基于多源信息融合的高铁智能安全保障技术研究

蒋丽丽，刘国梁，王英杰，封博卿，刘阳学，魏小娟，杨峰雁

（中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所，北京 100081）

1 概述

为实现铁路智能化发展蓝图，需要深入研究移动互联网、大数据、云计算、物联网、新一代人工智能等新技术，结合高铁智能化发展实际，形成面向智能建造与运营服务、智能动车组、智能调度与运行控制等关键技术集合，持续推进我国高铁的智能化升级，实现我国高铁走向世界、引领世界高铁科技变革的伟大目标[1-3]。

在智能安全保障方面，利用物联网新技术，形成了联网监控和信息综合应用全面感知系统，实现了多源信息输入、复合技防技术支持[4-5]，为智能高铁提供了包括基础设施安全、列车运行安全、运行环境安全等方面的全方位安全管理和监控，具体如下：

（1）加强固定、移动设施设备运营维护，确保基础设施安全。针对工务、电务、供电等不同专业基础设施特点，结合智能基础设施，分析不同专业基础设施安全检测监测智能化方案，系统性研究智能化基础设施安全防护体系，为我国未来高速铁路基础设施安全保障提供合理化技术发展建议[6]。

（2）以信息网络技术为基础，建立智能运行状态监控系统，确保列车运行安全。分析研究列车运行安全监控智能化设备发展方向，构建车地联动的列车运行安全智能监控系统架构，设计安全监控信息全流程闭环管理方案以及监控故障协同应急响应工作模式。深化人工智能、物联网等智能技术研究，为列车安全运行提供技术保障[7]。

（3）建立高铁防灾安全监控系统，防止地质灾害及周界侵限影响。建立完整的高铁自然灾害及异物侵限智能监测技术体系；突破高铁自然灾害预警及报警信息的自动处置技术，提升高铁风、雨、雪等灾害报警的处置能力和智能化水平。

（4）构建全天候、立体化的高铁治安防范保障技术体系，确保治安防范[8]。利用物联网新技术形成联网监控，搭建信息综合应用全面感知系统，通过多源信息输入，加强复合技防技术支持，构建人机智能交互，建立基于列车运行及基础设施和周边环境监测的“人防、物防、技防”全方位一体化高铁智能安全保障体系[9-10]。

目前，在高铁安全保障方面，已经建成全面覆盖高铁行车安全和基础设施的数10 种检测监测系统。运用大数据方法，评估分析高铁设施设备的运用、维护、检修信息，掌握服役状态和性能变化规律，为修程修制优化、故障预测、故障处置等提供技术支撑。现有高铁智能安全保障体系见图1。

图1 现有高铁智能安全保障体系

2 需求分析

2.1 外部环境需求

2.1.1 自然灾害与异物侵限等偶发情况影响加剧

我国山地面积占陆地总面积的2/3，高铁列车常穿行于位置偏僻、环境恶劣的山区，滑坡、泥石流等自然灾害长期威胁运营安全。运行速度的不断提升对高铁安全提出了更高要求，尤其是如何对高铁沿线自然灾害进行监测和安全预警备受关注。另外，异物侵限也考验着高铁的安全运营。常见异物侵限有滚石、落物、动物等，具有突发性和无规律性等特点，严重威胁列车安全。

2.1.2 反恐防范与处置面临严峻挑战

高铁运输存在客流密度大、人员结构混杂、线路跨度长等特点，易成为恐怖分子作案目标，一旦发生恐怖袭击，可能造成人员生命、财产巨大损失。虽然我国各地公安机关在高铁反恐防范与处置方面取得了一定成效，但恐怖分子仍对铁路构成一定威胁，铁路系统与地方政府、公安联防各部门应急救援联动机制需进一步建立健全，避免救援不及时造成不必要的损失。

2.2 内部环境需求

2.2.1 基础设施设备安全保障需求

随着高铁线路的增多及其安全保障需求的提高，传统养护维修、排查安全隐患和预测灾害方法效率低下，亟须更加完善的设施设备、列车状态监测和诊断系统，以及对相应桥梁、隧道、车站、站场、重要立交道口等更密切地监测。

