高速铁路运营安全保障技防体系研究

Technical Defense System for Operational Safety Guarantee of High Speed Railway

摘要

高速铁路技防技术及系统是高速铁路运营的科技安全保障，高速铁路技防系统在体系级深化融合、风险预警与防控一体化以及统筹标准管理等方面，亟需顶层体系战略架构方法深化研究，以提升和优化高速铁路运营安全保障技防能力。针对高速铁路运营安全保障技防体系发展及建设存在的问题，从高速铁路人防、物防与技防定义和技防体系基础内涵等角度解析技防体系范围边界。依据高速铁路安全及科技发展要求，从规划、管理、系统、创新及融合等方面研究高速铁路技防体系发展规划目标和技防技术实施重点领域。通过深化分析技防体系建设集成总体需求，研究形成运营安全保障技防体系集成架构，并从技防体系集成的服务支撑、功能架构、顶层逻辑交互、物理部署等方面为高速铁路技防体系发展规划提供理论支撑。

Abstract

The technical defense technology and system of high speed railway are the technological safety guarantee for high speed railway operation. Meanwhile, the technical defense system urgently calls for deepening the research on strategic architecture methods of top-level systems in the fields of integration at the system level, integration of risk warning and prevention, and standard management coordination to enhance and optimize the technical defense system's ability to ensure operational safety of high speed railway. In response to the problems in the development and construction of the technical defense system for operational safety of high speed railway, the scope and boundary of the technical defense system were analyzed based on the definitions of railway civil defense, physical defense, and technical defense as well as basic connotations of the technical defense system. According to the safety and technological development requirements of high speed railway, this paper studied not only the development and planning goals of the technical defense system in high speed railway, but also key fields where the technical defense technology is implemented, from the perspectives of planning, management, system, innovation, and integration. Finally, by deepening the analysis on comprehensive construction and integration requirements of the technical defense system, it conducted research on the system integration architecture for ensuring operational safety. Meanwhile, theoretical support is provided for the development planning of the technical defense system in high speed railway from the aspects of service support, functional architecture, top-level logic interaction, and physical deployment.

Graphical abstract

关键词

高速铁路 / 运营安全 / 技防体系 / 风险防范 / 发展规划

Key words

High Speed Railway / Operational Safety / Technical Defense System / Risk Prevention / Development Planning

0　引言

保安全、保稳定、保畅通作为高速铁路运营保障工作重点，通过坚持系统及体系治理落实人防、物防、技防措施，是在新的形势下继续推动铁路高质量发展的科技安全保障手段。高速铁路运营安全保障技防系统经过多年的研发与推广应用，已经在移动装备、工务工程、通信信号、牵引供电、基础设施检测、客货运输、环境安全、网络安全等专业领域实施部署^[1-3]。高速铁路技防体系是复杂系统，既具有复杂产品制造体系属性，又具有复杂企业运营属性。技防体系不是技防技术在铁路各专业独立应用的简单叠加，而是在先进的信息、通信、控制等领域技术的支撑下，通过不同业务领域、面向铁路生命周期不同阶段系统的集成融合，形成功能更强、效率更高、稳定性更好、集成度更优的安全防护整体。

国内有大量学者对我国高速铁路运营安全保障体系进行了研究。桑苑秋等^[4]进行了移动装备信息化系统工程构成研究，并对逻辑交互方式进行定义。孙海福^[5]基于我国铁路设计重点，从源头质量、设备设计、运营管理、养护维修角度对高速铁路安全保障体系机制深化分析。康高亮^[6]以我国铁路安全监督视角深入解析高速铁路安全基础管理和铁路生产控制，强调通过优化监督检查机制来确保我国特色的人防、物防、技防“三位一体”高速铁路安全保障体系运转实施。李平等^[7]设计出高速铁路大数据服务架构，在铁路大数据层面构建面向高速铁路运营安全的数据分析安全保障技术体系。冯海燕^[8]、令永春等^[9]和张蕾^[10]分别从灾害监测系统、隧道防灾安全监控与应急救援以及高速铁路信息安全等方面对高速铁路运营安全保障技防系统进行研发设计。在铁路安全体系建设应用层面，我国铁路在通信信号^[11]、牵引供电^[12]、机车车辆^[13]、工务工程^[14]等专业系统内部建立了较为完善的安全防护体系，以机车车载安全防护系统(6A)、车辆运行安全监控系统(5T)、电气化铁路供电安全检测监测系统(6C)、工务检测监测系统(8M)等为代表的铁路安全技防系统已广泛应用。

