大秦铁路煤尘监测系统应用研究

艾文凯，张 磊，易庆辉

（中国铁路太原局集团有限公司 计划统计部，山西 太原 030013）

0 引言

大秦铁路是我国首条双线电气化重载运煤专线，2021年大秦铁路运量突破4.2亿t[1]，作为我国西煤东运的主干线，承担着多家工矿企业的煤炭运输任务。秉承“负重争先、勇于超越”的重载精神，太原局集团公司在不断提高大秦铁路运输能力的同时，注重保护沿线生态环境，加快推进绿色铁路发展。

近年来，按照国家大气污染防治要求，大力实施煤炭运输抑尘治理，各煤炭装车点均建设了抑尘喷洒系统，实现了抑尘喷洒全覆盖，显著改善了煤炭发运站台周边及铁路沿线的大气环境质量，大幅减少了运输途中煤炭损耗。为彻底根治煤尘带来的不良影响，需要对煤尘的飘逸情况进行实时监测，为煤尘治理提供科学依据。在此背景下，结合大秦铁路沿线环境和运量实际，开发了煤尘监测系统——大秦铁路煤尘监测系统。该系统使用多种气象、煤尘、视频感知设施，通过通信网络进行信息传输与交换，使用监测系统进行决策及控制，从而可实时动态监测沿线煤尘飘逸及线路周围大气环境质量，实现了精准治污、科学治污[2]。

1 系统结构

大秦铁路煤尘监测系统由前端监测点、接入节点、地区汇聚点、监测中心平台4层结构组成[3]。在铁路沿线的重点区域设置前端监测点；在每个前端监测点临近的GSM-R基站或车站通信机房设置接入节点；在相应工务段机房内设置地区汇聚节点；在太原局集团公司设置监测中心平台。

该系统网络利用太原局集团公司信息综合网络及接入层传输网承载。机房内设备电源由既有通信、信息机房提供，为提供可靠电源，在接入节点新设UPS供电保障系统，室外设备电源由邻近铁路供电部门的供电设备提供。

1.1 前端监测点

沿线前端监测点处组立电杆并设置煤尘监测箱，用于实现气象、煤尘浓度、视频图像等数据的采集，并使用串口光纤调制解调器通过光缆传输数据至临近的接入节点。

1.2 接入节点

接入节点主要由智能数据网关及网络传输设备组成，对前端监测点传输的设备数据进行协议解析、转发。

1.3 地区汇聚点

地区汇聚点由视频存储、流媒体转发、网络等设备组成，汇聚区域内前端监测点的气象数据、粉尘数据、视频图像，并对汇聚的数据进行处理、存储，以减轻监测中心的图像处理和带宽压力。

1.4 监测中心平台

监测中心平台是整个系统的核心，为整个系统提供应用支撑，包括大屏展示、组织架构、安全认证、数据分析、流式计算、告警分析、设备管理、视频流媒体、GIS引擎等。

2 系统功能

2.1 监测指标

该系统共监测8项指标，分别为TSP(总悬浮微粒)、PM10、风速、风向、温度、湿度、气压、视频图像。主要监测指标为TSP，该指标告警阈值为600µg/m3，当现场实时采集的TSP数据高于该阈值时，系统自动生成告警信息，记录该告警发生时的风速、风向，后续可根据大量告警数据与对应的风速风向数据进行建模分析，得出风速、风向对粉尘污染影响的数据；同时视频监控模块与告警模块进行后端联动，客户端自动弹出现场实时视频图像，联动现场视频设备进行拍照存档。

如果该系统接入沿线车号识别系统数据，通过车辆车次、列车去向、通过时间、车辆离开速度等参数与TSP、风速、风向数据进行关联分析，可在定位导致煤尘升高车辆的同时，经过大量数据进行AI算法分析，得出列车去向、车辆速度、风速、风向对TSP的影响规律，为今后沿线扬尘治理提供数据支撑。

2.2 主要功能

大秦铁路煤尘监测系统功能主要包括：系统综合展示、数据分析、告警分析、报表分析、视频监控、系统管理，实现了前端监测点的视频图像与粉尘气象信息的实时动态监测、煤尘数据超限后的系列预告警动作、煤尘数据的统计与分析、物联网设备的接入与管理等功能。

2.2.1 综合展示

在一个页面展示包括场地实时信息轮巡、GIS信息、设备统计信息、高频告警排名、实时告警、历史告警曲线等功能；通过详尽的指标体系，实时反映所有监测点的运行信息，将数据形象化、直观化、具体化，为用户提供一站式展示当前系统运行总览信息。

2.2.2 数据分析

沿线监测数据通过多种图表、曲线进行展示，内容包括实时数据、历史数据及一段时间内的最大值、最小值、平均值等统计数据。通过私有化部署的离线GIS引擎，可以展示监测点实际的地理信息、场地数据、实时视频监控等信息。

在大秦铁路所属茶坞工务段内设置基准站监测点，监测铁路沿线的8项指标数据，通过基准站数据与沿线数据进行对比，得出反映实时污染程度的数据信息。记录同一时间点的TSP、风速、风向数据，通过对比分析，得出风速、风向对关联粉尘污染的影响，以便于为后续煤尘治理提供环境影响数据。

2.2.3 告警分析

沿线监测点的TSP数据通过流式计算与设定的阈值进行实时计算，超限时生成一条实时告警数据，当TSP数据恢复到正常范围后，该条告警结束，同时生成一条完整的告警数据并写入数据库。告警数据支持推送、查询、统计、确认等操作。

