鐵路安全大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)研究

謝文廣，劉 軍，陳同喜，楊 光，劉彥軍

（1. 中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司 安全監(jiān)察室，北京 100844；2. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵路大數(shù)據(jù)研究與應(yīng)用創(chuàng)新中心，北京 100081；3. 北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司，北京 100081）

隨著鐵路科技設(shè)備的廣泛使用和安全管理的不斷規(guī)范，鐵路事故故障數(shù)量不斷減少，但仍面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，亟需從“人防”“物防”“技防”角度，運(yùn)用大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)手段，保障鐵路運(yùn)輸安全。

鐵路安全大數(shù)據(jù)分析是智能鐵路、運(yùn)輸安全、人工智能、大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域的交叉研究?jī)?nèi)容[1-3]。眾多學(xué)者對(duì)高鐵安全頂層設(shè)計(jì)、安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、事故故障分析開(kāi)展了相關(guān)研究。荊偉等人提出了安全風(fēng)險(xiǎn)分析、安全隱患分析、事故故障分析、設(shè)備畫(huà)像分析、人員畫(huà)像分析、安全綜合評(píng)估、安全綜合管理等大數(shù)據(jù)應(yīng)用功能模塊[4]；張新錦分析了基于云平臺(tái)和視頻數(shù)據(jù)的鐵路安全智慧預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用[5]；徐葉鵬研究了鐵路運(yùn)輸安全風(fēng)險(xiǎn)管控流程及安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型[6]；李科宏等人研究了基于模糊綜合評(píng)價(jià)法的高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全管理成熟度[7]；楊連報(bào)、張磊等人運(yùn)用文本分析技術(shù)研究了鐵路事故故障文本特征提取模型、分布式全文檢索、事故故障智能分類(lèi)、基于知識(shí)圖譜的事故故障關(guān)聯(lián)分析和原因智能推薦等[8-9]；孫思齊基于車(chē)輛的基本臺(tái)賬、動(dòng)檢信息、靜檢信息、維修信息、歷史事故故障等，建立車(chē)輛運(yùn)營(yíng)安全狀態(tài)的評(píng)估模型[10]。

目前，從鐵路局集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)：鐵路局）安全管理的角度出發(fā)，基于“平臺(tái)+應(yīng)用”建設(shè)的安全大數(shù)據(jù)應(yīng)用相對(duì)較少。本文以中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)：北京鐵路局）安全大數(shù)據(jù)建設(shè)為研究對(duì)象，切實(shí)考慮安監(jiān)室和業(yè)務(wù)部門(mén)迫切的安全管理業(yè)務(wù)需求，立足“平臺(tái)+應(yīng)用”的建設(shè)模式，研究鐵路安全大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)的總體架構(gòu)，設(shè)計(jì)了設(shè)備綜合分析、人員綜合分析、安全管理分析等主要功能模塊，開(kāi)展對(duì)設(shè)備和人員的精準(zhǔn)安全管控，對(duì)于促進(jìn)安全數(shù)據(jù)共享共用，提高安全管理效率，提升安全預(yù)警綜合能力，具有重要作用。

1 業(yè)務(wù)需求

1.1 設(shè)備安全綜合分析需求

鐵路局設(shè)備安全綜合分析主要涉及機(jī)務(wù)、工務(wù)、電務(wù)、車(chē)輛、供電、房建6 個(gè)專(zhuān)業(yè)。設(shè)備安全數(shù)據(jù)整合后，匯集到鐵路數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)，以便開(kāi)展設(shè)備安全綜合分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)備安全薄弱環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)安全管控；開(kāi)展安全趨勢(shì)分析，對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行超前預(yù)警，減少設(shè)備故障發(fā)生。

1.2 人員安全綜合分析需求

鐵路局人員安全綜合分析需匯集職工的基本信息、安全考核信息、崗位星級(jí)評(píng)定信息等，實(shí)現(xiàn)信息的高度整合和分析匯總。實(shí)現(xiàn)職工安全評(píng)價(jià)，展示職工安全狀態(tài)和綜合能力，診斷重點(diǎn)人員異常狀態(tài)等功能。

1.3 安全綜合管理分析需求

安全綜合管理分析需對(duì)安全管理相關(guān)的分散數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理、整合，開(kāi)展風(fēng)險(xiǎn)、隱患管控和治理效果之間的關(guān)聯(lián)研究，診斷管理異常行為和安全異常狀況，阻斷不良安全態(tài)勢(shì)，開(kāi)展事故致因與風(fēng)險(xiǎn)控制的前瞻性研究。

2 總體方案

2.1 總體架構(gòu)

