基于多源信息融合的高鐵智能安全保障技術(shù)研究

蔣麗麗，劉國梁，王英杰，封博卿，劉陽學，魏小娟，楊峰雁

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081）

1 概述

為實現(xiàn)鐵路智能化發(fā)展藍圖，需要深入研究移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、新一代人工智能等新技術(shù)，結(jié)合高鐵智能化發(fā)展實際，形成面向智能建造與運營服務(wù)、智能動車組、智能調(diào)度與運行控制等關(guān)鍵技術(shù)集合，持續(xù)推進我國高鐵的智能化升級，實現(xiàn)我國高鐵走向世界、引領(lǐng)世界高鐵科技變革的偉大目標[1-3]。

在智能安全保障方面，利用物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)，形成了聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控和信息綜合應(yīng)用全面感知系統(tǒng)，實現(xiàn)了多源信息輸入、復(fù)合技防技術(shù)支持[4-5]，為智能高鐵提供了包括基礎(chǔ)設(shè)施安全、列車運行安全、運行環(huán)境安全等方面的全方位安全管理和監(jiān)控，具體如下：

（1）加強固定、移動設(shè)施設(shè)備運營維護，確?；A(chǔ)設(shè)施安全。針對工務(wù)、電務(wù)、供電等不同專業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施特點，結(jié)合智能基礎(chǔ)設(shè)施，分析不同專業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施安全檢測監(jiān)測智能化方案，系統(tǒng)性研究智能化基礎(chǔ)設(shè)施安全防護體系，為我國未來高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施安全保障提供合理化技術(shù)發(fā)展建議[6]。

（2）以信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，建立智能運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，確保列車運行安全。分析研究列車運行安全監(jiān)控智能化設(shè)備發(fā)展方向，構(gòu)建車地聯(lián)動的列車運行安全智能監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計安全監(jiān)控信息全流程閉環(huán)管理方案以及監(jiān)控故障協(xié)同應(yīng)急響應(yīng)工作模式。深化人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等智能技術(shù)研究，為列車安全運行提供技術(shù)保障[7]。

（3）建立高鐵防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)，防止地質(zhì)災(zāi)害及周界侵限影響。建立完整的高鐵自然災(zāi)害及異物侵限智能監(jiān)測技術(shù)體系；突破高鐵自然災(zāi)害預(yù)警及報警信息的自動處置技術(shù)，提升高鐵風、雨、雪等災(zāi)害報警的處置能力和智能化水平。

（4）構(gòu)建全天候、立體化的高鐵治安防范保障技術(shù)體系，確保治安防范[8]。利用物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)形成聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控，搭建信息綜合應(yīng)用全面感知系統(tǒng)，通過多源信息輸入，加強復(fù)合技防技術(shù)支持，構(gòu)建人機智能交互，建立基于列車運行及基礎(chǔ)設(shè)施和周邊環(huán)境監(jiān)測的“人防、物防、技防”全方位一體化高鐵智能安全保障體系[9-10]。

目前，在高鐵安全保障方面，已經(jīng)建成全面覆蓋高鐵行車安全和基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)10 種檢測監(jiān)測系統(tǒng)。運用大數(shù)據(jù)方法，評估分析高鐵設(shè)施設(shè)備的運用、維護、檢修信息，掌握服役狀態(tài)和性能變化規(guī)律，為修程修制優(yōu)化、故障預(yù)測、故障處置等提供技術(shù)支撐?，F(xiàn)有高鐵智能安全保障體系見圖1。

圖1 現(xiàn)有高鐵智能安全保障體系

2 需求分析

2.1 外部環(huán)境需求

2.1.1 自然災(zāi)害與異物侵限等偶發(fā)情況影響加劇

我國山地面積占陸地總面積的2/3，高鐵列車常穿行于位置偏僻、環(huán)境惡劣的山區(qū)，滑坡、泥石流等自然災(zāi)害長期威脅運營安全。運行速度的不斷提升對高鐵安全提出了更高要求，尤其是如何對高鐵沿線自然災(zāi)害進行監(jiān)測和安全預(yù)警備受關(guān)注。另外，異物侵限也考驗著高鐵的安全運營。常見異物侵限有滾石、落物、動物等，具有突發(fā)性和無規(guī)律性等特點，嚴重威脅列車安全。

