地底探索：数字孪生技术推动伦敦地铁绿色转型

虽然可能称不上是地下网络中最长或者最繁忙的线路，但皮卡迪利线却有着一段迷人的历史。

这段线路诞生于1977年，也让伦敦成为全球首个用地铁连通机场的城市，并在二战期间容纳和保护了大批大英博物馆中的宝贵藏品。如今，这段地铁线路正在开发数字孪生项目，如果成功也许会从根本上改变整个伦敦地铁网络的运行效率。

更重要的是，它还能帮助伦敦交通局在未来十年内实现碳中和，令伦敦的公共交通业务变得更加环保。

受到疫情封控的影响，2019年至2020年间英国首都的交通运输碳排放量减少了近200万吨。尽管如此，交通运输仍成为温室气体排放的主要来源之一，再加上建筑物排放量已经占到总体碳排放的90%。

实时可持续性公共交通，已经成为伦敦交通局（TfL）的首要任务。

2021年，当地政府机构发布了企业球门卉，其中提出了英国首都的交通系统未来将要遵循的战略，希望借此支持伦敦市长实现可持续发展目标、到2030年实现整个城市的碳中和。

为了支持环境议程，皮卡迪利线升级（PLU）计划也被提上伦敦交通局重大项目理事会的议事日程。其任务就是在不关闭线路的前提下开展升级。面对未来项目的复杂性，伦敦交通局与初创企业Spinview合作开发出一套数字孪生模型，用于捕捉环境数据并通过定制化平台建立可视化能力。

尽管数字孪生技术相对还不成熟，但却已经在制造、汽车、零售等领域成功模拟出解决方案。微软通过其Azure数字孪生平台率先突破，帮助风电场了解涡轮发电机对于当地野生动物和生态系统的影响；此外，罗尔斯罗伊斯和宝洁公司也据此建立起更快、更具弹性的制造模式。

各方对数字孪生的关注也在继续推进。凯捷与微软合作开发了首个基于Azure的云原生、无服务器数字孪生平台，名为Reflect IoD。最近，埃森哲投资了医药科技数字孪生厂商Virtonomy以及数字孪生仿真技术全球提供商Cosmo Tech。数据云供应商Snowflake则发布了利用工业物联网和数字孪生技术开发的制造业数据云。

如大家所想，这种根据现实世界系统或流程建立潜在/实际数字副本的能力将为企业开辟出新的竞争赛道。数字孪生技术在监控、测试和编辑等层面具有极强的现实意义，而且不存在在现实用例中引发损坏或故障的风险。对于像伦敦交通局这样的组织来说，打造数字孪生模型还能在环境、社会和公司治理（ESG）方面带来锦上添花的效果。

伦敦交通局创新负责人兼皮卡迪利线升级项目经理Daniel Rahamim表示，一旦在伦敦交通局的原型设计中得到验证，数字孪生技术将被用于捕捉隧道和建筑物中的碳排放，支持伦敦交通局网络实现碳减排，并协助实现2030年的零碳排放目标。

Rahamim补充道，“我们将通过这套平台，以可视化方式发现不同排放热点，并据此规划相应的处理措施。”排放评估中需要关注的数据对象包括：颗粒物、一氧化碳、二氧化碳、挥发性有机化合物、丁烷、天然气，以及热量和噪音热点等物理检查期间常常被遗漏的信息源。

Spinview公司CTO Greg Roach解释道，现在他们使用安装在工程车辆前部的定制深轨传感器设备以捕捉数据。以往，此类设备主要用于捕捉设施表面的几何形状。

该设备利用光探测与测距（LiDAR）技术发射激光，而后测量激光反射所需时间，从而让设备检测到空间中各个点位的距离。发射与接收过程每秒重复数百万次，由此即可生成“点云”——即关于空间或物体表面几何形状的虚拟表示。

Roach表示，“在将这么多独立的数据点汇聚起来之后，就能建立起一套非常准确的空间几何形状与表面结构副本。”Spinview正通过一种设备“推动概念的代际升级”，扩大能够捕捉的数据通道类别。“我们目前捕捉的主要是可见光范畴，后续我们将进一步捕捉红外和高光谱成像等超出可见光谱的信息。”

在此之后，数据会被传输至Spinview托管的Vision平台以供伦敦交通局员工使用。该平台强调推动数据“大众化”普及，让组织内的每个人（而不仅仅是工程师）都能直观访问并轻松使用数据内容。其最终目的就是让设备和整个数字孪生系统持续运行，为皮卡迪利线提供高保真数字副本，并可量化和绘制基础设施变动引发的各种影响。

