基于多源信息融合的高鐵智能安全保障技術研究

蔣麗麗，劉國梁，王英杰，封博卿，劉陽學，魏小娟，楊峰雁

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081）

1 概述

為實現鐵路智能化發展藍圖，需要深入研究移動互聯網、大數據、云計算、物聯網、新一代人工智能等新技術，結合高鐵智能化發展實際，形成面向智能建造與運營服務、智能動車組、智能調度與運行控制等關鍵技術集合，持續推進我國高鐵的智能化升級，實現我國高鐵走向世界、引領世界高鐵科技變革的偉大目標[1-3]。

在智能安全保障方面，利用物聯網新技術，形成了聯網監控和信息綜合應用全面感知系統，實現了多源信息輸入、復合技防技術支持[4-5]，為智能高鐵提供了包括基礎設施安全、列車運行安全、運行環境安全等方面的全方位安全管理和監控，具體如下：

（1）加強固定、移動設施設備運營維護，確保基礎設施安全。針對工務、電務、供電等不同專業基礎設施特點，結合智能基礎設施，分析不同專業基礎設施安全檢測監測智能化方案，系統性研究智能化基礎設施安全防護體系，為我國未來高速鐵路基礎設施安全保障提供合理化技術發展建議[6]。

（2）以信息網絡技術為基礎，建立智能運行狀態監控系統，確保列車運行安全。分析研究列車運行安全監控智能化設備發展方向，構建車地聯動的列車運行安全智能監控系統架構，設計安全監控信息全流程閉環管理方案以及監控故障協同應急響應工作模式。深化人工智能、物聯網等智能技術研究，為列車安全運行提供技術保障[7]。

（3）建立高鐵防災安全監控系統，防止地質災害及周界侵限影響。建立完整的高鐵自然災害及異物侵限智能監測技術體系；突破高鐵自然災害預警及報警信息的自動處置技術，提升高鐵風、雨、雪等災害報警的處置能力和智能化水平。

（4）構建全天候、立體化的高鐵治安防范保障技術體系，確保治安防范[8]。利用物聯網新技術形成聯網監控，搭建信息綜合應用全面感知系統，通過多源信息輸入，加強復合技防技術支持，構建人機智能交互，建立基于列車運行及基礎設施和周邊環境監測的“人防、物防、技防”全方位一體化高鐵智能安全保障體系[9-10]。

目前，在高鐵安全保障方面，已經建成全面覆蓋高鐵行車安全和基礎設施的數10 種檢測監測系統。運用大數據方法，評估分析高鐵設施設備的運用、維護、檢修信息，掌握服役狀態和性能變化規律，為修程修制優化、故障預測、故障處置等提供技術支撐。現有高鐵智能安全保障體系見圖1。

圖1 現有高鐵智能安全保障體系

2 需求分析

2.1 外部環境需求

2.1.1 自然災害與異物侵限等偶發情況影響加劇

我國山地面積占陸地總面積的2/3，高鐵列車常穿行于位置偏僻、環境惡劣的山區，滑坡、泥石流等自然災害長期威脅運營安全。運行速度的不斷提升對高鐵安全提出了更高要求，尤其是如何對高鐵沿線自然災害進行監測和安全預警備受關注。另外，異物侵限也考驗著高鐵的安全運營。常見異物侵限有滾石、落物、動物等，具有突發性和無規律性等特點，嚴重威脅列車安全。

2.1.2 反恐防范與處置面臨嚴峻挑戰

高鐵運輸存在客流密度大、人員結構混雜、線路跨度長等特點，易成為恐怖分子作案目標，一旦發生恐怖襲擊，可能造成人員生命、財產巨大損失。雖然我國各地公安機關在高鐵反恐防范與處置方面取得了一定成效，但恐怖分子仍對鐵路構成一定威脅，鐵路系統與地方政府、公安聯防各部門應急救援聯動機制需進一步建立健全，避免救援不及時造成不必要的損失。

2.2 內部環境需求

2.2.1 基礎設施設備安全保障需求

隨著高鐵線路的增多及其安全保障需求的提高，傳統養護維修、排查安全隱患和預測災害方法效率低下，亟須更加完善的設施設備、列車狀態監測和診斷系統，以及對相應橋梁、隧道、車站、站場、重要立交道口等更密切地監測。

