鐵路時空大數據應急輔助決策系統及關鍵技術

劉陽學，段卿培，蔣麗麗，楊峰雁，張時通

（1. 中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081；2. 中國鐵路北京局集團有限公司 調度所，北京 100860）

提升鐵路應急指揮能力，完善應急處置組織體系，加快應急信息化建設，提高應急處置效率，是當前鐵路應急管理部門的重點工作。文獻[1-2]介紹了鐵路客運車站應急指揮系統的應急管理流程；文獻[3]介紹了鐵路客運應急調度指揮系統的設計方法；本文將空間信息和應急指揮業務應用深度融合，借助地理信息系統（GIS，Geographic Information System）、遙感監測、北斗衛星導航等技術，從信息共享、整體應用、智能化服務的角度，采用“應急指揮一張圖”和“移動應急終端”的空間信息應用模式，研發面向多專業協同指揮的鐵路時空大數據應急輔助決策系統（簡稱：應急輔助決策系統），實現應急指揮集中統一、應急處置上下聯動、應急資源快速查詢和充分共享，提升應對突發事件處置能力和應急管理水平。

1 架構設計

1.1 系統架構

應急輔助決策系統基于鐵路局集團公司大數據平臺、鐵路地理信息平臺和鐵路北斗服務平臺，匯集外部系統基礎數據，面向鐵路局集團公司應急指揮需要，實現應急處置流程化，應急資源可視化，信息傳遞快速化。系統架構如圖1所示。

圖1 系統架構

（1）用戶層：系統的用戶主要為各鐵路局集團公司、站段、工區等單位的應急指揮人員。

（2）應用層：基于基礎設施層、數據層和服務層，提供面向不同業務場景的業務應用功能。

（3）服務層：調用鐵路地理信息平臺的地圖服務、空間分析服務等，實現系統的集成展示、應急聯動和數據維護等功能；調用大數據平臺的主數據管理、數據分析等服務，實現專業數據接入與基礎數據同步；調用鐵路北斗服務平臺的高精度定位及短報文服務，實現事件快速定位、路徑導航和應急通信等功能。

（4）數據層：存儲應急業務數據、應急資源數據、空間地理信息數據和業務系統數據，為應急輔助決策系統的軟件運行提供數據支撐。

（5）基礎設施層：運用計算資源、網絡資源、存儲資源和安全資源，保證系統高性能、可靠穩定運行，并且具有靈活的擴展性，能夠滿足業務持續發展的需要。

應急輔助決策系統滿足鐵路局集團公司各級應急指揮人員對突發事件應急處理和綜合協調的需求，實現對鐵路突發事件救援工作的高效指揮。

1.2 數據架構

應急輔助決策系統管理的數據包括應急業務數據、應急資源數據、空間地理信息和業務系統數據[4]。根據各級用戶主體之間的數據處理流程，系統數據架構如圖2所示。

圖2 數據架構

（1）數據應用層：管理應急業務數據、應急資源數據、空間地理信息和業務系統數據。應急業務數據是應急處置過程中所使用和產生的數據，主要包括事件基本信息、事件處置進展信息和現場信息等；應急資源數據是應急相關人員和裝備的數據，主要包括站段、車間及工區等所管轄的救援人員及分布信息，救援列車、熱備機車等救援裝備的分布信息，以及各專業設備的信息；空間地理信息主要包括矢量地圖、遙感影像等基礎地理信息；業務系統數據是在應急處置過程中，與各專業強相關的數據。

（2）數據服務層：數據匯聚到大數據平臺的方式分為兩種：a. 對于應急業務數據，數據的時效性要求較高，需采用消息隊列、Web Service等實時數據接口方式；b. 對于各專業部門應急資源數據變化頻率較低、實時性要求較低的數據，采用Java數據庫連接（JDBC，Java DataBase Connectivity）或數據視圖開放采集的模式定期采集。應急輔助決策系統通過調用鐵路地理信息平臺專題服務，實時獲取地圖相關數據；通過調用鐵路北斗服務平臺，實時獲取移動終端高精度位置信息和短報文通信數據。

