基于資源共享的高速鐵路監測預警與應急平臺研究

吳艷華，王富章，李 平，王英杰

（中國鐵道科學研究院 電子計算技術研究所，北京 100081）

鐵路信息技術

基于資源共享的高速鐵路監測預警與應急平臺研究

吳艷華，王富章，李 平，王英杰

（中國鐵道科學研究院 電子計算技術研究所，北京 100081）

鑒于高速鐵路公司運輸監管、安全監督的職能，在現有鐵路應急平臺的基礎上，基于云計算技術設計高速鐵路監測預警與應急平臺，將解決基礎資源利用率低、監測信息利用不充分、應急處置過程協調不通暢等傳統應急平臺的瓶頸問題。基于高速鐵路的特有屬性構建突發事故情景，提出基于情景的智能方案生成方法。

高速鐵路；應急管理；資源共享；云計算技術；事故情景

中國的應急平臺體系建設正在逐步完善。目前，中國鐵路正在逐步構建鐵路總公司、鐵路局/公司和站段三級應急平臺體系[1]。高速鐵路成為近幾年鐵路建設的重中之中，高速鐵路投入運營后，高速鐵路公司的職能由建設期的“以工程建設為核心”轉變為“以資產運營為核心”，同時兼顧“運輸監管”和“安全監督”[2]。高速鐵路的應急管理工作具有技術先進、安全管理要求高、救援難度大等特點，以現有的鐵路應急平臺體系為基礎，結合高速鐵路各類監測和檢測設施，進一步完善鐵路應急平臺體系，成為中國鐵路目前面臨的應急管理技術問題之一。

了解國內應急平臺系統尤其是交通行業應急平臺系統建設情況可知，普遍存在基礎資源利用率低、監測信息無法充分利用、應急處置過程協調不通暢等瓶頸問題[3]。隨著云計算等新一代信息技術的成熟應用，利用物聯網、云計算和大數據技術進一步整合現有資源，構建滿足高速鐵路應急管理需求的監測預警與應急平臺體系，成為解決中國鐵路應急管理技術難題的有效方法。

文章基于高速鐵路各類監測感知設備采集的信息，提出基于硬件、軟件和信息等多種資源共享的監測預警與應急平臺總體架構，提出高速鐵路突發事件情景定義，解決基于情景的方案生成關鍵技術，構建云架構的高速鐵路監測預警與應急平臺。

1 高速鐵路應急管理分析

高速鐵路的應急管理工作過程，以突發事件為主線可以分為事前、事中、事后3個階段，以管理階段為主線可以分為預防、準備、響應和恢復4個階段，依據高速鐵路應急管理的主要工作重點，預防階段的管理工作主要包括設備檢測監測、風險監控、安全評估和計劃管理等，準備階段的工作主要包括日常的應急值守、預案管理、應急資源的管理維護和模擬演練任務等，響應階段是突發事件發生時要做的工作，主要包括智能方案生成、協同指揮、與地方政府和相關機構的應急聯動等，恢復階段的工作主要包括資源補充、案例制作、總結評估和預案的修訂等。

2 平臺總體架構

高速鐵路監測預警與應急保障平臺，為應急管理機構和應急指揮者提供服務，對相關業務過程、數據和成果進行全方位的管理。平臺總體架構如圖1所示。

2.1 感知層—基于物聯網技術的監測信息感知

感知層可以比喻為高速鐵路監測預警與應急保障平臺的感覺器官，感知層是平臺獲取信息的一個重要途徑。感知層通過物聯網、北斗導航等新一代感知技術，通過高速鐵路基礎檢測設施、動車狀態監測設備，防災安全監控系統的大風監測儀、雨量監測儀、異物侵線監測儀、大雪監測儀、地震監測儀等，以及條形碼、電子標簽、RFID射頻設備、GPS定位設備、手持讀入設備、視頻監控等終端設備，采用人工和自動相結合的方式，動態、實時、智能化地識別、感知、定位、跟蹤、采集、監控、管理高速鐵路車、機、工、電、輛等各專業現場信息，為平臺提供及時、準確的數據來源。

2.2 傳輸層—基于新一代網絡技術的監測信息傳輸

圖1 高速鐵路監測預警與應急保障平臺總體架構

傳輸層是高速鐵路監測預警與應急保障平臺的血管，是平臺將采集到的數據安全、快速地傳輸到數據中心的通道。平臺的傳輸層采用鐵路內部服務網、無線傳輸（Wifi）、通用分級無線服務（GPRS）、第二、三、四代移動通信（2G、3G、4G）技術、虛擬專用網（VPN）技術、移動互聯技術、衛星通信技術等數據傳輸技術，為平臺數據的上傳和調度指令的下達提供實時的通道，保證應急管理和事故指揮者通過固定終端、移動終端等隨時隨地獲取數據、聲音、視頻和報警消息，同時保證交通不便、通信基礎薄弱的地區通過衛星通信等技術實現應急突發信息的上下行數據傳輸。