鐵路安全大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)以安全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)匯集和整合為基礎(chǔ)，以安全大數(shù)據(jù)預(yù)警為核心，集成各專(zhuān)業(yè)的設(shè)備數(shù)據(jù)、人員數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)等，運(yùn)用關(guān)系型/非關(guān)系型數(shù)據(jù)分析技術(shù)和人工智能算法，實(shí)現(xiàn)設(shè)備安全綜合分析、人員安全綜合分析、安全綜合管理分析等功能。平臺(tái)總體架構(gòu)如圖1 所示。

（1）既有系統(tǒng)

圖1 平臺(tái)總體架構(gòu)

平臺(tái)匯集機(jī)務(wù)、工務(wù)、電務(wù)、車(chē)輛、供電、房建等既有系統(tǒng)中的設(shè)備、人員、安全管理等安全數(shù)據(jù)。

（2）平臺(tái)層

平臺(tái)層從既有系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取、轉(zhuǎn)換、清洗等操作，按設(shè)備、人員、管理主題域進(jìn)行分類(lèi)，并提供數(shù)據(jù)集成、共享、存儲(chǔ)和分析等服務(wù)。

（3）應(yīng)用層

包含設(shè)備安全綜合分析、人員安全綜合分析、安全管理綜合分析3 大功能模塊。

（4）用戶(hù)層

平臺(tái)用戶(hù)主要包括鐵路局決策層、鐵路局各業(yè)務(wù)部門(mén)、運(yùn)輸站段等，平臺(tái)根據(jù)層級(jí)和權(quán)限為不同用戶(hù)提供安全大數(shù)據(jù)分析服務(wù)。

2.2 數(shù)據(jù)架構(gòu)

2.2.1 設(shè)備安全數(shù)據(jù)

（1）機(jī)務(wù)專(zhuān)業(yè)

主要包括各型機(jī)車(chē)的配屬時(shí)間、配屬段別、擔(dān)當(dāng)線(xiàn)別、擔(dān)當(dāng)任務(wù)、重量、功率、生產(chǎn)廠(chǎng)家等基本臺(tái)賬數(shù)據(jù)，機(jī)車(chē)設(shè)備報(bào)警信息和故障信息。

（2）工務(wù)專(zhuān)業(yè)

主要包括線(xiàn)路、鋼軌、橋梁、涵洞等基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)，動(dòng)（軌）檢車(chē)、車(chē)載、軌檢小車(chē)、人工檢查等監(jiān)測(cè)檢測(cè)和報(bào)警超限數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)病害、靜態(tài)病害和鋼軌大修數(shù)據(jù)等。

（3）電務(wù)專(zhuān)業(yè)

主要包括區(qū)間設(shè)備、車(chē)站、通信機(jī)房及所轄設(shè)備等基本臺(tái)賬數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警數(shù)據(jù)、隱患庫(kù)數(shù)據(jù)、事故故障數(shù)據(jù)，綜合通信網(wǎng)管報(bào)警、故障數(shù)據(jù)，車(chē)載列控設(shè)備動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)報(bào)警、故障數(shù)據(jù)等。

（4）車(chē)輛專(zhuān)業(yè)

主要包括動(dòng)車(chē)基本臺(tái)賬，以及TEDS、WTDS、SJ、LY 等動(dòng)車(chē)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，動(dòng)車(chē)管理信息系統(tǒng)故障、檢修數(shù)據(jù)。

（5）供電專(zhuān)業(yè)

主要包括接觸網(wǎng)支柱、絕緣子、接觸網(wǎng)懸掛錨段等設(shè)備的基礎(chǔ)臺(tái)賬，接觸網(wǎng)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)、6C 檢測(cè)、靜態(tài)檢測(cè)、檢查維修等數(shù)據(jù)。變電所的巡視、檢修、試驗(yàn)等數(shù)據(jù)。

（6）房建專(zhuān)業(yè)

主要包括房屋、建筑物、站臺(tái)、消防、電梯、制冷、供暖等設(shè)備的基礎(chǔ)臺(tái)賬，病害信息、破損、侵限、設(shè)備狀態(tài)等級(jí)、設(shè)備故障、維保、預(yù)警等數(shù)據(jù)。

2.2.2 人員安全數(shù)據(jù)

主要包括安全問(wèn)題通知書(shū)、指令書(shū)、干部寫(xiě)實(shí)、職工考試、人員基礎(chǔ)信息數(shù)、星級(jí)評(píng)價(jià)、勞動(dòng)競(jìng)賽和客服質(zhì)量等相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.2.3 綜合安全管理數(shù)據(jù)

主要包括量化寫(xiě)實(shí)數(shù)據(jù)、安全風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)、安全隱患數(shù)據(jù)、事故故障數(shù)據(jù)、安全考核數(shù)據(jù)和關(guān)鍵管控項(xiàng)點(diǎn)等。

2.3 技術(shù)架構(gòu)