不止于环保

除了为伦敦交通局的绿色议程提供支持之外，Rahamim认为针对物理环境的数字孪生技术还能支持地下项目的交付、协助管路维护，同时改善员工的健康和安全。

Rahamim在采访中表示，“我们希望能使用数字孪生制定出更具体、附带图像的工作指令，例如通过我们的软件平台进行发布。我们的目标是在网络当中持续捕捉视觉数据，也就是真正实现实时数字孪生。但目前这还只是个原型，就是说我们只能捕捉到特定时间的切片。”

事实上，伦敦交通局和Spinview目前在皮卡迪利线的数字孪生合作关系，也只是双方携手探索的环节之一。

旅途中的障碍

在新冠疫情爆发之前，Rahamim和他在伦敦交通局的同事曾在行业活动中与私营部门/中小企业积极接触，想要找到解决管道线路运营挑战的一些切实办法，特别是应对各种与测绘/测量相关的挑战。

皮卡迪利线是地下七条“深管”或者叫“深层”线路之一，某些位置的轨道低至地下30米。这些线路在地底深处设有圆形隧道，管理人员习惯称其为“管路”。

深管线路需要使用比常规线路更窄的轨道、更小的列车，这虽然能加快行车速度，但也给工程施工带来了障碍。

这类深管环境中GPS和Wi-Fi连接的难度更高，导致以往运营人员很难详尽绘制这些线路。勘察工作也只能在凌晨1点至5点间的施工期内按计划进行。Rahamim坦言，“实际上，每天最多只能施工四个小时。”

在引入火车等任何新资产、或者调整现有资产之前，首先需要开展相应调查。但任何工作的前期调研工作都强度巨大，加上可用的工程时间很短且必须遵循强制性流程和标准，因此导致进展极其缓慢。

在皮卡迪利线实际动工升级之前，Rahamim就已经开始与业内同行主动联络，思考如何降低施工难度。“在项目初期就引入创新往往比较容易。毕竟在全面交付后再做升级，那么难度将会大很多。”

Rahamim解释道，皮卡迪利线升级项目的“实时实验室”让管道实时施工获得了开展创新的机会，无需单独设置项目即可引入新的设计。而且这项技术本身也适用于其他地下线路，因此皮卡迪利线就成了边运行、边改造的宝贵试验环境。

 也正是在新冠疫情前的行业外展期间，Spinview提出了数字孪生提案，希望克服皮卡迪利线升级中涉及的现实挑战。

下一站：数字孪生

数字孪生带给皮卡迪利线的主要优势之一，就是允许工作人员在工程时间之外随时开展远程虚拟勘测，且不会对线路运营造成影响。更重要的是，数字孪生有望彻底消除对资产的物理检查，Rahamim认为这将在员工的健康和安全保障方面向前迈进一大步。

“拥有这种视觉呈现能力的意义，在于无需亲临现场即可查看所有信息。我们可以确定工作区域内是否存在问题，特别是可能影响健康和安全的问题，这一点非常重要。通过全面的虚拟勘测体验，我们能够显著提高员工的安全保障水平。”

Spinview公司CTO Roach也表示赞同，“这套平台的目标不止于碳中和——这只是重要目标之一。这项技术在健康和安全方面也有着突出贡献。”

Spinview的虚拟现实多用户平台Agority一旦投入使用，将允许伦敦交通局的工作人员对皮卡迪利线开展虚拟检查，效果与现场检查高度一致。配合虚拟化身，工作人员可以远程“穿行”在地铁隧道之内，以类似于电子游戏的方式查看系统接收到的实时数据。

Roach在谈到Agority平台时解释道，“在这样一套环境中，大家可以做到在现实中永远做不到的事情。例如，假设需要检查或测量隧道顶部的某些指标，在现实中我们需要搭起五、六米高的样子并攀爬上去。但在虚拟现实中，一次点击即可到达监测点位。”

如果证明成功，数字孪生模型未来还将在贝克卢线、中央线、滑铁卢线和城市线的升级计划中继续发挥作用，并最终覆盖整个伦敦交通局的完整地铁网络。

Rahamim补充道，“这些项目之间有着很强的相似性，遵循的也是非常相似的方法和基础设施工作。也就是说，我们完全可以将数字孪生技术迁移到其他线路当中。”

皮卡迪利线复杂的深管环境，意味着只要数字孪生项目能在这里发挥作用，那么在其他地下系统中的部署难度只会更低。

Rahamim最后总结道，“简单来说，只要我们能在皮卡迪利线上成功，那就能在任何其他地点同样成功。”