宋曉麗，蔡 濤，王振一

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 北京市華鐵信息技術(shù)開發(fā)總公司，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 通信信號研究所，北京 100081)

0 引言

近年來，我國高速鐵路發(fā)展迅猛，隨著信息化步伐的加快，鐵路大數(shù)據(jù)可能帶來的深刻影響和巨大價值日益被認識，無論政府還是企業(yè)，圍繞鐵路大數(shù)據(jù)的布局和措施都層出不窮。2017年11月，國家發(fā)展和改革委員會等四部門印發(fā)《鐵路“十三五”發(fā)展規(guī)劃》，確立了實施大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略、完善鐵路行業(yè)云數(shù)據(jù)中心、加強數(shù)據(jù)分析及開發(fā)利用的鐵路發(fā)展重點任務(wù)。關(guān)于鐵路大數(shù)據(jù)的研究，目前主要集中在數(shù)據(jù)平臺架構(gòu)[1-2]、鐵路客流分析[3-4]、設(shè)備安全管理及運行狀態(tài)監(jiān)控[5-6]等方面。王同軍[7]將鐵路大數(shù)據(jù)應(yīng)用頂層設(shè)計劃分為大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施、大數(shù)據(jù)匯集、大數(shù)據(jù)資產(chǎn)、大數(shù)據(jù)治理、大數(shù)據(jù)分析及大數(shù)據(jù)應(yīng)用等 6 個體系，而鐵路調(diào)度指揮主要體現(xiàn)在大數(shù)據(jù)應(yīng)用體系的運輸安全和運輸效率 2 個方面。劉俊[8]提出鐵路調(diào)度的信息化建設(shè)需要從信息系統(tǒng)建設(shè)、系統(tǒng)功能完善、系統(tǒng)大數(shù)據(jù)應(yīng)用等 3 個方面著手，其中大數(shù)據(jù)應(yīng)用主要體現(xiàn)在計劃調(diào)度和列車調(diào)度 2 個方面。

高速鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)是一個由人、機、環(huán)境、信息、決策等要素所構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，管理并控制高速鐵路全線及整個路網(wǎng)系統(tǒng)，保障其調(diào)度決策正確、信息傳輸通暢、系統(tǒng)協(xié)同動作的功能。相比其他擁有高速鐵路的日本、韓國，以及歐洲等國家或地區(qū)，我國幅員遼闊、氣候多變、地形地質(zhì)條件復(fù)雜，高速鐵路運輸環(huán)境更為復(fù)雜，列車運行及調(diào)度指揮決策存在的不確定性更大[9]。大數(shù)據(jù)處理復(fù)雜性數(shù)據(jù)的能力，包括傳統(tǒng)科學(xué)計算面臨的時空復(fù)雜性，以及大數(shù)據(jù)獨有的數(shù)據(jù)量的復(fù)雜性[10]，無疑為高速鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)的信息化、科學(xué)化發(fā)展提供了全新的理念和手段。

1 高速鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)大數(shù)據(jù)的需求分析

目前，我國高速鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)采用的是按區(qū)域設(shè)置的二級調(diào)度指揮系統(tǒng)架構(gòu)，業(yè)務(wù)按時間進程從遠至近分為基本計劃層、實施計劃層和調(diào)度指揮層，具體包括計劃編制、列車調(diào)度、動車調(diào)度、供電調(diào)度、客服調(diào)度、綜合設(shè)施調(diào)度等子系統(tǒng)。我國高速鐵路調(diào)度指揮機構(gòu)設(shè)置如圖1 所示[11]。

高速鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)具有范圍廣、功能多、構(gòu)成復(fù)雜等特點，滿足調(diào)度指揮系統(tǒng)需求的大數(shù)據(jù)具有以下特征。

（1）調(diào)度指揮中心所需的原始數(shù)據(jù)大多來自基層，包括車站、路段、動車所、變電所、維修基地等，各業(yè)務(wù)子系統(tǒng)功能的完善，需要以高性能、多業(yè)務(wù)的通信網(wǎng)為依托，實現(xiàn)所需數(shù)據(jù)的快速、自動、準確獲取。

（2）基于 2 個調(diào)度層級功能的不同，需要構(gòu)建中國鐵路總公司、鐵路局集團公司 2 個層面的云數(shù)據(jù)中心和信息處理平臺，實現(xiàn)不同信息資源的集中配置與管理。

（3）針對高速鐵路的大數(shù)據(jù)特性，需要全面梳理現(xiàn)有資源及數(shù)據(jù)交換，打破調(diào)度指揮系統(tǒng)中各業(yè)務(wù)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)壁壘，建立跨領(lǐng)域的、通用的數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)信息資源共享共用。

圖1 我國高速鐵路調(diào)度指揮的機構(gòu)設(shè)置Fig.1 Institutions establishment for high-speed railway dispatching and command in China