2.2.2 列車運行安全監控需求

由于高鐵列車運行速度快、行車密度大，以及高速運行導致的空氣阻力、列車對線路沖擊力等大幅提高，傳統運行監控系統已不能滿足要求。列車運行安全監控系統以信息網絡技術為基礎，以現場總線、故障診斷、無線傳輸、專家系統、數據庫等技術為手段，以列車運營安全為目標，要求對主要設備的狀態監測、數據采集、網絡傳輸、故障處理、遠程監控、安全防護等功能實現自動化、智能化，采用更完備的列車運行控制系統和設備監測設施和備用裝置，以消除事故隱患。

2.3 內外聯動需求

在高鐵設施設備狀態、列車運行控制以及周邊運行環境實時監測和資源數字化管理的基礎上，要求形成鐵路內部各專業、各崗位、上下級，車站與列車，車站與地方之間的信息及時溝通和處置任務的協同聯動。

當發生突發事件時，要求將“人員-資源-設備”依據突發事件等級進行有效協同指揮，車站要與列車、公安、消防、醫療、應急物資儲備以及地方醫療機構、應急救援專業隊伍、特種救援設備等協調聯動。

2.4 趨勢發展需求

2.4.1 基礎設施保障全面感知技術需求

形成“自感知、自適應、自診斷”的養護維修監測技術應用，實現問題的“自學習、自處理”等功能，實現高鐵災害防治的智能化維護。

2.4.2 行車安全智能監控系統需求

提高車輛運維技術、現代車輛維修理論和管理模式、狀態監測和故障診斷、預測性維修技術，同時發展聯網監控列車監控子系統，實現列車安全智能監控。

2.4.3 自然災害及異物侵限智能監測技術需求

高鐵大風時空預警模型；高鐵災害及異物侵限實時監測；災后應急措施的有效及時；災前預測和災后處理融為一體；全方位一體化高鐵智能安全保障體系。

2.4.4 反恐安全防控及預警技術需求

大數據在高鐵反恐中的應用；智能反恐預警決策系統；防災網與中國地震臺網、國家氣象網的三網融合。

3 總體架構

以高鐵基礎設施設備、列車運行、自然災害及異物侵限預警中的固定、移動設備為研究對象，通過研究智能安全監控技術、智能安全檢測監測技術以及智能安全評估與預警技術，建立智能設施設備的監測和在線智能診斷系統、列車運行安全保障系統、環境監測與災害預測報警系統以及事故救援和減災系統，用于智能高鐵的設施設備的安全維護、安全態勢分析、預警、應急以及輔助決策。

綜合利用新型檢測監測技術，提高鐵路基礎設施設備維修管理水平，確保基礎設施設備安全，保障智能基礎設施在業務各環節中各種數據的機密性、完整性、真實性和網絡的容錯性，具體如下：

（1）針對工務基礎設施特點，研究提出工務基礎設施安全檢測監測體系總體框架，明確主要組成部分和功能需求，開展基于智能感知環境下軌道幾何狀態、鋼軌廓型、軌道關鍵部件與路基、橋涵、隧道狀態檢測與監測技術方案研究，科學制定檢測項目及技術指標；

（2）針對供電設施設備特點，研究提出鐵路供電綜合安全檢測監測系統智能化方案，以實現對供變電設備和接觸網全方位及全天候的安全檢測；

（3）針對電務設備特點，研究建立車載和地面信號設備的一體化、全方位安全檢測監測技術體系，重點針對軌道電路傳輸特性、道岔轉轍設備、機車信號、牽引回流以及信號設備與其他專業設備的結合部等重要行車設備，開展安全檢測監測方案研究。

智能安全保障技術總體架構見圖2。

圖2 智能安全保障技術總體架構

4 關鍵技術預測

結合物聯網新技術，形成聯網監控和信息綜合應用全面感知系統，采用多源信息輸入，復合技防技術支持，加強人機智能交互，閉環安全管理，建立列車運行及基礎設施一體化安全保障系統和周邊安全隱患與列車運行的自動控制綜合安全保障系統，自動識別周邊安全隱患和自動控制綜合安全保障體系。通過智能檢測機器人或PHM，對列車進行智能檢測檢修。通過智能安全保障，推進高鐵沿線災害報警裝置的自動化，提高災害監測系統整體的技術水平和決策支持能力。同時，提高高鐵沿線災害監測的預警能力和防災減災水平，減少人工干預，形成“人防、物防、技防”的全方位一體化高鐵智能安全保障體系。智能安全保障關鍵技術預測見圖3。

圖3 智能安全保障關鍵技術預測

4.1 基于全面感知的基礎設施安全檢測監測體系研究

在工務、供電、電務基礎設施方面，將形成“自感知、自適應、自診斷”的養護維修監測技術的應用，增強設備工作的穩定性和適應性，實現問題的自學習、自處理等功能，實現高鐵災害防治的智能化維護。

