鐵路沿線安全環(huán)境治理信息平臺設計

楊 琦，賀文軒，徐成偉，馬 禎

（1. 中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算機技術研究所，北京 100081；2. 中國鐵道科學研究院集團有限公司 基礎設施檢測研究所，北京 100081）

鐵路在我國經(jīng)濟社會發(fā)展中具有重要作用，是國家的重要基礎設施、大眾化交通運輸工具、綜合交通運輸體系的骨干。隨著鐵路網(wǎng)不斷拓展，鐵路沿線安全環(huán)境日趨復雜，環(huán)境因素引發(fā)的各類安全隱患多發(fā)，嚴重威脅鐵路行車安全。

2021年，國務院發(fā)布的《關于加強鐵路沿線安全環(huán)境治理工作的意見》中指出，隨著我國高速鐵路運營里程不斷增加，改善鐵路沿線安全環(huán)境對保障鐵路高質(zhì)量發(fā)展和人民群眾生命財產(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策、措施；韓璐等人[4]設計開發(fā)了鐵路路外安全環(huán)境動態(tài)監(jiān)測地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System），對鐵路三維模型數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、各類保護界線、各傳感器監(jiān)測報警數(shù)據(jù)進行分析及管理，實現(xiàn)實時監(jiān)測預警；張珩等人[5]利用高分遙感影響對鐵路建設中的環(huán)境問題進行動態(tài)監(jiān)測；趙振洋等人[6]融合C/S架構和B/S架構，搭建了集成計算機端及移動端的鐵路外部環(huán)境管控地理信息平臺；包云等人[7]提出定期排查與實時監(jiān)測相結合的鐵路外部環(huán)境安全監(jiān)測方案，分析5G、邊緣計算、人工智能等技術在鐵路外部環(huán)境安全實時監(jiān)測中的應用。上述研究存在監(jiān)測手段平面化、平臺功能單一化等問題，并未集成多種監(jiān)測手段，平臺缺少除安全隱患監(jiān)測、分析外的問題治理和應急指揮等延伸功能。

本文在當前研究基礎上，針對鐵路沿線全視域的安全隱患，設計鐵路沿線安全環(huán)境治理信息平臺，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，實現(xiàn)關鍵環(huán)節(jié)遠程監(jiān)測、工作任務閉環(huán)管理等功能。

1 系統(tǒng)架構

為滿足列車運行安全對鐵路周邊環(huán)境的實際需求，保障列車的運行安全與運行效率，設計了鐵路沿線安全環(huán)境治理信息平臺架構，如圖1所示。

圖1 鐵路沿線安全環(huán)境治理信息平臺架構

鐵路沿線安全環(huán)境治理信息平臺架構共有6部分組成，分別是感知層、網(wǎng)絡層、平臺層、基礎服務層、智能分析層和應用層。

（1）感知層主要負責鐵路沿線地形地貌、周邊環(huán)境等數(shù)據(jù)的周期性采集、實時在線監(jiān)測。

（2）網(wǎng)絡層主要負責現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)、問題反饋和危險源信息的傳輸。

（3）平臺層主要提供平臺運行、數(shù)據(jù)分析、信息共享、容災備份等所需要的硬件及軟件運行環(huán)境。

（4）基礎服務層主要為平臺提供GIS、北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)、其他管理系統(tǒng)等方面的基礎性、公用性資源。

（5）智能分析層為應用層提供通用的、標準化的大數(shù)據(jù)及人工智能分析。其中，數(shù)據(jù)治理進行數(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)基礎平臺提供基于Hadoop的大數(shù)據(jù)采集、存儲及分析組件；人工智能部分提供圖像分析、自然語言處理能力，包括數(shù)據(jù)標注、模型訓練等。

（6）應用層主要利用感知層采集的相關數(shù)據(jù)、智能分析層的算法算例及模型進行數(shù)據(jù)融合分析、危險源識別、問題跟蹤、應急指揮、模型修訂與優(yōu)化及數(shù)據(jù)共享等工作。

2 平臺功能

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

2.1 鐵路沿線安全環(huán)境監(jiān)測

鐵路沿線安全環(huán)境監(jiān)測主要通過遙感衛(wèi)星[8-9]、北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)、無人機和視頻等多種監(jiān)測技術手段實現(xiàn)鐵路兩側500 m 范圍內(nèi)、鐵路線路安全保護區(qū)、鐵路限界內(nèi)區(qū)域的危情及安全隱患監(jiān)測。