平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)如圖2 所示

圖2 平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)采集層

該層采集各專(zhuān)業(yè)設(shè)備、人員和安全管理數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)清洗、治理后形成格式統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)。

（2）基礎(chǔ)服務(wù)層

該層提供結(jié)構(gòu)化/非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等服務(wù)。結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)并提供訪(fǎng)問(wèn)；非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫(kù)由HBase、HDFS 等組成，對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分布式計(jì)算。

（3）數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)層

該層采用Hibernate 完成對(duì)象關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)映射，對(duì)外數(shù)據(jù)接口采用Restful 等方式進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。

（4）數(shù)據(jù)應(yīng)用層

該層采用Spring 技術(shù)對(duì)Spring MVC、Quartz 等技術(shù)進(jìn)行無(wú)縫整合，完成邏輯功能，實(shí)現(xiàn)技術(shù)框架的統(tǒng)一管理。

（5）數(shù)據(jù)展現(xiàn)層

該層采用Bootstrap 框架對(duì)頁(yè)面進(jìn)行響應(yīng)式渲染，通過(guò)ajax 異步請(qǐng)求實(shí)現(xiàn)與服務(wù)端的數(shù)據(jù)交互，顯著提升用戶(hù)使用體驗(yàn)。

2.4 關(guān)鍵技術(shù)

（1）面向不同數(shù)據(jù)類(lèi)型的接口技術(shù)

針對(duì)實(shí)時(shí)型、批量型、視頻等不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)源，采用基于StreamSets、Sqoop、FTP 等方式的綜合數(shù)據(jù)接口技術(shù)，使得不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)可以安全、快速、穩(wěn)定地接入平臺(tái)。

（2）混合存儲(chǔ)技術(shù)

應(yīng)對(duì)不同類(lèi)型的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，平臺(tái)采用基于Greenplum、Hbase、HDFS、Hive、Ceph 等的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)，解決實(shí)時(shí)關(guān)系型、變化量小、文件型、視頻型、流數(shù)據(jù)等類(lèi)型數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)問(wèn)題。

（3）安全數(shù)據(jù)服務(wù)技術(shù)

平臺(tái)通過(guò)JDBC/ODBC、消息中間件、Web Service、RESTful API 為安全大數(shù)據(jù)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化的多層次、多方面數(shù)據(jù)服務(wù)。

（4）知識(shí)圖譜技術(shù)

平臺(tái)建立安全問(wèn)題與設(shè)備基本信息、設(shè)備監(jiān)測(cè)、設(shè)備檢測(cè)、設(shè)備維修、設(shè)備歷史故障間的知識(shí)圖譜，充分了解設(shè)備安全問(wèn)題演變規(guī)律，給出解決安全問(wèn)題的合理建議。同時(shí)，建立安全問(wèn)題、安全檢查與設(shè)備單元、作業(yè)人員間的知識(shí)圖譜，實(shí)現(xiàn)安全問(wèn)題的數(shù)據(jù)全景視圖。

3 主要功能設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)備安全綜合分析

（1）機(jī)務(wù)設(shè)備安全分析

管理鐵路局所有機(jī)車(chē)的基本信息、設(shè)備質(zhì)量、設(shè)備報(bào)警和設(shè)備故障等信息，開(kāi)展機(jī)車(chē)安全綜合分析，為業(yè)務(wù)部門(mén)深入掌握機(jī)車(chē)設(shè)備的安全性能和開(kāi)展運(yùn)用機(jī)車(chē)質(zhì)量階段性評(píng)估提供支撐。

（2）工務(wù)設(shè)備安全分析

包括工務(wù)設(shè)備狀態(tài)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析、設(shè)備單元安全分析、關(guān)鍵指標(biāo)及安全態(tài)勢(shì)趨勢(shì)分析、設(shè)備綜合安全預(yù)警等功能，為業(yè)務(wù)部門(mén)和站段掌握全局工務(wù)設(shè)備安全態(tài)勢(shì)提供輔助決策支持。

（3）電務(wù)設(shè)備安全分析

包括設(shè)備安全關(guān)鍵指標(biāo)分析、設(shè)備安全綜合分析、設(shè)備安全預(yù)警及設(shè)備安全趨勢(shì)分析等功能，為業(yè)務(wù)部門(mén)和站段掌握電務(wù)設(shè)備安全態(tài)勢(shì)提供輔助決策支持。

（4）車(chē)輛設(shè)備安全分析

綜合分析動(dòng)車(chē)組履歷信息、配屬信息、運(yùn)用信息、檢修信息、故障信息、指標(biāo)信息。運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析和展示技術(shù)，分析動(dòng)車(chē)關(guān)鍵安全指標(biāo)，為業(yè)務(wù)部門(mén)和站段掌握設(shè)備質(zhì)量狀態(tài)、開(kāi)展階段性安全綜合評(píng)估提供依據(jù)。

