艾文凱，張 磊，易慶輝

（中國鐵路太原局集團(tuán)有限公司 計(jì)劃統(tǒng)計(jì)部，山西 太原 030013）

0 引言

大秦鐵路是我國首條雙線電氣化重載運(yùn)煤專線，2021年大秦鐵路運(yùn)量突破4.2億t[1]，作為我國西煤東運(yùn)的主干線，承擔(dān)著多家工礦企業(yè)的煤炭運(yùn)輸任務(wù)。秉承“負(fù)重爭先、勇于超越”的重載精神，太原局集團(tuán)公司在不斷提高大秦鐵路運(yùn)輸能力的同時(shí)，注重保護(hù)沿線生態(tài)環(huán)境，加快推進(jìn)綠色鐵路發(fā)展。

近年來，按照國家大氣污染防治要求，大力實(shí)施煤炭運(yùn)輸抑塵治理，各煤炭裝車點(diǎn)均建設(shè)了抑塵噴灑系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了抑塵噴灑全覆蓋，顯著改善了煤炭發(fā)運(yùn)站臺(tái)周邊及鐵路沿線的大氣環(huán)境質(zhì)量，大幅減少了運(yùn)輸途中煤炭損耗。為徹底根治煤塵帶來的不良影響，需要對煤塵的飄逸情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，為煤塵治理提供科學(xué)依據(jù)。在此背景下，結(jié)合大秦鐵路沿線環(huán)境和運(yùn)量實(shí)際，開發(fā)了煤塵監(jiān)測系統(tǒng)——大秦鐵路煤塵監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用多種氣象、煤塵、視頻感知設(shè)施，通過通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳輸與交換，使用監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行決策及控制，從而可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測沿線煤塵飄逸及線路周圍大氣環(huán)境質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)治污、科學(xué)治污[2]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

大秦鐵路煤塵監(jiān)測系統(tǒng)由前端監(jiān)測點(diǎn)、接入節(jié)點(diǎn)、地區(qū)匯聚點(diǎn)、監(jiān)測中心平臺(tái)4層結(jié)構(gòu)組成[3]。在鐵路沿線的重點(diǎn)區(qū)域設(shè)置前端監(jiān)測點(diǎn)；在每個(gè)前端監(jiān)測點(diǎn)臨近的GSM-R基站或車站通信機(jī)房設(shè)置接入節(jié)點(diǎn)；在相應(yīng)工務(wù)段機(jī)房內(nèi)設(shè)置地區(qū)匯聚節(jié)點(diǎn)；在太原局集團(tuán)公司設(shè)置監(jiān)測中心平臺(tái)。

該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)利用太原局集團(tuán)公司信息綜合網(wǎng)絡(luò)及接入層傳輸網(wǎng)承載。機(jī)房內(nèi)設(shè)備電源由既有通信、信息機(jī)房提供，為提供可靠電源，在接入節(jié)點(diǎn)新設(shè)UPS供電保障系統(tǒng)，室外設(shè)備電源由鄰近鐵路供電部門的供電設(shè)備提供。

1.1 前端監(jiān)測點(diǎn)

沿線前端監(jiān)測點(diǎn)處組立電桿并設(shè)置煤塵監(jiān)測箱，用于實(shí)現(xiàn)氣象、煤塵濃度、視頻圖像等數(shù)據(jù)的采集，并使用串口光纖調(diào)制解調(diào)器通過光纜傳輸數(shù)據(jù)至臨近的接入節(jié)點(diǎn)。

1.2 接入節(jié)點(diǎn)

接入節(jié)點(diǎn)主要由智能數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)及網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備組成，對前端監(jiān)測點(diǎn)傳輸?shù)脑O(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議解析、轉(zhuǎn)發(fā)。

1.3 地區(qū)匯聚點(diǎn)

地區(qū)匯聚點(diǎn)由視頻存儲(chǔ)、流媒體轉(zhuǎn)發(fā)、網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備組成，匯聚區(qū)域內(nèi)前端監(jiān)測點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)、粉塵數(shù)據(jù)、視頻圖像，并對匯聚的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)，以減輕監(jiān)測中心的圖像處理和帶寬壓力。

1.4 監(jiān)測中心平臺(tái)

監(jiān)測中心平臺(tái)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，為整個(gè)系統(tǒng)提供應(yīng)用支撐，包括大屏展示、組織架構(gòu)、安全認(rèn)證、數(shù)據(jù)分析、流式計(jì)算、告警分析、設(shè)備管理、視頻流媒體、GIS引擎等。

