基于資源共享的高速鐵路監(jiān)測(cè)預(yù)警與應(yīng)急平臺(tái)研究

吳艷華，王富章，李 平，王英杰

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

鐵路信息技術(shù)

基于資源共享的高速鐵路監(jiān)測(cè)預(yù)警與應(yīng)急平臺(tái)研究

吳艷華，王富章，李 平，王英杰

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

鑒于高速鐵路公司運(yùn)輸監(jiān)管、安全監(jiān)督的職能，在現(xiàn)有鐵路應(yīng)急平臺(tái)的基礎(chǔ)上，基于云計(jì)算技術(shù)設(shè)計(jì)高速鐵路監(jiān)測(cè)預(yù)警與應(yīng)急平臺(tái)，將解決基礎(chǔ)資源利用率低、監(jiān)測(cè)信息利用不充分、應(yīng)急處置過(guò)程協(xié)調(diào)不通暢等傳統(tǒng)應(yīng)急平臺(tái)的瓶頸問(wèn)題?；诟咚勹F路的特有屬性構(gòu)建突發(fā)事故情景，提出基于情景的智能方案生成方法。

高速鐵路；應(yīng)急管理；資源共享；云計(jì)算技術(shù)；事故情景

中國(guó)的應(yīng)急平臺(tái)體系建設(shè)正在逐步完善。目前，中國(guó)鐵路正在逐步構(gòu)建鐵路總公司、鐵路局/公司和站段三級(jí)應(yīng)急平臺(tái)體系[1]。高速鐵路成為近幾年鐵路建設(shè)的重中之中，高速鐵路投入運(yùn)營(yíng)后，高速鐵路公司的職能由建設(shè)期的“以工程建設(shè)為核心”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙再Y產(chǎn)運(yùn)營(yíng)為核心”，同時(shí)兼顧“運(yùn)輸監(jiān)管”和“安全監(jiān)督”[2]。高速鐵路的應(yīng)急管理工作具有技術(shù)先進(jìn)、安全管理要求高、救援難度大等特點(diǎn)，以現(xiàn)有的鐵路應(yīng)急平臺(tái)體系為基礎(chǔ)，結(jié)合高速鐵路各類監(jiān)測(cè)和檢測(cè)設(shè)施，進(jìn)一步完善鐵路應(yīng)急平臺(tái)體系，成為中國(guó)鐵路目前面臨的應(yīng)急管理技術(shù)問(wèn)題之一。

了解國(guó)內(nèi)應(yīng)急平臺(tái)系統(tǒng)尤其是交通行業(yè)應(yīng)急平臺(tái)系統(tǒng)建設(shè)情況可知，普遍存在基礎(chǔ)資源利用率低、監(jiān)測(cè)信息無(wú)法充分利用、應(yīng)急處置過(guò)程協(xié)調(diào)不通暢等瓶頸問(wèn)題[3]。隨著云計(jì)算等新一代信息技術(shù)的成熟應(yīng)用，利用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)一步整合現(xiàn)有資源，構(gòu)建滿足高速鐵路應(yīng)急管理需求的監(jiān)測(cè)預(yù)警與應(yīng)急平臺(tái)體系，成為解決中國(guó)鐵路應(yīng)急管理技術(shù)難題的有效方法。

文章基于高速鐵路各類監(jiān)測(cè)感知設(shè)備采集的信息，提出基于硬件、軟件和信息等多種資源共享的監(jiān)測(cè)預(yù)警與應(yīng)急平臺(tái)總體架構(gòu)，提出高速鐵路突發(fā)事件情景定義，解決基于情景的方案生成關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建云架構(gòu)的高速鐵路監(jiān)測(cè)預(yù)警與應(yīng)急平臺(tái)。

