京張高鐵運(yùn)營(yíng)安全大數(shù)據(jù)平臺(tái)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)

王萬(wàn)齊，劉 軍，李 平，馬小寧，陳同喜

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)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(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司，北京 100844）

北京—張家口高速鐵路（簡(jiǎn)稱(chēng)：京張高鐵）是北京2022 年冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)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(yùn)營(yíng)安全是智能京張建設(shè)的重要內(nèi)容之一，是一個(gè)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(dòng)車(chē)組；（2）鐵路運(yùn)輸、工務(wù)、電務(wù)、供電、動(dòng)車(chē)等領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)人員；（3）安全風(fēng)險(xiǎn)、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(yùn)營(yíng)安全是智能鐵路和鐵路大數(shù)據(jù)應(yīng)用的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)之一，不少學(xué)者開(kāi)展了鐵路運(yùn)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(yùn)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(jìn)展情況，運(yùn)營(yíng)安全是京張高鐵智能化的主要組成部分；康高亮[5]對(duì)中國(guó)高速鐵路安全保障體系進(jìn)行了深入研究；謝文廣[6]提出了中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)：北京局集團(tuán)公司）安全大數(shù)據(jù)應(yīng)用總體方案；荊偉[7]提出了中國(guó)鐵路太原局集團(tuán)有限公司安全大數(shù)據(jù)應(yīng)用主要建設(shè)內(nèi)容，開(kāi)展了設(shè)備安全分析關(guān)鍵技術(shù)研究；楊連報(bào)[8]、周進(jìn)等人[9]針對(duì)鐵路事故故障報(bào)告開(kāi)展了基于文本技術(shù)的原因分析；佘振國(guó)[10]等人開(kāi)展了鐵路安全風(fēng)險(xiǎn)分析預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研發(fā)；郭湛[11]對(duì)近10年高速鐵路運(yùn)營(yíng)狀況的安全評(píng)估進(jìn)行了研究；宋修德等人[12]開(kāi)展了鐵路安全管理大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)設(shè)計(jì)和研究。

面對(duì)京張高鐵運(yùn)營(yíng)安全標(biāo)準(zhǔn)高、管控難、因素多的迫切需求，本文設(shè)計(jì)了京張高鐵運(yùn)營(yíng)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(yùn)營(yíng)安全。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 建設(shè)目標(biāo)

面向北京2022 年冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)科技保障，及京張高鐵“全天候、全方位”運(yùn)營(yíng)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(tái)為支撐，建立京張高鐵運(yùn)營(yíng)安全大數(shù)據(jù)平臺(tái)，分析京張高鐵運(yùn)營(yíng)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(yùn)營(yíng)安全。

1.2 總體架構(gòu)

京張高鐵運(yùn)營(yíng)安全大數(shù)據(jù)平臺(tái)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(xiǎn)隱患數(shù)據(jù)、安全監(jiān)督數(shù)據(jù)、動(dòng)車(chē)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(dòng)車(chē)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(yùn)營(yíng)安全模型庫(kù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法庫(kù)。為京張城際鐵路有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)：京張公司）、北京局集團(tuán)公司和其運(yùn)輸站段掌握運(yùn)營(yíng)設(shè)備安全狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)安全薄弱環(huán)節(jié)，指導(dǎo)運(yùn)營(yíng)安全重點(diǎn)監(jiān)督，并逐步實(shí)現(xiàn)事故故障超前防范等提供強(qiáng)有力支撐，大幅提升鐵路運(yùn)營(yíng)安全綜合保障水平和預(yù)警能力。

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

圖1 京張高鐵運(yùn)營(yíng)安全大數(shù)據(jù)平臺(tái)總體架構(gòu)

1.3 數(shù)據(jù)架構(gòu)

（1）風(fēng)險(xiǎn)隱患數(shù)據(jù)

主要包括京張高鐵沿線的安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)、安全隱患點(diǎn)、安全問(wèn)題等，可用于支撐安全風(fēng)險(xiǎn)全面管控和安全隱患及時(shí)消除，實(shí)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(bào)1、安監(jiān)報(bào)2、安監(jiān)報(bào)3 等數(shù)據(jù)，可用于分析事故故障出現(xiàn)的重點(diǎn)區(qū)間、重點(diǎn)問(wèn)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(dòng)車(chē)安全數(shù)據(jù)