（4）高速鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)的智能化決策及風(fēng)險管理，有賴于大數(shù)據(jù)的深度挖掘和分析服務(wù)，信息處理平臺需要強化數(shù)據(jù)治理，提升數(shù)據(jù)可靠性；需要利用數(shù)據(jù)挖掘、分布式并行計算等技術(shù)，實現(xiàn)面向調(diào)度指揮業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)建模，全面提升決策管理水平。

2 高速鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)平臺架構(gòu)

2.1 大數(shù)據(jù)平臺總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)工業(yè)和信息化部電信研究院提出的大數(shù)據(jù)技術(shù)框架[12]，綜合高速鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)需求、業(yè)務(wù)功能及系統(tǒng)構(gòu)成，提出高速鐵路調(diào)度指揮大數(shù)據(jù)平臺總體架構(gòu)。其平臺包括基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)來源層、數(shù)據(jù)整合層、數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)分析層、展示訪問層和業(yè)務(wù)應(yīng)用層，與大數(shù)據(jù)相關(guān)的標準、規(guī)范和安全機制則貫穿所有層次。

（1）基礎(chǔ)設(shè)施層，是指支撐大數(shù)據(jù)平臺運行的軟硬件設(shè)備和環(huán)境。硬件設(shè)備包括服務(wù)器、存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、安全設(shè)備等；軟件設(shè)備包括應(yīng)用服務(wù)器軟件、接口通信軟件、網(wǎng)絡(luò)管理軟件、數(shù)據(jù)模型/服務(wù)軟件等；環(huán)境包括系統(tǒng)設(shè)備及調(diào)度人員所處的工作環(huán)境和自然環(huán)境。

（2）數(shù)據(jù)來源層，是指調(diào)度指揮所需的路內(nèi)數(shù)據(jù)和路外數(shù)據(jù)。路內(nèi)數(shù)據(jù)主要來自于鐵路現(xiàn)場和基層單位，包括供電、信號、售檢票、乘務(wù)管理、旅客向?qū)А⒕C合維修作業(yè)、車輛維修管理、車站視頻監(jiān)控、動車組運行檢測、防災(zāi)安全監(jiān)控等系統(tǒng)，分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。外部數(shù)據(jù)主要來自于綜合交通信息平臺，與高速鐵路相關(guān)的其他客運系統(tǒng)，以及自然災(zāi)害 (風(fēng)、雨、雪、泥石流、地震等) 的監(jiān)測、預(yù)警系統(tǒng)。

（3）數(shù)據(jù)整合層，是指對原始數(shù)據(jù)進行采集及預(yù)處理的有關(guān)工具和技術(shù)，目的是將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適合數(shù)據(jù)分析的格式。重點是針對來自數(shù)據(jù)來源層的不同類型的原始數(shù)據(jù)，通過采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口和處理流程，完成數(shù)據(jù)的抽取、映射、轉(zhuǎn)換、加載等工作，以實現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)、定時/實時數(shù)據(jù)的快速接入和分布式數(shù)據(jù)的融合。

（4）數(shù)據(jù)存儲層，是指采用一定的格式，記錄調(diào)度指揮系統(tǒng)大數(shù)據(jù)的各種介質(zhì)，側(cè)重數(shù)據(jù)存儲方式及其采用的技術(shù)。通常，大數(shù)據(jù)的存儲方式與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及實時性等密切相關(guān)，并且需要解決數(shù)據(jù)來源的統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)容量的自由擴展問題?；跀?shù)據(jù)的異構(gòu)性及不同應(yīng)用場景，高速鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)大數(shù)據(jù)存儲不僅有以 Oracle、MySQL 等為代表的關(guān)系數(shù)據(jù)庫，還有以 Habse 為代表的非關(guān)系數(shù)據(jù)庫和以 HDFS 為代表的分布式文件庫。

（5）數(shù)據(jù)分析層，是指支撐大數(shù)據(jù)價值挖掘的算法模型和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)。主要是利用批處理、交互分析、流處理等技術(shù)來實現(xiàn)大數(shù)據(jù)的計算和快速處理，利用 A/B 測試、分類、統(tǒng)計、關(guān)聯(lián)規(guī)則、模式識別、機器學(xué)習(xí)、MapReduce、R 語言等技術(shù)來實現(xiàn)大數(shù)據(jù)的離線、在線分析與模型構(gòu)建，目的是為調(diào)度指揮決策應(yīng)用提供數(shù)據(jù)分析服務(wù)。

（6）展示訪問層，是指在大數(shù)據(jù)服務(wù)于調(diào)度指揮決策支撐場景下，以直觀、簡便、便于操作的方式將分析結(jié)果呈現(xiàn)給用戶。主要包括與具體展示內(nèi)容相關(guān)的可視化工具，面向中國鐵路總公司、鐵路局集團公司等眾多用戶的統(tǒng)計生產(chǎn)，為各類系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)推送、數(shù)據(jù)分發(fā)等服務(wù)。