1 高速鐵路應(yīng)急管理分析

高速鐵路的應(yīng)急管理工作過(guò)程，以突發(fā)事件為主線可以分為事前、事中、事后3個(gè)階段，以管理階段為主線可以分為預(yù)防、準(zhǔn)備、響應(yīng)和恢復(fù)4個(gè)階段，依據(jù)高速鐵路應(yīng)急管理的主要工作重點(diǎn)，預(yù)防階段的管理工作主要包括設(shè)備檢測(cè)監(jiān)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控、安全評(píng)估和計(jì)劃管理等，準(zhǔn)備階段的工作主要包括日常的應(yīng)急值守、預(yù)案管理、應(yīng)急資源的管理維護(hù)和模擬演練任務(wù)等，響應(yīng)階段是突發(fā)事件發(fā)生時(shí)要做的工作，主要包括智能方案生成、協(xié)同指揮、與地方政府和相關(guān)機(jī)構(gòu)的應(yīng)急聯(lián)動(dòng)等，恢復(fù)階段的工作主要包括資源補(bǔ)充、案例制作、總結(jié)評(píng)估和預(yù)案的修訂等。

2 平臺(tái)總體架構(gòu)

高速鐵路監(jiān)測(cè)預(yù)警與應(yīng)急保障平臺(tái)，為應(yīng)急管理機(jī)構(gòu)和應(yīng)急指揮者提供服務(wù)，對(duì)相關(guān)業(yè)務(wù)過(guò)程、數(shù)據(jù)和成果進(jìn)行全方位的管理。平臺(tái)總體架構(gòu)如圖1所示。

2.1 感知層—基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的監(jiān)測(cè)信息感知

感知層可以比喻為高速鐵路監(jiān)測(cè)預(yù)警與應(yīng)急保障平臺(tái)的感覺(jué)器官，感知層是平臺(tái)獲取信息的一個(gè)重要途徑。感知層通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、北斗導(dǎo)航等新一代感知技術(shù)，通過(guò)高速鐵路基礎(chǔ)檢測(cè)設(shè)施、動(dòng)車狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備，防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)的大風(fēng)監(jiān)測(cè)儀、雨量監(jiān)測(cè)儀、異物侵線監(jiān)測(cè)儀、大雪監(jiān)測(cè)儀、地震監(jiān)測(cè)儀等，以及條形碼、電子標(biāo)簽、RFID射頻設(shè)備、GPS定位設(shè)備、手持讀入設(shè)備、視頻監(jiān)控等終端設(shè)備，采用人工和自動(dòng)相結(jié)合的方式，動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、智能化地識(shí)別、感知、定位、跟蹤、采集、監(jiān)控、管理高速鐵路車、機(jī)、工、電、輛等各專業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信息，為平臺(tái)提供及時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)來(lái)源。

2.2 傳輸層—基于新一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的監(jiān)測(cè)信息傳輸

圖1 高速鐵路監(jiān)測(cè)預(yù)警與應(yīng)急保障平臺(tái)總體架構(gòu)

傳輸層是高速鐵路監(jiān)測(cè)預(yù)警與應(yīng)急保障平臺(tái)的血管，是平臺(tái)將采集到的數(shù)據(jù)安全、快速地傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心的通道。平臺(tái)的傳輸層采用鐵路內(nèi)部服務(wù)網(wǎng)、無(wú)線傳輸（Wifi）、通用分級(jí)無(wú)線服務(wù)（GPRS）、第二、三、四代移動(dòng)通信（2G、3G、4G）技術(shù)、虛擬專用網(wǎng)（VPN）技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)、衛(wèi)星通信技術(shù)等數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，為平臺(tái)數(shù)據(jù)的上傳和調(diào)度指令的下達(dá)提供實(shí)時(shí)的通道，保證應(yīng)急管理和事故指揮者通過(guò)固定終端、移動(dòng)終端等隨時(shí)隨地獲取數(shù)據(jù)、聲音、視頻和報(bào)警消息，同時(shí)保證交通不便、通信基礎(chǔ)薄弱的地區(qū)通過(guò)衛(wèi)星通信等技術(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)急突發(fā)信息的上下行數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、資源和加工層—基于云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)的數(shù)據(jù)中心

