鐵路沿線安全環(huán)境治理信息平臺(tái)設(shè)計(jì)

楊 琦，賀文軒，徐成偉，馬 禎

（1. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算機(jī)技術(shù)研究所，北京 100081；2. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京 100081）

鐵路在我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中具有重要作用，是國(guó)家的重要基礎(chǔ)設(shè)施、大眾化交通運(yùn)輸工具、綜合交通運(yùn)輸體系的骨干。隨著鐵路網(wǎng)不斷拓展，鐵路沿線安全環(huán)境日趨復(fù)雜，環(huán)境因素引發(fā)的各類安全隱患多發(fā)，嚴(yán)重威脅鐵路行車安全。

2021年，國(guó)務(wù)院發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)鐵路沿線安全環(huán)境治理工作的意見(jiàn)》中指出，隨著我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程不斷增加，改善鐵路沿線安全環(huán)境對(duì)保障鐵路高質(zhì)量發(fā)展和人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全的作用更加突出[1]。

鐵路外部環(huán)境安全隱患是影響鐵路運(yùn)輸安全的不穩(wěn)定因素[2]。曹曉東[3]深入分析鐵路外部沿線環(huán)境安全現(xiàn)狀、鐵路沿線外部環(huán)境安全隱患成因，從制度方面提出安全管控對(duì)策、措施；韓璐等人[4]設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了鐵路路外安全環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System），對(duì)鐵路三維模型數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、各類保護(hù)界線、各傳感器監(jiān)測(cè)報(bào)警數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及管理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警；張珩等人[5]利用高分遙感影響對(duì)鐵路建設(shè)中的環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；趙振洋等人[6]融合C/S架構(gòu)和B/S架構(gòu)，搭建了集成計(jì)算機(jī)端及移動(dòng)端的鐵路外部環(huán)境管控地理信息平臺(tái)；包云等人[7]提出定期排查與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的鐵路外部環(huán)境安全監(jiān)測(cè)方案，分析5G、邊緣計(jì)算、人工智能等技術(shù)在鐵路外部環(huán)境安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。上述研究存在監(jiān)測(cè)手段平面化、平臺(tái)功能單一化等問(wèn)題，并未集成多種監(jiān)測(cè)手段，平臺(tái)缺少除安全隱患監(jiān)測(cè)、分析外的問(wèn)題治理和應(yīng)急指揮等延伸功能。

本文在當(dāng)前研究基礎(chǔ)上，針對(duì)鐵路沿線全視域的安全隱患，設(shè)計(jì)鐵路沿線安全環(huán)境治理信息平臺(tái)，挖掘鐵路沿線環(huán)境安全隱患，采集鐵路沿線影響行車安全的違法行為，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、工作任務(wù)閉環(huán)管理等功能。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

為滿足列車運(yùn)行安全對(duì)鐵路周邊環(huán)境的實(shí)際需求，保障列車的運(yùn)行安全與運(yùn)行效率，設(shè)計(jì)了鐵路沿線安全環(huán)境治理信息平臺(tái)架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 鐵路沿線安全環(huán)境治理信息平臺(tái)架構(gòu)

鐵路沿線安全環(huán)境治理信息平臺(tái)架構(gòu)共有6部分組成，分別是感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層、基礎(chǔ)服務(wù)層、智能分析層和應(yīng)用層。

（1）感知層主要負(fù)責(zé)鐵路沿線地形地貌、周邊環(huán)境等數(shù)據(jù)的周期性采集、實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

（2）網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)、問(wèn)題反饋和危險(xiǎn)源信息的傳輸。

（3）平臺(tái)層主要提供平臺(tái)運(yùn)行、數(shù)據(jù)分析、信息共享、容災(zāi)備份等所需要的硬件及軟件運(yùn)行環(huán)境。

（4）基礎(chǔ)服務(wù)層主要為平臺(tái)提供GIS、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、其他管理系統(tǒng)等方面的基礎(chǔ)性、公用性資源。

（5）智能分析層為應(yīng)用層提供通用的、標(biāo)準(zhǔn)化的大數(shù)據(jù)及人工智能分析。其中，數(shù)據(jù)治理進(jìn)行數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理、元數(shù)據(jù)管理，用以保證數(shù)據(jù)質(zhì)量；大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)平臺(tái)提供基于Hadoop的大數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)及分析組件；人工智能部分提供圖像分析、自然語(yǔ)言處理能力，包括數(shù)據(jù)標(biāo)注、模型訓(xùn)練等。

