铁路时空大数据应急辅助决策系统及关键技术

刘阳学，段卿培，蒋丽丽，杨峰雁，张时通

（1. 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；2. 中国铁路北京局集团有限公司 调度所，北京 100860）

提升铁路应急指挥能力，完善应急处置组织体系，加快应急信息化建设，提高应急处置效率，是当前铁路应急管理部门的重点工作。文献[1-2]介绍了铁路客运车站应急指挥系统的应急管理流程；文献[3]介绍了铁路客运应急调度指挥系统的设计方法；本文将空间信息和应急指挥业务应用深度融合，借助地理信息系统（GIS，Geographic Information System）、遥感监测、北斗卫星导航等技术，从信息共享、整体应用、智能化服务的角度，采用“应急指挥一张图”和“移动应急终端”的空间信息应用模式，研发面向多专业协同指挥的铁路时空大数据应急辅助决策系统（简称：应急辅助决策系统），实现应急指挥集中统一、应急处置上下联动、应急资源快速查询和充分共享，提升应对突发事件处置能力和应急管理水平。

1 架构设计

1.1 系统架构

应急辅助决策系统基于铁路局集团公司大数据平台、铁路地理信息平台和铁路北斗服务平台，汇集外部系统基础数据，面向铁路局集团公司应急指挥需要，实现应急处置流程化，应急资源可视化，信息传递快速化。系统架构如图1所示。

图1 系统架构

（1）用户层：系统的用户主要为各铁路局集团公司、站段、工区等单位的应急指挥人员。

（2）应用层：基于基础设施层、数据层和服务层，提供面向不同业务场景的业务应用功能。

（3）服务层：调用铁路地理信息平台的地图服务、空间分析服务等，实现系统的集成展示、应急联动和数据维护等功能；调用大数据平台的主数据管理、数据分析等服务，实现专业数据接入与基础数据同步；调用铁路北斗服务平台的高精度定位及短报文服务，实现事件快速定位、路径导航和应急通信等功能。

（4）数据层：存储应急业务数据、应急资源数据、空间地理信息数据和业务系统数据，为应急辅助决策系统的软件运行提供数据支撑。

（5）基础设施层：运用计算资源、网络资源、存储资源和安全资源，保证系统高性能、可靠稳定运行，并且具有灵活的扩展性，能够满足业务持续发展的需要。

应急辅助决策系统满足铁路局集团公司各级应急指挥人员对突发事件应急处理和综合协调的需求，实现对铁路突发事件救援工作的高效指挥。

1.2 数据架构

应急辅助决策系统管理的数据包括应急业务数据、应急资源数据、空间地理信息和业务系统数据[4]。根据各级用户主体之间的数据处理流程，系统数据架构如图2所示。

图2 数据架构

（1）数据应用层：管理应急业务数据、应急资源数据、空间地理信息和业务系统数据。应急业务数据是应急处置过程中所使用和产生的数据，主要包括事件基本信息、事件处置进展信息和现场信息等；应急资源数据是应急相关人员和装备的数据，主要包括站段、车间及工区等所管辖的救援人员及分布信息，救援列车、热备机车等救援装备的分布信息，以及各专业设备的信息；空间地理信息主要包括矢量地图、遥感影像等基础地理信息；业务系统数据是在应急处置过程中，与各专业强相关的数据。

（2）数据服务层：数据汇聚到大数据平台的方式分为两种：a. 对于应急业务数据，数据的时效性要求较高，需采用消息队列、Web Service等实时数据接口方式；b. 对于各专业部门应急资源数据变化频率较低、实时性要求较低的数据，采用Java数据库连接（JDBC，Java DataBase Connectivity）或数据视图开放采集的模式定期采集。应急辅助决策系统通过调用铁路地理信息平台专题服务，实时获取地图相关数据；通过调用铁路北斗服务平台，实时获取移动终端高精度位置信息和短报文通信数据。