（3）數據接入層：業務系統數據部分通過數據服務平臺接入，部分通過統一資源定位符（URL，Uniform Resource Locator）調用。

1.3 網絡架構

應急輔助決策系統采用集中部署，為鐵路局集團公司應急指揮中心和各個主管業務部門、站段提供三級應用服務，同時，利用應急終端為應急指揮現場提供服務。系統網絡架構如圖3所示。

圖3 網絡架構

應急輔助決策系統包括指揮中心端和移動端App兩部分，指揮中心端部署于各鐵路局集團公司鐵路內部服務網，兩級應急指揮中心用戶通過鐵路內部服務網直接訪問系統。移動端App服務和地圖服務部署在鐵路局集團公司鐵路外部服務網，應急終端用戶通過互聯網將數據傳輸至移動端App服務器，再通過網絡安全保障平臺接入至內部服務網指揮中心端。通過網絡安全保障平臺提供的安全隔離、安全防火墻、安全訪問控制等技術確保內/外網應用的安全性。

2 功能設計

應急輔助決策系統功能主要分為指揮中心端功能和移動端App功能。

2.1 指揮中心端功能

指揮中心端主要功能包括地圖集成展示、事件快速定位、路徑導航、應急聯動、實時監測、遙感變化監測、天氣預報和資源維護等，實現基于GIS地圖的全專業資源檢索、定位和展示。

（1）集成展示：提供多種GIS地圖的展示功能，地圖類型包括鐵路局集團公司管轄范圍內的基礎地圖、衛星遙感影像地圖、應急資源地圖，以及工務、電務、供電、機務等專業地圖；此外，提供基于GIS地圖的地圖測距、測面和清除等功能，提高應急處置的工作效率。

（2）事件快速定位：提供里程定位和線路車站定位兩種定位方式。里程定位通過線路和公里標兩種屬性進行定位；線路車站定位通過線路和車站兩種屬性進行定位。通過定位生成事件點，實現快速關聯事件點周圍各類應急資源的功能。

（3）應急聯動：在事件定位后實現以下時空數據的聯動。

a. 事件最近救援力量分布，包括對應工務、電務、供電等專業人員的所屬站段和工區的分布情況；b. 救援設備分布，包括距離事件點最近的救援列車、內燃機和吊車等資源分布情況；c. 作業通道分布，自動搜索距離事件點最近的通道門資源；d. 事件點圖紙聯動，包括工務綜合圖、電務分布圖、供電的布控圖、停電卡片和車務平面布局圖；e. 事件點視頻聯動，定位事件點的線路視頻資源，展示事件點周邊的地形地貌。

（4）實時監測：對手持移動端的救援人員所在位置進行監測，提供對應急救援人員位置的實時跟蹤，及時掌握救援人員趕赴事件現場的救援路徑和用時情況。

（5）路徑導航：提供駕車和步行兩種導航模式，通過輸入起點和終點并加載實時路況；提供距離最短和時間最短兩種路徑；提供距離事件點最近的站段和工區位置的自動查詢功能；提供任意位置至事件點距離最近的路徑導航。

（6）遙感監測：利用高分辨遙感變化檢測技術，實現周邊環境安全隱患的提前預防、及時發現、及時制止，保障鐵路運行環境安全，在應急安全管理和外部環境管控方面構建人防、物防、技防“三位一體”的安全保障體系。

（7）天氣預報：通過接入實時氣象數據，在GIS地圖中提供天氣預報實時查看功能，按定位點和按地理區域顯示天氣預報，為應急處置工作提供天氣方面的輔助支持。

（8）資源維護：提供對基礎數據、工務數據、電務數據、供電數據、機務數據、專業圖紙、線路視頻等信息的維護功能。

2.2 移動端App功能

移動端App提供鐵路局集團公司應急指揮中心和事件現場應急人員之間的快速聯動功能，使應急處置人員可以及時掌握事件現場的情況。

（1）應急速報：現場人員發現事件后，可通過移動端App進行事件速報，指揮中心端可實時接收到上報事件信息，并進行聲光提示，保證事件上報的及時性。

（2）事件接收：接收和展示指揮中心端下發的事件、處置措施和文件等信息，根據事件信息提取事件地點的定位，為救援路徑導航提供依據。

（3）救援導航：提供最優路徑規劃和選擇的功能，應急救援人員利用移動端App導航至距離事件點最近的通道門。

（4）音/視頻回傳：提供事件現場圖片和視頻的上傳功能。現場救援人員通過移動端App將事件現場的圖片和視頻上傳至應急指揮中心，指揮中心通過應急大數據查詢系統查看圖片和播放視頻，及時掌握事件現場情況

