尹 航，李遠富，曾憲云

(1.西南交通大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院，成都 610031;2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031;3.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031;4.成都交通投資集團，成都 610041)

近年來，隨著中西部地區(qū)迎來高鐵建設(shè)的新時代，“困難艱險山區(qū)高鐵”的命題以其穿越中國南北氣候的分界線，穿越中國地質(zhì)條件最為復(fù)雜艱險山區(qū)的雄偉氣勢走進了中國高鐵歷史的舞臺，同時也給高鐵運營安全帶來了新的挑戰(zhàn)。困難艱險山區(qū)高速鐵路的定義為:跨越地質(zhì)條件極為復(fù)雜的艱險山區(qū)，多由高橋長隧組成的高速鐵路線路。其安全管理的難點可以歸納為:沿線氣候地質(zhì)條件復(fù)雜、高橋長隧比例大、運營安全風(fēng)險高、事故突發(fā)性強、應(yīng)急救援難度大。目前在建 和擬建的西部困難艱險山區(qū)高鐵項目概況詳見表1。

表1 在建和擬建的困難艱險山區(qū)高鐵項目概況

高速鐵路事故易造成嚴重的傷亡、巨大的經(jīng)濟損失和不良的社會效應(yīng)［1］。困難艱險山區(qū)高鐵作為我國運營風(fēng)險最大的高速鐵路，研究如何提高其安全管理水平，增強對安全事故的防控和應(yīng)急處置能力已刻不容緩。要在高鐵安全管理上謀求長治久安之策，就要探索安全預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)建方法，把安全管理的重心提到超前防范上來。目前，建立高速鐵路安全預(yù)警系統(tǒng)是世界各國在修建高速鐵路時亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一，也是國內(nèi)外研究的熱點問題，在充分研究國內(nèi)外研究動態(tài)的基礎(chǔ)上，提出基于GIS技術(shù)海量多源數(shù)據(jù)存儲、系統(tǒng)化管理、動態(tài)化更新、智能化分析和可視化發(fā)布等優(yōu)點，結(jié)合困難艱險山區(qū)高鐵的實際情況，建立一套切實可行的困難艱險山區(qū)高鐵安全預(yù)警系統(tǒng)，為減少事故造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失、提高應(yīng)急救援反應(yīng)速度提供有力支持。

1 基于GIS技術(shù)的高鐵安全預(yù)警系統(tǒng)

1.1 國內(nèi)外鐵路GIS技術(shù)應(yīng)用研究現(xiàn)狀

GIS即地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System)，具有對地理空間數(shù)據(jù)強大的獲取、存儲、顯示、預(yù)測、分析、管理以及決策能力，是在地理學(xué)、地圖學(xué)、測量學(xué)和計算機科學(xué)等學(xué)科基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門技術(shù)。近年來，以GIS技術(shù)為核心的3S技術(shù)(GIS技術(shù)、GPS衛(wèi)星定位技術(shù)、RS遙感技術(shù))得到了蓬勃的發(fā)展并受到了廣泛的關(guān)注，為高速鐵路安全預(yù)警工作開辟了一個新途徑。運用GIS技術(shù)，可以對海量的氣候、地質(zhì)和水文數(shù)據(jù)進行科學(xué)高效的管理和深入分析，并依賴其強大的可視化表達和圖形繪制能力、獨到的空間定位搜索分析能力進行精確的空間分析，將來自不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)整合在一起，通過模型的分析處理，提供對管理、決策有用的信息。

國外GIS技術(shù)在鐵路上的應(yīng)用主要集中在歐洲、北美洲的發(fā)達國家和日本，用于勘察設(shè)計、調(diào)度、工務(wù)管理、基礎(chǔ)設(shè)置管理及安全管理等方面。用于安全管理的如:日本川崎市基于GIS技術(shù)開發(fā)的高鐵地震預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫共享日本氣象局和地震局的實時信息，可以用于預(yù)警由于地震引發(fā)的諸如海嘯、熔巖噴發(fā)、山崩和河流決堤等環(huán)境災(zāi)害;英國Vaisala公司基于GIS技術(shù)開發(fā)的Railcast系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有鐵路氣象風(fēng)險預(yù)警功能，可以實時監(jiān)控風(fēng)速、降雨量、軌溫，當(dāng)指標達到預(yù)警值時發(fā)出警報;美國聯(lián)合太平洋鐵路公司(Union Pacific Railroad)開發(fā)的鐵路GIS風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)，將氣象因素、站場數(shù)據(jù)和列車運行數(shù)據(jù)綜合分析，防范鐵路安全事故。

