王萬齊，劉 軍，李 平，馬小寧，陳同喜

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 鐵路大數(shù)據(jù)研究與應(yīng)用創(chuàng)新中心，北京 100081；2.中國鐵路北京局集團有限公司，北京 100844）

北京—張家口高速鐵路（簡稱：京張高鐵）是北京2022 年冬奧會和冬殘奧會的重要交通基礎(chǔ)設(shè)施，為北京、延慶、張家口3 地賽區(qū)提供一流的高品質(zhì)、高安全、高科技含量的交通服務(wù)。其中，京張高鐵運營安全是智能京張建設(shè)的重要內(nèi)容之一，是一個復(fù)雜、涉及面廣、影響因素多的系統(tǒng)工程。其主要影響因素包括：（1）工務(wù)、電務(wù)、供電等基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備及動車組；（2）鐵路運輸、工務(wù)、電務(wù)、供電、動車等領(lǐng)域的專業(yè)人員；（3）安全風(fēng)險、隱患、事故故障管理和規(guī)則制度；（4）高鐵沿線的風(fēng)、雨、雪、地震和鐵路外部環(huán)境。

鐵路運營安全是智能鐵路和鐵路大數(shù)據(jù)應(yīng)用的研究重點和難點之一，不少學(xué)者開展了鐵路運輸安全領(lǐng)域的研究和系統(tǒng)研發(fā)。王同軍等人[1-3]提出了鐵路大數(shù)據(jù)應(yīng)用總體架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，運輸安全是鐵路大數(shù)據(jù)應(yīng)用建設(shè)的主要內(nèi)容之一；李紅俠[4]介紹了京張高速鐵路智能化技術(shù)應(yīng)用進展情況，運營安全是京張高鐵智能化的主要組成部分；康高亮[5]對中國高速鐵路安全保障體系進行了深入研究；謝文廣[6]提出了中國鐵路北京局集團有限公司（簡稱：北京局集團公司）安全大數(shù)據(jù)應(yīng)用總體方案；荊偉[7]提出了中國鐵路太原局集團有限公司安全大數(shù)據(jù)應(yīng)用主要建設(shè)內(nèi)容，開展了設(shè)備安全分析關(guān)鍵技術(shù)研究；楊連報[8]、周進等人[9]針對鐵路事故故障報告開展了基于文本技術(shù)的原因分析；佘振國[10]等人開展了鐵路安全風(fēng)險分析預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計和研發(fā)；郭湛[11]對近10年高速鐵路運營狀況的安全評估進行了研究；宋修德等人[12]開展了鐵路安全管理大數(shù)據(jù)分析平臺設(shè)計和研究。

面對京張高鐵運營安全標(biāo)準(zhǔn)高、管控難、因素多的迫切需求，本文設(shè)計了京張高鐵運營安全大數(shù)據(jù)的總體架構(gòu)、數(shù)據(jù)架構(gòu)、技術(shù)架構(gòu)、系統(tǒng)功能，從“人防”“物防”“技防”角度保障京張高鐵運營安全。

1 總體方案設(shè)計

1.1 建設(shè)目標(biāo)

面向北京2022 年冬奧會和冬殘奧會科技保障，及京張高鐵“全天候、全方位”運營安全保障的需要，本文以“防范物不安全狀態(tài)，防范人不安全行為，防范環(huán)境不確定安全因素”為核心，以鐵路數(shù)據(jù)服務(wù)平臺為支撐，建立京張高鐵運營安全大數(shù)據(jù)平臺，分析京張高鐵運營安全薄弱環(huán)節(jié)，挖掘事故故障內(nèi)在演變規(guī)律，支撐安全精準(zhǔn)監(jiān)督檢查，提升安全綜合預(yù)警能力，保障京張高鐵運營安全。

1.2 總體架構(gòu)

京張高鐵運營安全大數(shù)據(jù)平臺以安全數(shù)據(jù)集中和共享為基礎(chǔ)，以大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)為手段，匯集鐵路的風(fēng)險隱患數(shù)據(jù)、安全監(jiān)督數(shù)據(jù)、動車安全數(shù)據(jù)、工務(wù)安全數(shù)據(jù)、電務(wù)安全數(shù)據(jù)、供電安全數(shù)據(jù)、人員安全數(shù)據(jù)、天氣數(shù)據(jù)和沿線遙感數(shù)據(jù)等，具有安全電子地圖、安全管理分析、工務(wù)安全分析、電務(wù)安全分析、供電安全分析、動車安全分析、人員安全分析、外部環(huán)境分析等業(yè)務(wù)功能，建立運營安全模型庫和機器學(xué)習(xí)算法庫。為京張城際鐵路有限公司（簡稱：京張公司）、北京局集團公司和其運輸站段掌握運營設(shè)備安全狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)運營安全薄弱環(huán)節(jié)，指導(dǎo)運營安全重點監(jiān)督，并逐步實現(xiàn)事故故障超前防范等提供強有力支撐，大幅提升鐵路運營安全綜合保障水平和預(yù)警能力。

