王嬌嬌，包 云，楊 雪，李亞群

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081)

我國是世界上受到自然災(zāi)害影響最為嚴(yán)重的國家之一，自然災(zāi)害種類多，分布地域廣，致災(zāi)因素復(fù)雜，發(fā)生頻率高，為高速鐵路運(yùn)行安全帶來巨大挑戰(zhàn)。在我國高速鐵路不斷提速，最高速度達(dá)350 km/h的新時(shí)期，行車環(huán)境安全保障工作被提到了新的高度。目前，高速鐵路已經(jīng)完成了部分災(zāi)害監(jiān)測相關(guān)系統(tǒng)建設(shè)，如高速鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)、鐵路線路障礙監(jiān)測系統(tǒng)等，還有部分系統(tǒng)(如滑坡、泥石流等)進(jìn)行了大量研究試驗(yàn)，準(zhǔn)備投入工程推廣應(yīng)用。然而，這些系統(tǒng)建設(shè)分散，硬件重復(fù)配置，亟需對高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行再設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的優(yōu)化配置和統(tǒng)一運(yùn)維管理。

1 高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

高速鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)對可能危及列車運(yùn)行安全的風(fēng)、雨、雪、地震及上跨高速鐵路的道路橋梁異物侵限等災(zāi)害可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、報(bào)警，為災(zāi)害天氣下的行車指揮提供限速處置措施[1-2]，為保障列車運(yùn)行安全發(fā)揮了重要作用。然而，隨著智能化技術(shù)的發(fā)展，高速列車的逐步提速對安全監(jiān)測的要求不斷提高，現(xiàn)有自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)亟待優(yōu)化[3]。

我國地域遼闊，鐵路穿山跨江，地質(zhì)地理?xiàng)l件復(fù)雜，行車環(huán)境惡劣，行車過程中除了受到風(fēng)、雨、雪、異物侵限災(zāi)害影響外，還可能隨時(shí)遭受到滑坡、泥石流、崩塌落石或者突發(fā)危險(xiǎn)源入侵等安全威脅。國內(nèi)已經(jīng)有一些學(xué)者針對這些災(zāi)害的防御開展相關(guān)研究，但是缺乏與既有系統(tǒng)的統(tǒng)籌考慮，尚未形成有效的防御方法[4-5]。因此，應(yīng)結(jié)合我國鐵路的實(shí)際情況，引入大數(shù)據(jù)、“云+端”、區(qū)塊鏈、無人機(jī)、遙感等技術(shù)，從高速鐵路運(yùn)行安全監(jiān)測的需求出發(fā)，綜合運(yùn)用空、天、車、地多種監(jiān)測技術(shù)手段，設(shè)計(jì)高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)，拓展現(xiàn)有災(zāi)害監(jiān)測相關(guān)系統(tǒng)的災(zāi)害監(jiān)測種類、范圍和技術(shù)方法，在既有災(zāi)害監(jiān)測范圍的基礎(chǔ)上，將周邊環(huán)境、邊坡滑坡、線路障礙、隧道安全等災(zāi)害的監(jiān)測一并納入，實(shí)現(xiàn)對鐵路沿線危險(xiǎn)源的準(zhǔn)確感知與動(dòng)態(tài)監(jiān)測，以及入侵目標(biāo)的精準(zhǔn)定位與智能識(shí)別，提供全方位的災(zāi)害天氣行車安全監(jiān)測支撐[6-7]。高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，主要包括信息感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)匯聚層和綜合應(yīng)用層4層結(jié)構(gòu)。

圖1 高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 Overall framework of disaster monitoring system for high-speed railway