告警发生时，在系统的GIS页面、告警小窗口页面均有颜色闪烁告警提醒，自动弹出告警场地的视频图像并控制视频设备进行拍照存档，按照设定的告警等级发出不同的告警声音，支持通过APP、短信、邮件等推送告警信息，使告警信息通过不同渠道和提示方式向主管人员进行预警，保证告警提示无遗漏。

告警信息流完整，每条告警数据包括告警级别、告警描述、发生区域、发生设备、告警时的TSP值、告警发生时的风向和风速值、发生时间、结束时间、计算的持续时间、处理意见、处理的人员、处理时间等信息。

系统对告警数据进行计算、分析，包括某个监测点一段时间内的告警趋势、高频告警场地排名、按时间分析告警数量的占比等，形象、高效、数据化展示告警分析信息。

2.2.4 报表分析

该系统对监测的相关数据及告警数据进行计算、存储后，根据用户的需要，自动生成报表供管理人员分析，主要内容包括数据统计报表、告警统计报表、告警记录报表、日报表、周报表、月报表等。

2.2.5 视频监控

为满足使用有限的监控终端同时请求视频流和发出控制命令，通过分布式流媒体服务器将多个客户端的连接请求合并成一路视频流请求发送给部署在地区汇聚点的视频服务器，然后再转发视频数据给所有客户端，节省远程传输带宽，增加同时访问系统的客户端数量[4]。

对视频设备进行集中管理，模块化架构，包括录像管理模块、视频设备管理监测模块、流媒体转发模块等。实现实时视频的播放、云台控制、截图、PTZ控制、码流切换、预设位管理、本地录像、远程录像文件解码等功能。

2.2.6 系统管理

该系统通过分权分域来实现数据隔离，只有分配了区域和操作权限后才能进行相关查看、操作功能。系统对每一个登录用户的所有操作都进行跟踪记录，以保证操作记录有据、完整可查。

系统使用专用的监控服务对业务服务、数据库等进行实时状态监控，当发生异常时，支持自动拉起动作，同时给予相应提示并进行记录。对于接入的设备、网络、服务器等通过拓扑图的方式进行展示，管理人员可根据拓扑图颜色状态快速了解整个系统的健康状态。

系统支持IOT接入、界面、菜单、区域、指标项、触发器等配置操作。

3 应用效果分析

3.1 在线监测效果分析

该系统能够多样式、多维度展示监测点场地数据，通过各种实时更新的数据、折线图、仪表盘、柱状图、实时视频图像等功能，将单个监测点的实时数据、历史数据、对比数据统一展示给管理人员，管理人员通过近24 h内的重点数据对比曲线，可以对监测点现场情况一目了然。场地图展示如图1所示。

图1 场地图展示

3.2 预告警实效分析

当发生预告警提示后，可根据提示信息对发生问题的监测点情况进行追溯。例如，某场地分别在某日15:13:54和15:46:50各发生了1个告警，通过该系统可准确查询该次告警的详细信息，如告警级别、发生时间、回复时间、持续时间、当时的风速和风向等信息；然后通过该时间点的TSP数据曲线进行查看(见图2)，发现监测点在2个时间点TSP数据突然增高，超过了预设的告警阈值；点击告警联动后弹出本次告警时的视频资料(见图3)，可以发现在告警发生前，有一列车正在运行通过，通过调取车辆车号信息，可以倒查运煤列车装车站、客户等相关信息。

图2 历史数据曲线

图3 视频监控

系统以数据为基础、以软件为工具，有效展示和分析了铁路沿线发生扬尘时的数据和图像情况，使管理人员能够及时发现问题，进而处理解决。

3.3 报表实效分析

系统通过长时间现场数据的监测、分析，形成了贴合实际业务应用的报表数据。例如，某年度沿线所有监测场地的预告警数量在3月、4月呈上升趋势，5月后开始下降，又如某场地4月比3月告警上升了36.09%，而在同年5月下降了57.11%，通过上述可以分析出扬尘问题在不同时间、气候环境条件下有显著差异。

通过多维度、多样式的数据和告警报表，根据AI算法对在线数据、环境、时间因素等进行智能分析，后续逐步发现发生扬尘的规律，并通过相应手段对扬尘问题进行治理。

3.4 应用总结

系统在1年的试运行过程中，根据相关业务部门提出的意见逐步更新迭代了3个版本，更加适合现场实际应用。后经过了1年多的正式运行，达到了项目设计的总体目标和建设目的，能够保证煤尘数据的完整性、准确性、保密性及分析数据的多样性。该系统实现了大秦铁路沿线大气环境质量实时在线监测和列车通过时煤尘污染情况实时视频监控，应用效果主要表现在以下方面。

（1）在远离铁路的常规环境设置基准站，铁路沿线监测点数据与基准站数据进行实时对比，分析结果更精准。

（2）系统自动整合了粉尘、环境、预告警、视频等不同类型的关联数据，当告警发生时，及时弹出发生地点的实时视频画面，并永久保存告警信息和视频监控的关联信息[5]，以供管理人员参考。

（3）系统自动对各个监测点的风向、风速、温湿度等变化对于煤尘污染的影响进行关联分析，生成丰富的图表、报告提供给管理人员进行查阅。

（4）定时自动生成周报表、月报表，有效降低管理成本。

4 结束语

铁路沿线煤尘监测系统的开发符合运煤线路向绿色、低碳环保发展的需要，大秦铁路煤尘监测系统实现了对大秦铁路因煤尘引起的环境污染的实时在线监测，并根据监测数据进行分析、计算、处理，形成了高质量的数据分析报表，为大秦线科学治污、精准治污提供了数据支撑，也可为铁路煤运专线煤尘污染治理提供参考。