（6）應(yīng)用層主要利用感知層采集的相關(guān)數(shù)據(jù)、智能分析層的算法算例及模型進(jìn)行數(shù)據(jù)融合分析、危險(xiǎn)源識(shí)別、問(wèn)題跟蹤、應(yīng)急指揮、模型修訂與優(yōu)化及數(shù)據(jù)共享等工作。

2 平臺(tái)功能

鐵路沿線安全環(huán)境治理信息平臺(tái)的功能模塊包括鐵路沿線安全環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊、鐵路沿線環(huán)境問(wèn)題管理模塊、鐵路沿線環(huán)境應(yīng)急指揮模塊、鐵路沿線環(huán)境問(wèn)題咨詢服務(wù)和鐵路沿線環(huán)境信息交換模塊。

2.1 鐵路沿線安全環(huán)境監(jiān)測(cè)

鐵路沿線安全環(huán)境監(jiān)測(cè)主要通過(guò)遙感衛(wèi)星[8-9]、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)和視頻等多種監(jiān)測(cè)技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)鐵路兩側(cè)500 m 范圍內(nèi)、鐵路線路安全保護(hù)區(qū)、鐵路限界內(nèi)區(qū)域的危情及安全隱患監(jiān)測(cè)。

2.2 鐵路沿線環(huán)境問(wèn)題管理

鐵路沿線環(huán)境問(wèn)題管理主要包括問(wèn)題上報(bào)、治理狀態(tài)管理、銷號(hào)管理、存量問(wèn)題隱患庫(kù)等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)問(wèn)題的錄入、審核、上報(bào)、原因分析、整改方案和整治狀態(tài)的全過(guò)程管理，促進(jìn)制度建立與信息化管理。

2.3 鐵路沿線環(huán)境應(yīng)急指揮

鐵路沿線環(huán)境應(yīng)急指揮主要包括對(duì)鐵路氣象災(zāi)害、地質(zhì)災(zāi)害、危情等進(jìn)行全面預(yù)警；實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)急預(yù)案、應(yīng)急組織體系和應(yīng)急物資等應(yīng)急資源準(zhǔn)備，可依據(jù)相關(guān)應(yīng)急預(yù)案合理配置資源，滿足應(yīng)急處置的需要；建立與相關(guān)信息共享，保障災(zāi)情發(fā)生后可與各部門(mén)快速聯(lián)動(dòng)；制定協(xié)同處置流程，以書(shū)面報(bào)告的形式將防范和改進(jìn)措施記錄并留存，報(bào)上級(jí)有關(guān)部門(mén)；組織開(kāi)展災(zāi)后重建功能，做好過(guò)程管理，實(shí)現(xiàn)災(zāi)后重建。

2.4 鐵路沿線環(huán)境問(wèn)題咨詢服務(wù)

鐵路沿線環(huán)境問(wèn)題咨詢服務(wù)主要包括安全環(huán)境評(píng)估、治理方案論證和專家?guī)旃芾淼裙δ?，發(fā)揮行業(yè)內(nèi)專家及相關(guān)專業(yè)機(jī)構(gòu)的力量?jī)?yōu)勢(shì)，開(kāi)展環(huán)境問(wèn)題咨詢服務(wù)、安全環(huán)境評(píng)估和治理方案論證等工作，提升鐵路沿線環(huán)境問(wèn)題治理能力專業(yè)化水平。

2.5 鐵路沿線環(huán)境信息交換

建立鐵路沿線環(huán)境信息交換機(jī)制，實(shí)現(xiàn)鐵路沿線安全環(huán)境治理信息平臺(tái)與城市運(yùn)行管理服務(wù)平臺(tái)等其他平臺(tái)的互聯(lián)互通、信息共享，提升平臺(tái)信息交換及共享度，加快信息流通。為確保信息安全，避免信息泄露，具備身份認(rèn)證、單點(diǎn)登錄、權(quán)限控制、信息安全和安全管理等功能。

3 關(guān)鍵技術(shù)

