基于资源共享的高速铁路监测预警与应急平台研究

吴艳华，王富章，李 平，王英杰

（中国铁道科学研究院 电子计算技术研究所，北京 100081）

铁路信息技术

基于资源共享的高速铁路监测预警与应急平台研究

吴艳华，王富章，李 平，王英杰

（中国铁道科学研究院 电子计算技术研究所，北京 100081）

鉴于高速铁路公司运输监管、安全监督的职能，在现有铁路应急平台的基础上，基于云计算技术设计高速铁路监测预警与应急平台，将解决基础资源利用率低、监测信息利用不充分、应急处置过程协调不通畅等传统应急平台的瓶颈问题。基于高速铁路的特有属性构建突发事故情景，提出基于情景的智能方案生成方法。

高速铁路；应急管理；资源共享；云计算技术；事故情景

中国的应急平台体系建设正在逐步完善。目前，中国铁路正在逐步构建铁路总公司、铁路局/公司和站段三级应急平台体系[1]。高速铁路成为近几年铁路建设的重中之中，高速铁路投入运营后，高速铁路公司的职能由建设期的“以工程建设为核心”转变为“以资产运营为核心”，同时兼顾“运输监管”和“安全监督”[2]。高速铁路的应急管理工作具有技术先进、安全管理要求高、救援难度大等特点，以现有的铁路应急平台体系为基础，结合高速铁路各类监测和检测设施，进一步完善铁路应急平台体系，成为中国铁路目前面临的应急管理技术问题之一。

了解国内应急平台系统尤其是交通行业应急平台系统建设情况可知，普遍存在基础资源利用率低、监测信息无法充分利用、应急处置过程协调不通畅等瓶颈问题[3]。随着云计算等新一代信息技术的成熟应用，利用物联网、云计算和大数据技术进一步整合现有资源，构建满足高速铁路应急管理需求的监测预警与应急平台体系，成为解决中国铁路应急管理技术难题的有效方法。

文章基于高速铁路各类监测感知设备采集的信息，提出基于硬件、软件和信息等多种资源共享的监测预警与应急平台总体架构，提出高速铁路突发事件情景定义，解决基于情景的方案生成关键技术，构建云架构的高速铁路监测预警与应急平台。

1 高速铁路应急管理分析

高速铁路的应急管理工作过程，以突发事件为主线可以分为事前、事中、事后3个阶段，以管理阶段为主线可以分为预防、准备、响应和恢复4个阶段，依据高速铁路应急管理的主要工作重点，预防阶段的管理工作主要包括设备检测监测、风险监控、安全评估和计划管理等，准备阶段的工作主要包括日常的应急值守、预案管理、应急资源的管理维护和模拟演练任务等，响应阶段是突发事件发生时要做的工作，主要包括智能方案生成、协同指挥、与地方政府和相关机构的应急联动等，恢复阶段的工作主要包括资源补充、案例制作、总结评估和预案的修订等。

2 平台总体架构

高速铁路监测预警与应急保障平台，为应急管理机构和应急指挥者提供服务，对相关业务过程、数据和成果进行全方位的管理。平台总体架构如图1所示。

2.1 感知层—基于物联网技术的监测信息感知

感知层可以比喻为高速铁路监测预警与应急保障平台的感觉器官，感知层是平台获取信息的一个重要途径。感知层通过物联网、北斗导航等新一代感知技术，通过高速铁路基础检测设施、动车状态监测设备，防灾安全监控系统的大风监测仪、雨量监测仪、异物侵线监测仪、大雪监测仪、地震监测仪等，以及条形码、电子标签、RFID射频设备、GPS定位设备、手持读入设备、视频监控等终端设备，采用人工和自动相结合的方式，动态、实时、智能化地识别、感知、定位、跟踪、采集、监控、管理高速铁路车、机、工、电、辆等各专业现场信息，为平台提供及时、准确的数据来源。