（3）数据接入层：业务系统数据部分通过数据服务平台接入，部分通过统一资源定位符（URL，Uniform Resource Locator）调用。

1.3 网络架构

应急辅助决策系统采用集中部署，为铁路局集团公司应急指挥中心和各个主管业务部门、站段提供三级应用服务，同时，利用应急终端为应急指挥现场提供服务。系统网络架构如图3所示。

图3 网络架构

应急辅助决策系统包括指挥中心端和移动端App两部分，指挥中心端部署于各铁路局集团公司铁路内部服务网，两级应急指挥中心用户通过铁路内部服务网直接访问系统。移动端App服务和地图服务部署在铁路局集团公司铁路外部服务网，应急终端用户通过互联网将数据传输至移动端App服务器，再通过网络安全保障平台接入至内部服务网指挥中心端。通过网络安全保障平台提供的安全隔离、安全防火墙、安全访问控制等技术确保内/外网应用的安全性。

2 功能设计

应急辅助决策系统功能主要分为指挥中心端功能和移动端App功能。

2.1 指挥中心端功能

指挥中心端主要功能包括地图集成展示、事件快速定位、路径导航、应急联动、实时监测、遥感变化监测、天气预报和资源维护等，实现基于GIS地图的全专业资源检索、定位和展示。

（1）集成展示：提供多种GIS地图的展示功能，地图类型包括铁路局集团公司管辖范围内的基础地图、卫星遥感影像地图、应急资源地图，以及工务、电务、供电、机务等专业地图；此外，提供基于GIS地图的地图测距、测面和清除等功能，提高应急处置的工作效率。

（2）事件快速定位：提供里程定位和线路车站定位两种定位方式。里程定位通过线路和公里标两种属性进行定位；线路车站定位通过线路和车站两种属性进行定位。通过定位生成事件点，实现快速关联事件点周围各类应急资源的功能。

（3）应急联动：在事件定位后实现以下时空数据的联动。

a. 事件最近救援力量分布，包括对应工务、电务、供电等专业人员的所属站段和工区的分布情况；b. 救援设备分布，包括距离事件点最近的救援列车、内燃机和吊车等资源分布情况；c. 作业通道分布，自动搜索距离事件点最近的通道门资源；d. 事件点图纸联动，包括工务综合图、电务分布图、供电的布控图、停电卡片和车务平面布局图；e. 事件点视频联动，定位事件点的线路视频资源，展示事件点周边的地形地貌。

（4）实时监测：对手持移动端的救援人员所在位置进行监测，提供对应急救援人员位置的实时跟踪，及时掌握救援人员赶赴事件现场的救援路径和用时情况。

（5）路径导航：提供驾车和步行两种导航模式，通过输入起点和终点并加载实时路况；提供距离最短和时间最短两种路径；提供距离事件点最近的站段和工区位置的自动查询功能；提供任意位置至事件点距离最近的路径导航。

（6）遥感监测：利用高分辨遥感变化检测技术，实现周边环境安全隐患的提前预防、及时发现、及时制止，保障铁路运行环境安全，在应急安全管理和外部环境管控方面构建人防、物防、技防“三位一体”的安全保障体系。

（7）天气预报：通过接入实时气象数据，在GIS地图中提供天气预报实时查看功能，按定位点和按地理区域显示天气预报，为应急处置工作提供天气方面的辅助支持。

（8）资源维护：提供对基础数据、工务数据、电务数据、供电数据、机务数据、专业图纸、线路视频等信息的维护功能。

2.2 移动端App功能

移动端App提供铁路局集团公司应急指挥中心和事件现场应急人员之间的快速联动功能，使应急处置人员可以及时掌握事件现场的情况。

（1）应急速报：现场人员发现事件后，可通过移动端App进行事件速报，指挥中心端可实时接收到上报事件信息，并进行声光提示，保证事件上报的及时性。

（2）事件接收：接收和展示指挥中心端下发的事件、处置措施和文件等信息，根据事件信息提取事件地点的定位，为救援路径导航提供依据。

（3）救援导航：提供最优路径规划和选择的功能，应急救援人员利用移动端App导航至距离事件点最近的通道门。

（4）音/视频回传：提供事件现场图片和视频的上传功能。现场救援人员通过移动端App将事件现场的图片和视频上传至应急指挥中心，指挥中心通过应急大数据查询系统查看图片和播放视频，及时掌握事件现场情况

