鐵路外部環(huán)境安全監(jiān)測方案研究

包云， 李亞群， 沈鹍， 張萬鵬， 傅薈瑾

（1. 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081；2. 北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司，北京 100081；3. 中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081）

0 引言

普速鐵路雖然設(shè)立安全保護區(qū)，高速鐵路線路采用全封閉管理，但由于自然災(zāi)害或人為因素造成的限界入侵問題日益凸顯，嚴(yán)重威脅列車運行安全和正常的行車秩序。雖然鐵路部門聯(lián)合地方政府一直致力于外部環(huán)境安全隱患治理，但鐵路外部環(huán)境安全事故仍時有發(fā)生。

目前，鐵路外部環(huán)境安全檢查主要以人工定期巡視為主，巡檢效率低、范圍有限，經(jīng)濟性及時效性差，難以獲取全局信息，亟待通過智能化手段提高鐵路外部環(huán)境安全監(jiān)測的技術(shù)水平?，F(xiàn)有針對鐵路外部環(huán)境安全治理和防護的研究多從管理角度進行［1?5］。在此重點從技防的角度研究鐵路外部環(huán)境安全監(jiān)測技術(shù)，結(jié)合5G（第五代移動通信技術(shù)，5th Generation Mobile Communication Technology）、邊緣計算、人工智能等技術(shù)，研究鐵路外部環(huán)境安全監(jiān)測方案，進一步提升鐵路外部環(huán)境安全防護能力。

1 鐵路外部環(huán)境安全防護難點

鐵路外部環(huán)境安全隱患是作用于鐵路安全保護區(qū)及鐵路安全影響區(qū)域的各種活動直接或間接地形成人的不安全行為或物的不安全狀態(tài)［1］。《鐵路安全管理條例》［6］對鐵路線路安全保護區(qū)的范圍和管理做出了明確規(guī)定，但是鐵路安全保護區(qū)仍然存在各種風(fēng)險。鐵路外部環(huán)境復(fù)雜，按照外部環(huán)境隱患成因、可能造成的后果、涉及專業(yè)等因素可將隱患分為危險品、硬飄浮物、輕飄浮物、違建違占、違法施工、樹木種植、道口安全等21類［1，6?8］。鐵路外部環(huán)境安全防護難點如下：

（1）外部環(huán)境安全隱患類型眾多，防護復(fù)雜。需要結(jié)合不同隱患出現(xiàn)的特征分類防護，如沿線燒荒、堆載及私搭亂建、違規(guī)建筑等問題，需加強宣傳和完善相關(guān)法律法規(guī)，同時增加技防手段；針對飄浮物、在鐵路上行走坐臥等問題，非法行為的主體多為路外單位或個人，宜增加技防手段對重點隱患發(fā)生區(qū)段進行監(jiān)測。

（2）防護重點區(qū)域較難確定，全線防護投資及維護工程量巨大。我國擁有世界上最大規(guī)模的鐵路網(wǎng)，鐵路沿線人文地理環(huán)境復(fù)雜，設(shè)備設(shè)施位置分散，不可避免受到周邊環(huán)境影響，而侵限事件發(fā)生具有短時性、隨機性、突發(fā)性等特點，如上跨高鐵的道路上通行超載、超高車輛屬于短時、隨機性事件，風(fēng)箏、塑料薄膜等輕質(zhì)漂浮物侵入限界與大風(fēng)等突發(fā)外因相關(guān)。侵限事件的突發(fā)性和隨機性，導(dǎo)致無法確定線路的重點防護區(qū)域。除了建設(shè)綜合/專業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)外，全線布設(shè)技防設(shè)備工程投資及維護工作挑戰(zhàn)巨大，目前，技防設(shè)備一般布設(shè)在沿線重點防護區(qū)段。

（3）防護需要地方政府配合和社會力量積極參與。鐵路安全保護區(qū)范圍有限，安全隱患治理需要地方政府大力配合，同時，需要加強路外環(huán)境安全宣傳，提高公民自主防護意識。