上述研究均对高速铁路安全保障体系提供了理论支撑，但是当前技防系统发展建设缺乏深化的整体规划，系统间存在壁垒，集成度与整体效率低，在全局角度技防系统间关联分析能力弱，技防系统实现的电子化信息化手段复杂多样，对应的统一标准和规范有待进一步加强。此外，技防系统投入成本高，全路技防技术重点攻关方向决策及技防系统经济效益的最大化部署都需要体系级分析支撑。因此，亟需深化研究高速铁路运营安全保障技防体系，系统梳理技防体系总体需求，在总体需求基础上提出高速铁路技防体系集成总体架构，明确技防体系建设总体目标和重点实施领域，为技防发展规划提供理论支撑及政策建议。

1　安全保障技防体系基础内涵

为了能够更准确地开展技防体系规划研究，首先应当明确人防、物防、技防在铁路专业领域的定义，其次应该明确技防与人防和物防的逻辑关系，最后明确技防体系的基础内涵。人防、物防与技防三位一体是高速铁路运营安全保障体系的基本构成，明确技防对人防和物防的服务支撑关系是搭建技防体系集成架构的基础前提，它将决定技防体系建设的范围边界。技防体系基础内涵的层级、架构和功能决定了体系建设的基础内容。

1.1　人防、物防与技防概念

公安部在安全防范专业领域首次提出人防、物防、技防定义，结合铁路专业领域特色与《安全防范工程技术标准》(GB 50348—2018)^[15]，对铁路领域人防、物防与技防概念进行解释。人防是依靠铁路员工进行铁路系统安全防范，最大程度地利用人的自身器官(眼、耳、口、鼻、身、脑等)进行探测、识别和处置影响铁路安全风险事件。典型的铁路人防措施包括巡检人员的排查巡逻、处置应急事件等。物防是采取实体的方式进行铁路系统安全防范，通过设置围墙围栏、防护网等物质屏障，达到阻隔或推迟铁路安全事故发生的效果。典型的物防措施包括防溜铁鞋、防护栅栏、限高防护架等。技防是利用传感、通信、计算机、信息处理及控制、生物特征识别等技术对铁路安全风险和隐患实现探测、延迟或消除的安全防范手段。铁路人防、物防与技防关联关系如图1所示，鉴于我国高速铁路安全防范发展现状，目前人防仍然是安防的核心手段，此外它还对物防和技防起管理落实的作用。物防是基础，既可以对人防提供安防支撑，又可以对技防提供物理基础，其中包含数据基础。技防在整个安防体系中起提升安防能力的作用，除了本身的安全防范功能以外，还可以通过信息化、电子化等技术为人防和物防的安防能力作技术支撑。

1.2　技防体系定义

技防系统是实现复杂技防技术的组成要素、组织结构、信息流、控制模块等集成的功能整体。技防体系是技防系统的集成，根据体系所特有的复杂性、不确定性、涌现性、演化性等特征，能够提供单一技防系统所不具备的更多更强的安防能力。复杂性体现在铁路技防体系涵盖专业范围广，技防技术类型丰富，在不同模块之间逻辑关系和数据关系存在庞杂的强耦合机理及弱耦合机理。涌现性是技防体系在集成不同技防系统后，从功能层面或组织管理层面，具现出单个技防系统所不具备的功能，比如单一技防系统通过检测监测发现故障时，很难评估出对应故障的影响范围，技防体系可以将集成的技防系统和数据资源进行关联分析，由此涌现出故障根因定位和传播链研判的安全防范能力。演化性是技防体系在发展和建设过程中以时间为基线，随着新技术的投入以及组织架构的优化带来技防体系的改造和提升。技防体系的不确定性，是指技防体系中不能量化描述的或呈现有不确定性信息的影响因素。技防体系安全防范面向对象应当下沉至高速铁路各个专业岗位活动的关键业务环节，除了自身的技术安全防范功能外，也应当能够对人防和物防提供服务支撑以提升铁路整体安全防范能力。例如，超视距系统可以强化动车组机务人员对异物侵限的风险处置能力，传统铁鞋可设计智能化定位及卡扣状态监测等功能以提升机车车辆防溜能力。