（5）位置回传：现场救援人员响应接收到的事件后，通过移动端App将当前位置信息实时上传至应急指挥中心，以便应急指挥中心指挥人员掌握现场救援人员的位置信息。

3 关键技术

应急辅助决策系统基于GIS、遥感监测和北斗卫星导航等技术，在防灾、减灾、救灾等方面开展应用，实时获取多源、多维度空间数据，实现突发事件的快速感知和高精度定位，联动事件周边各类应急资源，为事故救援决策提供依据。

3.1 GIS

基于GIS的铁路地理信息平台中，包含国家基础地理信息和铁路专业公用地理信息，以及根据各业务系统需求定制的铁路专业专用地理信息。

应急辅助决策系统通过调用铁路地理信息平台中的国家基础地理信息，以及铁路工务、电务、供电、机务等专业地理信息，使国家基础数据与铁路专业数据融合，形成“应急指挥一张图”[5]，实现铁路线路走向、车站分布、救援力量布局、设备设施定位、各类专业图纸、视频等时空信息联动，为指挥人员提供全方位应急信息。通过GIS的空间分析技术，建立各类分析评估模型，制定应急辅助决策方案[6]。

应急辅助决策系统通过调用铁路地理信息平台的地图服务，实现铁路时空大数据的可视化、事件定位、多专业资源数据集中显示、资源检索、遥感图像展示等功能。地图服务访问流程如图4所示。

图4 地图服务访问流程

3.2 遥感监测

利用卫星遥感、航空高分辨遥感和雷达监测技术，周期性监测铁路沿线线桥设备、地质地形、气象水文等状况，为铁路安全管理及运输部门的安全风险分析、研判提供数据支持；预警可能发生的突发事件类型，加大对相应危险源的监控力度；及时报告可能引发事故的重要信息。在事故发生后，可利用遥感影像直观地研究损毁特征，监测基础设施的损毁程度、数量及空间分布情况，为事故统计及救援工作提供依据[7-8]。

遥感变化检测可实现持续、周期性地检测周边环境的安全隐患，检测范围可以覆盖到安保区外数千米，便于及时排除安全隐患，防患于未然。

3.3 北斗卫星导航

北斗卫星导航系统是我国自主建设、独立运行的卫星导航系统，具有全天候、全天时、高精度的定位、导航、短报文通信和授时等功能，其中，短报文通信功能是现有其他导航系统所不具备的独特功能。北斗卫星导航系统已在多条铁路线开展示范应用，其在应急及安全领域的应用尤为重要[9]。

应急辅助决策系统中，主要应用北斗卫星导航系统的高精度定位和短报文通信功能：

（1）在移动端安装应急App，基于高精度定位功能，将救援人员导航至事件现场，同时，向指挥中心提供救援人员位置信息；

（2）在发生大面积自然灾害或移动通信网遭到破坏时，通过移动端的短报文通信功能进行应急通信，保障事件现场和应急指挥中心间的通信。

4 结束语

为加快铁路应急指挥信息化建设、提高应急处置效率，研发应急辅助决策系统。目前，该系统已在部分铁路局集团公司开展应用，为应急指挥人员提供全方位应急相关信息，为现场救援人员提供信息化应急救援手段，切实提高了突发事件应急处置效率。下一步的工作是深化应急辅助决策系统的研究，结合大数据平台，充分利用各类资源，为突发事件应急处置提供智能化辅助决策方案。