4.1.1 自感知工務基礎設施檢測與監測系統

系統包括車載系統及地面分散系統，點多面廣，因此需要建設檢測與監測信息網絡來實現工務基礎設施各類設備狀態的自動收集和集中管理，建成分散檢測、集中報警、網絡監測、信息共享的工務檢測與監測數據集成平臺。各類設備必須遵照統一的接口、數據格式和通信協議，實現與數據集成平臺的數據交互。集成平臺對各系統數據進行集成、綜合分析、信息共享，為工務管理決策部門和維修部門服務。

4.1.2 智能化供電綜合安全檢測監測系統

對已有分散檢測、監測設備進行功能完善、技術集成，形成分層分布式結構，使之成為具有綜合處理功能的檢測與監測平臺，指導供電設備的日常維護和維修。對各檢測、監測數據庫進行綜合分析、專家診斷，成為具有開放式設計構架，能兼容接入其他智能檢測、監測設備，保障供電設備安全運行。

4.1.3 自適應設備信息智能化管理

充分利用信息化、數據化的設備檢測監測手段改造傳統作業模式，綜合利用6C 系統、單兵巡視設備、接觸網巡檢儀等信息化視頻監測系統，實現全天候、全時段、全覆蓋設備檢測監測，突出加強視頻信息綜合分析，借助無線網絡，對檢測監測信息即時傳遞，形成路局數據監控中心、站段調度指揮中心、車間分析中心3 級視頻信息綜合調用分析長效機制。同時，加強SCADA 復示終端系統維護管理，實現牽引供電、電力設備運行狀態的遙控、遙信、遙測及調度管理，對重要設備運行狀態實時在線監控，重點建設以先進檢測設備為主、以人工測量為輔、動靜態相結合的設備檢測系統，全方位、多角度、立體式準確反映設備運行狀態。

4.1.4 施工作業智能綜合安全監控技術

（1）借助先進成熟的地理信息系統、全球定位系統和移動通信技術，實現工務作業的定位跟蹤和數據回傳，可為安全生產管理和應急故障處理等提供技術支持；（2）使用具備攝像功能的移動終端，綜合移動通信、終端軟件遠程控制等技術，實現對路外施工、防洪區段、現場作業等現場環境的實時監控，可為安全生產管理、應急故障處理等提供實時可視化支持；（3）借助遠距離無線通信技術獲取列車位置信息，為工務現場作業防護提供信息預警；（4）利用二維碼圖像掃描識別技術在上道作業和作業結束下道前點驗人員、機具和主要材料，加強上線作業安全管理，避免機具和材料遺漏。

4.2 集成化的列車運行安全自動監控系統

研究列車運行安全監控設備的自動化、智能化技術。

（1）利用車載檢測傳感器、地對車監控設備的集成化、微型化、自動化研究，大幅提高檢測設備監控精度、降低設備組成復雜度、增強設備運行穩定性。

（2）通過信息智能監控報警技術研究，實現行車異常全自動實時報警，利用多源監控信息實現運行故障綜合自動診斷及報警提示。

（3）立足于鐵路大數據平臺、高速通信網絡等未來信息化條件，研究構建行車安全智能綜合監控系統的總體系統架構、網絡架構、功能架構等關鍵系統設計，提出車地聯動的多源綜合實時監控方案。

（4）提出行車安全監控總體業務管理方案。設計行車安全監控信息實時自動報警、快速應急響應、現場實施處置、故障復核檢修的全流程閉環管理方案，結合監控系統的智能化應用功能，實現高效的列車監控管理業務能力。

（5）在列車運行安全地面監測設備、聯網監控及信息綜合應用系統方面，將提高車輛運維技術、現代車輛維修理論和管理模式、狀態監測和故障診斷、預測性維修技術。同時發展聯網列車監控子系統，進行信息化頂層統一規劃，結合大數據分析、人工智能技術等新科技實現智能監測動車組安全。制定車輛安全監測系統聯網總體方案，明確各型探測設備數據接入規范，與車輛管理信息系統信息建立共享機制，中國國家鐵路集團有限公司統一制定數據流程、數據接口。

