解亞龍， 王萬(wàn)齊， 尹遜霄， 江若飛

（中國(guó)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）

0 引言

隨著鐵路工程建設(shè)信息化的開展及數(shù)字建造技術(shù)的廣泛應(yīng)用，施工現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生大量的安全質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)具有海量、異域、異構(gòu)等特點(diǎn)。對(duì)安全質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和大數(shù)據(jù)應(yīng)用，對(duì)于提高工程建設(shè)的施工效率和質(zhì)量，以及輔助管理決策都有著重要意義；同時(shí)，鐵路工程現(xiàn)場(chǎng)智能化設(shè)備的不斷增加，為更好地利用智能化工裝感知工程現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)提供了便利條件。因此，有必要建立全路統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)各類監(jiān)控監(jiān)測(cè)設(shè)備快速接入和數(shù)據(jù)綜合分析，提高鐵路工程建設(shè)管理能力。

在原中國(guó)鐵路總公司印發(fā)的《鐵路信息化總體規(guī)劃》（鐵總信息〔2017〕152 號(hào)）中，物聯(lián)網(wǎng)被確定為我國(guó)鐵路行業(yè)新一代信息技術(shù)的重點(diǎn)應(yīng)用方向［1］。我國(guó)很多專家學(xué)者對(duì)物聯(lián)網(wǎng)在鐵路行業(yè)的應(yīng)用開展了探索和研究：史天運(yùn)等［2］提出鐵路物聯(lián)網(wǎng)的定義、概念辨析，分析了鐵路行業(yè)應(yīng)用情況和案例，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)總體框架提出構(gòu)想；王都等［3］提出鐵路物流領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)總體框架，并對(duì)鐵路物流領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景和技術(shù)進(jìn)行分析；陳燕等［4］提出研發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能化工機(jī)具管理系統(tǒng)，以更好地規(guī)范工機(jī)具管理；李亞群等［5］對(duì)物聯(lián)網(wǎng)在鐵路災(zāi)害監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景進(jìn)行了分析。但是，在鐵路工程建設(shè)領(lǐng)域尚未提出物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的構(gòu)想和方案。

借鑒國(guó)際上對(duì)物聯(lián)網(wǎng)概念的定義，結(jié)合鐵路工程實(shí)際特點(diǎn)，對(duì)我國(guó)鐵路工程物聯(lián)網(wǎng)作如下定義：鐵路工程物聯(lián)網(wǎng)是指依靠身份識(shí)別及標(biāo)識(shí)（二維碼、RFID等）、激光掃描器、可穿戴設(shè)備、生物特征識(shí)別、智能傳感器、數(shù)字化工裝機(jī)具、智能生產(chǎn)設(shè)備、衛(wèi)星定位等信息感知設(shè)備，按照約定協(xié)議，通過網(wǎng)絡(luò)連接各種鐵路工程的人員、設(shè)備、環(huán)境、材料及工程本體、大臨設(shè)施等，進(jìn)行信息交換和通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路工程對(duì)象的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)測(cè)和管理的一種網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)鐵路智能建造的重要支撐。

1 需求分析和建設(shè)目標(biāo)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和業(yè)務(wù)管理能力的提升，特別是基于數(shù)據(jù)治理需求，鐵路相關(guān)利益方對(duì)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施信息化水平有了更高的期待和要求，迫切需要面向基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期管理的數(shù)字化管控方案，解決數(shù)據(jù)的缺失、重組、傳遞等問題。近幾年，鐵路工程建設(shè)信息化快速發(fā)展，施工現(xiàn)場(chǎng)積累了大量數(shù)據(jù)，但對(duì)數(shù)據(jù)的利用存在一些問題：首先，這些數(shù)據(jù)僅實(shí)現(xiàn)了與設(shè)計(jì)、施工規(guī)范的實(shí)時(shí)比對(duì)分析，確保規(guī)范在現(xiàn)場(chǎng)有效執(zhí)行，但未對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步深入分析，尤其缺少跨工序、跨專業(yè)、跨周期、跨地域的大數(shù)據(jù)相關(guān)性分析，缺乏對(duì)既有海量數(shù)據(jù)的深層次挖掘和價(jià)值利用；其次，數(shù)據(jù)集中在施工現(xiàn)場(chǎng)的某些環(huán)節(jié)和某些要素上，未實(shí)現(xiàn)全過程的數(shù)據(jù)采集分析和現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)的全面感知與管控。鐵路工程物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)重大需求分析示意見圖1。