（1）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、數(shù)據(jù)資源層和數(shù)據(jù)加工層是高速鐵路監(jiān)測(cè)預(yù)警與應(yīng)急保障平臺(tái)的大腦，是平臺(tái)對(duì)突發(fā)事件發(fā)生前、事故發(fā)生過(guò)程中和事故處置后等各階段的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和分析處理的主要場(chǎng)所。（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層通過(guò)云計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)等硬件資源的虛擬化，構(gòu)建高速鐵路應(yīng)急云數(shù)據(jù)中心，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的存儲(chǔ)管理。同時(shí)，通過(guò)集群應(yīng)用、網(wǎng)格技術(shù)和分布式文件系統(tǒng)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)云存儲(chǔ)中心設(shè)備的邏輯虛擬化管理、多鏈路冗余管理和協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的建構(gòu)、組織、定位、分類、編碼、檢索、更新和維護(hù)等。（3）數(shù)據(jù)加工層是高速鐵路監(jiān)測(cè)預(yù)警與應(yīng)急保障平臺(tái)的大腦和運(yùn)算中心，加工層利用數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)的各業(yè)務(wù)領(lǐng)域、全生命周期數(shù)據(jù)，采用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化進(jìn)行深入的挖掘、加工和處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的按需排序、篩選、組織、有條件透視等相關(guān)操作。（4）數(shù)據(jù)加工層根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用的不同，封裝Web服務(wù)、GIS服務(wù)、數(shù)據(jù)訪問(wèn)、數(shù)據(jù)處理、綜合分析和報(bào)表統(tǒng)計(jì)等業(yè)務(wù)組件，實(shí)現(xiàn)時(shí)空一體化大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、訪問(wèn)、處理、分析等。

2.4 業(yè)務(wù)應(yīng)用層—面向監(jiān)測(cè)預(yù)警與應(yīng)急保障的業(yè)務(wù)應(yīng)用

業(yè)務(wù)應(yīng)用層封閉平臺(tái)的各個(gè)業(yè)務(wù)功能模塊，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)功能按需的組件式安裝，供訪問(wèn)層進(jìn)行調(diào)用。

2.5 訪問(wèn)層

平臺(tái)的訪問(wèn)層通過(guò)SSL VPN、Web、移動(dòng)互聯(lián)等技術(shù)，構(gòu)建高速鐵路監(jiān)測(cè)預(yù)警與應(yīng)急保障平臺(tái)調(diào)度指揮中心，支撐瀏覽器、移動(dòng)客戶端等不同方式的平臺(tái)訪問(wèn)。

3 平臺(tái)部署架構(gòu)

高速鐵路監(jiān)測(cè)預(yù)警與應(yīng)急平臺(tái)，與現(xiàn)有的鐵路應(yīng)急平臺(tái)不是互相排斥的，而是互相補(bǔ)充的。由于該平臺(tái)是依據(jù)高速鐵路的組織機(jī)構(gòu)特點(diǎn)而設(shè)置的，因此平臺(tái)的部署和信息傳遞架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

由于高速鐵路公司“以資產(chǎn)運(yùn)營(yíng)”為核心，同時(shí)兼顧“運(yùn)輸監(jiān)管”和“安全監(jiān)督”的職能定位，因此各鐵路局將事故相關(guān)信息報(bào)送至高速鐵路公司，達(dá)到一定響應(yīng)等級(jí)的突發(fā)事件報(bào)送至鐵路總公司，統(tǒng)一開(kāi)展應(yīng)急調(diào)度指揮。

圖2 高速鐵路監(jiān)測(cè)預(yù)警與應(yīng)急平臺(tái)部署架構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

4 基于情景的智能方案生成

高速鐵路突發(fā)事件處置方案，是事故處置過(guò)程中的有利依據(jù)。中國(guó)鐵路突發(fā)事件分為自然災(zāi)害事故、事故災(zāi)難、公共衛(wèi)生和群體性事故等4大類，這種分類方法指導(dǎo)相關(guān)預(yù)案的編制。

