鐵路沿線安全環境治理信息平臺設計

楊 琦，賀文軒，徐成偉，馬 禎

（1. 中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算機技術研究所，北京 100081；2. 中國鐵道科學研究院集團有限公司 基礎設施檢測研究所，北京 100081）

鐵路在我國經濟社會發展中具有重要作用，是國家的重要基礎設施、大眾化交通運輸工具、綜合交通運輸體系的骨干。隨著鐵路網不斷拓展，鐵路沿線安全環境日趨復雜，環境因素引發的各類安全隱患多發，嚴重威脅鐵路行車安全。

2021年，國務院發布的《關于加強鐵路沿線安全環境治理工作的意見》中指出，隨著我國高速鐵路運營里程不斷增加，改善鐵路沿線安全環境對保障鐵路高質量發展和人民群眾生命財產安全的作用更加突出[1]。

鐵路外部環境安全隱患是影響鐵路運輸安全的不穩定因素[2]。曹曉東[3]深入分析鐵路外部沿線環境安全現狀、鐵路沿線外部環境安全隱患成因，從制度方面提出安全管控對策、措施；韓璐等人[4]設計開發了鐵路路外安全環境動態監測地理信息系統（GIS，Geographic Information System），對鐵路三維模型數據、影像數據、各類保護界線、各傳感器監測報警數據進行分析及管理，實現實時監測預警；張珩等人[5]利用高分遙感影響對鐵路建設中的環境問題進行動態監測；趙振洋等人[6]融合C/S架構和B/S架構，搭建了集成計算機端及移動端的鐵路外部環境管控地理信息平臺；包云等人[7]提出定期排查與實時監測相結合的鐵路外部環境安全監測方案，分析5G、邊緣計算、人工智能等技術在鐵路外部環境安全實時監測中的應用。上述研究存在監測手段平面化、平臺功能單一化等問題，并未集成多種監測手段，平臺缺少除安全隱患監測、分析外的問題治理和應急指揮等延伸功能。

本文在當前研究基礎上，針對鐵路沿線全視域的安全隱患，設計鐵路沿線安全環境治理信息平臺，挖掘鐵路沿線環境安全隱患，采集鐵路沿線影響行車安全的違法行為，實現關鍵環節遠程監測、工作任務閉環管理等功能。

1 系統架構

為滿足列車運行安全對鐵路周邊環境的實際需求，保障列車的運行安全與運行效率，設計了鐵路沿線安全環境治理信息平臺架構，如圖1所示。

圖1 鐵路沿線安全環境治理信息平臺架構

鐵路沿線安全環境治理信息平臺架構共有6部分組成，分別是感知層、網絡層、平臺層、基礎服務層、智能分析層和應用層。

（1）感知層主要負責鐵路沿線地形地貌、周邊環境等數據的周期性采集、實時在線監測。

（2）網絡層主要負責現場采集數據、問題反饋和危險源信息的傳輸。

（3）平臺層主要提供平臺運行、數據分析、信息共享、容災備份等所需要的硬件及軟件運行環境。

（4）基礎服務層主要為平臺提供GIS、北斗衛星導航系統、其他管理系統等方面的基礎性、公用性資源。

（5）智能分析層為應用層提供通用的、標準化的大數據及人工智能分析。其中，數據治理進行數據資產管理、元數據管理，用以保證數據質量；大數據基礎平臺提供基于Hadoop的大數據采集、存儲及分析組件；人工智能部分提供圖像分析、自然語言處理能力，包括數據標注、模型訓練等。

（6）應用層主要利用感知層采集的相關數據、智能分析層的算法算例及模型進行數據融合分析、危險源識別、問題跟蹤、應急指揮、模型修訂與優化及數據共享等工作。

2 平臺功能

鐵路沿線安全環境治理信息平臺的功能模塊包括鐵路沿線安全環境監測模塊、鐵路沿線環境問題管理模塊、鐵路沿線環境應急指揮模塊、鐵路沿線環境問題咨詢服務和鐵路沿線環境信息交換模塊。

