分，可以提供可持续的日常交通。FOS支持我们在运输过程中减少二氧化碳排放的共同目标，并提供实现我们未来数字愿景所需的传感能力。