4.1 構(gòu)建突發(fā)事件情景

在事故發(fā)生過(guò)程中，智能處置方案的生成需要更詳細(xì)的事故情景信息。參考韓國(guó)軌道交通事故特征分類方法[4]，深入分析中國(guó)高速鐵路事故類型（Class），將事故類型分為兩大類，即非人為因素所致的事故類型I，包括列車系統(tǒng)故障、暴雨、暴風(fēng)、暴風(fēng)雪、地震等自然災(zāi)害所致事故；人為因素所致的事故類型II，包括列車相撞、脫軌、火災(zāi)、人員傷亡、平交道口與公路車輛相撞、恐怖主義襲擊等所致的事故。在此基礎(chǔ)上，又對(duì)各種事故按其形式（Pattern）、對(duì)象（Object）、發(fā)生地點(diǎn)（Location）等，再進(jìn)行詳細(xì)的分析。因此，高速鐵路的事故類型C、發(fā)生形式P、發(fā)生對(duì)象O、發(fā)生地點(diǎn)L就構(gòu)成高速鐵路突發(fā)事件的情景，如表1所示。

表1 高速鐵路事故情景

定義事故情景后，要根據(jù)事故發(fā)生初始階段的相關(guān)信息，智能生成處置方案。根據(jù)事故的響應(yīng)部門（或響應(yīng)者），可將事故響應(yīng)等級(jí)劃分為3大類，分別是初級(jí)、內(nèi)部和全面響應(yīng)級(jí)別。初級(jí)響應(yīng)級(jí)別，是指在事件的初始階段由目擊者、列車或車站工作人員等可以輕易進(jìn)行處理的事件級(jí)別；內(nèi)部響應(yīng)級(jí)別，是指事件發(fā)生后可由專業(yè)的高速鐵路工作人員，通過(guò)自身專業(yè)水平對(duì)事件進(jìn)行處理的事件級(jí)別；全面響應(yīng)級(jí)別，是指事件發(fā)生后，無(wú)法通過(guò)內(nèi)部處置控制事件發(fā)展，需要公共應(yīng)急響應(yīng)部門（消防隊(duì)、警察和醫(yī)院等）協(xié)助對(duì)事件進(jìn)行處置的事件級(jí)別。響應(yīng)級(jí)別的信息主要包括其定義（Definition）、響應(yīng)部門（Response Party）、處置人員（Handling）、疏散對(duì)象（Evacuation）、其它措施（Other）等。

4.2 事故應(yīng)急響應(yīng)模型

對(duì)事故類型和響應(yīng)級(jí)別的詳細(xì)分析，充分明確了事故所導(dǎo)致的潛在危害和應(yīng)急響應(yīng)過(guò)程中的事故響應(yīng)主體，這為進(jìn)一步深入分析事故應(yīng)急處置打下的基礎(chǔ)。軌道交通事故發(fā)生之初，能夠充分掌握事故類型（C）、形式（P）、對(duì)象（O）、地點(diǎn)（L）信息。根據(jù)詳細(xì)的事故分類方法，確定事故的分類代碼。以火災(zāi)事故（C：Fire）為例，如果載有乘客的客運(yùn)列車（O：①）車體（P：①）部位發(fā)生火災(zāi)，事故發(fā)生的位置位于隧道（L：④）內(nèi)，則事故的代碼為F114。在對(duì)事故類型及其相關(guān)屬性進(jìn)行了詳細(xì)的定義后，應(yīng)急管理部門根據(jù)事故的類型信息，對(duì)每類事故制定其對(duì)應(yīng)的三級(jí)應(yīng)急響應(yīng)流程。

在事故發(fā)生之初，應(yīng)急管理人員根據(jù)事故發(fā)生的相關(guān)信息確定事故的分類，并根據(jù)詳細(xì)的分類信息確定事故的響應(yīng)。為了形式化地表達(dá)軌道交通事故應(yīng)急響應(yīng)的過(guò)程，作出如下定義：

（1）將事故特征定義為Feature，其中類型（Class）、形式（Pattern）、對(duì)象（Object）、地點(diǎn)（Location）分別用C、P、O、L表示；

（2）事故響應(yīng)級(jí)別定義為L(zhǎng)evel，其中定義（Definition）、響應(yīng)部門（Response Party）、處置者（Handling）、疏散對(duì)象（Evacuation）、其它措施（Other）分別用D、Rp、H、E、Ot表示。