為了進(jìn)一步適應(yīng)鐵路建造能力快速發(fā)展的形勢(shì)，有必要建立全路統(tǒng)一的鐵路工程物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，具體建設(shè)目標(biāo)如下：

圖1 鐵路工程物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)重大需求分析示意圖

（1）為鐵路工程現(xiàn)場(chǎng)各類終端設(shè)備、數(shù)字工裝提供統(tǒng)一的接入工具包，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集中接入、存儲(chǔ)和分發(fā)；

（2）構(gòu)建覆蓋各級(jí)管理機(jī)構(gòu)和各參建方的鐵路工程物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，幫助管理者洞察現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)，為建設(shè)管理提供新手段；

（3）實(shí)現(xiàn)工程現(xiàn)場(chǎng)各類信息采集設(shè)備的統(tǒng)一管理，采用靈活的分類結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)智能終端設(shè)備和應(yīng)用的管理；

（4）構(gòu)建鐵路工程物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)資源湖，建立大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)感知數(shù)據(jù)的統(tǒng)一分析，向業(yè)務(wù)應(yīng)用提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)，為建設(shè)、運(yùn)維階段的大數(shù)據(jù)分析決策等提供技術(shù)支撐。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

構(gòu)建鐵路工程物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵包括云、管、端3個(gè)部分。云是物聯(lián)網(wǎng)的大腦，是物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理的核心，利用云計(jì)算平臺(tái)為物聯(lián)網(wǎng)提供數(shù)據(jù)分析、存儲(chǔ)、計(jì)算，甚至是遠(yuǎn)程控制和決策；管是聯(lián)系終端與云端的重要通道，目前有Wi-Fi、藍(lán)牙、NB-IoT、eLTE-IoT、互聯(lián)網(wǎng)等接入方式；端是物聯(lián)網(wǎng)的感知觸角，是物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的主要來源，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用場(chǎng)景的不同，終端形態(tài)也各不相同，為降低終端入云的門檻，通過提供SDK等方式屏蔽底層物聯(lián)網(wǎng)終端的多樣性［6］。

鐵路工程物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)主要服務(wù)于中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱國(guó)鐵集團(tuán)）、鐵路局集團(tuán)公司/鐵路公司、建設(shè)指揮部/項(xiàng)目部及施工單位標(biāo)段等用戶，并面向中國(guó)中鐵股份有限公司、中國(guó)鐵建股份有限公司、中國(guó)電力建設(shè)集團(tuán)有限公司、中國(guó)建筑集團(tuán)有限公司、中國(guó)交通建設(shè)股份有限公司等集團(tuán)公司及其下屬企業(yè)提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

鐵路工程物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的技術(shù)架構(gòu)分為設(shè)備層、平臺(tái)層和應(yīng)用層：

（1）設(shè)備層。即各種終端設(shè)備，通過傳感器、測(cè)量?jī)x器及智能終端設(shè)備采集各類數(shù)據(jù)信息，并通過內(nèi)置SDK處理消息，再由網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。

（2）平臺(tái)層。進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)、流式計(jì)算、消息分發(fā)和規(guī)則處理，形成數(shù)據(jù)匯集資源湖。

（3）應(yīng)用層。在平臺(tái)統(tǒng)一處理、數(shù)據(jù)服務(wù)的基礎(chǔ)上研發(fā)的基于Web 和移動(dòng)終端的客戶端，通過調(diào)用各種RESTful API對(duì)平臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和展現(xiàn)。

鐵路工程物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)示意見圖2，該架構(gòu)方案可實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與云平臺(tái)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)管和控制，保證數(shù)據(jù)的安全性和易用性，通過應(yīng)用層的靈活組織，使各級(jí)管理者實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)，有效提升鐵路建設(shè)項(xiàng)目管理能力、工程建造能力和信息共享能力。