2.3 數據存儲、資源和加工層—基于云計算和大數據技術的數據中心

（1）數據存儲層、數據資源層和數據加工層是高速鐵路監測預警與應急保障平臺的大腦，是平臺對突發事件發生前、事故發生過程中和事故處置后等各階段的相關數據進行存儲、管理和分析處理的主要場所。（2）數據存儲層通過云計算技術實現網絡、存儲等硬件資源的虛擬化，構建高速鐵路應急云數據中心，對數據進行統一的存儲管理。同時，通過集群應用、網格技術和分布式文件系統等技術，實現云存儲中心設備的邏輯虛擬化管理、多鏈路冗余管理和協同工作，實現數據的建構、組織、定位、分類、編碼、檢索、更新和維護等。（3）數據加工層是高速鐵路監測預警與應急保障平臺的大腦和運算中心，加工層利用數據中心存儲的各業務領域、全生命周期數據，采用大數據技術對結構化數據和非結構化進行深入的挖掘、加工和處理，實現對存儲數據的按需排序、篩選、組織、有條件透視等相關操作。（4）數據加工層根據業務應用的不同，封裝Web服務、GIS服務、數據訪問、數據處理、綜合分析和報表統計等業務組件，實現時空一體化大數據的統計、訪問、處理、分析等。

2.4 業務應用層—面向監測預警與應急保障的業務應用

業務應用層封閉平臺的各個業務功能模塊，實現業務功能按需的組件式安裝，供訪問層進行調用。

2.5 訪問層

平臺的訪問層通過SSL VPN、Web、移動互聯等技術，構建高速鐵路監測預警與應急保障平臺調度指揮中心，支撐瀏覽器、移動客戶端等不同方式的平臺訪問。

3 平臺部署架構

高速鐵路監測預警與應急平臺，與現有的鐵路應急平臺不是互相排斥的，而是互相補充的。由于該平臺是依據高速鐵路的組織機構特點而設置的，因此平臺的部署和信息傳遞架構設計如圖2所示。

由于高速鐵路公司“以資產運營”為核心，同時兼顧“運輸監管”和“安全監督”的職能定位，因此各鐵路局將事故相關信息報送至高速鐵路公司，達到一定響應等級的突發事件報送至鐵路總公司，統一開展應急調度指揮。

圖2 高速鐵路監測預警與應急平臺部署架構設計示意圖

4 基于情景的智能方案生成

高速鐵路突發事件處置方案，是事故處置過程中的有利依據。中國鐵路突發事件分為自然災害事故、事故災難、公共衛生和群體性事故等4大類，這種分類方法指導相關預案的編制。

4.1 構建突發事件情景

在事故發生過程中，智能處置方案的生成需要更詳細的事故情景信息。參考韓國軌道交通事故特征分類方法[4]，深入分析中國高速鐵路事故類型（Class），將事故類型分為兩大類，即非人為因素所致的事故類型I，包括列車系統故障、暴雨、暴風、暴風雪、地震等自然災害所致事故；人為因素所致的事故類型II，包括列車相撞、脫軌、火災、人員傷亡、平交道口與公路車輛相撞、恐怖主義襲擊等所致的事故。在此基礎上，又對各種事故按其形式（Pattern）、對象（Object）、發生地點（Location）等，再進行詳細的分析。因此，高速鐵路的事故類型C、發生形式P、發生對象O、發生地點L就構成高速鐵路突發事件的情景，如表1所示。

表1 高速鐵路事故情景

定義事故情景后，要根據事故發生初始階段的相關信息，智能生成處置方案。根據事故的響應部門（或響應者），可將事故響應等級劃分為3大類，分別是初級、內部和全面響應級別。初級響應級別，是指在事件的初始階段由目擊者、列車或車站工作人員等可以輕易進行處理的事件級別；內部響應級別，是指事件發生后可由專業的高速鐵路工作人員，通過自身專業水平對事件進行處理的事件級別；全面響應級別，是指事件發生后，無法通過內部處置控制事件發展，需要公共應急響應部門（消防隊、警察和醫院等）協助對事件進行處置的事件級別。響應級別的信息主要包括其定義（Definition）、響應部門（Response Party）、處置人員（Handling）、疏散對象（Evacuation）、其它措施（Other）等。