2.1 鐵路沿線安全環境監測

鐵路沿線安全環境監測主要通過遙感衛星[8-9]、北斗衛星導航系統、無人機和視頻等多種監測技術手段實現鐵路兩側500 m 范圍內、鐵路線路安全保護區、鐵路限界內區域的危情及安全隱患監測。

2.2 鐵路沿線環境問題管理

鐵路沿線環境問題管理主要包括問題上報、治理狀態管理、銷號管理、存量問題隱患庫等功能，實現對問題的錄入、審核、上報、原因分析、整改方案和整治狀態的全過程管理，促進制度建立與信息化管理。

2.3 鐵路沿線環境應急指揮

鐵路沿線環境應急指揮主要包括對鐵路氣象災害、地質災害、危情等進行全面預警；實現對應急預案、應急組織體系和應急物資等應急資源準備，可依據相關應急預案合理配置資源，滿足應急處置的需要；建立與相關信息共享，保障災情發生后可與各部門快速聯動；制定協同處置流程，以書面報告的形式將防范和改進措施記錄并留存，報上級有關部門；組織開展災后重建功能，做好過程管理，實現災后重建。

2.4 鐵路沿線環境問題咨詢服務

鐵路沿線環境問題咨詢服務主要包括安全環境評估、治理方案論證和專家庫管理等功能，發揮行業內專家及相關專業機構的力量優勢，開展環境問題咨詢服務、安全環境評估和治理方案論證等工作，提升鐵路沿線環境問題治理能力專業化水平。

2.5 鐵路沿線環境信息交換

建立鐵路沿線環境信息交換機制，實現鐵路沿線安全環境治理信息平臺與城市運行管理服務平臺等其他平臺的互聯互通、信息共享，提升平臺信息交換及共享度，加快信息流通。為確保信息安全，避免信息泄露，具備身份認證、單點登錄、權限控制、信息安全和安全管理等功能。

3 關鍵技術

鐵路沿線安全環境治理信息平臺采用以建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）+GIS融合服務、微服務架構、單點登錄（SSO，Single Sign-On）統一安全認證、安全日志及運行監控等技術。其中，BIM+GIS融合服務為用戶更加直觀的可視化基礎；微服務中心為平臺各應用模塊提供基礎設施支持的同時，實現了鐵路沿線安全環境監測與基于多源數據融合的隱患識別；SSO統一安全認證、安全日志及運行監控技術為平臺提供安全保障支撐的同時，為用戶提供更為簡便的運行維護支撐。鐵路沿線安全環境治理信息平臺技術架構，如圖2所示。

圖2 鐵路沿線安全環境治理信息平臺技術架構

3.1 BIM+GIS融合服務

由BIM服務和GIS服務組成，并統一對外提供BIM+GIS融合服務。

（1）BIM服務基于WebGL渲染、語義信息提取、幾何表達歸并，可提供BIM數據接入，實現Bentley、Autodesk Civil 3D、Tekla等BIM設計軟件的數據導入，實例化、多細節層次（LOD，Levels of Detail）和輕量化處理，模型編輯修改，多源信息關聯等功能。

（2）GIS服務基于動態服務構建、金字塔切割、線性參考和緩沖區計算分析，可提供三維地圖可視化、實景三維地圖加載渲染、線路中心里程和地理坐標轉換、時空數據對比分析和動態數據實時渲染等。