（5）位置回傳：現場救援人員響應接收到的事件后，通過移動端App將當前位置信息實時上傳至應急指揮中心，以便應急指揮中心指揮人員掌握現場救援人員的位置信息。

3 關鍵技術

應急輔助決策系統基于GIS、遙感監測和北斗衛星導航等技術，在防災、減災、救災等方面開展應用，實時獲取多源、多維度空間數據，實現突發事件的快速感知和高精度定位，聯動事件周邊各類應急資源，為事故救援決策提供依據。

3.1 GIS

基于GIS的鐵路地理信息平臺中，包含國家基礎地理信息和鐵路專業公用地理信息，以及根據各業務系統需求定制的鐵路專業專用地理信息。

應急輔助決策系統通過調用鐵路地理信息平臺中的國家基礎地理信息，以及鐵路工務、電務、供電、機務等專業地理信息，使國家基礎數據與鐵路專業數據融合，形成“應急指揮一張圖”[5]，實現鐵路線路走向、車站分布、救援力量布局、設備設施定位、各類專業圖紙、視頻等時空信息聯動，為指揮人員提供全方位應急信息。通過GIS的空間分析技術，建立各類分析評估模型，制定應急輔助決策方案[6]。

應急輔助決策系統通過調用鐵路地理信息平臺的地圖服務，實現鐵路時空大數據的可視化、事件定位、多專業資源數據集中顯示、資源檢索、遙感圖像展示等功能。地圖服務訪問流程如圖4所示。

圖4 地圖服務訪問流程

3.2 遙感監測

利用衛星遙感、航空高分辨遙感和雷達監測技術，周期性監測鐵路沿線線橋設備、地質地形、氣象水文等狀況，為鐵路安全管理及運輸部門的安全風險分析、研判提供數據支持；預警可能發生的突發事件類型，加大對相應危險源的監控力度；及時報告可能引發事故的重要信息。在事故發生后，可利用遙感影像直觀地研究損毀特征，監測基礎設施的損毀程度、數量及空間分布情況，為事故統計及救援工作提供依據[7-8]。

遙感變化檢測可實現持續、周期性地檢測周邊環境的安全隱患，檢測范圍可以覆蓋到安保區外數千米，便于及時排除安全隱患，防患于未然。

3.3 北斗衛星導航

北斗衛星導航系統是我國自主建設、獨立運行的衛星導航系統，具有全天候、全天時、高精度的定位、導航、短報文通信和授時等功能，其中，短報文通信功能是現有其他導航系統所不具備的獨特功能。北斗衛星導航系統已在多條鐵路線開展示范應用，其在應急及安全領域的應用尤為重要[9]。

應急輔助決策系統中，主要應用北斗衛星導航系統的高精度定位和短報文通信功能：

（1）在移動端安裝應急App，基于高精度定位功能，將救援人員導航至事件現場，同時，向指揮中心提供救援人員位置信息；

（2）在發生大面積自然災害或移動通信網遭到破壞時，通過移動端的短報文通信功能進行應急通信，保障事件現場和應急指揮中心間的通信。

4 結束語

為加快鐵路應急指揮信息化建設、提高應急處置效率，研發應急輔助決策系統。目前，該系統已在部分鐵路局集團公司開展應用，為應急指揮人員提供全方位應急相關信息，為現場救援人員提供信息化應急救援手段，切實提高了突發事件應急處置效率。下一步的工作是深化應急輔助決策系統的研究，結合大數據平臺，充分利用各類資源，為突發事件應急處置提供智能化輔助決策方案。