铁路沿线安全环境治理信息平台设计

杨 琦，贺文轩，徐成伟，马 祯

（1. 中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算机技术研究所，北京 100081；2. 中国铁道科学研究院集团有限公司 基础设施检测研究所，北京 100081）

铁路在我国经济社会发展中具有重要作用，是国家的重要基础设施、大众化交通运输工具、综合交通运输体系的骨干。随着铁路网不断拓展，铁路沿线安全环境日趋复杂，环境因素引发的各类安全隐患多发，严重威胁铁路行车安全。

2021年，国务院发布的《关于加强铁路沿线安全环境治理工作的意见》中指出，随着我国高速铁路运营里程不断增加，改善铁路沿线安全环境对保障铁路高质量发展和人民群众生命财产安全的作用更加突出[1]。

铁路外部环境安全隐患是影响铁路运输安全的不稳定因素[2]。曹晓东[3]深入分析铁路外部沿线环境安全现状、铁路沿线外部环境安全隐患成因，从制度方面提出安全管控对策、措施；韩璐等人[4]设计开发了铁路路外安全环境动态监测地理信息系统（GIS，Geographic Information System），对铁路三维模型数据、影像数据、各类保护界线、各传感器监测报警数据进行分析及管理，实现实时监测预警；张珩等人[5]利用高分遥感影响对铁路建设中的环境问题进行动态监测；赵振洋等人[6]融合C/S架构和B/S架构，搭建了集成计算机端及移动端的铁路外部环境管控地理信息平台；包云等人[7]提出定期排查与实时监测相结合的铁路外部环境安全监测方案，分析5G、边缘计算、人工智能等技术在铁路外部环境安全实时监测中的应用。上述研究存在监测手段平面化、平台功能单一化等问题，并未集成多种监测手段，平台缺少除安全隐患监测、分析外的问题治理和应急指挥等延伸功能。

本文在当前研究基础上，针对铁路沿线全视域的安全隐患，设计铁路沿线安全环境治理信息平台，挖掘铁路沿线环境安全隐患，采集铁路沿线影响行车安全的违法行为，实现关键环节远程监测、工作任务闭环管理等功能。

1 系统架构

为满足列车运行安全对铁路周边环境的实际需求，保障列车的运行安全与运行效率，设计了铁路沿线安全环境治理信息平台架构，如图1所示。

图1 铁路沿线安全环境治理信息平台架构

铁路沿线安全环境治理信息平台架构共有6部分组成，分别是感知层、网络层、平台层、基础服务层、智能分析层和应用层。

（1）感知层主要负责铁路沿线地形地貌、周边环境等数据的周期性采集、实时在线监测。

（2）网络层主要负责现场采集数据、问题反馈和危险源信息的传输。

（3）平台层主要提供平台运行、数据分析、信息共享、容灾备份等所需要的硬件及软件运行环境。

（4）基础服务层主要为平台提供GIS、北斗卫星导航系统、其他管理系统等方面的基础性、公用性资源。

（5）智能分析层为应用层提供通用的、标准化的大数据及人工智能分析。其中，数据治理进行数据资产管理、元数据管理，用以保证数据质量；大数据基础平台提供基于Hadoop的大数据采集、存储及分析组件；人工智能部分提供图像分析、自然语言处理能力，包括数据标注、模型训练等。

（6）应用层主要利用感知层采集的相关数据、智能分析层的算法算例及模型进行数据融合分析、危险源识别、问题跟踪、应急指挥、模型修订与优化及数据共享等工作。

2 平台功能

铁路沿线安全环境治理信息平台的功能模块包括铁路沿线安全环境监测模块、铁路沿线环境问题管理模块、铁路沿线环境应急指挥模块、铁路沿线环境问题咨询服务和铁路沿线环境信息交换模块。

2.1 铁路沿线安全环境监测

铁路沿线安全环境监测主要通过遥感卫星[8-9]、北斗卫星导航系统、无人机和视频等多种监测技术手段实现铁路两侧500 m 范围内、铁路线路安全保护区、铁路限界内区域的危情及安全隐患监测。

2.2 铁路沿线环境问题管理

铁路沿线环境问题管理主要包括问题上报、治理状态管理、销号管理、存量问题隐患库等功能，实现对问题的录入、审核、上报、原因分析、整改方案和整治状态的全过程管理，促进制度建立与信息化管理。

2.3 铁路沿线环境应急指挥

铁路沿线环境应急指挥主要包括对铁路气象灾害、地质灾害、危情等进行全面预警；实现对应急预案、应急组织体系和应急物资等应急资源准备，可依据相关应急预案合理配置资源，满足应急处置的需要；建立与相关信息共享，保障灾情发生后可与各部门快速联动；制定协同处置流程，以书面报告的形式将防范和改进措施记录并留存，报上级有关部门；组织开展灾后重建功能，做好过程管理，实现灾后重建。

2.4 铁路沿线环境问题咨询服务

铁路沿线环境问题咨询服务主要包括安全环境评估、治理方案论证和专家库管理等功能，发挥行业内专家及相关专业机构的力量优势，开展环境问题咨询服务、安全环境评估和治理方案论证等工作，提升铁路沿线环境问题治理能力专业化水平。

2.5 铁路沿线环境信息交换

建立铁路沿线环境信息交换机制，实现铁路沿线安全环境治理信息平台与城市运行管理服务平台等其他平台的互联互通、信息共享，提升平台信息交换及共享度，加快信息流通。为确保信息安全，避免信息泄露，具备身份认证、单点登录、权限控制、信息安全和安全管理等功能。