2.2 传输层—基于新一代网络技术的监测信息传输

图1 高速铁路监测预警与应急保障平台总体架构

传输层是高速铁路监测预警与应急保障平台的血管，是平台将采集到的数据安全、快速地传输到数据中心的通道。平台的传输层采用铁路内部服务网、无线传输（Wifi）、通用分级无线服务（GPRS）、第二、三、四代移动通信（2G、3G、4G）技术、虚拟专用网（VPN）技术、移动互联技术、卫星通信技术等数据传输技术，为平台数据的上传和调度指令的下达提供实时的通道，保证应急管理和事故指挥者通过固定终端、移动终端等随时随地获取数据、声音、视频和报警消息，同时保证交通不便、通信基础薄弱的地区通过卫星通信等技术实现应急突发信息的上下行数据传输。

2.3 数据存储、资源和加工层—基于云计算和大数据技术的数据中心

（1）数据存储层、数据资源层和数据加工层是高速铁路监测预警与应急保障平台的大脑，是平台对突发事件发生前、事故发生过程中和事故处置后等各阶段的相关数据进行存储、管理和分析处理的主要场所。（2）数据存储层通过云计算技术实现网络、存储等硬件资源的虚拟化，构建高速铁路应急云数据中心，对数据进行统一的存储管理。同时，通过集群应用、网格技术和分布式文件系统等技术，实现云存储中心设备的逻辑虚拟化管理、多链路冗余管理和协同工作，实现数据的建构、组织、定位、分类、编码、检索、更新和维护等。（3）数据加工层是高速铁路监测预警与应急保障平台的大脑和运算中心，加工层利用数据中心存储的各业务领域、全生命周期数据，采用大数据技术对结构化数据和非结构化进行深入的挖掘、加工和处理，实现对存储数据的按需排序、筛选、组织、有条件透视等相关操作。（4）数据加工层根据业务应用的不同，封装Web服务、GIS服务、数据访问、数据处理、综合分析和报表统计等业务组件，实现时空一体化大数据的统计、访问、处理、分析等。

2.4 业务应用层—面向监测预警与应急保障的业务应用

业务应用层封闭平台的各个业务功能模块，实现业务功能按需的组件式安装，供访问层进行调用。

2.5 访问层

平台的访问层通过SSL VPN、Web、移动互联等技术，构建高速铁路监测预警与应急保障平台调度指挥中心，支撑浏览器、移动客户端等不同方式的平台访问。

3 平台部署架构

高速铁路监测预警与应急平台，与现有的铁路应急平台不是互相排斥的，而是互相补充的。由于该平台是依据高速铁路的组织机构特点而设置的，因此平台的部署和信息传递架构设计如图2所示。

由于高速铁路公司“以资产运营”为核心，同时兼顾“运输监管”和“安全监督”的职能定位，因此各铁路局将事故相关信息报送至高速铁路公司，达到一定响应等级的突发事件报送至铁路总公司，统一开展应急调度指挥。

图2 高速铁路监测预警与应急平台部署架构设计示意图

4 基于情景的智能方案生成

高速铁路突发事件处置方案，是事故处置过程中的有利依据。中国铁路突发事件分为自然灾害事故、事故灾难、公共卫生和群体性事故等4大类，这种分类方法指导相关预案的编制。

4.1 构建突发事件情景

在事故发生过程中，智能处置方案的生成需要更详细的事故情景信息。参考韩国轨道交通事故特征分类方法[4]，深入分析中国高速铁路事故类型（Class），将事故类型分为两大类，即非人为因素所致的事故类型I，包括列车系统故障、暴雨、暴风、暴风雪、地震等自然灾害所致事故；人为因素所致的事故类型II，包括列车相撞、脱轨、火灾、人员伤亡、平交道口与公路车辆相撞、恐怖主义袭击等所致的事故。在此基础上，又对各种事故按其形式（Pattern）、对象（Object）、发生地点（Location）等，再进行详细的分析。因此，高速铁路的事故类型C、发生形式P、发生对象O、发生地点L就构成高速铁路突发事件的情景，如表1所示。