目前，國內(nèi)鐵路基于GIS技術(shù)的應(yīng)用主要集中在以下幾個方面。

(1)工務(wù)管理方面:如中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司開發(fā)的《工務(wù)地理信息系統(tǒng)》。

(2)選線設(shè)計方面:如中鐵第一勘測設(shè)計院集團有限公司主持的“鐵路勘測設(shè)計一體化、智能化研究”項目，主要被成都、昆明鐵路局應(yīng)用于成昆、成渝、芝萬、滇藏等鐵路。

(3)列車定位方面:由若干科研單位和院校采用GPS、GIS、GSM等技術(shù)研制開發(fā)的《列車運行定位監(jiān)控系統(tǒng)》，已被西安鐵路局應(yīng)用于轄區(qū)內(nèi)的幾個電務(wù)段。

(4)鐵路用地管理方面:北京鐵路局開發(fā)的《GIS鐵路用地綜合信息管理系統(tǒng)》，現(xiàn)已推廣應(yīng)用于北京鐵路局和太原鐵路局。

但用于鐵路安全預(yù)警的應(yīng)用尚處于發(fā)展階段，現(xiàn)有此方面的研究有:針對鐵路水害的搶險救援系統(tǒng)研究;用于鐵路隧道熔巖突水災(zāi)害的預(yù)警系統(tǒng)研究等［2］。

1.2 基于GIS技術(shù)安全預(yù)警系統(tǒng)的研究目標

基于對國內(nèi)外鐵路GIS技術(shù)應(yīng)用的研究，得到了很多值得借鑒的信息，也歸納總結(jié)出了一些值得改進的問題。

(1)在以往的鐵路安全管理中，很少使用三維數(shù)字地圖，往往是以傳統(tǒng)的圖紙為媒介，如果發(fā)現(xiàn)風(fēng)險，通常是通過文字報告或電話的方式逐級上報，這里存在2個弊端:第一，貽誤了安全管理中最為寶貴的時間;第二，決策者接到上報的風(fēng)險信息，卻無法直觀了解風(fēng)險的全貌，導(dǎo)致無法做出及時準確的決策。

(2)路網(wǎng)沿線的歷史數(shù)據(jù)存儲分散，且格式不一，這給數(shù)據(jù)的調(diào)用帶來了困難。本文研究的安全預(yù)警系統(tǒng)將努力改善和解決這些問題。

本系統(tǒng)的目標定位為:根據(jù)困難艱險山區(qū)高速鐵路的特點對復(fù)雜的致險因素進行深入具體的分析，挖掘事故發(fā)生的機理，從而對安全風(fēng)險進行分析、預(yù)測、評價，并利用先進的數(shù)據(jù)采集手段收集實時數(shù)據(jù)，通過特定的風(fēng)險評估模型對數(shù)據(jù)進行客觀評價，對風(fēng)險予以分級預(yù)警，將預(yù)警信息實時動態(tài)地顯示在GIS三維立體線路圖上，為決策者提供快速、準確、直觀的預(yù)警信息，以達到提升對高鐵事故的防控能力的目的，最大限度地避免困難艱險山區(qū)高鐵事故的發(fā)生。

2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能

2.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)是基于GIS技術(shù)，結(jié)合困難艱險山區(qū)高鐵災(zāi)害特點，運用風(fēng)險評估模型建立起來的智能信息系統(tǒng)。它將通過GPS衛(wèi)星定位技術(shù)、RS遙感技術(shù)、車載終端設(shè)備所采集的信息納入數(shù)據(jù)庫，通過特定的風(fēng)險評估模型對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行實時客觀的風(fēng)險分析處理，根據(jù)風(fēng)險分析的結(jié)果，對風(fēng)險進行分級預(yù)警，并以不同的顏色顯示在高鐵路網(wǎng)運行圖上。使用者可以通過瀏覽器、手持終端(PDA)和客戶端軟件的形式來查看安全預(yù)警狀態(tài)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從總體上劃分為:數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)儲存層、數(shù)據(jù)處理及發(fā)布層和客戶層4個層級［3］，如圖1 所示。

圖1 困難艱險山區(qū)高鐵GIS安全預(yù)警系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

(1)數(shù)據(jù)采集層:主要由通過GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)、RS遙感系統(tǒng)、車載終端PDA等技術(shù)手段采集的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，能否及時準確的采集到實時數(shù)據(jù)，是安全預(yù)警系統(tǒng)能夠正常工作的前提。