圖2 鐵路工程物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)示意圖

鐵路工程物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的數(shù)據(jù)架構(gòu)包括數(shù)據(jù)采集、加密傳輸、鑒權(quán)驗(yàn)證、流式處理、隊(duì)列緩沖、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)服務(wù)等。數(shù)據(jù)采集是通過工程現(xiàn)場(chǎng)的傳感器、智能設(shè)備、智能網(wǎng)關(guān)等實(shí)現(xiàn)源頭感知，經(jīng)過智能終端的現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算和處理，通過內(nèi)置SDK 進(jìn)行安全加密傳輸，確保數(shù)據(jù)安全。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸至平臺(tái)端，進(jìn)行接口的認(rèn)證檢驗(yàn)和數(shù)據(jù)的安全校驗(yàn)，然后按照平臺(tái)內(nèi)置規(guī)則進(jìn)行流式計(jì)算和數(shù)據(jù)判識(shí)處理，經(jīng)計(jì)算后將數(shù)據(jù)放置于消息隊(duì)列中進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心建立了面向各類數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方案，包括元數(shù)據(jù)庫(kù)、內(nèi)存庫(kù)、NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)、DFS文件存儲(chǔ)、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)等多元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心，無(wú)論何種數(shù)據(jù)類型全部通過元數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范，確保數(shù)據(jù)的共享和聯(lián)合分析。數(shù)據(jù)服務(wù)是為了方便后續(xù)數(shù)據(jù)價(jià)值利用和分析，通過RESTful 數(shù)據(jù)接口的方式為各類應(yīng)用提供數(shù)據(jù)服務(wù)。鐵路工程物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)數(shù)據(jù)架構(gòu)示意見圖3。

圖3 鐵路工程物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)數(shù)據(jù)架構(gòu)示意圖

3 功能設(shè)計(jì)

在技術(shù)架構(gòu)和數(shù)據(jù)架構(gòu)的指導(dǎo)下，鐵路工程物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)承擔(dān)了數(shù)據(jù)采集、匯集、存儲(chǔ)和服務(wù)等職能，為各類智能終端提供了方便接入的SDK 開發(fā)包。鐵路工程物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)業(yè)務(wù)應(yīng)用架構(gòu)示意見圖4，其具體功能如下：

（1）提供面向各類終端的SDK 開發(fā)包，提供設(shè)備注冊(cè)登記、授權(quán)碼注冊(cè)管理、數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)華PI，通過SDK 統(tǒng)一數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，支持各種終端設(shè)備數(shù)據(jù)接入和上傳，兼容各類數(shù)據(jù)格式，簡(jiǎn)化開發(fā)；

（2）實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備的注冊(cè)和管理，包括終端設(shè)備基本信息和現(xiàn)場(chǎng)安裝信息，主要有安裝位置、監(jiān)測(cè)內(nèi)容、專業(yè)分類、項(xiàng)目名稱、項(xiàng)目編碼、終端應(yīng)用、使用期限、授權(quán)碼數(shù)量等，生成唯一的UUID 授權(quán)碼，終端設(shè)備綁定授權(quán)碼后才可接入平臺(tái)上傳數(shù)據(jù)；

（3）實(shí)現(xiàn)接入應(yīng)用的注冊(cè)及管理，對(duì)應(yīng)用基本信息、開發(fā)單位信息、應(yīng)用部署信息、硬件資源信息進(jìn)行匯總登記；

（4）提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集接口管理功能，實(shí)現(xiàn)接口注冊(cè)及管理、接口基本信息登記、接口調(diào)用情況監(jiān)控及統(tǒng)計(jì)分析。接入數(shù)據(jù)包括人員、材料、設(shè)備、環(huán)境及工程本體等各類監(jiān)控監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如人員考勤、人員健康、設(shè)備軌跡、圍巖量測(cè)、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、安全步距、拌合站、試驗(yàn)室、沉降觀測(cè)、變形監(jiān)測(cè)、健康監(jiān)測(cè)、生態(tài)監(jiān)測(cè)等；

（5）提供統(tǒng)一認(rèn)證功能，為各類用戶提供統(tǒng)一登錄入口、為各類終端提供統(tǒng)一的授權(quán)管理、為各應(yīng)用提供統(tǒng)一的展示門戶；