2.1.2 反恐防范與處置面臨嚴峻挑戰(zhàn)

高鐵運輸存在客流密度大、人員結(jié)構(gòu)混雜、線路跨度長等特點，易成為恐怖分子作案目標，一旦發(fā)生恐怖襲擊，可能造成人員生命、財產(chǎn)巨大損失。雖然我國各地公安機關(guān)在高鐵反恐防范與處置方面取得了一定成效，但恐怖分子仍對鐵路構(gòu)成一定威脅，鐵路系統(tǒng)與地方政府、公安聯(lián)防各部門應(yīng)急救援聯(lián)動機制需進一步建立健全，避免救援不及時造成不必要的損失。

2.2 內(nèi)部環(huán)境需求

2.2.1 基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備安全保障需求

隨著高鐵線路的增多及其安全保障需求的提高，傳統(tǒng)養(yǎng)護維修、排查安全隱患和預(yù)測災(zāi)害方法效率低下，亟須更加完善的設(shè)施設(shè)備、列車狀態(tài)監(jiān)測和診斷系統(tǒng)，以及對相應(yīng)橋梁、隧道、車站、站場、重要立交道口等更密切地監(jiān)測。

2.2.2 列車運行安全監(jiān)控需求

由于高鐵列車運行速度快、行車密度大，以及高速運行導(dǎo)致的空氣阻力、列車對線路沖擊力等大幅提高，傳統(tǒng)運行監(jiān)控系統(tǒng)已不能滿足要求。列車運行安全監(jiān)控系統(tǒng)以信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，以現(xiàn)場總線、故障診斷、無線傳輸、專家系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)為手段，以列車運營安全為目標，要求對主要設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、故障處理、遠程監(jiān)控、安全防護等功能實現(xiàn)自動化、智能化，采用更完備的列車運行控制系統(tǒng)和設(shè)備監(jiān)測設(shè)施和備用裝置，以消除事故隱患。

2.3 內(nèi)外聯(lián)動需求

在高鐵設(shè)施設(shè)備狀態(tài)、列車運行控制以及周邊運行環(huán)境實時監(jiān)測和資源數(shù)字化管理的基礎(chǔ)上，要求形成鐵路內(nèi)部各專業(yè)、各崗位、上下級，車站與列車，車站與地方之間的信息及時溝通和處置任務(wù)的協(xié)同聯(lián)動。

當發(fā)生突發(fā)事件時，要求將“人員-資源-設(shè)備”依據(jù)突發(fā)事件等級進行有效協(xié)同指揮，車站要與列車、公安、消防、醫(yī)療、應(yīng)急物資儲備以及地方醫(yī)療機構(gòu)、應(yīng)急救援專業(yè)隊伍、特種救援設(shè)備等協(xié)調(diào)聯(lián)動。

2.4 趨勢發(fā)展需求

2.4.1 基礎(chǔ)設(shè)施保障全面感知技術(shù)需求

形成“自感知、自適應(yīng)、自診斷”的養(yǎng)護維修監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用，實現(xiàn)問題的“自學習、自處理”等功能，實現(xiàn)高鐵災(zāi)害防治的智能化維護。

2.4.2 行車安全智能監(jiān)控系統(tǒng)需求

提高車輛運維技術(shù)、現(xiàn)代車輛維修理論和管理模式、狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷、預(yù)測性維修技術(shù)，同時發(fā)展聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控列車監(jiān)控子系統(tǒng)，實現(xiàn)列車安全智能監(jiān)控。

2.4.3 自然災(zāi)害及異物侵限智能監(jiān)測技術(shù)需求

高鐵大風時空預(yù)警模型；高鐵災(zāi)害及異物侵限實時監(jiān)測；災(zāi)后應(yīng)急措施的有效及時；災(zāi)前預(yù)測和災(zāi)后處理融為一體；全方位一體化高鐵智能安全保障體系。

