艾文凱，張 磊，易慶輝

（中國鐵路太原局集團有限公司 計劃統(tǒng)計部，山西 太原 030013）

0 引言

大秦鐵路是我國首條雙線電氣化重載運煤專線，2021年大秦鐵路運量突破4.2億t[1]，作為我國西煤東運的主干線，承擔著多家工礦企業(yè)的煤炭運輸任務。秉承“負重爭先、勇于超越”的重載精神，太原局集團公司在不斷提高大秦鐵路運輸能力的同時，注重保護沿線生態(tài)環(huán)境，加快推進綠色鐵路發(fā)展。

近年來，按照國家大氣污染防治要求，大力實施煤炭運輸抑塵治理，各煤炭裝車點均建設了抑塵噴灑系統(tǒng)，實現了抑塵噴灑全覆蓋，顯著改善了煤炭發(fā)運站臺周邊及鐵路沿線的大氣環(huán)境質量，大幅減少了運輸途中煤炭損耗。為徹底根治煤塵帶來的不良影響，需要對煤塵的飄逸情況進行實時監(jiān)測，為煤塵治理提供科學依據。在此背景下，結合大秦鐵路沿線環(huán)境和運量實際，開發(fā)了煤塵監(jiān)測系統(tǒng)——大秦鐵路煤塵監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用多種氣象、煤塵、視頻感知設施，通過通信網絡進行信息傳輸與交換，使用監(jiān)測系統(tǒng)進行決策及控制，從而可實時動態(tài)監(jiān)測沿線煤塵飄逸及線路周圍大氣環(huán)境質量，實現了精準治污、科學治污[2]。

1 系統(tǒng)結構

大秦鐵路煤塵監(jiān)測系統(tǒng)由前端監(jiān)測點、接入節(jié)點、地區(qū)匯聚點、監(jiān)測中心平臺4層結構組成[3]。在鐵路沿線的重點區(qū)域設置前端監(jiān)測點；在每個前端監(jiān)測點臨近的GSM-R基站或車站通信機房設置接入節(jié)點；在相應工務段機房內設置地區(qū)匯聚節(jié)點；在太原局集團公司設置監(jiān)測中心平臺。

該系統(tǒng)網絡利用太原局集團公司信息綜合網絡及接入層傳輸網承載。機房內設備電源由既有通信、信息機房提供，為提供可靠電源，在接入節(jié)點新設UPS供電保障系統(tǒng)，室外設備電源由鄰近鐵路供電部門的供電設備提供。

1.1 前端監(jiān)測點

沿線前端監(jiān)測點處組立電桿并設置煤塵監(jiān)測箱，用于實現氣象、煤塵濃度、視頻圖像等數據的采集，并使用串口光纖調制解調器通過光纜傳輸數據至臨近的接入節(jié)點。

1.2 接入節(jié)點

接入節(jié)點主要由智能數據網關及網絡傳輸設備組成，對前端監(jiān)測點傳輸的設備數據進行協議解析、轉發(fā)。

1.3 地區(qū)匯聚點

地區(qū)匯聚點由視頻存儲、流媒體轉發(fā)、網絡等設備組成，匯聚區(qū)域內前端監(jiān)測點的氣象數據、粉塵數據、視頻圖像，并對匯聚的數據進行處理、存儲，以減輕監(jiān)測中心的圖像處理和帶寬壓力。

1.4 監(jiān)測中心平臺

監(jiān)測中心平臺是整個系統(tǒng)的核心，為整個系統(tǒng)提供應用支撐，包括大屏展示、組織架構、安全認證、數據分析、流式計算、告警分析、設備管理、視頻流媒體、GIS引擎等。

2 系統(tǒng)功能

2.1 監(jiān)測指標

該系統(tǒng)共監(jiān)測8項指標，分別為TSP(總懸浮微粒)、PM10、風速、風向、溫度、濕度、氣壓、視頻圖像。主要監(jiān)測指標為TSP，該指標告警閾值為600μg/m3，當現場實時采集的TSP數據高于該閾值時，系統(tǒng)自動生成告警信息，記錄該告警發(fā)生時的風速、風向，后續(xù)可根據大量告警數據與對應的風速風向數據進行建模分析，得出風速、風向對粉塵污染影響的數據；同時視頻監(jiān)控模塊與告警模塊進行后端聯動，客戶端自動彈出現場實時視頻圖像，聯動現場視頻設備進行拍照存檔。

如果該系統(tǒng)接入沿線車號識別系統(tǒng)數據，通過車輛車次、列車去向、通過時間、車輛離開速度等參數與TSP、風速、風向數據進行關聯分析，可在定位導致煤塵升高車輛的同時，經過大量數據進行AI算法分析，得出列車去向、車輛速度、風速、風向對TSP的影響規(guī)律，為今后沿線揚塵治理提供數據支撐。