2.2.2 列车运行安全监控需求

由于高铁列车运行速度快、行车密度大，以及高速运行导致的空气阻力、列车对线路冲击力等大幅提高，传统运行监控系统已不能满足要求。列车运行安全监控系统以信息网络技术为基础，以现场总线、故障诊断、无线传输、专家系统、数据库等技术为手段，以列车运营安全为目标，要求对主要设备的状态监测、数据采集、网络传输、故障处理、远程监控、安全防护等功能实现自动化、智能化，采用更完备的列车运行控制系统和设备监测设施和备用装置，以消除事故隐患。

2.3 内外联动需求

在高铁设施设备状态、列车运行控制以及周边运行环境实时监测和资源数字化管理的基础上，要求形成铁路内部各专业、各岗位、上下级，车站与列车，车站与地方之间的信息及时沟通和处置任务的协同联动。

当发生突发事件时，要求将“人员-资源-设备”依据突发事件等级进行有效协同指挥，车站要与列车、公安、消防、医疗、应急物资储备以及地方医疗机构、应急救援专业队伍、特种救援设备等协调联动。

2.4 趋势发展需求

2.4.1 基础设施保障全面感知技术需求

形成“自感知、自适应、自诊断”的养护维修监测技术应用，实现问题的“自学习、自处理”等功能，实现高铁灾害防治的智能化维护。

2.4.2 行车安全智能监控系统需求

提高车辆运维技术、现代车辆维修理论和管理模式、状态监测和故障诊断、预测性维修技术，同时发展联网监控列车监控子系统，实现列车安全智能监控。

2.4.3 自然灾害及异物侵限智能监测技术需求

高铁大风时空预警模型；高铁灾害及异物侵限实时监测；灾后应急措施的有效及时；灾前预测和灾后处理融为一体；全方位一体化高铁智能安全保障体系。

2.4.4 反恐安全防控及预警技术需求

大数据在高铁反恐中的应用；智能反恐预警决策系统；防灾网与中国地震台网、国家气象网的三网融合。

3 总体架构

以高铁基础设施设备、列车运行、自然灾害及异物侵限预警中的固定、移动设备为研究对象，通过研究智能安全监控技术、智能安全检测监测技术以及智能安全评估与预警技术，建立智能设施设备的监测和在线智能诊断系统、列车运行安全保障系统、环境监测与灾害预测报警系统以及事故救援和减灾系统，用于智能高铁的设施设备的安全维护、安全态势分析、预警、应急以及辅助决策。

综合利用新型检测监测技术，提高铁路基础设施设备维修管理水平，确保基础设施设备安全，保障智能基础设施在业务各环节中各种数据的机密性、完整性、真实性和网络的容错性，具体如下：

（1）针对工务基础设施特点，研究提出工务基础设施安全检测监测体系总体框架，明确主要组成部分和功能需求，开展基于智能感知环境下轨道几何状态、钢轨廓型、轨道关键部件与路基、桥涵、隧道状态检测与监测技术方案研究，科学制定检测项目及技术指标；

（2）针对供电设施设备特点，研究提出铁路供电综合安全检测监测系统智能化方案，以实现对供变电设备和接触网全方位及全天候的安全检测；

（3）针对电务设备特点，研究建立车载和地面信号设备的一体化、全方位安全检测监测技术体系，重点针对轨道电路传输特性、道岔转辙设备、机车信号、牵引回流以及信号设备与其他专业设备的结合部等重要行车设备，开展安全检测监测方案研究。

智能安全保障技术总体架构见图2。

图2 智能安全保障技术总体架构

4 关键技术预测

结合物联网新技术，形成联网监控和信息综合应用全面感知系统，采用多源信息输入，复合技防技术支持，加强人机智能交互，闭环安全管理，建立列车运行及基础设施一体化安全保障系统和周边安全隐患与列车运行的自动控制综合安全保障系统，自动识别周边安全隐患和自动控制综合安全保障体系。通过智能检测机器人或PHM，对列车进行智能检测检修。通过智能安全保障，推进高铁沿线灾害报警装置的自动化，提高灾害监测系统整体的技术水平和决策支持能力。同时，提高高铁沿线灾害监测的预警能力和防灾减灾水平，减少人工干预，形成“人防、物防、技防”的全方位一体化高铁智能安全保障体系。智能安全保障关键技术预测见图3。

图3 智能安全保障关键技术预测

4.1 基于全面感知的基础设施安全检测监测体系研究

在工务、供电、电务基础设施方面，将形成“自感知、自适应、自诊断”的养护维修监测技术的应用，增强设备工作的稳定性和适应性，实现问题的自学习、自处理等功能，实现高铁灾害防治的智能化维护。