2.2 鐵路沿線環(huán)境問題管理

鐵路沿線環(huán)境問題管理主要包括問題上報、治理狀態(tài)管理、銷號管理、存量問題隱患庫等功能，實現(xiàn)對問題的錄入、審核、上報、原因分析、整改方案和整治狀態(tài)的全過程管理，促進制度建立與信息化管理。

2.3 鐵路沿線環(huán)境應急指揮

鐵路沿線環(huán)境應急指揮主要包括對鐵路氣象災害、地質(zhì)災害、危情等進行全面預警；實現(xiàn)對應急預案、應急組織體系和應急物資等應急資源準備，可依據(jù)相關應急預案合理配置資源，滿足應急處置的需要；建立與相關信息共享，保障災情發(fā)生后可與各部門快速聯(lián)動；制定協(xié)同處置流程，以書面報告的形式將防范和改進措施記錄并留存，報上級有關部門；組織開展災后重建功能，做好過程管理，實現(xiàn)災后重建。

2.4 鐵路沿線環(huán)境問題咨詢服務

鐵路沿線環(huán)境問題咨詢服務主要包括安全環(huán)境評估、治理方案論證和專家?guī)旃芾淼裙δ?，發(fā)揮行業(yè)內(nèi)專家及相關專業(yè)機構的力量優(yōu)勢，開展環(huán)境問題咨詢服務、安全環(huán)境評估和治理方案論證等工作，提升鐵路沿線環(huán)境問題治理能力專業(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)境信息交換機制，實現(xiàn)鐵路沿線安全環(huán)境治理信息平臺與城市運行管理服務平臺等其他平臺的互聯(lián)互通、信息共享，提升平臺信息交換及共享度，加快信息流通。為確保信息安全，避免信息泄露，具備身份認證、單點登錄、權限控制、信息安全和安全管理等功能。

3 關鍵技術

鐵路沿線安全環(huán)境治理信息平臺采用以建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）+GIS融合服務、微服務架構、單點登錄（SSO，Single Sign-On）統(tǒng)一安全認證、安全日志及運行監(jiān)控等技術。其中，BIM+GIS融合服務為用戶更加直觀的可視化基礎；微服務中心為平臺各應用模塊提供基礎設施支持的同時，實現(xiàn)了鐵路沿線安全環(huán)境監(jiān)測與基于多源數(shù)據(jù)融合的隱患識別；SSO統(tǒng)一安全認證、安全日志及運行監(jiān)控技術為平臺提供安全保障支撐的同時，為用戶提供更為簡便的運行維護支撐。鐵路沿線安全環(huán)境治理信息平臺技術架構，如圖2所示。

圖2 鐵路沿線安全環(huán)境治理信息平臺技術架構

3.1 BIM+GIS融合服務

由BIM服務和GIS服務組成，并統(tǒng)一對外提供BIM+GIS融合服務。

（1）BIM服務基于WebGL渲染、語義信息提取、幾何表達歸并，可提供BIM數(shù)據(jù)接入，實現(xiàn)Bentley、Autodesk Civil 3D、Tekla等BIM設計軟件的數(shù)據(jù)導入，實例化、多細節(jié)層次（LOD，Levels of Detail）和輕量化處理，模型編輯修改，多源信息關聯(lián)等功能。

（2）GIS服務基于動態(tài)服務構建、金字塔切割、線性參考和緩沖區(qū)計算分析，可提供三維地圖可視化、實景三維地圖加載渲染、線路中心里程和地理坐標轉換、時空數(shù)據(jù)對比分析和動態(tài)數(shù)據(jù)實時渲染等。