(2)數(shù)據(jù)儲存層:由多組數(shù)據(jù)庫服務(wù)器構(gòu)成，由于困難艱險山區(qū)的地質(zhì)條件復(fù)雜、沿線氣候多變，導(dǎo)致產(chǎn)生了海量存儲數(shù)據(jù)，所以對數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的配置要求極高。

(3)數(shù)據(jù)處理及發(fā)布層:由應(yīng)用服務(wù)器和WEB服務(wù)器組成，應(yīng)用服務(wù)器與數(shù)據(jù)儲存層的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器相連，對數(shù)據(jù)庫服務(wù)器所提供的實時數(shù)據(jù)進行分析處理，并將預(yù)警信息發(fā)布到WEB服務(wù)器，為用戶提供基于GIS技術(shù)的多維可視化展示。

(4)客戶層:分為C/S(Client/Server)結(jié)構(gòu)和B/S(Browser/Server)結(jié)構(gòu)2種模式，對于系統(tǒng)的專業(yè)用戶(即負責(zé)系統(tǒng)的設(shè)計、維護和管理的技術(shù)人員)開啟C/S結(jié)構(gòu)模式，便于其對系統(tǒng)進行維護和管理;對其他用戶(安全管理人員等)開啟B/S結(jié)構(gòu)模式［4-7］，安全管理人員可以通過顯示器直觀地觀察到高鐵各路段的實時安全預(yù)警狀態(tài)，借以分析、判斷高鐵的實時安全情況，并針對預(yù)警等級及時、快速地采取相應(yīng)措施及啟動應(yīng)急救援預(yù)案等。

2.2 系統(tǒng)的功能

基于GIS技術(shù)的困難艱險山區(qū)高速鐵路安全預(yù)警系統(tǒng)具有5個主要功能模塊，具體為:數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)、報警系統(tǒng)、事故預(yù)測評價系統(tǒng)、數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)［8-10］，如圖2所示。

圖2 困難艱險山區(qū)高鐵GIS安全預(yù)警系統(tǒng)功能框架

(1)數(shù)據(jù)采集:系統(tǒng)將困難艱險山區(qū)高鐵沿線的相關(guān)歷史資料錄入到數(shù)據(jù)庫，包括地形圖、地質(zhì)勘探資料、氣候水文資料、橋隧的規(guī)劃設(shè)計圖紙等，并運用GPS衛(wèi)星定位技術(shù)、RS遙感技術(shù)、車載終端PDA等技術(shù)手段，對數(shù)據(jù)庫進行實時的數(shù)據(jù)更新、完善及補充。對采集到的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會對其進行矢量化并建立拓撲關(guān)系，采用按圖層和屬性分類的方式進行管理。系統(tǒng)具備對不同格式數(shù)據(jù)進行自由轉(zhuǎn)換的功能，例如把本系統(tǒng)所采用的SHP格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成AUTOCAD、MAPINFO、MAPGIS等格式。系統(tǒng)還具備圖形的制作與編輯功能。

(2)數(shù)據(jù)分析處理:系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫提供的實時數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)，運用數(shù)據(jù)匹配模型和風(fēng)險評估模型，對沿線的風(fēng)險情況進行實時分析。

(3)預(yù)警:參照《國務(wù)院有關(guān)部門、單位公共突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案框架指南》及《鐵路工務(wù)安全規(guī)則》，將風(fēng)險劃分為5個等級，并將不同等級的風(fēng)險以不同的顏色來表示，分別為:等級一(S1):安全狀態(tài)，用綠色表示;等級二(S2):準安全狀態(tài)，用藍色表示;等級三(S3):臨界狀態(tài)，用黃色表示;等級四(S4):準危險狀態(tài)，用橙色表示;等級五(S5):危險狀態(tài)，用紅色表示。如表2所示。根據(jù)5種風(fēng)險等級設(shè)置4條風(fēng)險基準控制線，當(dāng)評估數(shù)值跨越這些基準控制線時，系統(tǒng)將發(fā)出對應(yīng)的警報，在高鐵路網(wǎng)GIS地圖上亮起相應(yīng)的預(yù)警信號燈。

表2 困難艱險山區(qū)高鐵GIS安全預(yù)警系統(tǒng)預(yù)警信號燈設(shè)置

(4)事故預(yù)測評價:盡管不同安全事故的形成機理可能千差萬別，但根據(jù)對以往事故數(shù)據(jù)的分析得知，它們之間往往具有千絲萬縷的內(nèi)在聯(lián)系且具有一定的規(guī)律性。利用GIS技術(shù)，系統(tǒng)可以直接調(diào)用數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)對已發(fā)事故進行分析，預(yù)測將來一段時間事故的分布范圍與發(fā)生概率。