2 系統(tǒng)功能

2.1 監(jiān)測指標(biāo)

該系統(tǒng)共監(jiān)測8項(xiàng)指標(biāo)，分別為TSP(總懸浮微粒)、PM10、風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、氣壓、視頻圖像。主要監(jiān)測指標(biāo)為TSP，該指標(biāo)告警閾值為600μg/m3，當(dāng)現(xiàn)場實(shí)時(shí)采集的TSP數(shù)據(jù)高于該閾值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)生成告警信息，記錄該告警發(fā)生時(shí)的風(fēng)速、風(fēng)向，后續(xù)可根據(jù)大量告警數(shù)據(jù)與對應(yīng)的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析，得出風(fēng)速、風(fēng)向?qū)Ψ蹓m污染影響的數(shù)據(jù)；同時(shí)視頻監(jiān)控模塊與告警模塊進(jìn)行后端聯(lián)動(dòng)，客戶端自動(dòng)彈出現(xiàn)場實(shí)時(shí)視頻圖像，聯(lián)動(dòng)現(xiàn)場視頻設(shè)備進(jìn)行拍照存檔。

如果該系統(tǒng)接入沿線車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過車輛車次、列車去向、通過時(shí)間、車輛離開速度等參數(shù)與TSP、風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，可在定位導(dǎo)致煤塵升高車輛的同時(shí)，經(jīng)過大量數(shù)據(jù)進(jìn)行AI算法分析，得出列車去向、車輛速度、風(fēng)速、風(fēng)向?qū)SP的影響規(guī)律，為今后沿線揚(yáng)塵治理提供數(shù)據(jù)支撐。

2.2 主要功能

大秦鐵路煤塵監(jiān)測系統(tǒng)功能主要包括：系統(tǒng)綜合展示、數(shù)據(jù)分析、告警分析、報(bào)表分析、視頻監(jiān)控、系統(tǒng)管理，實(shí)現(xiàn)了前端監(jiān)測點(diǎn)的視頻圖像與粉塵氣象信息的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測、煤塵數(shù)據(jù)超限后的系列預(yù)告警動(dòng)作、煤塵數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的接入與管理等功能。

2.2.1 綜合展示

在一個(gè)頁面展示包括場地實(shí)時(shí)信息輪巡、GIS信息、設(shè)備統(tǒng)計(jì)信息、高頻告警排名、實(shí)時(shí)告警、歷史告警曲線等功能；通過詳盡的指標(biāo)體系，實(shí)時(shí)反映所有監(jiān)測點(diǎn)的運(yùn)行信息，將數(shù)據(jù)形象化、直觀化、具體化，為用戶提供一站式展示當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行總覽信息。

2.2.2 數(shù)據(jù)分析

沿線監(jiān)測數(shù)據(jù)通過多種圖表、曲線進(jìn)行展示，內(nèi)容包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)及一段時(shí)間內(nèi)的最大值、最小值、平均值等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。通過私有化部署的離線GIS引擎，可以展示監(jiān)測點(diǎn)實(shí)際的地理信息、場地?cái)?shù)據(jù)、實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控等信息。

在大秦鐵路所屬茶塢工務(wù)段內(nèi)設(shè)置基準(zhǔn)站監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測鐵路沿線的8項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，通過基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)與沿線數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得出反映實(shí)時(shí)污染程度的數(shù)據(jù)信息。記錄同一時(shí)間點(diǎn)的TSP、風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)，通過對比分析，得出風(fēng)速、風(fēng)向?qū)﹃P(guān)聯(lián)粉塵污染的影響，以便于為后續(xù)煤塵治理提供環(huán)境影響數(shù)據(jù)。

2.2.3 告警分析

沿線監(jiān)測點(diǎn)的TSP數(shù)據(jù)通過流式計(jì)算與設(shè)定的閾值進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，超限時(shí)生成一條實(shí)時(shí)告警數(shù)據(jù)，當(dāng)TSP數(shù)據(jù)恢復(fù)到正常范圍后，該條告警結(jié)束，同時(shí)生成一條完整的告警數(shù)據(jù)并寫入數(shù)據(jù)庫。告警數(shù)據(jù)支持推送、查詢、統(tǒng)計(jì)、確認(rèn)等操作。