則根據(jù)如上定義，設(shè)應(yīng)急響應(yīng)的構(gòu)成要素分別為：事故特征集{類型、形式、對(duì)象、地點(diǎn)}，記作T={C, P, O, L}；事故響應(yīng)集{定義、響應(yīng)部門、處置者、疏散對(duì)象}，記作L={D, R, H, E, Ot}。定義事故概況集，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)得到的相關(guān)信息劃分要素，即{事故類型、形式、對(duì)象、地點(diǎn)、響應(yīng)等級(jí)}，記作五元組O={α, β, γ, χ, δ}。

定義事故關(guān)鍵詞表單Keyword(list)={k1, k2,…, ki,…}，表示對(duì)應(yīng)的檢索詞，順序檢索表單中的各項(xiàng)，根據(jù)C→P→O→L逐漸縮小表單檢索范圍。以火災(zāi)事故F114為例，首先通過(guò)條件確定當(dāng)前事件的類型C為火災(zāi)事故，再依次對(duì)事故的形式（P）、對(duì)象（O）、地點(diǎn)（L）條件進(jìn)一步檢索，過(guò)濾出與事件信息相匹配的事故特征。在檢索的過(guò)程中計(jì)算匹配度，記作η=Simlarity(Sa(ka)→Sb)表示以Sa集檢索詞ka為目標(biāo)，檢索指針指向Sb集的每一要素，如果找到目標(biāo)則η=1，返回Sb集的指定要素，否則η=0。其中約束條件為：

η(α→C)=1；η(β→P)=1；η(γ→O)=1；η(χ→L)=1； η(δ→D)=1

根據(jù)事故與分類特征的匹配度，提取滿足當(dāng)前事件特征的應(yīng)急響應(yīng)各要素，組合成事故的應(yīng)急響應(yīng)方案，即Level={D∨R∨H∨E∨Ot}，從而對(duì)事故進(jìn)行處置。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章從高速鐵路應(yīng)急管理業(yè)務(wù)的分析出發(fā)，結(jié)合新一代信息技術(shù)設(shè)計(jì)高速鐵路監(jiān)測(cè)預(yù)警與應(yīng)急平臺(tái)，解決基于情景的方案生成技術(shù)，搭建高速鐵路監(jiān)測(cè)預(yù)警與應(yīng)急平臺(tái)。平臺(tái)采用云計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)硬件、軟件和數(shù)據(jù)資源的共享，將有效地避免基礎(chǔ)資源利用率低、監(jiān)測(cè)信息無(wú)法充分利用、應(yīng)急處置過(guò)程協(xié)調(diào)不通暢等問(wèn)題。

[1] 王富章.鐵路突發(fā)事件應(yīng)急管理研究[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2011.

[2] 京滬高鐵公司管理信息系統(tǒng)總體方案[R].京滬高速鐵路有限責(zé)任公司，2013.

[3] 劉建峰，王海峰，黃建玲.基于多源信息融合技術(shù)的交通安全應(yīng)急平臺(tái)建設(shè)[J].中國(guó)交通信息化，2013（增刊）：16-17.

[4]吳艷華,王富章,李 平.韓國(guó)鐵路應(yīng)急管理及啟示[J].中國(guó)鐵路，2011 （9）：69-72.

責(zé)任編輯 徐侃春

Resource sharing based high-speed railway monitoring and early warning emergency platform

WU Yanhua, WANG Fuzhang, LI Ping, WANG Yingjie
( Institute of Computing Technologies, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China )

In view of the high-speed rail company's functions of transportation regulation and safety supervision, based on the existing railway emergency platform, the high-speed railway monitoring and early warning emergency platform was designed depending on cloud computing technology. It would solve the bottleneck problems about low utilization of basic resources, underutilization of monitoring information, and unblocked of emergency response coordination process on the traditional emergency platforms. Based on the unique attributes of high-speed railway, the intelligent scheme was suggested based on the scenarios.

high-speed railway; emergency management; resource sharing; cloud computing technology; accident scenario

U29∶TP39

A

1005-8451（2015）09-0017-05

2015-02-11

中國(guó)鐵路總公司科技研究計(jì)劃項(xiàng)目（2014F001，2013X009-A-1）。

吳艷華，助理研究員；王富章，研究員。