4.1.1 自感知工务基础设施检测与监测系统

系统包括车载系统及地面分散系统，点多面广，因此需要建设检测与监测信息网络来实现工务基础设施各类设备状态的自动收集和集中管理，建成分散检测、集中报警、网络监测、信息共享的工务检测与监测数据集成平台。各类设备必须遵照统一的接口、数据格式和通信协议，实现与数据集成平台的数据交互。集成平台对各系统数据进行集成、综合分析、信息共享，为工务管理决策部门和维修部门服务。

4.1.2 智能化供电综合安全检测监测系统

对已有分散检测、监测设备进行功能完善、技术集成，形成分层分布式结构，使之成为具有综合处理功能的检测与监测平台，指导供电设备的日常维护和维修。对各检测、监测数据库进行综合分析、专家诊断，成为具有开放式设计构架，能兼容接入其他智能检测、监测设备，保障供电设备安全运行。

4.1.3 自适应设备信息智能化管理

充分利用信息化、数据化的设备检测监测手段改造传统作业模式，综合利用6C 系统、单兵巡视设备、接触网巡检仪等信息化视频监测系统，实现全天候、全时段、全覆盖设备检测监测，突出加强视频信息综合分析，借助无线网络，对检测监测信息即时传递，形成路局数据监控中心、站段调度指挥中心、车间分析中心3 级视频信息综合调用分析长效机制。同时，加强SCADA 复示终端系统维护管理，实现牵引供电、电力设备运行状态的遥控、遥信、遥测及调度管理，对重要设备运行状态实时在线监控，重点建设以先进检测设备为主、以人工测量为辅、动静态相结合的设备检测系统，全方位、多角度、立体式准确反映设备运行状态。

4.1.4 施工作业智能综合安全监控技术

（1）借助先进成熟的地理信息系统、全球定位系统和移动通信技术，实现工务作业的定位跟踪和数据回传，可为安全生产管理和应急故障处理等提供技术支持；（2）使用具备摄像功能的移动终端，综合移动通信、终端软件远程控制等技术，实现对路外施工、防洪区段、现场作业等现场环境的实时监控，可为安全生产管理、应急故障处理等提供实时可视化支持；（3）借助远距离无线通信技术获取列车位置信息，为工务现场作业防护提供信息预警；（4）利用二维码图像扫描识别技术在上道作业和作业结束下道前点验人员、机具和主要材料，加强上线作业安全管理，避免机具和材料遗漏。

4.2 集成化的列车运行安全自动监控系统

研究列车运行安全监控设备的自动化、智能化技术。

（1）利用车载检测传感器、地对车监控设备的集成化、微型化、自动化研究，大幅提高检测设备监控精度、降低设备组成复杂度、增强设备运行稳定性。

（2）通过信息智能监控报警技术研究，实现行车异常全自动实时报警，利用多源监控信息实现运行故障综合自动诊断及报警提示。

（3）立足于铁路大数据平台、高速通信网络等未来信息化条件，研究构建行车安全智能综合监控系统的总体系统架构、网络架构、功能架构等关键系统设计，提出车地联动的多源综合实时监控方案。

（4）提出行车安全监控总体业务管理方案。设计行车安全监控信息实时自动报警、快速应急响应、现场实施处置、故障复核检修的全流程闭环管理方案，结合监控系统的智能化应用功能，实现高效的列车监控管理业务能力。

（5）在列车运行安全地面监测设备、联网监控及信息综合应用系统方面，将提高车辆运维技术、现代车辆维修理论和管理模式、状态监测和故障诊断、预测性维修技术。同时发展联网列车监控子系统，进行信息化顶层统一规划，结合大数据分析、人工智能技术等新科技实现智能监测动车组安全。制定车辆安全监测系统联网总体方案，明确各型探测设备数据接入规范，与车辆管理信息系统信息建立共享机制，中国国家铁路集团有限公司统一制定数据流程、数据接口。