告警發(fā)生時(shí)，在系統(tǒng)的GIS頁面、告警小窗口頁面均有顏色閃爍告警提醒，自動(dòng)彈出告警場地的視頻圖像并控制視頻設(shè)備進(jìn)行拍照存檔，按照設(shè)定的告警等級(jí)發(fā)出不同的告警聲音，支持通過APP、短信、郵件等推送告警信息，使告警信息通過不同渠道和提示方式向主管人員進(jìn)行預(yù)警，保證告警提示無遺漏。

告警信息流完整，每條告警數(shù)據(jù)包括告警級(jí)別、告警描述、發(fā)生區(qū)域、發(fā)生設(shè)備、告警時(shí)的TSP值、告警發(fā)生時(shí)的風(fēng)向和風(fēng)速值、發(fā)生時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、計(jì)算的持續(xù)時(shí)間、處理意見、處理的人員、處理時(shí)間等信息。

系統(tǒng)對告警數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析，包括某個(gè)監(jiān)測點(diǎn)一段時(shí)間內(nèi)的告警趨勢、高頻告警場地排名、按時(shí)間分析告警數(shù)量的占比等，形象、高效、數(shù)據(jù)化展示告警分析信息。

2.2.4 報(bào)表分析

該系統(tǒng)對監(jiān)測的相關(guān)數(shù)據(jù)及告警數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、存儲(chǔ)后，根據(jù)用戶的需要，自動(dòng)生成報(bào)表供管理人員分析，主要內(nèi)容包括數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)表、告警統(tǒng)計(jì)報(bào)表、告警記錄報(bào)表、日報(bào)表、周報(bào)表、月報(bào)表等。

2.2.5 視頻監(jiān)控

為滿足使用有限的監(jiān)控終端同時(shí)請求視頻流和發(fā)出控制命令，通過分布式流媒體服務(wù)器將多個(gè)客戶端的連接請求合并成一路視頻流請求發(fā)送給部署在地區(qū)匯聚點(diǎn)的視頻服務(wù)器，然后再轉(zhuǎn)發(fā)視頻數(shù)據(jù)給所有客戶端，節(jié)省遠(yuǎn)程傳輸帶寬，增加同時(shí)訪問系統(tǒng)的客戶端數(shù)量[4]。

對視頻設(shè)備進(jìn)行集中管理，模塊化架構(gòu)，包括錄像管理模塊、視頻設(shè)備管理監(jiān)測模塊、流媒體轉(zhuǎn)發(fā)模塊等。實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻的播放、云臺(tái)控制、截圖、PTZ控制、碼流切換、預(yù)設(shè)位管理、本地錄像、遠(yuǎn)程錄像文件解碼等功能。

2.2.6 系統(tǒng)管理

該系統(tǒng)通過分權(quán)分域來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)隔離，只有分配了區(qū)域和操作權(quán)限后才能進(jìn)行相關(guān)查看、操作功能。系統(tǒng)對每一個(gè)登錄用戶的所有操作都進(jìn)行跟蹤記錄，以保證操作記錄有據(jù)、完整可查。

系統(tǒng)使用專用的監(jiān)控服務(wù)對業(yè)務(wù)服務(wù)、數(shù)據(jù)庫等進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控，當(dāng)發(fā)生異常時(shí)，支持自動(dòng)拉起動(dòng)作，同時(shí)給予相應(yīng)提示并進(jìn)行記錄。對于接入的設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器等通過拓?fù)鋱D的方式進(jìn)行展示，管理人員可根據(jù)拓?fù)鋱D顏色狀態(tài)快速了解整個(gè)系統(tǒng)的健康狀態(tài)。

系統(tǒng)支持IOT接入、界面、菜單、區(qū)域、指標(biāo)項(xiàng)、觸發(fā)器等配置操作。

3 應(yīng)用效果分析

3.1 在線監(jiān)測效果分析

該系統(tǒng)能夠多樣式、多維度展示監(jiān)測點(diǎn)場地?cái)?shù)據(jù)，通過各種實(shí)時(shí)更新的數(shù)據(jù)、折線圖、儀表盤、柱狀圖、實(shí)時(shí)視頻圖像等功能，將單個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、對比數(shù)據(jù)統(tǒng)一展示給管理人員，管理人員通過近24 h內(nèi)的重點(diǎn)數(shù)據(jù)對比曲線，可以對監(jiān)測點(diǎn)現(xiàn)場情況一目了然。場地圖展示如圖1所示。