4.3 多源高鐵自然災害及異物侵限智能監測技術研究

研究高鐵自然災害及異物侵限監測范圍，智能監測、傳輸、決策、處置技術，信息安全保障體系及相關標準規范，形成完整的高鐵自然災害及異物侵限智能監測技術體系。研究大風預測和結合風向的大風時空預警模型，研究風、雨、雪災害監測報警信息自動控車相關技術。研究基于物聯網、北斗衛星、無線傳感網、雷達、智能視頻等多種技術融合的高鐵侵限監測技術，監測高鐵沿線重點地段、橋梁、隧道口等處所，全面保障列車運行安全；開展高鐵災害監測大數據分析技術研究，對災害監測、報警數據及設備狀態數據進行挖掘分析，研究高鐵災害特性、時空分布演化規律，開展高鐵災害監測點布設優化，災害預測、預警、報警處置規則優化，設備故障預警和健康管理，系統評估等大數據分析應用，充分發揮大數據對災害監測、系統優化、標準制定等的決策支持作用。實現高鐵災害及異物的實時監控，以及災后應急措施的有效及時，將災前預測和災后處理融為一體。綜合應用多種數據源，結合大數據及人工智能技術，建立全方位一體化高鐵智能安全保障體系，避免高鐵事故或將其損失降至最小。

4.3.1 大風時空預警

建立大風時空預警系統，實時監測風速和風向，通過對地理信息各因子的運算、歷史資料導入、沿線風速監測點數據庫分析等綜合判斷，為行車指揮控制系統提供較合理的行車速度限制指令信息。為了實現系統對風速的采集監測，在現場設置風速風向儀，用于采集實時風速數據。當系統采集到影響列車運行的強風時，對照預先設定的報警閾值，發出風速警戒，并將實時風向風速信息及報警信息傳輸至調度終端。調度終端接到報警信息后，根據調度終端顯示的行車建議采取相應的列車管制措施，并利用數據庫服務器進行數據存儲。

4.3.2 災害報警自動控車

主要對危及鐵路行車安全的自然災害、異物侵限、突發事件等進行實時監測，采集監測信息、集中管理、分布應用，提供及時準確的災害報警和預警功能，防止或減少災害對高鐵列車運行安全的影響。災害報警自動控車系統可細分為5 個子系統，其設備分別針對不同的災害類型，具體如下：

（1）風監測子系統。主要實現風速、風向數據的集中實時采集監視和風速報警，根據現場實時風監測數據，依據設定的相關報警規則，通過分析軟件實時給出風速不小于最低風速報警閥值條件下的警示信息。

（2）雨量監測子系統。主要實現實時采集鐵路沿線降雨量信息，通過處理、分析實時監測降雨量，當降雨量達到一定閾值后發出警報，對列車進行運行管制。

（3）雪深監測子系統。主要實現實時采集鐵路沿線降雪量信息，通過處理、分析實現雪深報警等功能，當降雪量達到一定閾值后發出警報，對列車進行運行管制。

（4）地震監控子系統。通過在鐵路沿線安裝強震儀實現地震信息的實時采集監測，按照功能可分為地震報警和預警。地震報警功能是指通過監測地震S 波，當地震動加速度達到一定閾值后發出警報，對牽引供電和列車運行采取控制措施，減少災害損失；地震預警功能則是指監測地震P 波，利用電磁波和地震波、P 波和S 波的速度差，在地震發生后，當破壞性地震S波尚未來襲的數秒至數十秒之前發出預警，采取相應措施，避免重大人員傷亡和經濟損失。

（5）異物侵限監控子系統。主要在異物侵入鐵路界限可能對列車運行安全造成影響的場所，如公跨鐵橋、隧道口、公鐵并行地段等安裝雙電網、激光等設備，實現異物實時監測，通過接口繼電器把報警信息實時傳至列控系統、調度指揮系統，控制列車及時停車。

4.3.3 多種技術融合的高鐵侵限監測

在新型復合傳感技防技術方面，開展長航時無人機、激光雷達、安防機器人等新型技防手段與雙電纜傳感器、光纜傳感器、紅外線、微波和視頻監控等多種監測技術數據相互融合，綜合分析侵限情況及危害程度，分析應用人工智能相關技術，從入侵目標識別跟蹤，高鐵環境圖像增強、入侵行為分析、破壞檢測等方面對視頻智能識別相關理論和方法展開深入研究。

4.3.4 災害監測大數據分析技術研究

由于自然災害因子眾多，動力機制復雜，強風、大雨、大雪等自然災害發生的范圍和程度呈現出趨勢性、周期性和隨機性的疊加狀態；地震災害等具有突發性的特點。針對不同類型的自然災害，需要采用不同的預測方法應對。在大數據技術應用中，對風、雨、雪等自然災害的預測可采用數學建模方法，預測鐵路沿線發生大風、大雨等自然災害，指揮行車；對于地震、滑坡、泥石流等突發性自然災害，則利用大數據技術對海量歷史數據進行分析，解決傳統數據無法分析的問題，得出其發生的大致規律，實現提前預防，減少自然災害對行車安全的影響。