綜上，京張高鐵運營安全大數(shù)據(jù)平臺總體架構(gòu)主要分為數(shù)據(jù)源、平臺層、應(yīng)用層和用戶層，如圖1所示。

圖1 京張高鐵運營安全大數(shù)據(jù)平臺總體架構(gòu)

1.3 數(shù)據(jù)架構(gòu)

（1）風(fēng)險隱患數(shù)據(jù)

主要包括京張高鐵沿線的安全風(fēng)險點、安全隱患點、安全問題等，可用于支撐安全風(fēng)險全面管控和安全隱患及時消除，實現(xiàn)從源頭上防控事故故障的發(fā)生。

（2）安全監(jiān)督數(shù)據(jù)

主要包括京張高鐵事故故障的安監(jiān)報1、安監(jiān)報2、安監(jiān)報3 等數(shù)據(jù)，可用于分析事故故障出現(xiàn)的重點區(qū)間、重點問題等，支撐事故故障原因分析和安全精準(zhǔn)監(jiān)督檢查。

（3）動車安全數(shù)據(jù)

主要包括京張高鐵動車組的基礎(chǔ)臺賬、報警信息和故障信息等，為全方面了解動車組運營安全提供數(shù)據(jù)支撐。

（4）工務(wù)安全數(shù)據(jù)

主要包括京張高鐵檢測車數(shù)據(jù)、車載數(shù)據(jù)、軌檢小車數(shù)據(jù)、人工巡檢數(shù)據(jù)等，為工務(wù)部門提供安全管理重點信息。

（5）電務(wù)安全數(shù)據(jù)

主要包括微機監(jiān)測等實時監(jiān)控數(shù)據(jù)，有利于電務(wù)部門及時掌握電務(wù)設(shè)備安全狀態(tài)。

（6）供電安全數(shù)據(jù)

主要包括6C 檢測數(shù)據(jù)、供電巡檢問題等，有利于供電部門及時掌握接觸網(wǎng)和變電所安全狀態(tài)。

（7）人員安全數(shù)據(jù)

主要包括京張高鐵沿線的工務(wù)段、電務(wù)段、供電段、動車所等專業(yè)人員的基礎(chǔ)信息、安全考核、安全培訓(xùn)、安全考試、星級評價、司機測酒等數(shù)據(jù)，從“人防”方面保障鐵路運輸安全。

（8）天氣數(shù)據(jù)

主要包括京張高鐵沿線天氣預(yù)報數(shù)據(jù)，以及風(fēng)、雨、雪實時數(shù)據(jù)，有利于保障動車組運營安全和管理沿線鐵路外部環(huán)境隱患。

（9）沿線遙感數(shù)據(jù)

主要包括京張高鐵沿線周圍500 m 遙感影像數(shù)據(jù)，有利于分析沿線塑料大棚、彩鋼瓦房等典型鐵路外部環(huán)境問題。

1.4 技術(shù)架構(gòu)

京張高鐵運營安全大數(shù)據(jù)平臺是基于鐵路數(shù)據(jù)服務(wù)平臺的大數(shù)據(jù)典型應(yīng)用，廣泛匯集既有業(yè)務(wù)系統(tǒng)的安全數(shù)據(jù)，融合不同專業(yè)的安全數(shù)據(jù)，研究面向鐵路安全的大數(shù)據(jù)分析算法，運用數(shù)據(jù)集成技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲技術(shù)、計算服務(wù)技術(shù)、模型算法庫、數(shù)據(jù)共享技術(shù)，支撐京張高鐵運營安全大數(shù)據(jù)平臺的不同功能模塊。高鐵運營安全大數(shù)據(jù)平臺技術(shù)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 京張高鐵運營安全大數(shù)據(jù)平臺技術(shù)架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)源

京張高鐵運營安全大數(shù)據(jù)平臺應(yīng)用的數(shù)據(jù)源包括風(fēng)險隱患數(shù)據(jù)、安全監(jiān)督數(shù)據(jù)、動車安全數(shù)據(jù)、工務(wù)安全數(shù)據(jù)、電務(wù)安全數(shù)據(jù)、供電安全數(shù)據(jù)、人員安全數(shù)據(jù)、天氣數(shù)據(jù)、沿線遙感數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)集成技術(shù)