（6）利用異構(gòu)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)，具備元數(shù)據(jù)庫(kù)、內(nèi)存庫(kù)、NoSQL 數(shù)據(jù)庫(kù)、DFS 文件存儲(chǔ)、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力；提供原始庫(kù)和運(yùn)用庫(kù)2 個(gè)數(shù)據(jù)資源湖，原始數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)清洗、過濾后，轉(zhuǎn)入運(yùn)用庫(kù)，為數(shù)據(jù)分析、展示、挖掘提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)，為業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)；

（7）平臺(tái)內(nèi)置大數(shù)據(jù)分析的工具、基本模型和算法，提供大數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)能力和數(shù)據(jù)資源服務(wù)，業(yè)務(wù)系統(tǒng)可跨專業(yè)、跨周期獲取物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為應(yīng)用開發(fā)和大數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和平臺(tái)工具。

圖4 鐵路工程物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)業(yè)務(wù)應(yīng)用架構(gòu)示意圖

4 關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1 兼容多類設(shè)備的接入能力

鐵路工程建設(shè)推行標(biāo)準(zhǔn)化管理以來，出臺(tái)了一系列的管理、技術(shù)和作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其中一條很重要的理念就是通過作業(yè)過程中的創(chuàng)新、技術(shù)進(jìn)步和新材料新設(shè)備等的使用，為標(biāo)準(zhǔn)的不斷升級(jí)提供支撐，從而形成聯(lián)動(dòng)創(chuàng)新、螺旋上升的良性循環(huán)，做好“工裝保工藝、工藝保質(zhì)量”這條行之有效的深化標(biāo)準(zhǔn)化管理途徑。隨著鐵路工程建設(shè)機(jī)械化程度越來越高，各專業(yè)、工序積極采用新的工裝提高施工工效和質(zhì)量，提升標(biāo)準(zhǔn)化管理能力。通過建立鐵路工程智能裝備云平臺(tái)，提供面向現(xiàn)場(chǎng)工裝設(shè)備接入管理的SDK 開發(fā)工具包，無(wú)論智能設(shè)備系統(tǒng)是基于PLC、ARM、FPGA、DSP 等嵌入式系統(tǒng)，還是智能化水平更高的WinCE、Windows、Linux、Android 等機(jī)載系統(tǒng)，平臺(tái)可提供面向多種智能設(shè)備的接入手段，從而實(shí)現(xiàn)所有智能設(shè)備的注冊(cè)管理和運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)工程進(jìn)度和工序質(zhì)量的有效評(píng)價(jià)。鐵路工程智能設(shè)備管理云平臺(tái)原理示意見圖5。

圖5 鐵路工程智能設(shè)備管理云平臺(tái)原理示意圖

在鐵路工程建設(shè)過程中應(yīng)用的設(shè)備類型多種多樣，有些設(shè)備已經(jīng)具備智能化能力，有些設(shè)備經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)化、智能化改造后，具備信息監(jiān)測(cè)和傳輸能力。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，鐵路橋梁、隧道、路基、軌道、四電、站房各專業(yè)工裝機(jī)具多達(dá)200多種，利用這些設(shè)備收集現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，基本可實(shí)現(xiàn)對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)要素和工程實(shí)體的全方位感知。

4.2 基于MQTT協(xié)議的傳輸體系

MQTT 協(xié)議是1種基于TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)連接的消息傳輸協(xié)議，使用發(fā)布/訂閱的消息模式，具有開放、簡(jiǎn)單、輕量、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，該特點(diǎn)使其適用于各種受限的環(huán)境，如低寬帶、網(wǎng)絡(luò)不可靠、嵌入式處理器和內(nèi)存不足等情況，是物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的理想選擇［7］。

由于采用發(fā)布/訂閱模式，MQTT協(xié)議解除了通信雙方應(yīng)用程序間的耦合，同時(shí)在服務(wù)質(zhì)量（QoS）消息交付質(zhì)量級(jí)別有如下3個(gè)等級(jí)：