表1 高速铁路事故情景

定义事故情景后，要根据事故发生初始阶段的相关信息，智能生成处置方案。根据事故的响应部门（或响应者），可将事故响应等级划分为3大类，分别是初级、内部和全面响应级别。初级响应级别，是指在事件的初始阶段由目击者、列车或车站工作人员等可以轻易进行处理的事件级别；内部响应级别，是指事件发生后可由专业的高速铁路工作人员，通过自身专业水平对事件进行处理的事件级别；全面响应级别，是指事件发生后，无法通过内部处置控制事件发展，需要公共应急响应部门（消防队、警察和医院等）协助对事件进行处置的事件级别。响应级别的信息主要包括其定义（Definition）、响应部门（Response Party）、处置人员（Handling）、疏散对象（Evacuation）、其它措施（Other）等。

4.2 事故应急响应模型

对事故类型和响应级别的详细分析，充分明确了事故所导致的潜在危害和应急响应过程中的事故响应主体，这为进一步深入分析事故应急处置打下的基础。轨道交通事故发生之初，能够充分掌握事故类型（C）、形式（P）、对象（O）、地点（L）信息。根据详细的事故分类方法，确定事故的分类代码。以火灾事故（C：Fire）为例，如果载有乘客的客运列车（O：①）车体（P：①）部位发生火灾，事故发生的位置位于隧道（L：④）内，则事故的代码为F114。在对事故类型及其相关属性进行了详细的定义后，应急管理部门根据事故的类型信息，对每类事故制定其对应的三级应急响应流程。

在事故发生之初，应急管理人员根据事故发生的相关信息确定事故的分类，并根据详细的分类信息确定事故的响应。为了形式化地表达轨道交通事故应急响应的过程，作出如下定义：

（1）将事故特征定义为Feature，其中类型（Class）、形式（Pattern）、对象（Object）、地点（Location）分别用C、P、O、L表示；

（2）事故响应级别定义为Level，其中定义（Definition）、响应部门（Response Party）、处置者（Handling）、疏散对象（Evacuation）、其它措施（Other）分别用D、Rp、H、E、Ot表示。

则根据如上定义，设应急响应的构成要素分别为：事故特征集{类型、形式、对象、地点}，记作T={C, P, O, L}；事故响应集{定义、响应部门、处置者、疏散对象}，记作L={D, R, H, E, Ot}。定义事故概况集，根据现场得到的相关信息划分要素，即{事故类型、形式、对象、地点、响应等级}，记作五元组O={α, β, γ, χ, δ}。

定义事故关键词表单Keyword(list)={k1, k2,…, ki,…}，表示对应的检索词，顺序检索表单中的各项，根据C→P→O→L逐渐缩小表单检索范围。以火灾事故F114为例，首先通过条件确定当前事件的类型C为火灾事故，再依次对事故的形式（P）、对象（O）、地点（L）条件进一步检索，过滤出与事件信息相匹配的事故特征。在检索的过程中计算匹配度，记作η=Simlarity(Sa(ka)→Sb)表示以Sa集检索词ka为目标，检索指针指向Sb集的每一要素，如果找到目标则η=1，返回Sb集的指定要素，否则η=0。其中约束条件为：

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

根据事故与分类特征的匹配度，提取满足当前事件特征的应急响应各要素，组合成事故的应急响应方案，即Level={D∨R∨H∨E∨Ot}，从而对事故进行处置。

5 结束语

文章从高速铁路应急管理业务的分析出发，结合新一代信息技术设计高速铁路监测预警与应急平台，解决基于情景的方案生成技术，搭建高速铁路监测预警与应急平台。平台采用云计算技术实现硬件、软件和数据资源的共享，将有效地避免基础资源利用率低、监测信息无法充分利用、应急处置过程协调不通畅等问题。

[1] 王富章.铁路突发事件应急管理研究[M].北京：中国铁道出版社，2011.

[2] 京沪高铁公司管理信息系统总体方案[R].京沪高速铁路有限责任公司，2013.

[3] 刘建峰，王海峰，黄建玲.基于多源信息融合技术的交通安全应急平台建设[J].中国交通信息化，2013（增刊）：16-17.

[4]吴艳华,王富章,李 平.韩国铁路应急管理及启示[J].中国铁路，2011 （9）：69-72.

责任编辑 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

中国铁路总公司科技研究计划项目（2014F001，2013X009-A-1）。

吴艳华，助理研究员；王富章，研究员。