4.3 多源高铁自然灾害及异物侵限智能监测技术研究

研究高铁自然灾害及异物侵限监测范围，智能监测、传输、决策、处置技术，信息安全保障体系及相关标准规范，形成完整的高铁自然灾害及异物侵限智能监测技术体系。研究大风预测和结合风向的大风时空预警模型，研究风、雨、雪灾害监测报警信息自动控车相关技术。研究基于物联网、北斗卫星、无线传感网、雷达、智能视频等多种技术融合的高铁侵限监测技术，监测高铁沿线重点地段、桥梁、隧道口等处所，全面保障列车运行安全；开展高铁灾害监测大数据分析技术研究，对灾害监测、报警数据及设备状态数据进行挖掘分析，研究高铁灾害特性、时空分布演化规律，开展高铁灾害监测点布设优化，灾害预测、预警、报警处置规则优化，设备故障预警和健康管理，系统评估等大数据分析应用，充分发挥大数据对灾害监测、系统优化、标准制定等的决策支持作用。实现高铁灾害及异物的实时监控，以及灾后应急措施的有效及时，将灾前预测和灾后处理融为一体。综合应用多种数据源，结合大数据及人工智能技术，建立全方位一体化高铁智能安全保障体系，避免高铁事故或将其损失降至最小。

4.3.1 大风时空预警

建立大风时空预警系统，实时监测风速和风向，通过对地理信息各因子的运算、历史资料导入、沿线风速监测点数据库分析等综合判断，为行车指挥控制系统提供较合理的行车速度限制指令信息。为了实现系统对风速的采集监测，在现场设置风速风向仪，用于采集实时风速数据。当系统采集到影响列车运行的强风时，对照预先设定的报警阈值，发出风速警戒，并将实时风向风速信息及报警信息传输至调度终端。调度终端接到报警信息后，根据调度终端显示的行车建议采取相应的列车管制措施，并利用数据库服务器进行数据存储。

4.3.2 灾害报警自动控车

主要对危及铁路行车安全的自然灾害、异物侵限、突发事件等进行实时监测，采集监测信息、集中管理、分布应用，提供及时准确的灾害报警和预警功能，防止或减少灾害对高铁列车运行安全的影响。灾害报警自动控车系统可细分为5 个子系统，其设备分别针对不同的灾害类型，具体如下：

（1）风监测子系统。主要实现风速、风向数据的集中实时采集监视和风速报警，根据现场实时风监测数据，依据设定的相关报警规则，通过分析软件实时给出风速不小于最低风速报警阀值条件下的警示信息。

（2）雨量监测子系统。主要实现实时采集铁路沿线降雨量信息，通过处理、分析实时监测降雨量，当降雨量达到一定阈值后发出警报，对列车进行运行管制。

（3）雪深监测子系统。主要实现实时采集铁路沿线降雪量信息，通过处理、分析实现雪深报警等功能，当降雪量达到一定阈值后发出警报，对列车进行运行管制。

（4）地震监控子系统。通过在铁路沿线安装强震仪实现地震信息的实时采集监测，按照功能可分为地震报警和预警。地震报警功能是指通过监测地震S 波，当地震动加速度达到一定阈值后发出警报，对牵引供电和列车运行采取控制措施，减少灾害损失；地震预警功能则是指监测地震P 波，利用电磁波和地震波、P 波和S 波的速度差，在地震发生后，当破坏性地震S波尚未来袭的数秒至数十秒之前发出预警，采取相应措施，避免重大人员伤亡和经济损失。

（5）异物侵限监控子系统。主要在异物侵入铁路界限可能对列车运行安全造成影响的场所，如公跨铁桥、隧道口、公铁并行地段等安装双电网、激光等设备，实现异物实时监测，通过接口继电器把报警信息实时传至列控系统、调度指挥系统，控制列车及时停车。

4.3.3 多种技术融合的高铁侵限监测

在新型复合传感技防技术方面，开展长航时无人机、激光雷达、安防机器人等新型技防手段与双电缆传感器、光缆传感器、红外线、微波和视频监控等多种监测技术数据相互融合，综合分析侵限情况及危害程度，分析应用人工智能相关技术，从入侵目标识别跟踪，高铁环境图像增强、入侵行为分析、破坏检测等方面对视频智能识别相关理论和方法展开深入研究。

4.3.4 灾害监测大数据分析技术研究

由于自然灾害因子众多，动力机制复杂，强风、大雨、大雪等自然灾害发生的范围和程度呈现出趋势性、周期性和随机性的叠加状态；地震灾害等具有突发性的特点。针对不同类型的自然灾害，需要采用不同的预测方法应对。在大数据技术应用中，对风、雨、雪等自然灾害的预测可采用数学建模方法，预测铁路沿线发生大风、大雨等自然灾害，指挥行车；对于地震、滑坡、泥石流等突发性自然灾害，则利用大数据技术对海量历史数据进行分析，解决传统数据无法分析的问题，得出其发生的大致规律，实现提前预防，减少自然灾害对行车安全的影响。