2.4.4 反恐安全防控及預(yù)警技術(shù)需求

大數(shù)據(jù)在高鐵反恐中的應(yīng)用；智能反恐預(yù)警決策系統(tǒng)；防災(zāi)網(wǎng)與中國地震臺網(wǎng)、國家氣象網(wǎng)的三網(wǎng)融合。

3 總體架構(gòu)

以高鐵基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備、列車運行、自然災(zāi)害及異物侵限預(yù)警中的固定、移動設(shè)備為研究對象，通過研究智能安全監(jiān)控技術(shù)、智能安全檢測監(jiān)測技術(shù)以及智能安全評估與預(yù)警技術(shù)，建立智能設(shè)施設(shè)備的監(jiān)測和在線智能診斷系統(tǒng)、列車運行安全保障系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測與災(zāi)害預(yù)測報警系統(tǒng)以及事故救援和減災(zāi)系統(tǒng)，用于智能高鐵的設(shè)施設(shè)備的安全維護、安全態(tài)勢分析、預(yù)警、應(yīng)急以及輔助決策。

綜合利用新型檢測監(jiān)測技術(shù)，提高鐵路基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備維修管理水平，確?；A(chǔ)設(shè)施設(shè)備安全，保障智能基礎(chǔ)設(shè)施在業(yè)務(wù)各環(huán)節(jié)中各種數(shù)據(jù)的機密性、完整性、真實性和網(wǎng)絡(luò)的容錯性，具體如下：

（1）針對工務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施特點，研究提出工務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施安全檢測監(jiān)測體系總體框架，明確主要組成部分和功能需求，開展基于智能感知環(huán)境下軌道幾何狀態(tài)、鋼軌廓型、軌道關(guān)鍵部件與路基、橋涵、隧道狀態(tài)檢測與監(jiān)測技術(shù)方案研究，科學制定檢測項目及技術(shù)指標；

（2）針對供電設(shè)施設(shè)備特點，研究提出鐵路供電綜合安全檢測監(jiān)測系統(tǒng)智能化方案，以實現(xiàn)對供變電設(shè)備和接觸網(wǎng)全方位及全天候的安全檢測；

（3）針對電務(wù)設(shè)備特點，研究建立車載和地面信號設(shè)備的一體化、全方位安全檢測監(jiān)測技術(shù)體系，重點針對軌道電路傳輸特性、道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備、機車信號、牽引回流以及信號設(shè)備與其他專業(yè)設(shè)備的結(jié)合部等重要行車設(shè)備，開展安全檢測監(jiān)測方案研究。

智能安全保障技術(shù)總體架構(gòu)見圖2。

圖2 智能安全保障技術(shù)總體架構(gòu)

4 關(guān)鍵技術(shù)預(yù)測

結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)，形成聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控和信息綜合應(yīng)用全面感知系統(tǒng)，采用多源信息輸入，復(fù)合技防技術(shù)支持，加強人機智能交互，閉環(huán)安全管理，建立列車運行及基礎(chǔ)設(shè)施一體化安全保障系統(tǒng)和周邊安全隱患與列車運行的自動控制綜合安全保障系統(tǒng)，自動識別周邊安全隱患和自動控制綜合安全保障體系。通過智能檢測機器人或PHM，對列車進行智能檢測檢修。通過智能安全保障，推進高鐵沿線災(zāi)害報警裝置的自動化，提高災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)整體的技術(shù)水平和決策支持能力。同時，提高高鐵沿線災(zāi)害監(jiān)測的預(yù)警能力和防災(zāi)減災(zāi)水平，減少人工干預(yù)，形成“人防、物防、技防”的全方位一體化高鐵智能安全保障體系。智能安全保障關(guān)鍵技術(shù)預(yù)測見圖3。