（1）信息感知層。既有自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)通過在鐵路沿線布設(shè)風(fēng)速風(fēng)向計(jì)、雨量計(jì)、雪深計(jì)、異物雙電網(wǎng)及監(jiān)控單元等現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備，完成對沿線災(zāi)害情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測，仍然存在監(jiān)測的災(zāi)害種類較少、技術(shù)手段單一、覆蓋面有限等不足。為了全面感知對行車安全構(gòu)成威脅的危險(xiǎn)源，及早發(fā)現(xiàn)潛在風(fēng)險(xiǎn)，前端在空、天、車、地4個(gè)層面布設(shè)信息采集設(shè)備。①空：采用北斗、遙感衛(wèi)星等技術(shù)，對鐵路沿線私搭亂建等重點(diǎn)危險(xiǎn)源(如彩鋼板屋頂)進(jìn)行高空辨識(shí)。②天：運(yùn)用無人機(jī)等對鐵路沿線重點(diǎn)危險(xiǎn)源進(jìn)行低空勘察和巡檢。③車：通過車載熱成像儀、雷達(dá)、視頻攝像頭，對列車運(yùn)行前后方及左右兩側(cè)線路情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。④地：在既有風(fēng)、雨、雪、地震、異物侵限傳感器的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際需求，新增前端感知設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對鐵路沿線災(zāi)害的全面、精準(zhǔn)監(jiān)測。例如，結(jié)合振動(dòng)傳感器(北斗位移貼片等)、聲音傳感器，對危險(xiǎn)源進(jìn)行輔助監(jiān)測；采用鐵路沿線布設(shè)的熱成像探測儀聯(lián)動(dòng)綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對鐵路限界入侵進(jìn)行監(jiān)測；對滑坡、線路障礙、隧道等災(zāi)害監(jiān)測信息，可通過在沿線布設(shè)位移計(jì)、激光雷達(dá)或通過北斗、遙感衛(wèi)星等獲取災(zāi)害數(shù)據(jù)，或者將既有相關(guān)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)直接接入災(zāi)害監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)，統(tǒng)一對外發(fā)布，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害監(jiān)測信息一體化集成。

（2）網(wǎng)絡(luò)傳輸層。傳輸網(wǎng)絡(luò)采用有線和無線結(jié)合的方式，具備條件的地區(qū)建議采用有線傳輸，以保障信息傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠；不具備條件的偏遠(yuǎn)地區(qū)可以考慮采用無線傳輸?shù)姆绞?。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，將來也可以結(jié)合衛(wèi)星通信、5G網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害數(shù)據(jù)的高效傳輸。采用非對稱加密技術(shù)，對公鑰、私鑰體系進(jìn)行嚴(yán)格的安全認(rèn)證，確保信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全性[8]，形成從天空遙感、無人機(jī)到地面?zhèn)鞲衅鞯热轿?、立體化的信息采集傳輸網(wǎng)絡(luò)。

（3）數(shù)據(jù)匯聚層。高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)匯聚到中心平臺(tái)，中心平臺(tái)采用“云+端”模式構(gòu)建，平臺(tái)服務(wù)器可采用物理機(jī)與云服務(wù)器結(jié)合部署的模式，節(jié)省機(jī)房空間，提供更安全、穩(wěn)定、高效的存儲(chǔ)及計(jì)算服務(wù)。平臺(tái)匯集現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備采集的災(zāi)害、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，與路內(nèi)外相關(guān)系統(tǒng)共享，制訂統(tǒng)一的數(shù)據(jù)編碼格式和交互共享規(guī)范，建立模型庫及知識(shí)庫，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，進(jìn)行災(zāi)害和設(shè)備狀態(tài)的規(guī)律分析、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分、設(shè)備健康診斷，通過應(yīng)用終端進(jìn)行災(zāi)害情況和大數(shù)據(jù)分析結(jié)果的可視化展示。

（4）綜合應(yīng)用層?；跒?zāi)害監(jiān)測中心平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)既有風(fēng)、雨、雪、地震、異物侵限、鐵路周邊環(huán)境、危險(xiǎn)源、地質(zhì)(如滑坡、泥石流)災(zāi)害的監(jiān)測、報(bào)警。同時(shí)，對監(jiān)測中心平臺(tái)相關(guān)設(shè)備及現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測、報(bào)警。在實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，開展災(zāi)害監(jiān)測大數(shù)據(jù)分析，輔助系統(tǒng)運(yùn)用優(yōu)化，挖掘?yàn)?zāi)害鏈關(guān)聯(lián)關(guān)系，并制訂相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范文件，指導(dǎo)現(xiàn)場實(shí)施及工程應(yīng)用。目前，系統(tǒng)終端全部采用在調(diào)度所和工務(wù)部門等場所部署固定PC端的模式，將來結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際需求，可以嘗試研制便攜式的手持終端或研發(fā)手機(jī)APP，為工務(wù)部門和設(shè)備管理單位提供現(xiàn)場維護(hù)的便利。

2 高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 災(zāi)害監(jiān)測一體化集成技術(shù)

