本书为智能高铁系列教材之一。本书以智能高铁模数驱动、轴面协同为理论，系统性地阐述数字孪生技术在铁路智能运维领域的基础理论、方法、模型构建和应用实践，为学习者提供全面而深入的指导。全书分为八章，分别为数字孪生技术的概述，数字孪生基础理论和方法、铁路数字孪生表征模型构建技术、铁路数字孪生机理模型构建技术、铁路数字孪生数据采集与处理技术、铁路数字孪生技术应用、铁路数字孪生应用案例、铁路数字孪生技术展望。

在数字化与信息技术飞速发展的时代，铁路系统正面临着前所未有的机遇和挑战。推动交通强国建设，持续推动铁路科技创新，并全面提高铁路领域专业人才的自主培养质量，已成为国家发展的重要任务之一。《铁路数字孪生技术基础与应用》一书的编写，旨在贯彻落实党的二十大报告中关于加快建设交通强国及人才培养的部署要求，全面系统地梳理和总结铁路数字孪生技术的基础理论、关键方法以及实际应用，为推动铁路智能化、数字化转型培养高素质的专业人才提供有力支持。
本书为智能高速铁路系列教材之一，在智能高速铁路体系中处于AI平台架构部分，以智能高速铁路“模数驱动、轴面协同”为理论指导，按照系列教材编写要求，内容分为八个部分，涵盖了从基础理论到实际应用的广泛内容。
第一部分包括第一章和第二章，重点阐述了数字孪生技术的概述及其基础理论和方法。首先，介绍了数字孪生技术的发展历史、现状与趋势，详细分析了这一技术在铁路领域的应用背景和重要性。随后，书中讨论了模数驱动、轴面协同理论，数字孪生模型构建框架，成熟度模型等理论内容，为读者建立了坚实的理论基础。
第二部分包括第三章和第四章，详细论述了数字孪生表征模型和机理模型的构建技术。内容涵盖了如何通过数据建模技术，将铁路系统的实际运行情况进行精确模拟，从而提高运营效率、优化维护流程。这一部分对铁路数字孪生技术的核心技术进行了深入分析，并提供了具体的操作指南。
第三部分包括第五章和第六章，系统介绍了铁路数字孪生系统中的数据采集与实时交互技术，以及铁路关键部件的数字孪生构建工具。书中分析了如何高效采集、处理和传输数据，以确保数字孪生系统的实时性和准确性，并通过实际案例，展示了如何利用这些工具构建铁路系统的数字孪生模型。
第四部分包括第七章和第八章，集中展示了基于数字孪生的铁路智能化系统及其应用案例。内容涵盖了如何利用数字孪生技术，实现铁路系统的智能化运维，并通过具体案例分析展示了系统的设计与实现过程。这部分有助于读者深入理解数字孪生技术在实际应用中的关键点和创新思路。
本书编者在高速铁路网络管理教育部工程研究中心的支持下，长期从事铁路大数据、人工智能、高速铁路健康状态监测和故障预测理论、技术、标准等研发和教学工作，主持国家重点研发计划、科技重大专项、省部级等重大项目，成立了数字孪生与智能运维实验室，拥有先进的技术产品支撑，具有深厚的理论基础和丰富的实践经验。
本书由北京交通大学张春、中国铁道科学研究院集团有限公司李平任主编,北京交通大学高博、中国铁道科学研究院集团有限公司卢文龙任副主编，中国铁道科学研究院集团有限公司电子计算技术研究所王万齐、北京理工大学王国新任主审。具体编写分工如下：第一章由张春、李平、北京交通大学郭蓉蓉编写；第二章由张春、李平、中铁特货汽车物流有限责任公司张巧编写；第三章、第四章和第七章由李平、张春、卢文龙、北京交通大学王明辉编写；第五章、第六章和第八章由高博和张春编写。
本书编写过程中得到了中国铁道科学研究院集团有限公司靳辰琨、郝蕊等，北京交通大学刘峰、白岩慧、李浥东、黄磊等，中车青岛四方机车车辆股份有限公司李兵、崔玉龙等，以及北京博能科技股份有限公司包蕊红、齐焕然等的大力支持与帮助。在此，向所有参与本书编写与审稿的专家学者表示衷心的感谢！
由于数字孪生技术在铁路领域的发展迅速，加之编者水平所限，书中难免存在不足之处，恳请广大读者批评指正！