研究基于融合網絡架構下的大數據預警系統，對預警系統的總體框架和策略進行分析，基于實際鐵路場景研究預警數據處理算法。同時，基于融合架構研究預警通知算法，包括預警內容生成、列車定位工作流程和預警消息信令流程。通過大數據技術，結合異物侵限發生的時間、發生環境、造成危害等數據，利用數據挖掘技術，挖掘出異物侵限發生的大致規律，為異物侵限監測提供提前的預防措施。

4.3.5 基于高分辨遙感的高鐵周邊環境安全保障

研究利用遙感衛星和無人機采集高分辨遙感數據，通過遙感影像動態變化監測技術實現高鐵沿線周邊環境安全狀況的監測，及時掌握鐵路周圍環境的變化。根據鐵路沿線安保區及線路軌道安全區等地理位置范圍數據進行篩選、判別，建立安全保障目標特征庫，形成應急和周邊隱患發現、處理、檢驗、監測的應用方案，實現周邊環境安全的提前預防、及時發現、及時制止，保障高鐵運行環境安全。

4.4 基于GIS+大數據的高鐵智能預警反恐技術研究

4.4.1 高鐵線路和基礎設施設備安全反恐

利用智能視頻監控技術，對視頻監控圖像進行自動化識別，搭建數據平臺，加強情報信息預警；建立安全防控邊界，配備移動警務終端，利用北斗定位技術實時監測巡檢信息；利用GIS+BIM 的深度融合，拓展高鐵設施設備的反恐監控范圍，為大數據分析處理管控打牢基礎，升級數據傳輸功效，實現實時更新，構建實名制數據與涉恐重點管控人員信息碰撞、比對，推動查控信息化與基層警務工作深度融合。

4.4.2 反恐預警決策技術

建立基于鐵路地理信息的反恐預警平臺，集成基礎設施設備、列車運行以及周邊環境的安全信息，接入地方交通、市政、醫療、消防等部門的預警信息，實現信息共享，高效反饋，共同決策，建立有效的應急救援聯動機制，提高反恐決策處置水平。基于大數據等技術的應用，實現高速鐵路防災網與中國地震臺網、國家氣象網的三網融合，系統優化我國高鐵災害監測預警模型，提升預警的準確性和時效性。

4.4.3 基于物聯網的高鐵應急處置技術

物聯網實現物物相連與萬物互聯，大數據分析實現海量數據挖掘及預測預警，云計算實現超強的計算處理，人工智能實現基于現有知識的自適應學習。結合大數據分析、人工智能等技術，建立基于人工智能技術的專家知識庫，形成高鐵基礎設施、列車運行以及周邊運行環境安全監控模型、突發事件預警模型、協同聯動模型、應急疏散模型、應急評估模型，實現應急處置方案的自動生成，將“站內人員-資源-設備”依據突發事件進行有效協同指揮，車站與列車、公安、消防、醫療、應急物資儲備，以及地方醫療機構、應急救援專業隊伍、特種救援設備等協調聯動，提升應急發現和處置的信息化和智能化，提高應急狀況的處置水平。

5 技術路線

智能安全保障技術路線分為4 個階段：起步階段、深入階段、整合階段和鞏固階段（見圖4）。

圖4 智能安全保障技術路線

起步階段（目前—2020 年）：安全保障需求分析。分析國內外軌道交通行業中安全保障需求的發展歷程、現狀、趨勢，傳統的安全保障系統已遠不能滿足要求。從對高鐵運行安全產生影響的“人、機、環境”方面，探討高鐵的運行安全和安全保障信息系統，分別對鐵路基礎設施設備安全、列車運行安全監控和高鐵災害及侵限監測進行研究。

深入階段（2020—2025 年）：關鍵技術研究及技術集成。綜合應用物聯網、云計算、移動互聯網、大數據、北斗等新一代信息技術，基于全面感知的基礎設施安全檢測監測體系，研究高鐵列車運行安全智能監控系統、高鐵自然災害及侵限智能監測、高鐵車站和線路的智能反恐等關鍵技術。

整合階段（2025—2035 年）：建立統一安全保障體系。建立列車運行及基礎設施一體化安全保障系統、周邊安全隱患與列車運行自動控制綜合安全保障系統，提高高鐵智能安全保障整體技術水平和決策支持能力。

鞏固階段（2035 年— ）：全面應用階段。形成“人防、物防、技防”的全方位一體化高鐵智能安全保障體系，推動高鐵安全保障體系從信息化、數字化走向智能化。