鐵路沿線安全環(huán)境治理信息平臺(tái)采用以建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）+GIS融合服務(wù)、微服務(wù)架構(gòu)、單點(diǎn)登錄（SSO，Single Sign-On）統(tǒng)一安全認(rèn)證、安全日志及運(yùn)行監(jiān)控等技術(shù)。其中，BIM+GIS融合服務(wù)為用戶更加直觀的可視化基礎(chǔ)；微服務(wù)中心為平臺(tái)各應(yīng)用模塊提供基礎(chǔ)設(shè)施支持的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了鐵路沿線安全環(huán)境監(jiān)測(cè)與基于多源數(shù)據(jù)融合的隱患識(shí)別；SSO統(tǒng)一安全認(rèn)證、安全日志及運(yùn)行監(jiān)控技術(shù)為平臺(tái)提供安全保障支撐的同時(shí)，為用戶提供更為簡(jiǎn)便的運(yùn)行維護(hù)支撐。鐵路沿線安全環(huán)境治理信息平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 鐵路沿線安全環(huán)境治理信息平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)

3.1 BIM+GIS融合服務(wù)

由BIM服務(wù)和GIS服務(wù)組成，并統(tǒng)一對(duì)外提供BIM+GIS融合服務(wù)。

（1）BIM服務(wù)基于WebGL渲染、語(yǔ)義信息提取、幾何表達(dá)歸并，可提供BIM數(shù)據(jù)接入，實(shí)現(xiàn)Bentley、Autodesk Civil 3D、Tekla等BIM設(shè)計(jì)軟件的數(shù)據(jù)導(dǎo)入，實(shí)例化、多細(xì)節(jié)層次（LOD，Levels of Detail）和輕量化處理，模型編輯修改，多源信息關(guān)聯(lián)等功能。

（2）GIS服務(wù)基于動(dòng)態(tài)服務(wù)構(gòu)建、金字塔切割、線性參考和緩沖區(qū)計(jì)算分析，可提供三維地圖可視化、實(shí)景三維地圖加載渲染、線路中心里程和地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、時(shí)空數(shù)據(jù)對(duì)比分析和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)渲染等。

3.2 微服務(wù)網(wǎng)關(guān)

采用SpringBoot技術(shù)構(gòu)建的微服務(wù)架構(gòu)，將平臺(tái)業(yè)務(wù)分解為多個(gè)獨(dú)立部署的服務(wù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)單體業(yè)務(wù)平臺(tái)的解耦，增強(qiáng)業(yè)務(wù)的擴(kuò)展能力。采用SpringBoot框架，簡(jiǎn)化應(yīng)用的構(gòu)建和開(kāi)發(fā)過(guò)程。在微服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施方面，利用SpringBoot提供的服務(wù)注冊(cè)與發(fā)現(xiàn)、服務(wù)網(wǎng)關(guān)、配置中心、服務(wù)訪問(wèn)認(rèn)證管理、消息中間件和分布式緩存等服務(wù)，將分布運(yùn)行的多個(gè)子模塊有機(jī)串聯(lián)，確保整個(gè)平臺(tái)高效穩(wěn)定運(yùn)行，為后續(xù)業(yè)務(wù)服務(wù)的對(duì)外補(bǔ)充與擴(kuò)展提供基礎(chǔ)技術(shù)支持。在應(yīng)用開(kāi)發(fā)公共支撐方面，通過(guò)對(duì)微服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施層的開(kāi)發(fā)和封裝，實(shí)現(xiàn)組織管理、權(quán)限服務(wù)、數(shù)據(jù)同步和配置服務(wù)、服務(wù)協(xié)議、服務(wù)發(fā)現(xiàn)與調(diào)用、限流與熔斷、平臺(tái)配置和日志采集等功能，為上層業(yè)務(wù)應(yīng)用提供全面支撐。

3.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)一接口

針對(duì)不同類型、協(xié)議、傳輸速率的交互數(shù)據(jù)，建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口，提供TCP/IP、WebServices、Socket通信、消息隊(duì)列、RTMP/RTSP視頻流協(xié)議和Http/Https超文本傳輸協(xié)議等接口方式。

3.4 多源數(shù)據(jù)融合的隱患識(shí)別技術(shù)

根據(jù)不同天氣情況下對(duì)不同技術(shù)手段（如雷達(dá)、熱成像等）識(shí)別的隱患與圖像識(shí)別算法結(jié)果設(shè)置不同的權(quán)重，進(jìn)行融合比較后確定是否為安全隱患。其中，融合算法的檢測(cè)置信度計(jì)算公式為