2　高速铁路技防体系发展设计

2.1　发展规划目标

随着高速铁路运营里程增长，我国已经进入高速铁路运营维修养护及安全保障高峰期，技防的进一步深化研究离不开技防体系集成规划及实施路径研究。通过对“十四五铁路发展规划”等纲领性文件研判总结，集成的技防体系发展规划目标体现在如下5个方面。

（1）以技防体系为抓手，规划好专业领域技防系统发展。按照轨道、路基、桥梁、隧道、通信、信号、供电、移动设备等铁路主要专业领域分类维度对技防技术与技防系统进行统筹，深化铁路安全机理基础研究，加强技防与智能检测监测、智能分析与预测以及超视距和北斗导航等高精尖技术结合，把握准各专业技防技术发展方向，针对技防技术支撑能力、技防技术方案实现周期开展长短期技防技术应用规划，优先攻克重要安全问题，避免技防技术重复研发投入。

（2）以技防体系为主体，管理好技防系统运营与投入。按照技防体系设计框架，建设技防体系标准，统一技防系统交互技术规范，严格技防系统落地应用部署规范，强化既有技防数据及软硬件等资源管理机制，量化优化安全与技防经济投入间平衡关系，针对铁路建设阶段技防系统规划欠缺、未预留部署条件等问题，依托技防体系管理优势，支撑技防系统部署所需电力、网络等资源协调。

（3）以技防体系为核心，协同好技防系统间功能交互。深入研究技防系统功能协同需求，以列车接近预警与防控、复杂山区地质灾害预警与防控、超视距预警与防控等重点“车-车”和“车-地”技防场景为主要研究对象，建设风险预测预警与防控一体化体制机制，提升铁路安全事故防控响应效率。

（4）以技防体系为基础，创新好技防资源再利用。数据资源和技防技术专业能力资源是技防资源主要构成，利用、整合各专业技防能力优势，研究解析技防数据种类、量级和价值，在数据安全前提下，围绕技防体系形成大数据资源平台，促进实时数据和离线数据挖掘利用，并通过大数据以及深度学习等技术提升技防体系对安全事故发生和影响范围预测、事故根因追踪定位、事故智能关联分析等体系级安防能力，促进铁路安全保障模式从设备级安全向体系级安全、传统因果分析安全向大数据分析安全、被动修补安全向主动预防安全的转变。

（5）以技防体系为平台，融合好人防、物防与技防“三位一体”安全保障体系。集成的技防体系是实现“1+3”即通过1个体系平台融合3个安全保障体系角色的重要手段，开展专业内及跨专业的人防、物防与技防信息资源融合需求研究，深入分析数据融合安全管理保障研究，总结亟需人防、物防与技防深度融合安防应用场景，针对不同应用场景，形成人防、物防与技防“三位一体”融合机制。

2.2　实施重点领域

技防体系发展建设规划实施重点领域如图2所示，主要体现在3个方面，分别是安全关键管控、科技安全保障以及安全体系建设。安全关键管控领域由作业安全管控、装备质量管控以及环境安全管控构成，其中装备质量管控主要包括源头管控和作业过程管控。科技安全保障领域由安全基础研究和高精尖技术技防结合构成，高精尖技术技防结合是加快数字孪生、智能应用、大数据物联以及其他高科技领域成熟技术在铁路技防领域落地以提高技防系统安全保障能力。加强安全体系建设主要指加强风险预测预警与防控一体化建设和促进人防、物防、技防“三位一体”安全保障体系融合。风险预测预警与防控一体化建设主要包括以地震预警与控车控电一体化和异物侵限预警与控车一体化建设，前者已经有较为成熟应用目前需要扩大应用范围，后者的高准确率预警技防应用将对高速铁路行车安全起到重要保障作用。