（5）供電設(shè)備安全分析

通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)綜合評(píng)估接觸網(wǎng)和變電設(shè)備的安全狀態(tài)，掌握其安全趨勢(shì)，對(duì)設(shè)備缺陷、故障信息、外部環(huán)境開(kāi)展安全綜合預(yù)警分析。

（6）房建設(shè)備安全分析

綜合分析房建設(shè)備的基礎(chǔ)臺(tái)賬、設(shè)備技術(shù)狀態(tài)、設(shè)備病害、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及故障信息。結(jié)合檢測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展房建重點(diǎn)設(shè)備的安全趨勢(shì)分析，主動(dòng)發(fā)布安全預(yù)警信息。

3.2 人員安全綜合分析

（1）個(gè)人安全分析

平臺(tái)通過(guò)匯集人員基本信息、安全問(wèn)題通知書(shū)、指令書(shū)、干部寫(xiě)實(shí)、安全考試、星級(jí)評(píng)價(jià)、勞動(dòng)競(jìng)賽、客服質(zhì)量等數(shù)據(jù)，開(kāi)展鐵路員工個(gè)人安全分析，分析易出現(xiàn)安全問(wèn)題的時(shí)間段和典型安全問(wèn)題。

（2）班組安全分析

平臺(tái)分析班組內(nèi)所有職工的星級(jí)評(píng)價(jià)狀態(tài)，以及班組人員學(xué)歷、工齡、技能等級(jí)等的分布情況，多維度展示班組內(nèi)人員的歷史榮譽(yù)稱(chēng)號(hào)和獲獎(jiǎng)情況。

（3）車(chē)間安全分析

平臺(tái)分析車(chē)間各班組人員星級(jí)分布，實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)車(chē)間內(nèi)各班組的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)車(chē)間重點(diǎn)關(guān)注時(shí)段和重點(diǎn)關(guān)注人員進(jìn)行安全預(yù)警。

（4）站段安全分析

平臺(tái)分析站段所有職工安全等級(jí)的人員分類(lèi)及數(shù)量情況，展示段內(nèi)各車(chē)間最新的考核結(jié)果。

（5）專(zhuān)業(yè)安全分析

平臺(tái)分析全體人員的安全等級(jí)分布情況及工種、工齡、安全問(wèn)題類(lèi)型，基于人員的崗位分布情況和考核情況進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。

（6）全局安全分析

平臺(tái)分析鐵路局人員結(jié)構(gòu)分布及全局人員考核情況，對(duì)鐵路局各專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)人員安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估和分析。

3.3 安全綜合管理分析

（1）安全生產(chǎn)關(guān)鍵指標(biāo)分析

平臺(tái)匯集安全風(fēng)險(xiǎn)過(guò)程控制管理系統(tǒng)和安全監(jiān)督管理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，分析和展示安全風(fēng)險(xiǎn)管控情況、安全隱患排查治理情況、高鐵和旅客列車(chē)安全情況、從業(yè)人員傷亡情況、責(zé)任鐵路交通事故情況、責(zé)任行車(chē)設(shè)備故障情況等安全關(guān)鍵指標(biāo)。

（2）安全風(fēng)險(xiǎn)智能分析

平臺(tái)按照鐵路局、專(zhuān)業(yè)部門(mén)、站段、車(chē)間4 個(gè)層級(jí)，深入開(kāi)展安全趨勢(shì)分析，診斷安全風(fēng)險(xiǎn)及管控異常情況。按照重大、較大、一般、低的風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，分析鐵路局、專(zhuān)業(yè)部門(mén)、站段、車(chē)間的安全風(fēng)險(xiǎn)分布情況。

（3）安全態(tài)勢(shì)感知分析

平臺(tái)綜合評(píng)估鐵路局、專(zhuān)業(yè)部門(mén)、站段、車(chē)間的安全風(fēng)險(xiǎn)、隱患、通知書(shū)、故障、事故等數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)分布規(guī)律和趨勢(shì)變化，分析挖掘安全管理異常狀況，開(kāi)展安全態(tài)勢(shì)感知分析。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并研發(fā)的鐵路安全大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)已于2019年8月在北京鐵路局實(shí)施并進(jìn)入試運(yùn)行階段。本文以北京鐵路局的安全大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)為研究對(duì)象，介紹了安全大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)的安全業(yè)務(wù)需求、建設(shè)目標(biāo)、總體架構(gòu)、數(shù)據(jù)架構(gòu)、技術(shù)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)，設(shè)計(jì)了設(shè)備安全綜合分析、人員安全綜合分析、安全綜合管理分析等功能模塊，對(duì)于促進(jìn)鐵路局安全數(shù)據(jù)共享，探索“平臺(tái)+應(yīng)用”建設(shè)模式，提高安全管理效率，具有重要意義。