铁路是国家重要的基础设施、国民经济的大动脉，其中高铁客流已是民航客流的3.3倍以上，高铁已然成为旅客出行的重要首选方式。然而，高铁专网场景特殊，规建维优营的生产活动制约因素多，客观存在有效性低、反复优化，导致高铁专网优化工作周期长、效率差、成本高。本研究通过构建数字站点孪生与无线信道孪生等两项数字孪生技术能力，实现站点工参的高效精准巡检与专网规划的覆盖预测寻优，通过数字孪生与AI技术融合实现覆盖优化工作前置，从而打造高铁专网精准规划的新范式。
从数字孪生概念的首次提出，经过Gartner连续三年将数字孪生列为十大战略科技发展趋势之一，再到IMT2030（6G）推进组发布白皮书提出“万物智联、数字孪生”的美好愿景，国内ICT行业运营商与设备商相继推出系列白皮书与产品解决方案，以推进标准立项和产业发展，如图1所示。
数字孪生是将物理世界的物、人、事及其互动联系在数字世界建立虚拟映像；数字孪生网络是基于四个关键要素（数据、模型、映射和交互）而构建的虚拟映射网络，可帮助物理网络实现低成本的试错寻优、智能决策和高效创新；数字孪生技术是面向构建“数字孪生世界”目标的一系列数字技术的集成融合和创新应用，包括数据技术DT、运营技术OT、信息技术IT、通信技术CT 、人工智能技术AI等的深度集成和融合技术。
图1 数字孪生通信行业发展趋势
铁路是国家重要的基础设施、国民经济的大动脉，其中高铁运营全国已达142条，涉及4.5万公里，并且高铁客流已是民航客流的3.3倍以上，高铁已然成为旅客出行的重要首选方式。然而，高铁专网规建维优的业务活动存在诸多痛点：
高铁线路地图信息精度不足，基于路测数据样本的高铁线路重构、仿真，难以精准评估线路覆盖及结构的不合理。
高铁站点工参信息准确不够，高铁站点以铁塔宏站为主，基于传统电子罗盘、坡度仪的勘察需要人工爬塔，效率低、准确性低、安全性差。
基于覆盖场强与质量的传统规划仿真误差在8dB以上，且缺少用户级覆盖和体验的仿真预测。
有效性低与反复优化，高铁专网覆盖优化（方位角、下倾角、下行功率、波束权值等）的验证需要乘坐高铁进行，不确定性因素多而导致验证有效性低、周期长、效率低。
解决高铁专网的精准规划、快速建设、高效维优的痛点，对增强运营商核心竞争力具有战略意义。本研究即通过构建数字站点孪生与无线信道孪生两项数字孪生技术能力，实现站点工参的高效精准巡检与专网规划的覆盖预测寻优，通过数字孪生与AI技术融合实现覆盖优化工作前置，从而打造高铁专网精准规划的新范式。
数字站点孪生是构建客观环境与物理站点的实景模型与预制模型的融合孪生虚拟映射，实现站点勘察与设计的可视以及精度、效率的提升。其能力构建与应用规划是基于无人机、普通相机、激光雷达、全景相机等工具，针对三大场景（室外塔/杆站、室外屋顶站、室内站点）进行数字信息采集，利用空间三维建模技术、自动航迹规划算法、实景与预制模型融合建模、设备资产数字化等技术，对环境与站点进行孪生建模，以构建数字站点能力，服务于站点勘察设计、工参巡检等业务活动，如图2所示。
图2 数字站点孪生能力构建与应用规划
无线信道孪生是无线环境下终端孪生与信道孪生的融合，终端孪生构建用户布放模拟实现用户覆盖的需求预测，信道孪生构建无线信道模拟实现无线环境的覆盖预测，从而融合实现无线网络规划与优化的可视以及精度、效率的提升。其能力构建与应用规划是基于三维地图、站点孪生、天线规格、组网配置等信息，利用空间建模技术、射线追踪技术、电磁传播理论、空间搜索技术以及AI技术等，对无线环境信道进行孪生建模、模型校准、构建加速，以孪生可视、覆盖预测、覆盖寻优等能力服务于网络规划、优化的业务活动，如图3所示。
图3 无线信道孪生能力构建与应用规划
高铁专网站点基本均为铁塔宏站，以四脚铁塔、三脚铁塔、圆管塔（四脚铁塔一般65米以上、三脚铁塔一般55米以上、圆管塔一般45米以上等）等为主，站点勘察需要人工爬塔采用电子罗盘、坡度仪等进行操作，高空作业除了安全性问题，也带来准确性在管理与实操上的挑战。即使人工使用无人机勘察，也存在飞控效率与工参无法识别等问题。由此，我们需要攻克勘察效率与建模应用两个方面的难题。
数字勘察效率
勘察采集阶段，针对费时费力费人的“三费”铁塔场景提出“无人机+航迹规划”实现自动飞控的数字勘察解决方案，其中关键技术是通过APP操控无人机基于“双层四点特征法”进行自动飞控采集，如图4所示。经大量外场验证各类型铁塔宏站，可实现40~60分钟完成单站的自动勘察与数据采集，进而支撑多类数字站点应用，比如工参测量、空间评估以及数字设计。
图4 “双层四点特征法”生成的无人机飞控航迹
站点建模质量
建模应用阶段，针对前端APP采集自动回传到后端数字孪生平台的海量照片进行自动建模，进而支持数字站点应用，如站点经纬度、站点设备高度、塔上设备距离、塔上设备姿态等的可视和可测，如图5所示。
站点建模质量评估：
全面性：勘察26个站点，总计159面天线（含三家运营商），其中152面天线完整建模，无大面积残缺、空洞，全面性95.6%。