编者
2025年5月

目录
第一章 数字孪生技术概述 1
第一节 中国高速铁路发展成就 1
第二节 数字孪生技术研究与应用现状 2
第三节 数字孪生技术在铁路领域的应用 8
第二章 铁路数字孪生基础理论和方法 12
第一节 数字孪生在智能高速铁路技术体系中的定位 13
第二节 面向铁路数字孪生的“模数驱动、轴面协同”理论 13
第三节 铁路数字孪生概念模型与参考架构 17
第四节 铁路数字孪生基本要素 20
第五节 铁路数字孪生技术标准体系 23
第六节 铁路数字孪生技术体系 25
第七节 铁路数字孪生成熟度模型 27
第三章 铁路数字孪生表征模型构建技术 38
第一节 表征模型构建方法总述 38
第二节 地理地质表征模型构建技术 42
第三节 站前工程表征模型构建技术 45
第四节 站房工程表征模型构建技术 48
第五节 四电工程表征模型构建技术 51
第四章 铁路数字孪生机理模型构建技术 55
第一节 机理模型构建技术总述 55
第二节 “由虚到实”:基于本构关系的机理模型构建技术 56
第三节 “由实到虚”:基于有限元的机理模型构建技术 61
第四节 “虚实互拟”:基于数据驱动的机理模型构建技术 68
第五节 “实预虚”:铁路故障预测与健康管理系统案例 74
第五章 铁路数字孪生数据采集与处理技术 80
第一节 数据体系与数据采集技术 80
第二节 数据治理与组织技术 85
第三节 数据存储与处理技术 91
第四节 数据交互与安全保障技术 93
第六章 铁路数字孪生技术应用 102
第一节 铁路数字孪生应用系统 102
第二节 铁路数字孪生构建工具 106
第三节 铁路数字孪生实验操作 114
第七章 铁路数字孪生工程案例 130
第一节 双主跨超千米公铁大桥工程案例 130
第二节 封闭空间与开放空间建模工程案例 139
第三节 清河站BIM应用管理平台工程案例 146
第八章 铁路数字孪生技术发展展望 150
第一节 铁路数字孪生技术展望 150
第二节 铁路数字孪生未来发展 159
参考文献 162

张春，女，博士生导师，研究员，1987年毕业于西南科技大学自动控制专业，1987年至1998年在乌鲁木齐铁路局电子计算中心软件研发室工作，先后参与了我国TMIS、DMIS多个铁路业务系统建设工作，2002年获硕士学位，同年调入北京交通大学从事教学与研究工作，主讲了铁路信息系统集成与应用、铁路智能信息技术处理、高速铁路信息化、铁路信息技术导论等多门课程，已出版《铁路信息技术导论》（参编）、《铁路信息技术标准》（参编）、《高速铁路信息化技术》（参编）、《高速动车组智能运维》、《信息处理技术与应用》（主编）等多部教材，主要研究领域为铁路装备智能制造，智能运维技术，铁路大数据，人工智能核心技术的研究与应用，高铁健康状态监测和故障预测理论、技术、标准和相关应用系统研究与开发等方面，先后获得省部级科学技术奖5项，发表相关论文50余篇。李平，女，博士，中国铁道科学研究院集团有限公司首席研究员。主要研究领域为智能铁路、铁路大数据应用等，荣获国际铁道联盟数字化奖、省部级科学技术奖10余项，出版著作和论文100余篇。

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