3　技防体系集成总体架构

3.1　集成总体需求

技防体系集成总体需求主要涵盖3个方面，分别是业务需求、安全需求、系统需求。通过对已有高速铁路运营安全数据分析，随着技防系统的不断投入，高速铁路安全事故发生率逐年降低，但是潜在的风险以及安全隐患仍然存在，尤其是设备源头质量、作业规范以及自然灾害成为高速铁路主要安全风险点。技防体系集成有助于从全局角度进一步分析安全需求重点，明确技防技术攻关方向。业务需求源自各个专业领域对高速铁路业务流程重要岗位及环节实现全链路安全保障需要，业务需求要求更进一步明确技防体系集成总体架构基本构成和各构成部分间的逻辑与数据关系，需要重点研判辨识核心业务流程中的关键安全风险点。系统需求源自对技防系统的体系级管理、关联与融合需要，系统需求是站在顶层设计角度统筹各专业领域技防应用系统及资源，破除技防系统间数据壁垒和互通壁垒。

3.2　集成总体架构

3.2.1　总体架构设计

技防体系集成总体架构设计规划遵循分层级设计机制，主要包括服务支撑框架、整体功能框架、顶层逻辑框架和物理部署框架4个部分，技防体系集成总体架构如图3所示。首先进行需求分析，在业务需求、系统需求、安全需求基础上，明确技防体系服务支撑框架内容。其次，实现集成总体架构体系模型设计，该层级主要包含整体功能框架和顶层逻辑框架2部分。最后在体系模型基础上，进行物理模型设计，其是技防体系落地实现的物理部署方案。服务支撑框架是技防体系集成架构的基础核心，此框架需要明确技防体系防护主体和服务主体，这都要与技防体系总体需求相对应。在服务支撑框架基础上才能够搭建整体功能框架，整体功能框架是技防体系集成架构的功能描述，其中所包含的功能要对服务支撑框架进行响应。有了整体功能框架才能进行顶层逻辑框架设计，依据整体功能框架的功能设计，并明确体系基本构成单元之间的逻辑流转关系和数据交互关系。顶层逻辑框架是整个技防体系集成架构的引擎，其决定了技防体系集成后的运行方式。物理部署框架是应对顶层逻辑框架设计进行的技防体系落地部署设计，需要在此明确技防体系系统集成方案、功能融合方案以及整体技防体系部署后的信息产出。

3.2.2　服务支撑架构

服务支撑架构如图4所示，分为2个层级，在顶层架构层面，经过总体需求分析明确服务支撑内容应当包含3个方向，分别为技防系统体系化支撑、人防服务支撑和物防服务支撑。技防系统体系化支撑是为了在技防体系架构下规范科学地对既有技防系统和新建技防系统进行融合、兼容和扩展，在该方向的下一层级服务支撑架构方面应当具备技防系统集成服务支撑、融合功能涌现支撑以及可以综合管理内部和外部交互、增删改查数据的统一管理门户服务支撑。人防服务支撑是集成的技防体系对人防在体系应用层级的融合和安全防范能力的提升实现，在该方向的下一层级服务支撑架构方面应该通过电子化和信息化技术改造优化人防涉及的作业规范、组织管理和工具集成。物防服务支撑是集成技防体系对物防在体系应用层级的融合和安全防范能力的提升实现，在该方向的下一层级服务支撑架构方面应该通过智能化、电子化和信息化技术提升物防涉及的设备管理和数据管理。