數(shù)據(jù)集成技術(shù)是采集和匯集京張高鐵運營安全數(shù)據(jù)的技術(shù)，主要包括Restful 接口技術(shù)、分布式消息隊列技術(shù)、文件傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)遷移技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)同步技術(shù)等。

（3）數(shù)據(jù)存儲技術(shù)

數(shù)據(jù)存儲技術(shù)是京張高鐵運營安全結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲技術(shù)，主要包括分布式文件存儲技術(shù)、PostgreSQL（PG）集群存儲技術(shù)、Greeenplum存儲技術(shù)、Hive 存儲技術(shù)、對象存儲技術(shù)、圖片和視頻存儲技術(shù)、冷熱溫混合存儲技術(shù)、HBase 列式存儲技術(shù)。

（4）計算服務(wù)技術(shù)

計算服務(wù)技術(shù)是為京張高鐵運營安全數(shù)據(jù)提供不同類型計算能力的技術(shù)，主要包括機器學(xué)習(xí)框架、圖計算框架、離線計算框架、內(nèi)存計算框架、深度學(xué)習(xí)計算框架、全文搜索引擎框架等。

（5）模型算法庫

模型算法庫由京張高鐵運營安全模型庫和機器學(xué)習(xí)基本算法庫組成，主要包括設(shè)備安全畫像技術(shù)、人員安全畫像技術(shù)、事故故障關(guān)聯(lián)技術(shù)、安全評估技術(shù)、安全預(yù)警技術(shù)、圖像分析技術(shù)、標(biāo)簽學(xué)習(xí)技術(shù)、群體優(yōu)化技術(shù)、智能識別技術(shù)、規(guī)則關(guān)聯(lián)技術(shù)等。

（6）數(shù)據(jù)共享技術(shù)

數(shù)據(jù)共享技術(shù)為不同用戶和系統(tǒng)提供安全數(shù)據(jù)共享、應(yīng)用共享技術(shù)，主要包括JDBC/ODBC 技術(shù)、Web Service 技術(shù)、消息中間件技術(shù)、Restful 接口技術(shù)、微服務(wù)技術(shù)、負(fù)載均衡技術(shù)、應(yīng)用服務(wù)監(jiān)控技術(shù)、數(shù)據(jù)服務(wù)監(jiān)控技術(shù)等。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

2.1 安全電子地圖

安全電子地圖功能主要將風(fēng)險、隱患、歷史事故故障、安全問題、工務(wù)超限、電務(wù)報警、供電缺陷、動車報警、鐵路外部環(huán)境等數(shù)據(jù)在GIS 地圖上進行展示，為各級領(lǐng)導(dǎo)和安全管理人員提供直觀、簡潔的展示，也可按業(yè)務(wù)部門、運輸站段、設(shè)備類型、病害類型、安全等級進行綜合查詢和分析。

2.2 安全管理分析

安全管理分析功能主要支撐京張公司、北京局集團公司安監(jiān)室、沿線運輸站段的安全管理工作，包括安全風(fēng)險分析、安全隱患分析、事故故障分析、安全通知書分析、安全寫實分析、安全巡檢分析等功能。

2.3 工務(wù)安全分析

工務(wù)安全分析功能主要對鋼軌、路基、橋梁、隧道、涵洞等設(shè)備的動/靜態(tài)病害、設(shè)備隱患進行綜合分析，包括工務(wù)設(shè)備資產(chǎn)分析、動態(tài)病害分析、靜態(tài)病害分析等模塊。

2.4 電務(wù)安全分析

電務(wù)安全分析功能主要對信號、通信設(shè)備的報警和故障進行綜合分析，包括信號報警分析、信號故障分析、通信報警分析、通信故障分析等模塊。

2.5 供電安全分析

供電安全分析功能主要對接觸網(wǎng)設(shè)備缺陷和變電所報警信息進行綜合分析，包括接觸網(wǎng)安全分析、變電所安全分析模塊。

2.6 動車安全分析

動車安全分析功能主要對動車組報警和故障進行綜合分析，包括動車報警分析、動車故障分析模塊。

2.7 人員安全分析

人員安全分析功能主要對鐵路職工開展安全綜合分析，包括個人綜合分析、班組綜合分析、車間綜合分析、站段綜合分析、專業(yè)綜合分析、京張公司安全分析模塊。

2.8 外部環(huán)境分析

外部環(huán)境分析功能主要包括天氣預(yù)報預(yù)警分析、實時風(fēng)雨雪報警分析、地震安全分析、外部環(huán)境遙感分析、異物侵限圖像分析、鐵路外部環(huán)境隱患分析等模塊。