圖3 智能安全保障關(guān)鍵技術(shù)預(yù)測

4.1 基于全面感知的基礎(chǔ)設(shè)施安全檢測監(jiān)測體系研究

在工務(wù)、供電、電務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施方面，將形成“自感知、自適應(yīng)、自診斷”的養(yǎng)護維修監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用，增強設(shè)備工作的穩(wěn)定性和適應(yīng)性，實現(xiàn)問題的自學習、自處理等功能，實現(xiàn)高鐵災(zāi)害防治的智能化維護。

4.1.1 自感知工務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施檢測與監(jiān)測系統(tǒng)

系統(tǒng)包括車載系統(tǒng)及地面分散系統(tǒng)，點多面廣，因此需要建設(shè)檢測與監(jiān)測信息網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)工務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施各類設(shè)備狀態(tài)的自動收集和集中管理，建成分散檢測、集中報警、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測、信息共享的工務(wù)檢測與監(jiān)測數(shù)據(jù)集成平臺。各類設(shè)備必須遵照統(tǒng)一的接口、數(shù)據(jù)格式和通信協(xié)議，實現(xiàn)與數(shù)據(jù)集成平臺的數(shù)據(jù)交互。集成平臺對各系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行集成、綜合分析、信息共享，為工務(wù)管理決策部門和維修部門服務(wù)。

4.1.2 智能化供電綜合安全檢測監(jiān)測系統(tǒng)

對已有分散檢測、監(jiān)測設(shè)備進行功能完善、技術(shù)集成，形成分層分布式結(jié)構(gòu)，使之成為具有綜合處理功能的檢測與監(jiān)測平臺，指導(dǎo)供電設(shè)備的日常維護和維修。對各檢測、監(jiān)測數(shù)據(jù)庫進行綜合分析、專家診斷，成為具有開放式設(shè)計構(gòu)架，能兼容接入其他智能檢測、監(jiān)測設(shè)備，保障供電設(shè)備安全運行。

4.1.3 自適應(yīng)設(shè)備信息智能化管理

充分利用信息化、數(shù)據(jù)化的設(shè)備檢測監(jiān)測手段改造傳統(tǒng)作業(yè)模式，綜合利用6C 系統(tǒng)、單兵巡視設(shè)備、接觸網(wǎng)巡檢儀等信息化視頻監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)全天候、全時段、全覆蓋設(shè)備檢測監(jiān)測，突出加強視頻信息綜合分析，借助無線網(wǎng)絡(luò)，對檢測監(jiān)測信息即時傳遞，形成路局數(shù)據(jù)監(jiān)控中心、站段調(diào)度指揮中心、車間分析中心3 級視頻信息綜合調(diào)用分析長效機制。同時，加強SCADA 復(fù)示終端系統(tǒng)維護管理，實現(xiàn)牽引供電、電力設(shè)備運行狀態(tài)的遙控、遙信、遙測及調(diào)度管理，對重要設(shè)備運行狀態(tài)實時在線監(jiān)控，重點建設(shè)以先進檢測設(shè)備為主、以人工測量為輔、動靜態(tài)相結(jié)合的設(shè)備檢測系統(tǒng)，全方位、多角度、立體式準確反映設(shè)備運行狀態(tài)。

4.1.4 施工作業(yè)智能綜合安全監(jiān)控技術(shù)

（1）借助先進成熟的地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)和移動通信技術(shù)，實現(xiàn)工務(wù)作業(yè)的定位跟蹤和數(shù)據(jù)回傳，可為安全生產(chǎn)管理和應(yīng)急故障處理等提供技術(shù)支持；（2）使用具備攝像功能的移動終端，綜合移動通信、終端軟件遠程控制等技術(shù)，實現(xiàn)對路外施工、防洪區(qū)段、現(xiàn)場作業(yè)等現(xiàn)場環(huán)境的實時監(jiān)控，可為安全生產(chǎn)管理、應(yīng)急故障處理等提供實時可視化支持；（3）借助遠距離無線通信技術(shù)獲取列車位置信息，為工務(wù)現(xiàn)場作業(yè)防護提供信息預(yù)警；（4）利用二維碼圖像掃描識別技術(shù)在上道作業(yè)和作業(yè)結(jié)束下道前點驗人員、機具和主要材料，加強上線作業(yè)安全管理，避免機具和材料遺漏。