4.2 事故應急響應模型

對事故類型和響應級別的詳細分析，充分明確了事故所導致的潛在危害和應急響應過程中的事故響應主體，這為進一步深入分析事故應急處置打下的基礎。軌道交通事故發生之初，能夠充分掌握事故類型（C）、形式（P）、對象（O）、地點（L）信息。根據詳細的事故分類方法，確定事故的分類代碼。以火災事故（C：Fire）為例，如果載有乘客的客運列車（O：①）車體（P：①）部位發生火災，事故發生的位置位于隧道（L：④）內，則事故的代碼為F114。在對事故類型及其相關屬性進行了詳細的定義后，應急管理部門根據事故的類型信息，對每類事故制定其對應的三級應急響應流程。

在事故發生之初，應急管理人員根據事故發生的相關信息確定事故的分類，并根據詳細的分類信息確定事故的響應。為了形式化地表達軌道交通事故應急響應的過程，作出如下定義：

（1）將事故特征定義為Feature，其中類型（Class）、形式（Pattern）、對象（Object）、地點（Location）分別用C、P、O、L表示；

（2）事故響應級別定義為Level，其中定義（Definition）、響應部門（Response Party）、處置者（Handling）、疏散對象（Evacuation）、其它措施（Other）分別用D、Rp、H、E、Ot表示。

則根據如上定義，設應急響應的構成要素分別為：事故特征集{類型、形式、對象、地點}，記作T={C, P, O, L}；事故響應集{定義、響應部門、處置者、疏散對象}，記作L={D, R, H, E, Ot}。定義事故概況集，根據現場得到的相關信息劃分要素，即{事故類型、形式、對象、地點、響應等級}，記作五元組O={α, β, γ, χ, δ}。

定義事故關鍵詞表單Keyword(list)={k1, k2,…, ki,…}，表示對應的檢索詞，順序檢索表單中的各項，根據C→P→O→L逐漸縮小表單檢索范圍。以火災事故F114為例，首先通過條件確定當前事件的類型C為火災事故，再依次對事故的形式（P）、對象（O）、地點（L）條件進一步檢索，過濾出與事件信息相匹配的事故特征。在檢索的過程中計算匹配度，記作η=Simlarity(Sa(ka)→Sb)表示以Sa集檢索詞ka為目標，檢索指針指向Sb集的每一要素，如果找到目標則η=1，返回Sb集的指定要素，否則η=0。其中約束條件為：

η(α→C)=1；η(β→P)=1；η(γ→O)=1；η(χ→L)=1； η(δ→D)=1

根據事故與分類特征的匹配度，提取滿足當前事件特征的應急響應各要素，組合成事故的應急響應方案，即Level={D∨R∨H∨E∨Ot}，從而對事故進行處置。

5 結束語

文章從高速鐵路應急管理業務的分析出發，結合新一代信息技術設計高速鐵路監測預警與應急平臺，解決基于情景的方案生成技術，搭建高速鐵路監測預警與應急平臺。平臺采用云計算技術實現硬件、軟件和數據資源的共享，將有效地避免基礎資源利用率低、監測信息無法充分利用、應急處置過程協調不通暢等問題。

[1] 王富章.鐵路突發事件應急管理研究[M].北京：中國鐵道出版社，2011.

[2] 京滬高鐵公司管理信息系統總體方案[R].京滬高速鐵路有限責任公司，2013.

[3] 劉建峰，王海峰，黃建玲.基于多源信息融合技術的交通安全應急平臺建設[J].中國交通信息化，2013（增刊）：16-17.

[4]吳艷華,王富章,李 平.韓國鐵路應急管理及啟示[J].中國鐵路，2011 （9）：69-72.

責任編輯 徐侃春

Resource sharing based high-speed railway monitoring and early warning emergency platform

WU Yanhua, WANG Fuzhang, LI Ping, WANG Yingjie
( Institute of Computing Technologies, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China )

In view of the high-speed rail company's functions of transportation regulation and safety supervision, based on the existing railway emergency platform, the high-speed railway monitoring and early warning emergency platform was designed depending on cloud computing technology. It would solve the bottleneck problems about low utilization of basic resources, underutilization of monitoring information, and unblocked of emergency response coordination process on the traditional emergency platforms. Based on the unique attributes of high-speed railway, the intelligent scheme was suggested based on the scenarios.

high-speed railway; emergency management; resource sharing; cloud computing technology; accident scenario

U29∶TP39

A

1005-8451（2015）09-0017-05

2015-02-11

中國鐵路總公司科技研究計劃項目（2014F001，2013X009-A-1）。

吳艷華，助理研究員；王富章，研究員。