（1）0：表示至多只發(fā)送1次，不保證消息可靠性，消息可能會(huì)丟失。

（2）1：表示至少發(fā)送1 次，客戶端或服務(wù)器確認(rèn)收到消息，但消息可能會(huì)重復(fù)。

（3）2：表示精確發(fā)送1 次，確?？蛻舳嘶蚍?wù)器僅1次收到消息，可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景和發(fā)布消息的重要程度合理選擇，在滿足傳輸可靠的情況下實(shí)現(xiàn)協(xié)議交換代價(jià)的最小化［8-9］。

雖然MQTT協(xié)議保證了傳輸質(zhì)量，但協(xié)議本身沒有提供消息的加密和驗(yàn)證功能，在傳輸過程中存在遭到篡改和攻擊的可能性。因此，提出基于HASH加密的安全方案，滿足網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)2.0制度的網(wǎng)絡(luò)安全要求。

MQTT 協(xié)議的消息最多由固定頭部、可變頭部和有效載荷3部分組成（見圖6）。

圖6 MQTT消息報(bào)文結(jié)構(gòu)

固定長(zhǎng)度占2 個(gè)字節(jié)（16 bit），其中第1 個(gè)字節(jié)的4—7 位表示控制報(bào)文類型，0—3 位表示每個(gè)MQTT 控制報(bào)文類型的特定標(biāo)志，包含DUP flag、QoS level、RETAIN 字段，另外1 個(gè)字節(jié)表示Remaining Length 字段，Remaining Length計(jì)算可變頭部和消息體的總長(zhǎng)度，最小長(zhǎng)度為1個(gè)字節(jié)，最大為4個(gè)字節(jié)，所以Remaining Length 的最大長(zhǎng)度為：128×4=512 Mbit。MQTT 固定報(bào)頭格式見圖7。

圖7 MQTT固定報(bào)頭格式

在智能設(shè)備終端發(fā)送MQTT消息報(bào)文之前，將報(bào)文拼接1 個(gè)32 bit 的字符串Salt 進(jìn)行撒鹽加密，不同的消息模塊Salt 值不同，將拼接后的報(bào)文進(jìn)行HASH 算法加密生成128 bit 消息驗(yàn)證碼，將驗(yàn)簽拼接在待發(fā)送消息報(bào)文尾部進(jìn)行消息發(fā)送，同時(shí)修改MQTT消息固定報(bào)頭中的Remaining Length 字段值，完成待發(fā)送加密報(bào)文組裝，然后發(fā)送。

在平臺(tái)端收到消息報(bào)文時(shí)，對(duì)接收的報(bào)文進(jìn)行驗(yàn)證。首先，對(duì)接受的消息報(bào)文進(jìn)行切片，切分為“MQTT 原始消息報(bào)文+128 bit 的消息驗(yàn)證碼”，同時(shí)更改Remaining Length 長(zhǎng)度值；然后，根據(jù)將使用Salt 字符串拼接在原始消息報(bào)文尾部后進(jìn)行HASH 算法加密，將加密后的值與切分提取的128 bit 的消息驗(yàn)證碼比對(duì)。比對(duì)一致，則說明消息可靠、未經(jīng)篡改，正常接收?qǐng)?bào)文；若比對(duì)失敗，拒絕接收該報(bào)文。

4.3 面向設(shè)備和用戶的認(rèn)證體系

鐵路物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)統(tǒng)一認(rèn)證系統(tǒng)作為安全設(shè)計(jì)的重要組成（見圖8），主要包括以下3個(gè)部分：

（1）統(tǒng)一登錄。為各應(yīng)用提供一致的登錄入口，包括基于賬號(hào)和密碼的登錄、基于手機(jī)號(hào)和短信驗(yàn)證碼的登錄、全局退出登錄（用戶從一個(gè)系統(tǒng)退出則同時(shí)從所有系統(tǒng)退出）及訪問日志記錄。

（2）統(tǒng)一網(wǎng)關(guān)。面向各類終端提供受控的IT 資源訪問授權(quán)，全面管理平臺(tái)上所有的數(shù)據(jù)和服務(wù)訪問權(quán)限，以統(tǒng)一的視圖展現(xiàn)整個(gè)平臺(tái)中所有終端和應(yīng)用的授權(quán)情況。其功能包括：角色組和角色管理、授權(quán)管理、授權(quán)監(jiān)控、授權(quán)服務(wù)、資源包管理、分級(jí)授權(quán)等。