4.2 集成化的列車運行安全自動監(jiān)控系統(tǒng)

研究列車運行安全監(jiān)控設(shè)備的自動化、智能化技術(shù)。

（1）利用車載檢測傳感器、地對車監(jiān)控設(shè)備的集成化、微型化、自動化研究，大幅提高檢測設(shè)備監(jiān)控精度、降低設(shè)備組成復(fù)雜度、增強設(shè)備運行穩(wěn)定性。

（2）通過信息智能監(jiān)控報警技術(shù)研究，實現(xiàn)行車異常全自動實時報警，利用多源監(jiān)控信息實現(xiàn)運行故障綜合自動診斷及報警提示。

（3）立足于鐵路大數(shù)據(jù)平臺、高速通信網(wǎng)絡(luò)等未來信息化條件，研究構(gòu)建行車安全智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)的總體系統(tǒng)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、功能架構(gòu)等關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計，提出車地聯(lián)動的多源綜合實時監(jiān)控方案。

（4）提出行車安全監(jiān)控總體業(yè)務(wù)管理方案。設(shè)計行車安全監(jiān)控信息實時自動報警、快速應(yīng)急響應(yīng)、現(xiàn)場實施處置、故障復(fù)核檢修的全流程閉環(huán)管理方案，結(jié)合監(jiān)控系統(tǒng)的智能化應(yīng)用功能，實現(xiàn)高效的列車監(jiān)控管理業(yè)務(wù)能力。

（5）在列車運行安全地面監(jiān)測設(shè)備、聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控及信息綜合應(yīng)用系統(tǒng)方面，將提高車輛運維技術(shù)、現(xiàn)代車輛維修理論和管理模式、狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷、預(yù)測性維修技術(shù)。同時發(fā)展聯(lián)網(wǎng)列車監(jiān)控子系統(tǒng)，進行信息化頂層統(tǒng)一規(guī)劃，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析、人工智能技術(shù)等新科技實現(xiàn)智能監(jiān)測動車組安全。制定車輛安全監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)總體方案，明確各型探測設(shè)備數(shù)據(jù)接入規(guī)范，與車輛管理信息系統(tǒng)信息建立共享機制，中國國家鐵路集團有限公司統(tǒng)一制定數(shù)據(jù)流程、數(shù)據(jù)接口。

4.3 多源高鐵自然災(zāi)害及異物侵限智能監(jiān)測技術(shù)研究

研究高鐵自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測范圍，智能監(jiān)測、傳輸、決策、處置技術(shù)，信息安全保障體系及相關(guān)標準規(guī)范，形成完整的高鐵自然災(zāi)害及異物侵限智能監(jiān)測技術(shù)體系。研究大風預(yù)測和結(jié)合風向的大風時空預(yù)警模型，研究風、雨、雪災(zāi)害監(jiān)測報警信息自動控車相關(guān)技術(shù)。研究基于物聯(lián)網(wǎng)、北斗衛(wèi)星、無線傳感網(wǎng)、雷達、智能視頻等多種技術(shù)融合的高鐵侵限監(jiān)測技術(shù)，監(jiān)測高鐵沿線重點地段、橋梁、隧道口等處所，全面保障列車運行安全；開展高鐵災(zāi)害監(jiān)測大數(shù)據(jù)分析技術(shù)研究，對災(zāi)害監(jiān)測、報警數(shù)據(jù)及設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)進行挖掘分析，研究高鐵災(zāi)害特性、時空分布演化規(guī)律，開展高鐵災(zāi)害監(jiān)測點布設(shè)優(yōu)化，災(zāi)害預(yù)測、預(yù)警、報警處置規(guī)則優(yōu)化，設(shè)備故障預(yù)警和健康管理，系統(tǒng)評估等大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用，充分發(fā)揮大數(shù)據(jù)對災(zāi)害監(jiān)測、系統(tǒng)優(yōu)化、標準制定等的決策支持作用。實現(xiàn)高鐵災(zāi)害及異物的實時監(jiān)控，以及災(zāi)后應(yīng)急措施的有效及時，將災(zāi)前預(yù)測和災(zāi)后處理融為一體。綜合應(yīng)用多種數(shù)據(jù)源，結(jié)合大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù)，建立全方位一體化高鐵智能安全保障體系，避免高鐵事故或?qū)⑵鋼p失降至最小。