3.2.3　整体功能架构

整体功能架构如图5所示，该架构是在服务支撑框架研判的基础上对相应服务支撑内容在功能具体落地层面上的扩展。在技防系统体系化集成的技防子系统方面，功能应该包括人员作业防护技防系统集成、设备安全防护技防系统集成、环境灾害防护技防系统集成以及信息交互防护系统集成。在技防系统体系化智能技防方面，需要具备技防关联分析功能、故障根因定位功能、故障影响范围评估功能以及应急智能决策功能。在技防系统体系化集成门户方面，技防体系需要具备子系统集成管理功能、数据资源管理功能、交互接口管理功能、网络安全管理功能以及可视化分析功能。在人防服务支撑作业规范管理方面，技防体系需要具备技术及设计规范性核验功能、作业审批、验收和总结信息化功能以及作业过程规范监测功能等。在组织管理方面，技防体系需要具备分级分权限管理功能和制度规章管理功能，这有利于人防在组织管理过程中更便捷地按照章程实现规范标准。在工具集成方面，技防体系应当可以为人防的便捷实施和更加快速地应对安全故障统筹全局做出相应服务功能实现，包括但不限于安全教育培训功能、故障分级告警通知功能、故障应急方案辅助生成功能、安全防范全局可视化功能、定期巡检提示功能、命令辅助生成发送功能等等。在物防服务支撑设备管理方面，技防体系应当可以满足对设备智能化改造、数据管理以及全生命周期管理，在作业时，可以信息化地辅助物防设备使用登销记，并且为了辅助在宏观顶层层面对既有物防设备有清晰的使用和储备状态把控，集成的技防体系应当实现资产台账管理功能方便作业人员和管理人员使用管理。以上整体功能不仅可以保障既有技防系统和新建技防系统集成融合扩展和创新，还可以通过对人防和物防服务支撑功能强关联人防和物防，在功能层面以服务为驱动，促进人防、物防和技防实现“三位一体”安全保障。

3.2.4　顶层逻辑架构

顶层逻辑架构如图6所示，在整体功能框架的基础上，按照由顶至下、逐层细化的思路设计了集成技防体系的顶层逻辑框架，其从系统内部对输入数据流、输出数据流及处理过程进行结构性组织。顶层逻辑框架通常用层次数据流图来描述，其主要由上层逻辑框架和下层逻辑框架组成，上层逻辑框架说明集成后的技防体系在技防系统体系化模块、技防对物防服务支撑模块以及技防对人防服务支撑模块的边界，包含模块之间数据访问、统筹管理以及使用决策等交互逻辑定义；下层逻辑框架对服务功能模块的数据和功能提供流向进行明确。

3.2.5　物理部署架构

在逻辑框架的基础上，按照站段、铁路局集团公司和中国国家铁路集团有限公司(以下简称“国铁集团”)逐层建设融合的方式设计集成技防体系物理部署方案，物理部署架构如图7所示。在不同层级的物理部署框架整体结构相同，在同一层级物理部署建设完成后需要向上同层级融合从而实现国铁集团级统一顶层管理的物理部署。物理部署框架主要包含4层部署，在资源层级需要对既有技防子系统进行融合，并利用信息化手段将数据资源、设备资源和管理资源统一收纳。中台支撑层是物理部署框架的核心，其需要建设系统工程集成平台、采控平台、数据平台、智能计算平台对资源层进行处理和加工。应用层是物理部署框架对技防体系功能的应用实现，依托支撑中台的平台，对系统关联、资源管理、数据分析、异常诊断、监控管理以及应急处置等功能进行开发。展现层是物理部署框架对外输出的展现，通过集成管理门户、可视化以及通知告警等应用方便管理人员和作业人员对技防体系进行管理和操作。

4　结束语

高速铁路技防系统涉及专业领域多，基本覆盖高速铁路运营关键业务环节，针对技防系统间存在壁垒、集成度与整体效率低以及关联分析能力弱等技防体系发展建设问题，开展了技防体系规划及实施路径深化研究，提出高速铁路技防体系集成架构，为实现高速铁路运营“科技兴安”提出理论支撑。高速铁路运营安全保障技防体系在体系化建设层面仍需加强风险预测预警与防控一体化建设和促进人防、物防、技防“三位一体”安全保障体系融合，有必要总结已有高速铁路安全技防研发应用经验教训，优化技防体系配套标准规范，高效利用物联网、大数据、人工智能等信息化和智能化技术，切实赋能高速铁路本质安全、本体安全、主动安全。

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基金资助

中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划课题(N2023T005)