(5)數(shù)據(jù)查詢:以預(yù)警信息數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，系統(tǒng)為決策者提供氣象、地質(zhì)、水文等類型相關(guān)信息的查詢功能。決策者可根據(jù)需要選擇查詢屬性數(shù)據(jù)、空間分析數(shù)據(jù)或進行屬性—空間數(shù)據(jù)互查。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 系統(tǒng)預(yù)警指標體系的建立

預(yù)警指標體系作為安全預(yù)警系統(tǒng)的核心，指標的選取必須具有代表性，且能夠滿足反映系統(tǒng)預(yù)警目標所面臨的各類風(fēng)險的要求。根據(jù)相關(guān)的安全法律、法規(guī)，結(jié)合對中鐵二院、四院等單位提供的貴廣線資料調(diào)研的基礎(chǔ)上，又廣泛搜集了國內(nèi)外相關(guān)文獻資料，采用系統(tǒng)科學(xué)理論中“人—機—環(huán)境”系統(tǒng)方法將困難艱險山區(qū)高鐵安全風(fēng)險劃分為:人為風(fēng)險、環(huán)境風(fēng)險、設(shè)備風(fēng)險。人為風(fēng)險又包括:運營人員(包括操作人員、決策人員等)風(fēng)險、乘客風(fēng)險、其他人員風(fēng)險;環(huán)境風(fēng)險包括:氣象風(fēng)險、地質(zhì)風(fēng)險、水文風(fēng)險;設(shè)備風(fēng)險包括:列車風(fēng)險、站場風(fēng)險、軌道風(fēng)險［11-13］。根據(jù)目前所掌握資料的詳實程度及篇幅原因，筆者將側(cè)重環(huán)境風(fēng)險來對系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)進行探討，環(huán)境風(fēng)險也是困難艱險山區(qū)高鐵安全面臨的最主要風(fēng)險，選擇其進行探討具有代表性。下面，運用 AHP(Analytic Hierarchy Process)法建立風(fēng)險指標評價體系，如圖3所示。

圖3 困難艱險山區(qū)高鐵GIS安全預(yù)警系統(tǒng)風(fēng)險指標體系

以建立的風(fēng)險評價體系為基礎(chǔ)，引入1－9段標度法，采用問卷調(diào)查法(現(xiàn)場調(diào)查對象為參與貴廣高鐵項目的建設(shè)單位、設(shè)計單位、施工單位、監(jiān)理單位的相關(guān)專業(yè)人員)，對同一層次各因素的重要性進行兩兩比較，得出各因素間的相對重要度并賦予分值，構(gòu)造出判斷矩陣，并對矩陣進行一致性檢驗，最終確定各風(fēng)險因素的權(quán)重，如表3所示。

表3 風(fēng)險因素權(quán)重

3.2 系統(tǒng)預(yù)警風(fēng)險評估模型

對于一個安全預(yù)警系統(tǒng)而言，不僅需要建立風(fēng)險預(yù)警指標體系，還需要通過數(shù)學(xué)建模來對諸多的不確定性指標進行綜合評價，從而得到反映風(fēng)險程度的綜合指標值并開展預(yù)警工作。進行綜合評價的方法也較多，需根據(jù)情況來選擇合適的方法。模糊綜合評價法用于評價多層次的復(fù)雜問題效果極佳，但缺點是權(quán)重難以確定，而權(quán)重的準確性對于評價結(jié)果是否客觀又是至關(guān)重要的。所以筆者選擇以基于AHP法的模糊綜合評價法來構(gòu)建預(yù)警模型，AHP法的引入，很好地解決了權(quán)重難以確定的問題。

模糊綜合評價就是應(yīng)用模糊變換原理和最大隸屬度原則，考慮與被評價事物相關(guān)的各個因素，對其所作的綜合評價。目前常用的模糊綜合評價模型有多種，筆者選擇了普通矩陣乘法型，即M=(·，+)型，因為此模型兼顧了每個風(fēng)險對總目標的綜合影響，全面客觀地反映了風(fēng)險的整體特征。模型中wi和rij(i=1，2，…，n;j=1，2，…，m)均無上限約束，但注意需對 wi做歸一化處理，模型如下