4.3.1 大風時空預(yù)警

建立大風時空預(yù)警系統(tǒng)，實時監(jiān)測風速和風向，通過對地理信息各因子的運算、歷史資料導(dǎo)入、沿線風速監(jiān)測點數(shù)據(jù)庫分析等綜合判斷，為行車指揮控制系統(tǒng)提供較合理的行車速度限制指令信息。為了實現(xiàn)系統(tǒng)對風速的采集監(jiān)測，在現(xiàn)場設(shè)置風速風向儀，用于采集實時風速數(shù)據(jù)。當系統(tǒng)采集到影響列車運行的強風時，對照預(yù)先設(shè)定的報警閾值，發(fā)出風速警戒，并將實時風向風速信息及報警信息傳輸至調(diào)度終端。調(diào)度終端接到報警信息后，根據(jù)調(diào)度終端顯示的行車建議采取相應(yīng)的列車管制措施，并利用數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進行數(shù)據(jù)存儲。

4.3.2 災(zāi)害報警自動控車

主要對危及鐵路行車安全的自然災(zāi)害、異物侵限、突發(fā)事件等進行實時監(jiān)測，采集監(jiān)測信息、集中管理、分布應(yīng)用，提供及時準確的災(zāi)害報警和預(yù)警功能，防止或減少災(zāi)害對高鐵列車運行安全的影響。災(zāi)害報警自動控車系統(tǒng)可細分為5 個子系統(tǒng)，其設(shè)備分別針對不同的災(zāi)害類型，具體如下：

（1）風監(jiān)測子系統(tǒng)。主要實現(xiàn)風速、風向數(shù)據(jù)的集中實時采集監(jiān)視和風速報警，根據(jù)現(xiàn)場實時風監(jiān)測數(shù)據(jù)，依據(jù)設(shè)定的相關(guān)報警規(guī)則，通過分析軟件實時給出風速不小于最低風速報警閥值條件下的警示信息。

（2）雨量監(jiān)測子系統(tǒng)。主要實現(xiàn)實時采集鐵路沿線降雨量信息，通過處理、分析實時監(jiān)測降雨量，當降雨量達到一定閾值后發(fā)出警報，對列車進行運行管制。

（3）雪深監(jiān)測子系統(tǒng)。主要實現(xiàn)實時采集鐵路沿線降雪量信息，通過處理、分析實現(xiàn)雪深報警等功能，當降雪量達到一定閾值后發(fā)出警報，對列車進行運行管制。

（4）地震監(jiān)控子系統(tǒng)。通過在鐵路沿線安裝強震儀實現(xiàn)地震信息的實時采集監(jiān)測，按照功能可分為地震報警和預(yù)警。地震報警功能是指通過監(jiān)測地震S 波，當?shù)卣饎蛹铀俣冗_到一定閾值后發(fā)出警報，對牽引供電和列車運行采取控制措施，減少災(zāi)害損失；地震預(yù)警功能則是指監(jiān)測地震P 波，利用電磁波和地震波、P 波和S 波的速度差，在地震發(fā)生后，當破壞性地震S波尚未來襲的數(shù)秒至數(shù)十秒之前發(fā)出預(yù)警，采取相應(yīng)措施，避免重大人員傷亡和經(jīng)濟損失。

（5）異物侵限監(jiān)控子系統(tǒng)。主要在異物侵入鐵路界限可能對列車運行安全造成影響的場所，如公跨鐵橋、隧道口、公鐵并行地段等安裝雙電網(wǎng)、激光等設(shè)備，實現(xiàn)異物實時監(jiān)測，通過接口繼電器把報警信息實時傳至列控系統(tǒng)、調(diào)度指揮系統(tǒng)，控制列車及時停車。