3 关键技术

铁路沿线安全环境治理信息平台采用以建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）+GIS融合服务、微服务架构、单点登录（SSO，Single Sign-On）统一安全认证、安全日志及运行监控等技术。其中，BIM+GIS融合服务为用户更加直观的可视化基础；微服务中心为平台各应用模块提供基础设施支持的同时，实现了铁路沿线安全环境监测与基于多源数据融合的隐患识别；SSO统一安全认证、安全日志及运行监控技术为平台提供安全保障支撑的同时，为用户提供更为简便的运行维护支撑。铁路沿线安全环境治理信息平台技术架构，如图2所示。

图2 铁路沿线安全环境治理信息平台技术架构

3.1 BIM+GIS融合服务

由BIM服务和GIS服务组成，并统一对外提供BIM+GIS融合服务。

（1）BIM服务基于WebGL渲染、语义信息提取、几何表达归并，可提供BIM数据接入，实现Bentley、Autodesk Civil 3D、Tekla等BIM设计软件的数据导入，实例化、多细节层次（LOD，Levels of Detail）和轻量化处理，模型编辑修改，多源信息关联等功能。

（2）GIS服务基于动态服务构建、金字塔切割、线性参考和缓冲区计算分析，可提供三维地图可视化、实景三维地图加载渲染、线路中心里程和地理坐标转换、时空数据对比分析和动态数据实时渲染等。

3.2 微服务网关

采用SpringBoot技术构建的微服务架构，将平台业务分解为多个独立部署的服务应用，实现对单体业务平台的解耦，增强业务的扩展能力。采用SpringBoot框架，简化应用的构建和开发过程。在微服务基础设施方面，利用SpringBoot提供的服务注册与发现、服务网关、配置中心、服务访问认证管理、消息中间件和分布式缓存等服务，将分布运行的多个子模块有机串联，确保整个平台高效稳定运行，为后续业务服务的对外补充与扩展提供基础技术支持。在应用开发公共支撑方面，通过对微服务基础设施层的开发和封装，实现组织管理、权限服务、数据同步和配置服务、服务协议、服务发现与调用、限流与熔断、平台配置和日志采集等功能，为上层业务应用提供全面支撑。

3.3 数据统一接口

针对不同类型、协议、传输速率的交互数据，建立统一数据接口，提供TCP/IP、WebServices、Socket通信、消息队列、RTMP/RTSP视频流协议和Http/Https超文本传输协议等接口方式。

3.4 多源数据融合的隐患识别技术

根据不同天气情况下对不同技术手段（如雷达、热成像等）识别的隐患与图像识别算法结果设置不同的权重，进行融合比较后确定是否为安全隐患。其中，融合算法的检测置信度计算公式为

若Size＜20 cm

其中，α为尺寸权重；μ为天气权重；R为激光雷达检测障碍物结果，R∈{0,1}；Confimg为图像识别检测算法的检测置信度，Confimg∈[0,1]。

若Confdet≥0.3，则认为该隐患存在；反之，则是虚警。

不同天气情况下，α值和 μ值，如表1所示。

表1 不同天气下的物体与天气权重

3.5 SSO统一安全认证

结合资源管理对用户的访问提供统一授权服务，用户身份到应用授权的映射功能，实现权限和证书的产生、管理、存储、分发和撤销等功能，提供各种应用系统和各种需要保护的功能资源的统一管理功能，有效地控制和管理资源，供标准的Web Service的认证服务和用户管理的SDK（Software Development Kit）接口，符合安全断言标记语言（SAML，Security Assertion Markup Language）规范，方便其他各种异构操作系统的应用进行SSO应用集成。

3.6 安全日志及运行监控

为了满足平台管理和安全审核的需要，提供操作日志、信息量、服务情况等，用来辅助评估平台服务能力和服务质量，使用开源分布式Elastic Search搜索引擎，分布式、零配置、自动发现，索引自动分片，Logstash对日志进行收集、分析，并将其存储供以后使用，Kibana可视化分析工具；平台权限控制采用基于角色的访问控制思想，实现对用的角色、菜单、按钮等权限控制。

4 应用场景

铁路沿线安全环境治理信息平台为中国国家铁路集团有限公司（简称：国铁集团）、铁路局集团公司和站段三级用户提供应用服务。

国铁集团用户包括安监局、工电部、调度中心等部门，进行处置管理、处置协同、信息互通等应用，对重大事件进行监督、把控与指导，与地方政府共同发挥护路联防作用，使处置透明，以提高处置能力和效率。

铁路局集团公司用户包括安监室、环境治理办公室、工务部、电务部、供电部和调度所等部门，进行辅助调度、过程管理、决策支撑等应用，指导、监督本辖区内铁路沿线安全环境治理的工作。

站段用户包括工务段、电务段、安全科、铁路派出所等部门，基于铁路沿线安全环境治理信息平台开展环境监测、问题管理、咨询服务等日常工作，处理紧急事件，接收群众上报信息，有效提高平台的安全防护能力。

5 结束语

围绕铁路沿线安全环境治理工作，本文设计了铁路沿线安全环境治理信息平台。对铁路沿线全视域安全隐患全方位监测，能够实现铁路沿线安全环境隐患问题的闭环管理；整合周边资源，根据事件要素评估资源需求，实现应急资源准备、信息共享、协同处置等应急指挥功能；提供问题咨询服务及与其他平台的互联互通、信息共享功能，切实提高铁路安全环境治理能力。