2.2 主要功能

大秦鐵路煤塵監(jiān)測系統(tǒng)功能主要包括：系統(tǒng)綜合展示、數據分析、告警分析、報表分析、視頻監(jiān)控、系統(tǒng)管理，實現了前端監(jiān)測點的視頻圖像與粉塵氣象信息的實時動態(tài)監(jiān)測、煤塵數據超限后的系列預告警動作、煤塵數據的統(tǒng)計與分析、物聯網設備的接入與管理等功能。

2.2.1 綜合展示

在一個頁面展示包括場地實時信息輪巡、GIS信息、設備統(tǒng)計信息、高頻告警排名、實時告警、歷史告警曲線等功能；通過詳盡的指標體系，實時反映所有監(jiān)測點的運行信息，將數據形象化、直觀化、具體化，為用戶提供一站式展示當前系統(tǒng)運行總覽信息。

2.2.2 數據分析

沿線監(jiān)測數據通過多種圖表、曲線進行展示，內容包括實時數據、歷史數據及一段時間內的最大值、最小值、平均值等統(tǒng)計數據。通過私有化部署的離線GIS引擎，可以展示監(jiān)測點實際的地理信息、場地數據、實時視頻監(jiān)控等信息。

在大秦鐵路所屬茶塢工務段內設置基準站監(jiān)測點，監(jiān)測鐵路沿線的8項指標數據，通過基準站數據與沿線數據進行對比，得出反映實時污染程度的數據信息。記錄同一時間點的TSP、風速、風向數據，通過對比分析，得出風速、風向對關聯粉塵污染的影響，以便于為后續(xù)煤塵治理提供環(huán)境影響數據。

2.2.3 告警分析

沿線監(jiān)測點的TSP數據通過流式計算與設定的閾值進行實時計算，超限時生成一條實時告警數據，當TSP數據恢復到正常范圍后，該條告警結束，同時生成一條完整的告警數據并寫入數據庫。告警數據支持推送、查詢、統(tǒng)計、確認等操作。

告警發(fā)生時，在系統(tǒng)的GIS頁面、告警小窗口頁面均有顏色閃爍告警提醒，自動彈出告警場地的視頻圖像并控制視頻設備進行拍照存檔，按照設定的告警等級發(fā)出不同的告警聲音，支持通過APP、短信、郵件等推送告警信息，使告警信息通過不同渠道和提示方式向主管人員進行預警，保證告警提示無遺漏。

告警信息流完整，每條告警數據包括告警級別、告警描述、發(fā)生區(qū)域、發(fā)生設備、告警時的TSP值、告警發(fā)生時的風向和風速值、發(fā)生時間、結束時間、計算的持續(xù)時間、處理意見、處理的人員、處理時間等信息。

系統(tǒng)對告警數據進行計算、分析，包括某個監(jiān)測點一段時間內的告警趨勢、高頻告警場地排名、按時間分析告警數量的占比等，形象、高效、數據化展示告警分析信息。

2.2.4 報表分析

該系統(tǒng)對監(jiān)測的相關數據及告警數據進行計算、存儲后，根據用戶的需要，自動生成報表供管理人員分析，主要內容包括數據統(tǒng)計報表、告警統(tǒng)計報表、告警記錄報表、日報表、周報表、月報表等。

2.2.5 視頻監(jiān)控

為滿足使用有限的監(jiān)控終端同時請求視頻流和發(fā)出控制命令，通過分布式流媒體服務器將多個客戶端的連接請求合并成一路視頻流請求發(fā)送給部署在地區(qū)匯聚點的視頻服務器，然后再轉發(fā)視頻數據給所有客戶端，節(jié)省遠程傳輸帶寬，增加同時訪問系統(tǒng)的客戶端數量[4]。

對視頻設備進行集中管理，模塊化架構，包括錄像管理模塊、視頻設備管理監(jiān)測模塊、流媒體轉發(fā)模塊等。實現實時視頻的播放、云臺控制、截圖、PTZ控制、碼流切換、預設位管理、本地錄像、遠程錄像文件解碼等功能。

2.2.6 系統(tǒng)管理

該系統(tǒng)通過分權分域來實現數據隔離，只有分配了區(qū)域和操作權限后才能進行相關查看、操作功能。系統(tǒng)對每一個登錄用戶的所有操作都進行跟蹤記錄，以保證操作記錄有據、完整可查。