4.3.3 多種技術(shù)融合的高鐵侵限監(jiān)測

在新型復(fù)合傳感技防技術(shù)方面，開展長航時無人機、激光雷達、安防機器人等新型技防手段與雙電纜傳感器、光纜傳感器、紅外線、微波和視頻監(jiān)控等多種監(jiān)測技術(shù)數(shù)據(jù)相互融合，綜合分析侵限情況及危害程度，分析應(yīng)用人工智能相關(guān)技術(shù)，從入侵目標識別跟蹤，高鐵環(huán)境圖像增強、入侵行為分析、破壞檢測等方面對視頻智能識別相關(guān)理論和方法展開深入研究。

4.3.4 災(zāi)害監(jiān)測大數(shù)據(jù)分析技術(shù)研究

由于自然災(zāi)害因子眾多，動力機制復(fù)雜，強風、大雨、大雪等自然災(zāi)害發(fā)生的范圍和程度呈現(xiàn)出趨勢性、周期性和隨機性的疊加狀態(tài)；地震災(zāi)害等具有突發(fā)性的特點。針對不同類型的自然災(zāi)害，需要采用不同的預(yù)測方法應(yīng)對。在大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用中，對風、雨、雪等自然災(zāi)害的預(yù)測可采用數(shù)學建模方法，預(yù)測鐵路沿線發(fā)生大風、大雨等自然災(zāi)害，指揮行車；對于地震、滑坡、泥石流等突發(fā)性自然災(zāi)害，則利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對海量歷史數(shù)據(jù)進行分析，解決傳統(tǒng)數(shù)據(jù)無法分析的問題，得出其發(fā)生的大致規(guī)律，實現(xiàn)提前預(yù)防，減少自然災(zāi)害對行車安全的影響。

研究基于融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的大數(shù)據(jù)預(yù)警系統(tǒng)，對預(yù)警系統(tǒng)的總體框架和策略進行分析，基于實際鐵路場景研究預(yù)警數(shù)據(jù)處理算法。同時，基于融合架構(gòu)研究預(yù)警通知算法，包括預(yù)警內(nèi)容生成、列車定位工作流程和預(yù)警消息信令流程。通過大數(shù)據(jù)技術(shù)，結(jié)合異物侵限發(fā)生的時間、發(fā)生環(huán)境、造成危害等數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，挖掘出異物侵限發(fā)生的大致規(guī)律，為異物侵限監(jiān)測提供提前的預(yù)防措施。

4.3.5 基于高分辨遙感的高鐵周邊環(huán)境安全保障

研究利用遙感衛(wèi)星和無人機采集高分辨遙感數(shù)據(jù)，通過遙感影像動態(tài)變化監(jiān)測技術(shù)實現(xiàn)高鐵沿線周邊環(huán)境安全狀況的監(jiān)測，及時掌握鐵路周圍環(huán)境的變化。根據(jù)鐵路沿線安保區(qū)及線路軌道安全區(qū)等地理位置范圍數(shù)據(jù)進行篩選、判別，建立安全保障目標特征庫，形成應(yīng)急和周邊隱患發(fā)現(xiàn)、處理、檢驗、監(jiān)測的應(yīng)用方案，實現(xiàn)周邊環(huán)境安全的提前預(yù)防、及時發(fā)現(xiàn)、及時制止，保障高鐵運行環(huán)境安全。

4.4 基于GIS+大數(shù)據(jù)的高鐵智能預(yù)警反恐技術(shù)研究

4.4.1 高鐵線路和基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備安全反恐

利用智能視頻監(jiān)控技術(shù)，對視頻監(jiān)控圖像進行自動化識別，搭建數(shù)據(jù)平臺，加強情報信息預(yù)警；建立安全防控邊界，配備移動警務(wù)終端，利用北斗定位技術(shù)實時監(jiān)測巡檢信息；利用GIS+BIM 的深度融合，拓展高鐵設(shè)施設(shè)備的反恐監(jiān)控范圍，為大數(shù)據(jù)分析處理管控打牢基礎(chǔ)，升級數(shù)據(jù)傳輸功效，實現(xiàn)實時更新，構(gòu)建實名制數(shù)據(jù)與涉恐重點管控人員信息碰撞、比對，推動查控信息化與基層警務(wù)工作深度融合。