（3）統(tǒng)一門戶。為用戶提供統(tǒng)一的訪問入口，提供頁(yè)面內(nèi)嵌功能，并為各應(yīng)用提供統(tǒng)一的集成展示門戶，提供集成展示的API方案，使其他應(yīng)用的功能頁(yè)面統(tǒng)一在門戶中呈現(xiàn)，功能包括主題管理、菜單管理、操作日志等。

4.4 云端協(xié)同判識(shí)的質(zhì)量控制體系

大數(shù)據(jù)的計(jì)算模式主要有批量計(jì)算和流式計(jì)算。批量計(jì)算是先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行靜態(tài)存儲(chǔ)，然后對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算操作；流式計(jì)算則無(wú)須直接存儲(chǔ)，而是對(duì)動(dòng)態(tài)流入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)提供連續(xù)、動(dòng)態(tài)的服務(wù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算［10-11］。

圖8 鐵路物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)統(tǒng)一認(rèn)證系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

按照鐵路工程物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的數(shù)據(jù)架構(gòu)，在云平臺(tái)內(nèi)置流式計(jì)算引擎和規(guī)則引擎，采用基于“邊緣計(jì)算+流式計(jì)算”的“云+端”協(xié)同判識(shí)的質(zhì)量控制技術(shù)，在平臺(tái)端建立統(tǒng)一的質(zhì)量研判規(guī)則庫(kù)，通過流式計(jì)算引擎調(diào)用規(guī)則庫(kù)，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)判識(shí)，流式處理完成后發(fā)送至數(shù)據(jù)隊(duì)列進(jìn)行分類持久化存儲(chǔ)。

同時(shí)，智能設(shè)備具有一定的邊緣計(jì)算能力，在各個(gè)終端設(shè)備中自建質(zhì)量規(guī)則庫(kù)，終端規(guī)則庫(kù)保持與平臺(tái)規(guī)則庫(kù)的數(shù)據(jù)通信，平臺(tái)規(guī)則庫(kù)更新后，可統(tǒng)一下發(fā)至現(xiàn)場(chǎng)各類采集與控制設(shè)備，各類終端系統(tǒng)依據(jù)規(guī)則進(jìn)行自動(dòng)研判和實(shí)時(shí)提醒，由于終端的計(jì)算能力有限，只能開展單專業(yè)和特定工序的質(zhì)量判別與控制，同時(shí)依托云平臺(tái)強(qiáng)大的處理能力，開展多專業(yè)綜合質(zhì)量研判和基于大數(shù)據(jù)的多維趨勢(shì)研判，形成云端協(xié)同判識(shí)的質(zhì)量控制技術(shù)。

4.5 基于大數(shù)據(jù)分析的安全預(yù)警技術(shù)

鐵路工程建設(shè)中現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)信息分布廣泛、設(shè)備多樣，具有實(shí)時(shí)、跨域、海量、多源、多維、多粒度等特點(diǎn)，采用海量數(shù)據(jù)異常事件提取技術(shù)，有效聚合多源異構(gòu)的數(shù)據(jù)資源，通過快速識(shí)別冗余、修正錯(cuò)誤等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，過濾采集過程中的干擾和噪音數(shù)據(jù)，形成可供計(jì)算分析的有效數(shù)據(jù)，根據(jù)采集的質(zhì)量數(shù)據(jù)的屬性標(biāo)識(shí)和分類，建立基于元數(shù)據(jù)的目錄交換體系，實(shí)現(xiàn)多源海量數(shù)據(jù)的融合分析，為基于全面物聯(lián)感知的質(zhì)量控制體系提供技術(shù)基礎(chǔ)。

基于施工現(xiàn)場(chǎng)海量安全數(shù)據(jù)，結(jié)合跨區(qū)域、跨部門、跨業(yè)務(wù)信息需求，構(gòu)建了危險(xiǎn)源辨識(shí)、安全隱患預(yù)警、形變監(jiān)測(cè)、危大工程識(shí)別等大數(shù)據(jù)分析模型，采用聚類分析、線性和非線性回歸、道格拉斯-普克抽稀、相似匹配、頻繁項(xiàng)集等算法，對(duì)工程實(shí)體部位可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，推演可能出現(xiàn)的最終值及影響范圍，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)源事前預(yù)判，有效解決現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)危險(xiǎn)源監(jiān)控不到位、隱患排查不到位等問題。