若Size＜20 cm

其中，α為尺寸權(quán)重；μ為天氣權(quán)重；R為激光雷達(dá)檢測(cè)障礙物結(jié)果，R∈{0,1}；Confimg為圖像識(shí)別檢測(cè)算法的檢測(cè)置信度，Confimg∈[0,1]。

若Confdet≥0.3，則認(rèn)為該隱患存在；反之，則是虛警。

不同天氣情況下，α值和 μ值，如表1所示。

表1 不同天氣下的物體與天氣權(quán)重

3.5 SSO統(tǒng)一安全認(rèn)證

結(jié)合資源管理對(duì)用戶的訪問(wèn)提供統(tǒng)一授權(quán)服務(wù)，用戶身份到應(yīng)用授權(quán)的映射功能，實(shí)現(xiàn)權(quán)限和證書(shū)的產(chǎn)生、管理、存儲(chǔ)、分發(fā)和撤銷等功能，提供各種應(yīng)用系統(tǒng)和各種需要保護(hù)的功能資源的統(tǒng)一管理功能，有效地控制和管理資源，供標(biāo)準(zhǔn)的Web Service的認(rèn)證服務(wù)和用戶管理的SDK（Software Development Kit）接口，符合安全斷言標(biāo)記語(yǔ)言（SAML，Security Assertion Markup Language）規(guī)范，方便其他各種異構(gòu)操作系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行SSO應(yīng)用集成。

3.6 安全日志及運(yùn)行監(jiān)控

為了滿足平臺(tái)管理和安全審核的需要，提供操作日志、信息量、服務(wù)情況等，用來(lái)輔助評(píng)估平臺(tái)服務(wù)能力和服務(wù)質(zhì)量，使用開(kāi)源分布式Elastic Search搜索引擎，分布式、零配置、自動(dòng)發(fā)現(xiàn)，索引自動(dòng)分片，Logstash對(duì)日志進(jìn)行收集、分析，并將其存儲(chǔ)供以后使用，Kibana可視化分析工具；平臺(tái)權(quán)限控制采用基于角色的訪問(wèn)控制思想，實(shí)現(xiàn)對(duì)用的角色、菜單、按鈕等權(quán)限控制。

4 應(yīng)用場(chǎng)景

鐵路沿線安全環(huán)境治理信息平臺(tái)為中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱：國(guó)鐵集團(tuán)）、鐵路局集團(tuán)公司和站段三級(jí)用戶提供應(yīng)用服務(wù)。

國(guó)鐵集團(tuán)用戶包括安監(jiān)局、工電部、調(diào)度中心等部門(mén)，進(jìn)行處置管理、處置協(xié)同、信息互通等應(yīng)用，對(duì)重大事件進(jìn)行監(jiān)督、把控與指導(dǎo)，與地方政府共同發(fā)揮護(hù)路聯(lián)防作用，使處置透明，以提高處置能力和效率。

鐵路局集團(tuán)公司用戶包括安監(jiān)室、環(huán)境治理辦公室、工務(wù)部、電務(wù)部、供電部和調(diào)度所等部門(mén)，進(jìn)行輔助調(diào)度、過(guò)程管理、決策支撐等應(yīng)用，指導(dǎo)、監(jiān)督本轄區(qū)內(nèi)鐵路沿線安全環(huán)境治理的工作。

站段用戶包括工務(wù)段、電務(wù)段、安全科、鐵路派出所等部門(mén)，基于鐵路沿線安全環(huán)境治理信息平臺(tái)開(kāi)展環(huán)境監(jiān)測(cè)、問(wèn)題管理、咨詢服務(wù)等日常工作，處理緊急事件，接收群眾上報(bào)信息，有效提高平臺(tái)的安全防護(hù)能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

圍繞鐵路沿線安全環(huán)境治理工作，本文設(shè)計(jì)了鐵路沿線安全環(huán)境治理信息平臺(tái)。對(duì)鐵路沿線全視域安全隱患全方位監(jiān)測(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)鐵路沿線安全環(huán)境隱患問(wèn)題的閉環(huán)管理；整合周邊資源，根據(jù)事件要素評(píng)估資源需求，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急資源準(zhǔn)備、信息共享、協(xié)同處置等應(yīng)急指揮功能；提供問(wèn)題咨詢服務(wù)及與其他平臺(tái)的互聯(lián)互通、信息共享功能，切實(shí)提高鐵路安全環(huán)境治理能力。