3 基于粒子群算法的安全智能分級方法

3.1 粒子群算法運用

運用粒子群算法（PSO ，Particle Swarm Optimization）優(yōu)化多個聚類中心的流程如下：

（1）初始化粒子群算法參數(shù)，主要包括權(quán)值范圍、個人因子、社會因子、迭代次數(shù)、終止條件、安全類型數(shù)量等，并初始化分類中心點；

（2）針對單個粒子，計算安全單元到每個中心點位置間的歐氏距離，選擇最小歐氏距離Di，并計算所有Di之和作為粒子適應(yīng)度函數(shù)值；

（3）更新每個粒子的最優(yōu)位置和全體粒子的最優(yōu)位置；

（4）更新每個粒子的當(dāng)前速度和位置，并檢查每個粒子的速度和位置是否超出閾值，若超出，則重新賦予合理的數(shù)值；

（5）當(dāng)?shù)螖?shù)達到最大迭代次數(shù)或粒子位置變化值足夠小時，終止粒子群算法；否則，進行步驟（2）；

（6）粒子群算法中所有粒子的最優(yōu)位置為不同安全分類的中心點，可通過計算每個單元與不同分類中心點的歐氏距離，來判斷其所屬安全等級和類型。

3.2 安全智能分級方法

本文匯集工務(wù)動 / 靜態(tài)病害數(shù)量、電務(wù)信號和通信報警數(shù)量、供電接觸網(wǎng)和變電所報警數(shù)量、動車組報警和故障數(shù)量，安全風(fēng)險點、隱患、事故故障等數(shù)量，周界異物入侵報警數(shù)量，鐵路外部環(huán)境隱患數(shù)量，風(fēng)、雨、雪、地震等實時報警數(shù)量，以2 km為安全分析單元，計算該單元內(nèi)所有的安全問題數(shù)量和等級，建立基于多種安全數(shù)據(jù)的分級分類模型，運用PSO 找出所有單元的多個聚類中心點，根據(jù)聚類中心位置對應(yīng)的不同安全等級，統(tǒng)計每個安全分析單元出現(xiàn)問題的數(shù)量，計算安全分析單元問題數(shù)量與每個中心點之間的距離，最終判斷出不同安全等級，并制定和設(shè)置不同安全管理措施，如圖3 所示，其中，A 為重大安全問題，B 為重點安全問題，C 為一般安全問題。

圖3 基于PSO 的在途列車安全智能分級方法

運用PSO 訓(xùn)練安全綜合預(yù)警模型后，采集京張高鐵沿線的安全隱患數(shù)、事故故障數(shù)、安全問題數(shù)、設(shè)備缺陷數(shù)、鐵路外部環(huán)境隱患數(shù)等，通過基于PSO 的安全智能分級方法，計算出評價單元的安全分級結(jié)果，根據(jù)不同分級結(jié)果，推薦不同安全管控方法和安全問題處理方法。

同時，基于京張高鐵所有單元的安全等級和類型，可分析出近期的典型設(shè)備缺陷類型、安全問題的高發(fā)時間、安全問題的高發(fā)位置、安全問題所在單位、安全問題的主要原因，有利于建成京張鐵路運營安全全方位保障體系，及時掌握鐵路基礎(chǔ)設(shè)施和動車組的安全運營狀態(tài)，充分了解京張鐵路沿線外部環(huán)境情況，全面管控安全風(fēng)險點和快速處理安全隱患點，確保京張高鐵動車組運行安全。

4 結(jié)束語

本文基于京張高鐵運營安全管理和分析的需求，介紹了京張高鐵安全大數(shù)據(jù)平臺的建設(shè)目標(biāo)、總體架構(gòu)、數(shù)據(jù)架構(gòu)、技術(shù)架構(gòu)、主要功能、關(guān)鍵技術(shù)等內(nèi)容，為京張高鐵安全大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)提供了思路和方向，對京張高鐵安全數(shù)據(jù)共享共用、安全管理和安全預(yù)警能力提升，具有參考意義。

未來將重點研究鐵路運營安全綜合預(yù)警技術(shù)、基于深度學(xué)習(xí)的圖像智能識別技術(shù)、鐵路事故故障綜合畫像分析技術(shù)等在京張高鐵安全大數(shù)據(jù)平臺的應(yīng)用，為京張高鐵運營安全提供技術(shù)和數(shù)據(jù)支撐。