研究基于融合网络架构下的大数据预警系统，对预警系统的总体框架和策略进行分析，基于实际铁路场景研究预警数据处理算法。同时，基于融合架构研究预警通知算法，包括预警内容生成、列车定位工作流程和预警消息信令流程。通过大数据技术，结合异物侵限发生的时间、发生环境、造成危害等数据，利用数据挖掘技术，挖掘出异物侵限发生的大致规律，为异物侵限监测提供提前的预防措施。

4.3.5 基于高分辨遥感的高铁周边环境安全保障

研究利用遥感卫星和无人机采集高分辨遥感数据，通过遥感影像动态变化监测技术实现高铁沿线周边环境安全状况的监测，及时掌握铁路周围环境的变化。根据铁路沿线安保区及线路轨道安全区等地理位置范围数据进行筛选、判别，建立安全保障目标特征库，形成应急和周边隐患发现、处理、检验、监测的应用方案，实现周边环境安全的提前预防、及时发现、及时制止，保障高铁运行环境安全。

4.4 基于GIS+大数据的高铁智能预警反恐技术研究

4.4.1 高铁线路和基础设施设备安全反恐

利用智能视频监控技术，对视频监控图像进行自动化识别，搭建数据平台，加强情报信息预警；建立安全防控边界，配备移动警务终端，利用北斗定位技术实时监测巡检信息；利用GIS+BIM 的深度融合，拓展高铁设施设备的反恐监控范围，为大数据分析处理管控打牢基础，升级数据传输功效，实现实时更新，构建实名制数据与涉恐重点管控人员信息碰撞、比对，推动查控信息化与基层警务工作深度融合。

4.4.2 反恐预警决策技术

建立基于铁路地理信息的反恐预警平台，集成基础设施设备、列车运行以及周边环境的安全信息，接入地方交通、市政、医疗、消防等部门的预警信息，实现信息共享，高效反馈，共同决策，建立有效的应急救援联动机制，提高反恐决策处置水平。基于大数据等技术的应用，实现高速铁路防灾网与中国地震台网、国家气象网的三网融合，系统优化我国高铁灾害监测预警模型，提升预警的准确性和时效性。

4.4.3 基于物联网的高铁应急处置技术

物联网实现物物相连与万物互联，大数据分析实现海量数据挖掘及预测预警，云计算实现超强的计算处理，人工智能实现基于现有知识的自适应学习。结合大数据分析、人工智能等技术，建立基于人工智能技术的专家知识库，形成高铁基础设施、列车运行以及周边运行环境安全监控模型、突发事件预警模型、协同联动模型、应急疏散模型、应急评估模型，实现应急处置方案的自动生成，将“站内人员-资源-设备”依据突发事件进行有效协同指挥，车站与列车、公安、消防、医疗、应急物资储备，以及地方医疗机构、应急救援专业队伍、特种救援设备等协调联动，提升应急发现和处置的信息化和智能化，提高应急状况的处置水平。

5 技术路线

智能安全保障技术路线分为4 个阶段：起步阶段、深入阶段、整合阶段和巩固阶段（见图4）。

图4 智能安全保障技术路线

起步阶段（目前—2020 年）：安全保障需求分析。分析国内外轨道交通行业中安全保障需求的发展历程、现状、趋势，传统的安全保障系统已远不能满足要求。从对高铁运行安全产生影响的“人、机、环境”方面，探讨高铁的运行安全和安全保障信息系统，分别对铁路基础设施设备安全、列车运行安全监控和高铁灾害及侵限监测进行研究。

深入阶段（2020—2025 年）：关键技术研究及技术集成。综合应用物联网、云计算、移动互联网、大数据、北斗等新一代信息技术，基于全面感知的基础设施安全检测监测体系，研究高铁列车运行安全智能监控系统、高铁自然灾害及侵限智能监测、高铁车站和线路的智能反恐等关键技术。

整合阶段（2025—2035 年）：建立统一安全保障体系。建立列车运行及基础设施一体化安全保障系统、周边安全隐患与列车运行自动控制综合安全保障系统，提高高铁智能安全保障整体技术水平和决策支持能力。

巩固阶段（2035 年— ）：全面应用阶段。形成“人防、物防、技防”的全方位一体化高铁智能安全保障体系，推动高铁安全保障体系从信息化、数字化走向智能化。