主要包括京張高鐵動(dòng)車(chē)組的基礎(chǔ)臺(tái)賬、報(bào)警信息和故障信息等，為全方面了解動(dòng)車(chē)組運(yùn)營(yíng)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(cè)車(chē)數(shù)據(jù)、車(chē)載數(shù)據(jù)、軌檢小車(chē)數(shù)據(jù)、人工巡檢數(shù)據(jù)等，為工務(wù)部門(mén)提供安全管理重點(diǎn)信息。

（5）電務(wù)安全數(shù)據(jù)

主要包括微機(jī)監(jiān)測(cè)等實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，有利于電務(wù)部門(mén)及時(shí)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(cè)數(shù)據(jù)、供電巡檢問(wèn)題等，有利于供電部門(mén)及時(shí)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(dòng)車(chē)所等專(zhuān)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(jí)評(píng)價(jià)、司機(jī)測(cè)酒等數(shù)據(jù)，從“人防”方面保障鐵路運(yùn)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(bào)數(shù)據(jù)，以及風(fēng)、雨、雪實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，有利于保障動(dòng)車(chē)組運(yùn)營(yíng)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?chē)?00 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(wèn)題。

1.4 技術(shù)架構(gòu)

京張高鐵運(yùn)營(yíng)安全大數(shù)據(jù)平臺(tái)是基于鐵路數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)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(zhuān)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(yùn)用數(shù)據(jù)集成技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)、計(jì)算服務(wù)技術(shù)、模型算法庫(kù)、數(shù)據(jù)共享技術(shù)，支撐京張高鐵運(yùn)營(yíng)安全大數(shù)據(jù)平臺(tái)的不同功能模塊。高鐵運(yùn)營(yíng)安全大數(shù)據(jù)平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 京張高鐵運(yùn)營(yíng)安全大數(shù)據(jù)平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)源

京張高鐵運(yùn)營(yíng)安全大數(shù)據(jù)平臺(tái)應(yīng)用的數(shù)據(jù)源包括風(fēng)險(xiǎn)隱患數(shù)據(jù)、安全監(jiān)督數(shù)據(jù)、動(dòng)車(chē)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(yùn)營(yíng)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(duì)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(chǔ)技術(shù)

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

（4）計(jì)算服務(wù)技術(shù)

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

（5）模型算法庫(kù)

模型算法庫(kù)由京張高鐵運(yùn)營(yíng)安全模型庫(kù)和機(jī)器學(xué)習(xí)基本算法庫(kù)組成，主要包括設(shè)備安全畫(huà)像技術(shù)、人員安全畫(huà)像技術(shù)、事故故障關(guān)聯(lián)技術(shù)、安全評(píng)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(shí)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(jì)

2.1 安全電子地圖

安全電子地圖功能主要將風(fēng)險(xiǎn)、隱患、歷史事故故障、安全問(wèn)題、工務(wù)超限、電務(wù)報(bào)警、供電缺陷、動(dòng)車(chē)報(bào)警、鐵路外部環(huán)境等數(shù)據(jù)在GIS 地圖上進(jìn)行展示，為各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)和安全管理人員提供直觀、簡(jiǎn)潔的展示，也可按業(yè)務(wù)部門(mén)、運(yùn)輸站段、設(shè)備類(lèi)型、病害類(lèi)型、安全等級(jí)進(jìn)行綜合查詢(xún)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(tuán)公司安監(jiān)室、沿線運(yùn)輸站段的安全管理工作，包括安全風(fēng)險(xiǎn)分析、安全隱患分析、事故故障分析、安全通知書(shū)分析、安全寫(xiě)實(shí)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(duì)鋼軌、路基、橋梁、隧道、涵洞等設(shè)備的動(dòng)/靜態(tài)病害、設(shè)備隱患進(jìn)行綜合分析，包括工務(wù)設(shè)備資產(chǎn)分析、動(dòng)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(duì)信號(hào)、通信設(shè)備的報(bào)警和故障進(jìn)行綜合分析，包括信號(hào)報(bào)警分析、信號(hào)故障分析、通信報(bào)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(duì)接觸網(wǎng)設(shè)備缺陷和變電所報(bào)警信息進(jìn)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(dòng)車(chē)安全分析

動(dòng)車(chē)安全分析功能主要對(duì)動(dòng)車(chē)組報(bào)警和故障進(jìn)行綜合分析，包括動(dòng)車(chē)報(bào)警分析、動(dòng)車(chē)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(duì)鐵路職工開(kāi)展安全綜合分析，包括個(gè)人綜合分析、班組綜合分析、車(chē)間綜合分析、站段綜合分析、專(zhuān)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(bào)預(yù)警分析、實(shí)時(shí)風(fēng)雨雪報(bào)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(jí)方法