（7）業(yè)務(wù)應(yīng)用層，是指大數(shù)據(jù)的分析結(jié)果及其展示在高速鐵路調(diào)度指揮中的具體應(yīng)用，重點是指運營調(diào)度系統(tǒng)具體功能的完善，包括計劃調(diào)度、運行調(diào)整、動車調(diào)度、供電調(diào)度等[13]。

（8）大數(shù)據(jù)標準體系和安全保障體系，保障高速鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)大數(shù)據(jù)平臺可靠運行的規(guī)范制度和管理措施。大數(shù)據(jù)標準體系由基礎(chǔ)標準、技術(shù)標準、產(chǎn)品和平臺標準、管理標準、安全標準、應(yīng)用和服務(wù)標準等類別的標準組成，具體涉及到大數(shù)據(jù)的采集、整合、存儲、分析、應(yīng)用、安全等規(guī)范。大數(shù)據(jù)安全保障體系涉及戰(zhàn)略保障、運行管理保障、技術(shù)保障等方面的措施，保障對象包括大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡(luò)信息、調(diào)度指揮組織及人才技術(shù)等方面。

2.2 大數(shù)據(jù)平臺應(yīng)用架構(gòu)

高速鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)大數(shù)據(jù)平臺是一個集數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)展現(xiàn)等為一體的復(fù)雜應(yīng)用系統(tǒng)，大數(shù)據(jù)平臺總體架構(gòu)、大數(shù)據(jù)平臺存儲管理、大數(shù)據(jù)分析處理等關(guān)鍵技術(shù)的選擇和實現(xiàn)，最終目標是能夠有效支撐大數(shù)據(jù)的應(yīng)用。

高速鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)大數(shù)據(jù)應(yīng)用的核心是通過對多源數(shù)據(jù)的融合、挖掘、分析和關(guān)聯(lián)，準確辨識行車安全的風(fēng)險因素、把握系統(tǒng)風(fēng)險的演變規(guī)律，有效支撐調(diào)度指揮的風(fēng)險管理決策，確保高速鐵路運營安全；并從海量歷史數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)列車運行的時空特性、把握不同業(yè)務(wù)調(diào)整之間的關(guān)聯(lián)性，實現(xiàn)調(diào)度指揮在不同層級、不同部門、不同崗位之間的協(xié)同動作，確保高速鐵路正點、高效。

基于總體架構(gòu)，提出高速鐵路調(diào)度指揮大數(shù)據(jù)平臺應(yīng)用架構(gòu)如圖2 所示。

首先將鐵路現(xiàn)場、基層單位和路外的多源、異構(gòu)、分布式原始數(shù)據(jù)接入大數(shù)據(jù)平臺，然后通過大數(shù)據(jù)平臺的治理、存儲和挖掘，實現(xiàn)調(diào)度指揮業(yè)務(wù)的大數(shù)據(jù)應(yīng)用，既有在線的實時監(jiān)控及運行調(diào)整，也有離線的統(tǒng)計分析和計劃編制。例如，在運輸計劃方面，通過對不同時期的客運需求、不同條件下的列車開行方案，以及線路參數(shù)、車站參數(shù)、信號參數(shù)、動車組參數(shù)、基本列車運行參數(shù)等數(shù)據(jù)的分析，編制和調(diào)整基本列車運行計劃，并利用平臺提供的數(shù)據(jù)環(huán)境進行列車運行模擬、線路通過能力計算和列車運行計劃評價，確保運輸計劃方案的合理性和可行性；在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視方面，通過對設(shè)備的資產(chǎn)、臺賬、運行、修試、圖像、環(huán)境等數(shù)據(jù)的分析，進行設(shè)備狀態(tài)的評價、設(shè)備重要度的分析、設(shè)備缺陷及生命周期的預(yù)測，并且利用平臺進行趨勢告警、關(guān)聯(lián)預(yù)警及即時可視化展現(xiàn)，輔助設(shè)備狀態(tài)檢修，提升風(fēng)險的管控能力。

3 結(jié)束語

大數(shù)據(jù)是一種思維方式的信息革命，大數(shù)據(jù)的應(yīng)用和實踐正在日益改變著人們的生活和工作方式，同時推動著理念、模式、技術(shù)的創(chuàng)新。對于處在轉(zhuǎn)型發(fā)展期的我國高速鐵路，目前大數(shù)據(jù)的來源和數(shù)據(jù)采集已相當成熟，但仍然面臨著數(shù)據(jù)存儲和共享困難、數(shù)據(jù)分析和處理能力不足、數(shù)據(jù)利用率低等一系列挑戰(zhàn)[7]。針對高速鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)大數(shù)據(jù)的需求，通過對高速鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)大數(shù)據(jù)平臺的架構(gòu)方案的研究，對于將來高速鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)大數(shù)據(jù)平臺的構(gòu)建及應(yīng)用實施等具有一定的參考價值。

圖2 高速鐵路調(diào)度指揮大數(shù)據(jù)平臺應(yīng)用架構(gòu)Fig.2 Application architecture of big data platform for high-speed railway dispatching and command system