圖1 場地圖展示

3.2 預(yù)告警實(shí)效分析

當(dāng)發(fā)生預(yù)告警提示后，可根據(jù)提示信息對發(fā)生問題的監(jiān)測點(diǎn)情況進(jìn)行追溯。例如，某場地分別在某日15:13:54和15:46:50各發(fā)生了1個(gè)告警，通過該系統(tǒng)可準(zhǔn)確查詢該次告警的詳細(xì)信息，如告警級(jí)別、發(fā)生時(shí)間、回復(fù)時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、當(dāng)時(shí)的風(fēng)速和風(fēng)向等信息；然后通過該時(shí)間點(diǎn)的TSP數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行查看(見圖2)，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)在2個(gè)時(shí)間點(diǎn)TSP數(shù)據(jù)突然增高，超過了預(yù)設(shè)的告警閾值；點(diǎn)擊告警聯(lián)動(dòng)后彈出本次告警時(shí)的視頻資料(見圖3)，可以發(fā)現(xiàn)在告警發(fā)生前，有一列車正在運(yùn)行通過，通過調(diào)取車輛車號(hào)信息，可以倒查運(yùn)煤列車裝車站、客戶等相關(guān)信息。

圖2 歷史數(shù)據(jù)曲線

圖3 視頻監(jiān)控

系統(tǒng)以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)、以軟件為工具，有效展示和分析了鐵路沿線發(fā)生揚(yáng)塵時(shí)的數(shù)據(jù)和圖像情況，使管理人員能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)而處理解決。

3.3 報(bào)表實(shí)效分析

系統(tǒng)通過長時(shí)間現(xiàn)場數(shù)據(jù)的監(jiān)測、分析，形成了貼合實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用的報(bào)表數(shù)據(jù)。例如，某年度沿線所有監(jiān)測場地的預(yù)告警數(shù)量在3月、4月呈上升趨勢，5月后開始下降，又如某場地4月比3月告警上升了36.09%，而在同年5月下降了57.11%，通過上述可以分析出揚(yáng)塵問題在不同時(shí)間、氣候環(huán)境條件下有顯著差異。

通過多維度、多樣式的數(shù)據(jù)和告警報(bào)表，根據(jù)AI算法對在線數(shù)據(jù)、環(huán)境、時(shí)間因素等進(jìn)行智能分析，后續(xù)逐步發(fā)現(xiàn)發(fā)生揚(yáng)塵的規(guī)律，并通過相應(yīng)手段對揚(yáng)塵問題進(jìn)行治理。

3.4 應(yīng)用總結(jié)

系統(tǒng)在1年的試運(yùn)行過程中，根據(jù)相關(guān)業(yè)務(wù)部門提出的意見逐步更新迭代了3個(gè)版本，更加適合現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用。后經(jīng)過了1年多的正式運(yùn)行，達(dá)到了項(xiàng)目設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)和建設(shè)目的，能夠保證煤塵數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性、保密性及分析數(shù)據(jù)的多樣性。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了大秦鐵路沿線大氣環(huán)境質(zhì)量實(shí)時(shí)在線監(jiān)測和列車通過時(shí)煤塵污染情況實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控，應(yīng)用效果主要表現(xiàn)在以下方面。

（1）在遠(yuǎn)離鐵路的常規(guī)環(huán)境設(shè)置基準(zhǔn)站，鐵路沿線監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)對比，分析結(jié)果更精準(zhǔn)。

（2）系統(tǒng)自動(dòng)整合了粉塵、環(huán)境、預(yù)告警、視頻等不同類型的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，當(dāng)告警發(fā)生時(shí)，及時(shí)彈出發(fā)生地點(diǎn)的實(shí)時(shí)視頻畫面，并永久保存告警信息和視頻監(jiān)控的關(guān)聯(lián)信息[5]，以供管理人員參考。

（3）系統(tǒng)自動(dòng)對各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的風(fēng)向、風(fēng)速、溫濕度等變化對于煤塵污染的影響進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，生成豐富的圖表、報(bào)告提供給管理人員進(jìn)行查閱。

（4）定時(shí)自動(dòng)生成周報(bào)表、月報(bào)表，有效降低管理成本。

4 結(jié)束語

鐵路沿線煤塵監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)符合運(yùn)煤線路向綠色、低碳環(huán)保發(fā)展的需要，大秦鐵路煤塵監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對大秦鐵路因煤塵引起的環(huán)境污染的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算、處理，形成了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)分析報(bào)表，為大秦線科學(xué)治污、精準(zhǔn)治污提供了數(shù)據(jù)支撐，也可為鐵路煤運(yùn)專線煤塵污染治理提供參考。