2 鐵路外部環(huán)境安全保障體系

根據(jù)《高速鐵路安全防護管理辦法》［9］第三條：高速鐵路安全防護堅持“安全第一、預(yù)防為主、依法管理、綜合治理”方針，堅持技防、物防、人防相結(jié)合，構(gòu)建政府部門依法管理、企業(yè)實施主動防范、社會力量共同參與的綜合治理格局。鐵路外部環(huán)境安全保障是一項系統(tǒng)工程，是人防、物防、技防相結(jié)合的安全保障體系［10］。

（1）人防。依據(jù)國家和鐵路行業(yè)相關(guān)法律法規(guī)，鐵路外部環(huán)境安全防護由鐵路各單位與地方各級政府協(xié)調(diào)聯(lián)動開展。鐵路單位排查外部環(huán)境安全隱患，根據(jù)隱患程度，定期或及時向地方政府報告，提出治理建議，跟蹤隱患整治全過程，記名驗收銷號。人防是目前鐵路外部環(huán)境安全隱患排查的主要方式。

（2）物防。物防是通過在現(xiàn)場設(shè)置物理防護設(shè)施設(shè)備進行防護，高速鐵路沿線布設(shè)防護柵欄，采用全封閉的防護方式；普速鐵路的重點防護地段設(shè)置防護網(wǎng)等物理防護設(shè)施。物防首先需要確定防護重點區(qū)域，可結(jié)合人工出巡、高空（衛(wèi)星）或低空（無人機）遙感等手段進行。

特別是2016年12月云南高鐵的開通運營，基本形成1小時覆蓋省內(nèi)高鐵城市，2至5小時通達周邊省會城市，8至12小時輻射珠三角、長三角和環(huán)渤海地區(qū)的高鐵交通服務(wù)生活圈，使北京、上海、廣州等千里之外的旅客利用周末、小長假到云南旅游、消費變成現(xiàn)實，為云南旅游開發(fā)、經(jīng)濟增長注入發(fā)展新動能。

（3）技防。技防是通過技術(shù)手段，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等相關(guān)技術(shù)進行智能化防護。技防不僅可以降低人力、物力的消耗，同時可提高防護范圍和智能化水平，尤其可對一些人員無法巡查的邊緣、危險區(qū)域進行防護，是未來發(fā)展趨勢。

3 鐵路外部環(huán)境安全監(jiān)測方案

針對鐵路外部環(huán)境安全監(jiān)測可采用定期排查和實時監(jiān)測結(jié)合的方案，通過遙感技術(shù)定期對鐵路沿線風(fēng)險源進行排查，確定重點防護區(qū)域，然后采用技防手段，對其進行實時監(jiān)測，鐵路外部環(huán)境安全監(jiān)測技術(shù)架構(gòu)見圖1。

圖1 鐵路外部環(huán)境安全監(jiān)測技術(shù)架構(gòu)

3.1 定期排查

遙感技術(shù)是從遠距離感知目標(biāo)反射或自身輻射的電磁波、可見光、紅外線，對目標(biāo)進行探測和識別的技術(shù)［11?14］。目前，鐵路外部環(huán)境安全監(jiān)測中使用的遙感技術(shù)包括高空遙感和低空遙感技術(shù)，如京滬高鐵利用衛(wèi)星遙感技術(shù)周期性排查鐵路外部環(huán)境安全隱患，實現(xiàn)對安保區(qū)內(nèi)違法建筑、違法占用行為的類別、規(guī)模、分布情況、危害程度的拾?。?1］。根據(jù)相關(guān)研究，基于衛(wèi)星遙感技術(shù)的鐵路外部環(huán)境安全監(jiān)測能夠提高安全監(jiān)管效率50%以上，減少一線作業(yè)人員工作量80%以上［12］。