現(xiàn)有高速鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)鐵路局中心系統(tǒng)與地震鐵路局中心系統(tǒng)為2套獨(dú)立的系統(tǒng)，地質(zhì)災(zāi)害、周邊環(huán)境、周界入侵監(jiān)測尚未有成熟系統(tǒng)在鐵路上應(yīng)用。為了適應(yīng)不斷增長的災(zāi)害監(jiān)測需求，亟需將這些災(zāi)害監(jiān)測合理納入高速鐵路的災(zāi)害監(jiān)測范圍，以統(tǒng)籌考慮各類災(zāi)害給鐵路行車帶來的安全威脅。在既有風(fēng)、雨、雪及異物侵限災(zāi)害監(jiān)測的基礎(chǔ)上，建立統(tǒng)一的災(zāi)害監(jiān)測一體化集成平臺(tái)，集成整合地震、滑坡、泥石流、周邊環(huán)境、周界入侵等災(zāi)害信息，制訂數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)范，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢、分析和管理。同時(shí)，與路外氣象、地震、地質(zhì)部門互聯(lián)，獲取鐵路沿線相關(guān)災(zāi)害監(jiān)測信息，提高鐵路災(zāi)害監(jiān)測的精細(xì)化和精準(zhǔn)化水平。通過集成整合的方式，實(shí)現(xiàn)軟、硬件資源的集約配置，減少不必要的投資。對外統(tǒng)一發(fā)布災(zāi)害信息，便于調(diào)度協(xié)調(diào)指揮和系統(tǒng)維護(hù)管理。高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測一體化集成示意圖如圖2所示。

2.2 災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)與路內(nèi)外系統(tǒng)協(xié)同聯(lián)動(dòng)技術(shù)

高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)報(bào)警處置涉及調(diào)度、工務(wù)、電務(wù)、信號(hào)、機(jī)務(wù)等多個(gè)部門，在一次災(zāi)害事件中協(xié)同各部門實(shí)現(xiàn)災(zāi)害的準(zhǔn)確報(bào)警、及時(shí)處置至關(guān)重要。

圖2 高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測一體化集成示意圖Fig.2 High-speed railway disaster monitoring integration

（1）與路內(nèi)系統(tǒng)互聯(lián)。根據(jù)現(xiàn)有報(bào)警處置邏輯，當(dāng)發(fā)生災(zāi)害報(bào)警時(shí)，調(diào)度員需要將災(zāi)害報(bào)警信息人工錄入至調(diào)度指揮CTC終端，再進(jìn)行限速命令的下達(dá)，報(bào)警處置時(shí)效性較低。為有效解決此問題，研究災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)鐵路局中心系統(tǒng)與CTC系統(tǒng)的信息直接交互技術(shù)，將風(fēng)、雨、雪等報(bào)警及解除信息實(shí)時(shí)自動(dòng)推送至CTC終端，減少人工抄錄環(huán)節(jié)，提高處置時(shí)效性，為行車指揮爭取寶貴的時(shí)間。此外，異物侵限報(bào)警時(shí)，實(shí)現(xiàn)與綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)。當(dāng)發(fā)生落物侵限時(shí)，通過鐵路沿線的綜合視頻攝像頭進(jìn)行報(bào)警情況核查，快速進(jìn)行現(xiàn)場確認(rèn)，相比于目前報(bào)警之后派人去現(xiàn)場查看的方式更加節(jié)約處置時(shí)間。

（2）與路外系統(tǒng)互聯(lián)。由于鐵路沿線災(zāi)害監(jiān)測點(diǎn)呈點(diǎn)、線狀布局，獲得的災(zāi)害監(jiān)測信息有一定的局限性，建議加強(qiáng)與氣象、防洪、地質(zhì)、地震等部門的合作，建立信息共享渠道，充分利用路外資源，開展路內(nèi)外相關(guān)數(shù)據(jù)的融合分析，輔助決策指揮。

災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)與路內(nèi)外系統(tǒng)協(xié)同聯(lián)動(dòng)信息交互圖如圖3所示。

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

高速鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)自2008年投入運(yùn)營以來，積累了大量的災(zāi)害監(jiān)測、報(bào)警及設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)。然而，目前這些數(shù)據(jù)并未得到有效的利用，部分早期數(shù)據(jù)由于存儲(chǔ)時(shí)間達(dá)到規(guī)定年限已經(jīng)被刪除，無法恢復(fù)，造成資源浪費(fèi)。隨著目前安全保障需求的逐步提高，系統(tǒng)自身在運(yùn)用中也顯露出一些不足，如災(zāi)害監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)原則、報(bào)警評(píng)判規(guī)則、限速區(qū)段設(shè)置有待優(yōu)化等。因此，亟需結(jié)合數(shù)據(jù)資源，開展大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的研究和應(yīng)用，支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)用維護(hù)。