有效性：完整可视的天线，均可进行空间、位姿的测量，有效性100%。
准确性：方位角精度可达±2°、下倾角精度可达±1°。
图5 数字站点孪生模型与应用
京滨唐高铁项目简介
京滨唐高铁由京滨城际与京唐城际组成，自北京通州站始发，在天津宝坻站前共线行驶，在经过宝坻站后分为两个方向：京唐城际经宝坻区、宁河区至唐山市，全长42Km；京滨城际经宝坻区、宁河区、武清区、北辰区、东丽区，最终进入滨海新区，线路规划全长108Km。
京滨唐高铁为铁塔牵头3家运营商共建共享方式建设，铁塔选址规划130个点位塔站，平均站间距为780m，平均站轨距124m。移动高铁专网是4G 1.8G新建+5G 700M新建，如何实现精准规划，最小化700M系统内外的覆盖干扰，是本项目的关键需求。数字孪生即通过覆盖预测、覆盖寻优来降低系统内的重叠覆盖，以解决该需求痛点。
覆盖预测与寻优验证
无线信道孪生的精度评估是通过其覆盖预测的准确度评估，更高精度的孪生可支撑更加精准的网络规划。精度评估的方法是定点的预测RSRP与实测RSRP进行均值误差、均方根误差的评估，京滨唐高铁定点预测与实测的Mean Gap 1dB（业界 2dB）、RMSE 4dB（业界 8dB），如图6所示。
图6 京滨唐高铁孪生精度评估
京滨唐高铁移动专网选定路段（包括之字型、一字型、弯道等场景）验证，孪生精准规划方案 vs 传统网络规划方案的评估：RSRP平均提升3dB以上、SINR平均提升1dB以上、下行速率平均提升16%以上，如表1 所示。
表 1 孪生方案vs传统方案的实测对比
商合杭高铁项目简介
商合杭高铁由商丘站至杭州东站，由3家运营商共建共享方式建设，其中商丘段48KM，选址规划98个点位塔站，平均站间距445m，平均站轨距 122m。
移动高铁专网是4G 1.8G替换+4G 2.6G新建+5G 2.6G新建。项目为了赶在杭州亚运会开幕前完成，工期仅有1周工程建设+1周优化评估的时间窗口，并且引入了天线替换的变量，替换工程不仅仅需要保障4G 1.8G替换后指标全面超越，还需要保障4G业务量与指标、5G业务量与指标的整体多维度达标，满足杭州亚运会与国庆长假期间的用户体验需求。没有时间窗口优化，是否可以通过孪生寻优至最佳方案前置到网络规划形成一次性建设到位，是本项目的关键需求。数字孪生即通过精准的数字勘察、覆盖预测、覆盖寻优以保障专网系统内覆盖强度与质量达到最优，以解决该需求痛点。
覆盖预测与寻优验证
商合杭高铁无线信道孪生的精度评估,定点预测与实测的Mean Gap 1.33dB（业界 2dB）、RMSE 4.98dB（业界 8dB），如图7所示。
图7 商合杭高铁孪生精度评估
商合杭高铁项目的优化工期仅有1周，又遇下雨天3天，实际剩余时间仅有测试评估的时间，工程建设完成之后即刻拉测评估：
4G 1.8G替换后覆盖提升：LTE覆盖率(RSRP>=-110、SINR>=-3)指标99.80%，提升幅度0.93%；RSRP平均电平提升6db以上，SINR提升1db以上。
4G 1.8G替换后感知提升：应用层平均下载速率提升10Mbps，提升幅度92%；VoLTE语音业务指标正常、无事件。
替换前后指标对比评估
4G替换业务评估：4G替换后日均流量1.84TB，替换前日均流量1.01TB，替换后日均流量增长0.83TB，增长比例82.18%，如图8所示。
图8 4G替换前后流量评估
4G替换指标评估：4G替换后无线接通率99.85%，与替换前持平；无线掉线率0.01%，较替换前改善0.07%；切换成功率99.2%，较替换前提升0.21%，如图9所示。
图9 4G替换前后KPI指标评估
5G新建综合评估：商合杭开通后5G日均流量1.57TB，9月27号达到流量峰值2.51TB，接通率、掉线率、切换率等指标和大网KPI持平、达标，如图10所示。
图10 5G新建业务与指标评估
无线通信网络的生产活动是规划、建设、优化、维护、运营，那么高铁专网遇到的难题是如何一次将事情做好，即是需要将高铁专网的优化、维护等工作如何前置到规划阶段，数字孪生技术应用而生。我们通过更高精度的孪生建模，结合AI寻优实现优化、维护等工作的前置，集成在更加精准的网络规划，从而一次将事情做好，达成“零覆盖优化”的目标。高铁专网的数字孪生解决方案通过构建了两大核心能力：数字站点孪生、无线信道孪生，将看得见的基站与看不见的信道进行了融合孪生，提供四项关键技术：数字勘察、孪生可视、覆盖预测、覆盖寻优，从而解决高铁专网效率与质量的痛点。
2023年2月份，国务院印发了《数字中国建设整体布局规划》，千行百业将面临数字化变革发展，数据技术DT、运营技术OT、信息技术IT和通信技术CT（DOICT）的全融合将共同驱动网络变革和能力升级，6G愿景数字孪生将使能政策与产业落地，助力全社会全领域的数字化智能化发展。
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