高空遙感技術(shù)具有宏觀性強、影像色彩紋理豐富等特點，但是由于排查周期相對較長，采用低空遙感技術(shù)對沿線安全隱患進行排查更方便，可縮短排查周期。通過無人機攜帶高清攝像機飛臨鐵路上方違規(guī)建筑、高架橋等處所，將圖像實時傳回地面后對圖像信息進行分析研判，通過航拍全景式呈現(xiàn)，可有效避免由于人力排查無法到達而出現(xiàn)的隱患死角。目前，無人機在國內(nèi)外鐵路安全監(jiān)測取證、基礎(chǔ)設(shè)施檢測監(jiān)測、勘測設(shè)計和項目施工進度檢查、事故調(diào)查和災(zāi)害評估、宣傳等方面均有應(yīng)用［13?14］。

3.2 實時監(jiān)測

通過遙感技術(shù)可確定技防的重點區(qū)域，針對重點區(qū)域，可針對防護對象的特點，選擇雷達、視頻智能識別、振動光纖等單一或者組合技術(shù)進行監(jiān)測。由于鐵路外部環(huán)境安全防護的復(fù)雜性，單一手段很難滿足防護準(zhǔn)確性的要求，一般采用多種監(jiān)測方式結(jié)合的組合技術(shù)。鐵路外部環(huán)境安全實時監(jiān)測技術(shù)架構(gòu)見圖2，通過在現(xiàn)場設(shè)置監(jiān)測設(shè)備，將實時采集的信息通過有線、無線（4G、5G）等傳輸技術(shù)上傳至邊緣節(jié)點或監(jiān)測中心，開展智能分析，并將報警信息傳輸給調(diào)度、工務(wù)、公安等用戶，以便隱患或侵限得到及時處置。

圖2 鐵路外部環(huán)境安全實時監(jiān)測技術(shù)架構(gòu)

3.2.1 5G技術(shù)

5G 是具有高速率、低時延和大連接等特點的新一代寬帶移動通信技術(shù)［15］，是實現(xiàn)人、機、物互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，可實現(xiàn)鐵路大范圍外部環(huán)境安全監(jiān)測、信息的快速傳輸和處置，尤其是高清圖像信息的傳輸?；?G 的鐵路外部環(huán)境安全監(jiān)測技術(shù)架構(gòu)見圖3，5G可用于鐵路外部環(huán)境安全監(jiān)測信息的采集、傳輸、處理和報警處置等全過程。

圖3 基于5G的鐵路外部環(huán)境安全監(jiān)測技術(shù)架構(gòu)

（2）信息傳輸。5G 大帶寬特性可滿足多傳感器采集信息的傳輸需求。視頻作為鐵路外部環(huán)境安全監(jiān)測的主要或復(fù)核手段，視頻信息傳輸一直是應(yīng)用面臨的難題。5G網(wǎng)絡(luò)可以更好地承載視頻數(shù)據(jù)，基于5G模組的編碼推流技術(shù)可為視頻監(jiān)控提供實時傳輸，促進鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)由人工監(jiān)控向視頻自動監(jiān)控轉(zhuǎn)變。

（3）信息處理。5G 與邊緣計算、人工智能技術(shù)的結(jié)合使計算由監(jiān)測中心轉(zhuǎn)移至現(xiàn)場，節(jié)省了數(shù)據(jù)傳輸、處理交互時間，使隱患或侵限信息處置更及時，同時可顯著節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源。

（4）報警處置。5G 低時延特性可實現(xiàn)鐵路災(zāi)害信息的毫秒級傳輸，如對侵入軌道的異物或人等突發(fā)事件的處置，通過5G 傳輸給司機和調(diào)度人員，可提高侵限處置的時效性。

3.2.2 邊緣計算技術(shù)

邊緣計算是將計算任務(wù)在接近數(shù)據(jù)源的計算資源上運行［16］，在靠近數(shù)據(jù)源頭側(cè)采用網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲、應(yīng)用核心能力為一體的開放平臺，就近提供最近端服務(wù)，其應(yīng)用程序在邊緣側(cè)發(fā)起，能產(chǎn)生更快的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)響應(yīng)，以滿足實時業(yè)務(wù)的應(yīng)用需求。