4.4.2 反恐預(yù)警決策技術(shù)

建立基于鐵路地理信息的反恐預(yù)警平臺，集成基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備、列車運行以及周邊環(huán)境的安全信息，接入地方交通、市政、醫(yī)療、消防等部門的預(yù)警信息，實現(xiàn)信息共享，高效反饋，共同決策，建立有效的應(yīng)急救援聯(lián)動機制，提高反恐決策處置水平。基于大數(shù)據(jù)等技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)高速鐵路防災(zāi)網(wǎng)與中國地震臺網(wǎng)、國家氣象網(wǎng)的三網(wǎng)融合，系統(tǒng)優(yōu)化我國高鐵災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警模型，提升預(yù)警的準確性和時效性。

4.4.3 基于物聯(lián)網(wǎng)的高鐵應(yīng)急處置技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)物物相連與萬物互聯(lián)，大數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)挖掘及預(yù)測預(yù)警，云計算實現(xiàn)超強的計算處理，人工智能實現(xiàn)基于現(xiàn)有知識的自適應(yīng)學習。結(jié)合大數(shù)據(jù)分析、人工智能等技術(shù)，建立基于人工智能技術(shù)的專家知識庫，形成高鐵基礎(chǔ)設(shè)施、列車運行以及周邊運行環(huán)境安全監(jiān)控模型、突發(fā)事件預(yù)警模型、協(xié)同聯(lián)動模型、應(yīng)急疏散模型、應(yīng)急評估模型，實現(xiàn)應(yīng)急處置方案的自動生成，將“站內(nèi)人員-資源-設(shè)備”依據(jù)突發(fā)事件進行有效協(xié)同指揮，車站與列車、公安、消防、醫(yī)療、應(yīng)急物資儲備，以及地方醫(yī)療機構(gòu)、應(yīng)急救援專業(yè)隊伍、特種救援設(shè)備等協(xié)調(diào)聯(lián)動，提升應(yīng)急發(fā)現(xiàn)和處置的信息化和智能化，提高應(yīng)急狀況的處置水平。

5 技術(shù)路線

智能安全保障技術(shù)路線分為4 個階段：起步階段、深入階段、整合階段和鞏固階段（見圖4）。

圖4 智能安全保障技術(shù)路線

起步階段（目前—2020 年）：安全保障需求分析。分析國內(nèi)外軌道交通行業(yè)中安全保障需求的發(fā)展歷程、現(xiàn)狀、趨勢，傳統(tǒng)的安全保障系統(tǒng)已遠不能滿足要求。從對高鐵運行安全產(chǎn)生影響的“人、機、環(huán)境”方面，探討高鐵的運行安全和安全保障信息系統(tǒng)，分別對鐵路基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備安全、列車運行安全監(jiān)控和高鐵災(zāi)害及侵限監(jiān)測進行研究。

深入階段（2020—2025 年）：關(guān)鍵技術(shù)研究及技術(shù)集成。綜合應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、北斗等新一代信息技術(shù)，基于全面感知的基礎(chǔ)設(shè)施安全檢測監(jiān)測體系，研究高鐵列車運行安全智能監(jiān)控系統(tǒng)、高鐵自然災(zāi)害及侵限智能監(jiān)測、高鐵車站和線路的智能反恐等關(guān)鍵技術(shù)。

整合階段（2025—2035 年）：建立統(tǒng)一安全保障體系。建立列車運行及基礎(chǔ)設(shè)施一體化安全保障系統(tǒng)、周邊安全隱患與列車運行自動控制綜合安全保障系統(tǒng)，提高高鐵智能安全保障整體技術(shù)水平和決策支持能力。

鞏固階段（2035 年— ）：全面應(yīng)用階段。形成“人防、物防、技防”的全方位一體化高鐵智能安全保障體系，推動高鐵安全保障體系從信息化、數(shù)字化走向智能化。