通過災(zāi)害監(jiān)測大數(shù)據(jù)匯聚管理、共享交互、分析應(yīng)用和展示技術(shù)，建立單災(zāi)害領(lǐng)域風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估模型和指標(biāo)體系，實(shí)現(xiàn)對單領(lǐng)域風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估分析。針對相互之間有關(guān)聯(lián)性、易引發(fā)次生衍生災(zāi)害的事件，按照災(zāi)害之間的關(guān)系，建立綜合的風(fēng)險(xiǎn)智能分析模型，為復(fù)雜災(zāi)害條件下的風(fēng)險(xiǎn)防控提供模型支撐。利用機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)險(xiǎn)分析模型的自動(dòng)優(yōu)化、風(fēng)險(xiǎn)智能預(yù)測等應(yīng)用，生成風(fēng)險(xiǎn)防控措施。同時(shí)，運(yùn)用大數(shù)據(jù)可視化等技術(shù)手段，形成“領(lǐng)導(dǎo)駕駛艙”的應(yīng)用模式，為不同層次用戶提供便捷的人機(jī)交互、信息認(rèn)知和系統(tǒng)操作模式。針對不同對象、不同階段、場景的多災(zāi)種災(zāi)害，通過多源數(shù)據(jù)融合分析、深度挖掘，為報(bào)警處置提供決策支撐。

2.4 區(qū)塊鏈應(yīng)用技術(shù)

高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)是一個(gè)多維數(shù)據(jù)源、多專業(yè)協(xié)同及系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)的復(fù)雜體系，自前端傳感器采集數(shù)據(jù)到中心報(bào)警評(píng)判、發(fā)布限速信息，各環(huán)節(jié)均需確保安全可靠、有據(jù)可依，一旦發(fā)現(xiàn)問題即應(yīng)精準(zhǔn)定位以消除安全隱患。

圖3 災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)與路內(nèi)外系統(tǒng)協(xié)同聯(lián)動(dòng)信息交互圖Fig.3 Information interaction diagram of collaborative linkage between disaster monitoring system and related systems inside and outside the railway

由于區(qū)塊鏈技術(shù)具有不可偽造、全程留痕、去中心化、公開透明、集體維護(hù)等特征，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)信息化領(lǐng)域，在高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測中引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)，有助于解決傳統(tǒng)高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測相關(guān)系統(tǒng)中面臨的部分安全問題，提高其抗攻擊性、數(shù)據(jù)保密程度以及系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的自我修復(fù)能力。例如：利用區(qū)塊鏈，確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)，提供靈活的中心化、去中心化控制，并保證每一區(qū)塊數(shù)據(jù)的完整性、一致性；確保從前端采集的信息到中心匯聚、分析全流程可溯源；針對不同用戶提供不同等級(jí)的信息透明度，滿足各級(jí)人員的使用需求，并加強(qiáng)用戶權(quán)限管理；在災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)互聯(lián)互通功能中，實(shí)現(xiàn)相關(guān)系統(tǒng)的安全接入、多個(gè)主體之間的協(xié)作信任；系統(tǒng)維護(hù)中，追溯痕跡，跟蹤諸多部門和廠家的工作流程，便于后期故障情況的定位。區(qū)塊鏈技術(shù)在高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用示意圖如圖4所示。

圖4 區(qū)塊鏈技術(shù)在高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用示意圖Fig.4 Blockchain technology applied in high-speed railway disaster monitoring

3 結(jié)束語

鐵路是國家重要的基礎(chǔ)設(shè)施和國民經(jīng)濟(jì)大動(dòng)脈，綜合運(yùn)用人防、物防、技防“三位一體”的防護(hù)手段，從源頭上實(shí)現(xiàn)高速鐵路行車環(huán)境的安全防護(hù)與綜合治理，始終是高速鐵路運(yùn)行工作的重中之重。縱觀目前國內(nèi)高速鐵路系統(tǒng)的災(zāi)害防御能力，融合新技術(shù)新方法，從頂層設(shè)計(jì)覆蓋全路、全面的災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)有助于實(shí)現(xiàn)災(zāi)害天氣下高速鐵路行車的統(tǒng)一調(diào)度指揮，系統(tǒng)資源的優(yōu)化配置，提高系統(tǒng)運(yùn)用、維護(hù)效率，支撐高速鐵路在防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)水平的持續(xù)提升。