5 應(yīng)用情況

鐵路工程建設(shè)信息化平臺(tái)自2014年推廣以來，逐步構(gòu)建了鐵路工程物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各建設(shè)項(xiàng)目的管控，采用層級(jí)架構(gòu)為國(guó)鐵集團(tuán)、建設(shè)單位、參建單位提供面向工程現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控和管理決策，在西成高鐵、京沈高鐵遼寧段、鄭萬(wàn)高鐵河南段、京張高鐵、京雄高鐵等2.1萬(wàn)km新建鐵路、129個(gè)工程項(xiàng)目、79個(gè)建設(shè)單位全面應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)對(duì)4 066 座隧道的17 452 個(gè)工作面、7 817 臺(tái)拌合機(jī)的3.5 億盤次（約6.5 億方混凝土）、4 214 臺(tái)萬(wàn)能機(jī)和3 510 臺(tái)壓力機(jī)的1 916 萬(wàn)次原材料試驗(yàn)、13 987 km的線路沉降觀測(cè)、1 398座連續(xù)梁線形監(jiān)測(cè)、128 座梁場(chǎng)生產(chǎn)過程、1 000 萬(wàn)份隱蔽工程影像信息采集等多源信息的采集和監(jiān)控，形成鐵路工程建設(shè)數(shù)據(jù)資源湖，通過數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工過程關(guān)鍵工序的質(zhì)量管控、工程進(jìn)度的動(dòng)態(tài)管理，提升了鐵路工程施組精細(xì)化管理水平，為全路工程實(shí)體質(zhì)量的提升起到支撐作用，有效降低了現(xiàn)場(chǎng)安全事故發(fā)生率。

6 結(jié)論

結(jié)合鐵路工程物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和鐵路工程信息化發(fā)展需求，開展鐵路工程物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的應(yīng)用和關(guān)鍵技術(shù)研究，形成如下結(jié)論：

（1）分析國(guó)內(nèi)外發(fā)展形勢(shì)和鐵路工程建設(shè)信息化發(fā)展需求，首次提出鐵路工程物聯(lián)網(wǎng)定義，提出鐵路工程物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建設(shè)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)更便捷的設(shè)備接入和更全面的現(xiàn)場(chǎng)感知，支持鐵路工程大數(shù)據(jù)的綜合分析，為工程項(xiàng)目管理提供決策依據(jù)；

（2）提出鐵路工程物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的技術(shù)架構(gòu)、數(shù)據(jù)處理架構(gòu)和功能架構(gòu)，詳細(xì)描述了平臺(tái)功能組成；

（3）對(duì)鐵路工程物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，通過SDK 實(shí)現(xiàn)鐵路工程各類智能裝備隨時(shí)接入，屏蔽了終端設(shè)備的多樣性，為設(shè)備入云提供了便利；通過HASH加密算法，實(shí)現(xiàn)基于MQTT協(xié)議的安全數(shù)據(jù)傳輸，為數(shù)據(jù)安全傳輸提供了安全管道；在端、云協(xié)同處理方面，利用端側(cè)的計(jì)算能力，開展數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)判識(shí)，并利用云側(cè)的流式計(jì)算和規(guī)則引擎，實(shí)現(xiàn)多工序、多專業(yè)的協(xié)同分析和計(jì)算；利用數(shù)據(jù)預(yù)處理模型過濾原始數(shù)據(jù)的噪音和干擾，確保匯集數(shù)據(jù)的有效性，為海量數(shù)據(jù)分析提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)樣本，利用大數(shù)據(jù)分析模型指導(dǎo)風(fēng)險(xiǎn)源辨識(shí)和安全隱患預(yù)警，提高工程安全管理能力。

目前，鐵路工程物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集依然存在工序覆蓋不全、數(shù)據(jù)分析不透徹、數(shù)據(jù)價(jià)值未充分挖掘等問題，隨著鐵路工程物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的進(jìn)一步發(fā)展與完善，對(duì)鐵路智能建造的支撐價(jià)值將愈加凸顯。