模型的計算步驟如下。

第1步:建立困難艱險山區(qū)高鐵安全風(fēng)險因素集。設(shè)困難艱險山區(qū)高鐵安全風(fēng)險因素集為U，根據(jù)圖3中的風(fēng)險指標體系將風(fēng)險因素集分為2層。

第一層:U={U1，U2，U3}

U1=氣象風(fēng)險，U2=地質(zhì)風(fēng)險，U3=水文風(fēng)險。

第二層:U1={U11，U12，U13}U2={U21，U22，U23，U24}U3={U31，U32}

U11=降水量，U12=風(fēng)速，U13=氣溫;U21=邊坡坡度，U22=巖土類型，U23=植被覆蓋率，U24=地質(zhì)構(gòu)造;U31=水系流域，U32=地下水。

第 2 步:建立評語集。V={V1，V2，V3，V4，V5}它們分別表示不同的風(fēng)險等級，即 V={V1，V2，V3，V4，V5}={安全，準安全，臨界，準危險，危險}。各等級風(fēng)險對應(yīng)的預(yù)警信號燈分別為:綠色，藍色，黃色，橙色，紅色。

第3步:隸屬度的確定。對指標層各因素在不同風(fēng)險等級上發(fā)生的概率R(即隸屬度)的取值采用專家打分法，組織13位相關(guān)方面的專家對安全預(yù)警指標進行分類逐一評價，并將最終的評價結(jié)果輸入GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，以備系統(tǒng)調(diào)用。因素風(fēng)險概率評價見表4(以地質(zhì)類風(fēng)險因素打分為例，氣象、水文類風(fēng)險打分方式相同)。

表4 風(fēng)險因素專家打分

第4步:多級模糊綜合評價。由于因素集分為兩層，故應(yīng)做2次模糊評估。第一次先通過模糊矩陣的合成運算實現(xiàn)指標層C對風(fēng)險類別層B的模糊評價，由AHP法得到權(quán)重W值(表3)和由專家評分法確定的隸屬度R值(表4)，根據(jù)公式(1)做第一級模糊評價

由一級模糊評價的結(jié)果得到二級評價的模糊矩陣

接著根據(jù)公式(1)進行第二級模糊評價，即運算風(fēng)險類別層B對目標層A的模糊評價，得到總風(fēng)險的綜合評價值

最后根據(jù)最大隸屬度原則，取b=max{bj}為最終的總風(fēng)險綜合評價值［14］。將評價值劃分為5個區(qū)間，并與表2中的預(yù)警信號等級相對應(yīng)，見表5。

表5 安全風(fēng)險等級評價標準

總風(fēng)險評價值b屬于上述哪個區(qū)間，預(yù)警系統(tǒng)就將相應(yīng)的風(fēng)險等級顯示在系統(tǒng)的GIS地圖上，并亮起相應(yīng)顏色的預(yù)警指示燈。

4 結(jié)論

(1)針對困難艱險山區(qū)高鐵運營的高風(fēng)險情況，結(jié)合GIS技術(shù)，設(shè)計了一套適用于困難艱險山區(qū)高鐵切實可行的安全預(yù)警系統(tǒng)。

(2)對參與貴廣高鐵項目的建設(shè)單位、設(shè)計單位、施工單位、監(jiān)理單位的相關(guān)專業(yè)人員進行了現(xiàn)場問卷調(diào)查，獲得了寶貴真實的安全風(fēng)險數(shù)據(jù)資料，并在此基礎(chǔ)上建立了安全預(yù)警系統(tǒng)指標體系。

(3)針對模糊綜合評價法模型權(quán)重難以準確選定的弱點，引入了AHP法來客觀的給出權(quán)重，有利于更加準確的對困難艱險山區(qū)高鐵沿線的風(fēng)險進行評價，保證了安全預(yù)警系統(tǒng)的準確性。

(4)采用系統(tǒng)科學(xué)理論中“人—機—環(huán)境”系統(tǒng)的方法對高鐵運營安全風(fēng)險進行識別并建立風(fēng)險指標體系，力圖使系統(tǒng)的評估結(jié)果更接近于實際。但由于掌握的資料有限，整個體系的構(gòu)建尚不完善，還需進一步研究改進。

(5)盡管交通管理部門和高速鐵路營運部門不斷加大高鐵安全管理力度，促使其安全管理工作步入了良性軌道，但高速鐵路安全管理問題仍然是不可忽視的一個問題，高鐵的運營安全保障任重而道遠。該系統(tǒng)建成后將應(yīng)用于我國困難艱險山區(qū)的高鐵線路，為其安全運營提供幫助。

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