3.2 微服務網(wǎng)關

采用SpringBoot技術構建的微服務架構，將平臺業(yè)務分解為多個獨立部署的服務應用，實現(xiàn)對單體業(yè)務平臺的解耦，增強業(yè)務的擴展能力。采用SpringBoot框架，簡化應用的構建和開發(fā)過程。在微服務基礎設施方面，利用SpringBoot提供的服務注冊與發(fā)現(xiàn)、服務網(wǎng)關、配置中心、服務訪問認證管理、消息中間件和分布式緩存等服務，將分布運行的多個子模塊有機串聯(lián)，確保整個平臺高效穩(wěn)定運行，為后續(xù)業(yè)務服務的對外補充與擴展提供基礎技術支持。在應用開發(fā)公共支撐方面，通過對微服務基礎設施層的開發(fā)和封裝，實現(xiàn)組織管理、權限服務、數(shù)據(jù)同步和配置服務、服務協(xié)議、服務發(fā)現(xiàn)與調(diào)用、限流與熔斷、平臺配置和日志采集等功能，為上層業(yè)務應用提供全面支撐。

3.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)一接口

針對不同類型、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)融合的隱患識別技術

根據(jù)不同天氣情況下對不同技術手段（如雷達、熱成像等）識別的隱患與圖像識別算法結果設置不同的權重，進行融合比較后確定是否為安全隱患。其中，融合算法的檢測置信度計算公式為

若Size＜20 cm

其中，α為尺寸權重；μ為天氣權重；R為激光雷達檢測障礙物結果，R∈{0,1}；Confimg為圖像識別檢測算法的檢測置信度，Confimg∈[0,1]。

若Confdet≥0.3，則認為該隱患存在；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重

3.5 SSO統(tǒng)一安全認證

結合資源管理對用戶的訪問提供統(tǒng)一授權服務，用戶身份到應用授權的映射功能，實現(xiàn)權限和證書的產(chǎn)生、管理、存儲、分發(fā)和撤銷等功能，提供各種應用系統(tǒng)和各種需要保護的功能資源的統(tǒng)一管理功能，有效地控制和管理資源，供標準的Web Service的認證服務和用戶管理的SDK（Software Development Kit）接口，符合安全斷言標記語言（SAML，Security Assertion Markup Language）規(guī)范，方便其他各種異構操作系統(tǒng)的應用進行SSO應用集成。

3.6 安全日志及運行監(jiān)控

為了滿足平臺管理和安全審核的需要，提供操作日志、信息量、服務情況等，用來輔助評估平臺服務能力和服務質(zhì)量，使用開源分布式Elastic Search搜索引擎，分布式、零配置、自動發(fā)現(xiàn)，索引自動分片，Logstash對日志進行收集、分析，并將其存儲供以后使用，Kibana可視化分析工具；平臺權限控制采用基于角色的訪問控制思想，實現(xiàn)對用的角色、菜單、按鈕等權限控制。

4 應用場景

鐵路沿線安全環(huán)境治理信息平臺為中國國家鐵路集團有限公司（簡稱：國鐵集團）、鐵路局集團公司和站段三級用戶提供應用服務。

國鐵集團用戶包括安監(jiān)局、工電部、調(diào)度中心等部門，進行處置管理、處置協(xié)同、信息互通等應用，對重大事件進行監(jiān)督、把控與指導，與地方政府共同發(fā)揮護路聯(lián)防作用，使處置透明，以提高處置能力和效率。

鐵路局集團公司用戶包括安監(jiān)室、環(huán)境治理辦公室、工務部、電務部、供電部和調(diào)度所等部門，進行輔助調(diào)度、過程管理、決策支撐等應用，指導、監(jiān)督本轄區(qū)內(nèi)鐵路沿線安全環(huán)境治理的工作。

站段用戶包括工務段、電務段、安全科、鐵路派出所等部門，基于鐵路沿線安全環(huán)境治理信息平臺開展環(huán)境監(jiān)測、問題管理、咨詢服務等日常工作，處理緊急事件，接收群眾上報信息，有效提高平臺的安全防護能力。

5 結束語

圍繞鐵路沿線安全環(huán)境治理工作，本文設計了鐵路沿線安全環(huán)境治理信息平臺。對鐵路沿線全視域安全隱患全方位監(jiān)測，能夠實現(xiàn)鐵路沿線安全環(huán)境隱患問題的閉環(huán)管理；整合周邊資源，根據(jù)事件要素評估資源需求，實現(xiàn)應急資源準備、信息共享、協(xié)同處置等應急指揮功能；提供問題咨詢服務及與其他平臺的互聯(lián)互通、信息共享功能，切實提高鐵路安全環(huán)境治理能力。