3.2 微服務網關

采用SpringBoot技術構建的微服務架構，將平臺業務分解為多個獨立部署的服務應用，實現對單體業務平臺的解耦，增強業務的擴展能力。采用SpringBoot框架，簡化應用的構建和開發過程。在微服務基礎設施方面，利用SpringBoot提供的服務注冊與發現、服務網關、配置中心、服務訪問認證管理、消息中間件和分布式緩存等服務，將分布運行的多個子模塊有機串聯，確保整個平臺高效穩定運行，為后續業務服務的對外補充與擴展提供基礎技術支持。在應用開發公共支撐方面，通過對微服務基礎設施層的開發和封裝，實現組織管理、權限服務、數據同步和配置服務、服務協議、服務發現與調用、限流與熔斷、平臺配置和日志采集等功能，為上層業務應用提供全面支撐。

3.3 數據統一接口

針對不同類型、協議、傳輸速率的交互數據，建立統一數據接口，提供TCP/IP、WebServices、Socket通信、消息隊列、RTMP/RTSP視頻流協議和Http/Https超文本傳輸協議等接口方式。

3.4 多源數據融合的隱患識別技術

根據不同天氣情況下對不同技術手段（如雷達、熱成像等）識別的隱患與圖像識別算法結果設置不同的權重，進行融合比較后確定是否為安全隱患。其中，融合算法的檢測置信度計算公式為

若Size＜20 cm

其中，α為尺寸權重；μ為天氣權重；R為激光雷達檢測障礙物結果，R∈{0,1}；Confimg為圖像識別檢測算法的檢測置信度，Confimg∈[0,1]。

若Confdet≥0.3，則認為該隱患存在；反之，則是虛警。

不同天氣情況下，α值和 μ值，如表1所示。

表1 不同天氣下的物體與天氣權重

3.5 SSO統一安全認證

結合資源管理對用戶的訪問提供統一授權服務，用戶身份到應用授權的映射功能，實現權限和證書的產生、管理、存儲、分發和撤銷等功能，提供各種應用系統和各種需要保護的功能資源的統一管理功能，有效地控制和管理資源，供標準的Web Service的認證服務和用戶管理的SDK（Software Development Kit）接口，符合安全斷言標記語言（SAML，Security Assertion Markup Language）規范，方便其他各種異構操作系統的應用進行SSO應用集成。

3.6 安全日志及運行監控

為了滿足平臺管理和安全審核的需要，提供操作日志、信息量、服務情況等，用來輔助評估平臺服務能力和服務質量，使用開源分布式Elastic Search搜索引擎，分布式、零配置、自動發現，索引自動分片，Logstash對日志進行收集、分析，并將其存儲供以后使用，Kibana可視化分析工具；平臺權限控制采用基于角色的訪問控制思想，實現對用的角色、菜單、按鈕等權限控制。

4 應用場景

鐵路沿線安全環境治理信息平臺為中國國家鐵路集團有限公司（簡稱：國鐵集團）、鐵路局集團公司和站段三級用戶提供應用服務。

國鐵集團用戶包括安監局、工電部、調度中心等部門，進行處置管理、處置協同、信息互通等應用，對重大事件進行監督、把控與指導，與地方政府共同發揮護路聯防作用，使處置透明，以提高處置能力和效率。

鐵路局集團公司用戶包括安監室、環境治理辦公室、工務部、電務部、供電部和調度所等部門，進行輔助調度、過程管理、決策支撐等應用，指導、監督本轄區內鐵路沿線安全環境治理的工作。

站段用戶包括工務段、電務段、安全科、鐵路派出所等部門，基于鐵路沿線安全環境治理信息平臺開展環境監測、問題管理、咨詢服務等日常工作，處理緊急事件，接收群眾上報信息，有效提高平臺的安全防護能力。

5 結束語

圍繞鐵路沿線安全環境治理工作，本文設計了鐵路沿線安全環境治理信息平臺。對鐵路沿線全視域安全隱患全方位監測，能夠實現鐵路沿線安全環境隱患問題的閉環管理；整合周邊資源，根據事件要素評估資源需求，實現應急資源準備、信息共享、協同處置等應急指揮功能；提供問題咨詢服務及與其他平臺的互聯互通、信息共享功能，切實提高鐵路安全環境治理能力。