系統(tǒng)使用專用的監(jiān)控服務對業(yè)務服務、數據庫等進行實時狀態(tài)監(jiān)控，當發(fā)生異常時，支持自動拉起動作，同時給予相應提示并進行記錄。對于接入的設備、網絡、服務器等通過拓撲圖的方式進行展示，管理人員可根據拓撲圖顏色狀態(tài)快速了解整個系統(tǒng)的健康狀態(tài)。

系統(tǒng)支持IOT接入、界面、菜單、區(qū)域、指標項、觸發(fā)器等配置操作。

3 應用效果分析

3.1 在線監(jiān)測效果分析

該系統(tǒng)能夠多樣式、多維度展示監(jiān)測點場地數據，通過各種實時更新的數據、折線圖、儀表盤、柱狀圖、實時視頻圖像等功能，將單個監(jiān)測點的實時數據、歷史數據、對比數據統(tǒng)一展示給管理人員，管理人員通過近24 h內的重點數據對比曲線，可以對監(jiān)測點現場情況一目了然。場地圖展示如圖1所示。

圖1 場地圖展示

3.2 預告警實效分析

當發(fā)生預告警提示后，可根據提示信息對發(fā)生問題的監(jiān)測點情況進行追溯。例如，某場地分別在某日15:13:54和15:46:50各發(fā)生了1個告警，通過該系統(tǒng)可準確查詢該次告警的詳細信息，如告警級別、發(fā)生時間、回復時間、持續(xù)時間、當時的風速和風向等信息；然后通過該時間點的TSP數據曲線進行查看(見圖2)，發(fā)現監(jiān)測點在2個時間點TSP數據突然增高，超過了預設的告警閾值；點擊告警聯動后彈出本次告警時的視頻資料(見圖3)，可以發(fā)現在告警發(fā)生前，有一列車正在運行通過，通過調取車輛車號信息，可以倒查運煤列車裝車站、客戶等相關信息。

圖2 歷史數據曲線

圖3 視頻監(jiān)控

系統(tǒng)以數據為基礎、以軟件為工具，有效展示和分析了鐵路沿線發(fā)生揚塵時的數據和圖像情況，使管理人員能夠及時發(fā)現問題，進而處理解決。

3.3 報表實效分析

系統(tǒng)通過長時間現場數據的監(jiān)測、分析，形成了貼合實際業(yè)務應用的報表數據。例如，某年度沿線所有監(jiān)測場地的預告警數量在3月、4月呈上升趨勢，5月后開始下降，又如某場地4月比3月告警上升了36.09%，而在同年5月下降了57.11%，通過上述可以分析出揚塵問題在不同時間、氣候環(huán)境條件下有顯著差異。

通過多維度、多樣式的數據和告警報表，根據AI算法對在線數據、環(huán)境、時間因素等進行智能分析，后續(xù)逐步發(fā)現發(fā)生揚塵的規(guī)律，并通過相應手段對揚塵問題進行治理。

3.4 應用總結

系統(tǒng)在1年的試運行過程中，根據相關業(yè)務部門提出的意見逐步更新迭代了3個版本，更加適合現場實際應用。后經過了1年多的正式運行，達到了項目設計的總體目標和建設目的，能夠保證煤塵數據的完整性、準確性、保密性及分析數據的多樣性。該系統(tǒng)實現了大秦鐵路沿線大氣環(huán)境質量實時在線監(jiān)測和列車通過時煤塵污染情況實時視頻監(jiān)控，應用效果主要表現在以下方面。

（1）在遠離鐵路的常規(guī)環(huán)境設置基準站，鐵路沿線監(jiān)測點數據與基準站數據進行實時對比，分析結果更精準。

（2）系統(tǒng)自動整合了粉塵、環(huán)境、預告警、視頻等不同類型的關聯數據，當告警發(fā)生時，及時彈出發(fā)生地點的實時視頻畫面，并永久保存告警信息和視頻監(jiān)控的關聯信息[5]，以供管理人員參考。

（3）系統(tǒng)自動對各個監(jiān)測點的風向、風速、溫濕度等變化對于煤塵污染的影響進行關聯分析，生成豐富的圖表、報告提供給管理人員進行查閱。

（4）定時自動生成周報表、月報表，有效降低管理成本。

4 結束語

鐵路沿線煤塵監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)符合運煤線路向綠色、低碳環(huán)保發(fā)展的需要，大秦鐵路煤塵監(jiān)測系統(tǒng)實現了對大秦鐵路因煤塵引起的環(huán)境污染的實時在線監(jiān)測，并根據監(jiān)測數據進行分析、計算、處理，形成了高質量的數據分析報表，為大秦線科學治污、精準治污提供了數據支撐，也可為鐵路煤運專線煤塵污染治理提供參考。