3.1 粒子群算法運(yùn)用

運(yùn)用粒子群算法（PSO ，Particle Swarm Optimization）優(yōu)化多個(gè)聚類(lèi)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(gè)人因子、社會(huì)因子、迭代次數(shù)、終止條件、安全類(lèi)型數(shù)量等，并初始化分類(lèi)中心點(diǎn)；

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

（3）更新每個(gè)粒子的最優(yōu)位置和全體粒子的最優(yōu)位置；

（4）更新每個(gè)粒子的當(dāng)前速度和位置，并檢查每個(gè)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(dá)到最大迭代次數(shù)或粒子位置變化值足夠小時(shí)，終止粒子群算法；否則，進(jìn)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(lèi)的中心點(diǎn)，可通過(guò)計(jì)算每個(gè)單元與不同分類(lèi)中心點(diǎn)的歐氏距離，來(lái)判斷其所屬安全等級(jí)和類(lèi)型。

3.2 安全智能分級(jí)方法

本文匯集工務(wù)動(dòng) / 靜態(tài)病害數(shù)量、電務(wù)信號(hào)和通信報(bào)警數(shù)量、供電接觸網(wǎng)和變電所報(bào)警數(shù)量、動(dòng)車(chē)組報(bào)警和故障數(shù)量，安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)、隱患、事故故障等數(shù)量，周界異物入侵報(bào)警數(shù)量，鐵路外部環(huán)境隱患數(shù)量，風(fēng)、雨、雪、地震等實(shí)時(shí)報(bào)警數(shù)量，以2 km為安全分析單元，計(jì)算該單元內(nèi)所有的安全問(wèn)題數(shù)量和等級(jí)，建立基于多種安全數(shù)據(jù)的分級(jí)分類(lèi)模型，運(yùn)用PSO 找出所有單元的多個(gè)聚類(lèi)中心點(diǎn)，根據(jù)聚類(lèi)中心位置對(duì)應(yīng)的不同安全等級(jí)，統(tǒng)計(jì)每個(gè)安全分析單元出現(xiàn)問(wèn)題的數(shù)量，計(jì)算安全分析單元問(wèn)題數(shù)量與每個(gè)中心點(diǎn)之間的距離，最終判斷出不同安全等級(jí)，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(wèn)題，B 為重點(diǎn)安全問(wèn)題，C 為一般安全問(wèn)題。

圖3 基于PSO 的在途列車(chē)安全智能分級(jí)方法

運(yùn)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(wèn)題數(shù)、設(shè)備缺陷數(shù)、鐵路外部環(huán)境隱患數(shù)等，通過(guò)基于PSO 的安全智能分級(jí)方法，計(jì)算出評(píng)價(jià)單元的安全分級(jí)結(jié)果，根據(jù)不同分級(jí)結(jié)果，推薦不同安全管控方法和安全問(wèn)題處理方法。

同時(shí)，基于京張高鐵所有單元的安全等級(jí)和類(lèi)型，可分析出近期的典型設(shè)備缺陷類(lèi)型、安全問(wèn)題的高發(fā)時(shí)間、安全問(wèn)題的高發(fā)位置、安全問(wèn)題所在單位、安全問(wèn)題的主要原因，有利于建成京張鐵路運(yùn)營(yíng)安全全方位保障體系，及時(shí)掌握鐵路基礎(chǔ)設(shè)施和動(dòng)車(chē)組的安全運(yùn)營(yíng)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(xiǎn)點(diǎn)和快速處理安全隱患點(diǎn)，確保京張高鐵動(dòng)車(chē)組運(yùn)行安全。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于京張高鐵運(yùn)營(yíng)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(tái)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(tái)建設(shè)提供了思路和方向，對(duì)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(lái)將重點(diǎn)研究鐵路運(yùn)營(yíng)安全綜合預(yù)警技術(shù)、基于深度學(xué)習(xí)的圖像智能識(shí)別技術(shù)、鐵路事故故障綜合畫(huà)像分析技術(shù)等在京張高鐵安全大數(shù)據(jù)平臺(tái)的應(yīng)用，為京張高鐵運(yùn)營(yíng)安全提供技術(shù)和數(shù)據(jù)支撐。