鐵路沿線、車站建有綜合/專業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，列車配設(shè)車載視頻監(jiān)測設(shè)備，這些視頻為鐵路外部環(huán)境安全監(jiān)測提供了重要的基礎(chǔ)資料，但是視頻信息傳輸、存儲占用大量的網(wǎng)絡(luò)、軟硬件資源，邊緣計算技術(shù)的發(fā)展為基于視頻圖像識別等技術(shù)的外部環(huán)境安全監(jiān)測提供了解決方案。如在入侵監(jiān)測方面，現(xiàn)有包括雷達、振動光纖、視頻智能識別等多種探測技術(shù)均需要將采集的視頻信息傳輸至監(jiān)測中心進行評判，而侵限是小概率事件，大部分信息是無侵限時的信息，這些信息價值較小，但是傳輸、存儲占用了大量的資源?；谶吘売嬎慵夹g(shù)，可實現(xiàn)信息的現(xiàn)場評判，將報警信息傳輸至監(jiān)測中心，以便重要信息的提取，可節(jié)約網(wǎng)絡(luò)和存儲資源，降低網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)呢撦d量。

3.2.3 人工智能技術(shù)

人工智能是對人的意識和思維過程進行模擬并系統(tǒng)應(yīng)用的一門新興學(xué)科［17］，是研究用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的新技術(shù)。目前，人工智能在鐵路外部環(huán)境安全監(jiān)測中的典型應(yīng)用是基于計算機視覺的鐵路外部環(huán)境安全監(jiān)測，主要集中在基于視頻圖像識別的異物/人員入侵監(jiān)測方面［18?19］，基于視頻智能識別的人員入侵監(jiān)測見圖4。通過鐵路綜合/專業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)對入侵智能研判，結(jié)合邊緣計算、5G 技術(shù)，可實現(xiàn)鐵路外部環(huán)境安全信息的實時判識、快速處置，將危情信息傳輸至調(diào)度人員和司機，實現(xiàn)危情的快速處置和響應(yīng)。

圖4 基于視頻智能識別的人員入侵監(jiān)測

基于視頻智能識別的入侵（異物、人員）監(jiān)測難點在于識別的準(zhǔn)確性，由于受視頻圖像質(zhì)量、環(huán)境（白天、夜晚、下雨、光照）等影響，提高視頻圖像識別準(zhǔn)確性一直是研究人員主攻的目標(biāo)。

4 社會力量在鐵路外部環(huán)境安全監(jiān)測中的重要作用

進入數(shù)字時代，數(shù)據(jù)、鏈接、智能無處不在，社會力量在鐵路外部環(huán)境安全監(jiān)測中發(fā)揮的重要作用進一步凸顯，社會力量包括地方政府、鐵路公安、人民群眾等。鐵路部門在加強外部環(huán)境安全宣傳、治理的同時，需拓寬社會力量參與的渠道，在相關(guān)監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)考慮為社會力量參與留有接口，以發(fā)揮社會力量在鐵路外部環(huán)境安全監(jiān)測中的重要作用。

5 結(jié)束語

圍繞鐵路外部環(huán)境安全防護面臨的問題，提出鐵路外部環(huán)境安全監(jiān)測保障技術(shù)體系，重點研究其中的技防技術(shù)，提出采用空天地立體監(jiān)測技術(shù)對鐵路外部環(huán)境安全隱患進行定期排查和實時監(jiān)測結(jié)合的解決方案，探討5G、邊緣計算、人工智能等技術(shù)在鐵路外部環(huán)境安全監(jiān)測中的應(yīng)用。指出數(shù)字化時代需拓寬社會力量參與的渠道。研究對鐵路外部環(huán)境安全防護具有一定的參考價值。