基于GIS技術的困難艱險山區高鐵安全預警系統研究

尹 航，李遠富，曾憲云

(1.西南交通大學經濟管理學院，成都 610031;2.西南交通大學土木工程學院，成都 610031;3.西南交通大學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，隨著中西部地區迎來高鐵建設的新時代，“困難艱險山區高鐵”的命題以其穿越中國南北氣候的分界線，穿越中國地質條件最為復雜艱險山區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。困難艱險山區高速鐵路的定義為:跨越地質條件極為復雜的艱險山區，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:沿線氣候地質條件復雜、高橋長隧比例大、運營安全風險高、事故突發性強、應急救援難度大。目前在建 和擬建的西部困難艱險山區高鐵項目概況詳見表1。

表1 在建和擬建的困難艱險山區高鐵項目概況

高速鐵路事故易造成嚴重的傷亡、巨大的經濟損失和不良的社會效應［1］。困難艱險山區高鐵作為我國運營風險最大的高速鐵路，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，就要探索安全預警系統的構建方法，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警系統是世界各國在修建高速鐵路時亟待解決的關鍵技術問題之一，也是國內外研究的熱點問題，在充分研究國內外研究動態的基礎上，提出基于GIS技術海量多源數據存儲、系統化管理、動態化更新、智能化分析和可視化發布等優點，結合困難艱險山區高鐵的實際情況，建立一套切實可行的困難艱險山區高鐵安全預警系統，為減少事故造成的人員傷亡和財產損失、提高應急救援反應速度提供有力支持。

1 基于GIS技術的高鐵安全預警系統

1.1 國內外鐵路GIS技術應用研究現狀

GIS即地理信息系統(Geographic Information System)，具有對地理空間數據強大的獲取、存儲、顯示、預測、分析、管理以及決策能力，是在地理學、地圖學、測量學和計算機科學等學科基礎上發展起來的一門技術。近年來，以GIS技術為核心的3S技術(GIS技術、GPS衛星定位技術、RS遙感技術)得到了蓬勃的發展并受到了廣泛的關注，為高速鐵路安全預警工作開辟了一個新途徑。運用GIS技術，可以對海量的氣候、地質和水文數據進行科學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，將來自不同數據源的數據整合在一起，通過模型的分析處理，提供對管理、決策有用的信息。

國外GIS技術在鐵路上的應用主要集中在歐洲、北美洲的發達國家和日本，用于勘察設計、調度、工務管理、基礎設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技術開發的高鐵地震預警系統，該系統的數據庫共享日本氣象局和地震局的實時信息，可以用于預警由于地震引發的諸如海嘯、熔巖噴發、山崩和河流決堤等環境災害;英國Vaisala公司基于GIS技術開發的Railcast系統，該系統具有鐵路氣象風險預警功能，可以實時監控風速、降雨量、軌溫，當指標達到預警值時發出警報;美國聯合太平洋鐵路公司(Union Pacific Railroad)開發的鐵路GIS風險預警系統，將氣象因素、站場數據和列車運行數據綜合分析，防范鐵路安全事故。

目前，國內鐵路基于GIS技術的應用主要集中在以下幾個方面。

(1)工務管理方面:如中鐵工程設計咨詢集團有限公司開發的《工務地理信息系統》。

(2)選線設計方面:如中鐵第一勘測設計院集團有限公司主持的“鐵路勘測設計一體化、智能化研究”項目，主要被成都、昆明鐵路局應用于成昆、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等技術研制開發的《列車運行定位監控系統》，已被西安鐵路局應用于轄區內的幾個電務段。

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

但用于鐵路安全預警的應用尚處于發展階段，現有此方面的研究有:針對鐵路水害的搶險救援系統研究;用于鐵路隧道熔巖突水災害的預警系統研究等［2］。

1.2 基于GIS技術安全預警系統的研究目標

基于對國內外鐵路GIS技術應用的研究，得到了很多值得借鑒的信息，也歸納總結出了一些值得改進的問題。

(1)在以往的鐵路安全管理中，很少使用三維數字地圖，往往是以傳統的圖紙為媒介，如果發現風險，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險信息，卻無法直觀了解風險的全貌，導致無法做出及時準確的決策。

(2)路網沿線的歷史數據存儲分散，且格式不一，這給數據的調用帶來了困難。本文研究的安全預警系統將努力改善和解決這些問題。

本系統的目標定位為:根據困難艱險山區高速鐵路的特點對復雜的致險因素進行深入具體的分析，挖掘事故發生的機理，從而對安全風險進行分析、預測、評價，并利用先進的數據采集手段收集實時數據，通過特定的風險評估模型對數據進行客觀評價，對風險予以分級預警，將預警信息實時動態地顯示在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高鐵事故的發生。

2 系統的結構與功能

2.1 系統的總體結構

本系統是基于GIS技術，結合困難艱險山區高鐵災害特點，運用風險評估模型建立起來的智能信息系統。它將通過GPS衛星定位技術、RS遙感技術、車載終端設備所采集的信息納入數據庫，通過特定的風險評估模型對數據庫中的數據進行實時客觀的風險分析處理，根據風險分析的結果，對風險進行分級預警，并以不同的顏色顯示在高鐵路網運行圖上。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警狀態。系統結構從總體上劃分為:數據采集層、數據儲存層、數據處理及發布層和客戶層4個層級［3］，如圖1 所示。

圖1 困難艱險山區高鐵GIS安全預警系統體系結構

(1)數據采集層:主要由通過GPS衛星定位系統、RS遙感系統、車載終端PDA等技術手段采集的實時數據和歷史數據庫構成，能否及時準確的采集到實時數據，是安全預警系統能夠正常工作的前提。

(2)數據儲存層:由多組數據庫服務器構成，由于困難艱險山區的地質條件復雜、沿線氣候多變，導致產生了海量存儲數據，所以對數據庫服務器的配置要求極高。

(3)數據處理及發布層:由應用服務器和WEB服務器組成，應用服務器與數據儲存層的數據庫服務器相連，對數據庫服務器所提供的實時數據進行分析處理，并將預警信息發布到WEB服務器，為用戶提供基于GIS技術的多維可視化展示。

(4)客戶層:分為C/S(Client/Server)結構和B/S(Browser/Server)結構2種模式，對于系統的專業用戶(即負責系統的設計、維護和管理的技術人員)開啟C/S結構模式，便于其對系統進行維護和管理;對其他用戶(安全管理人員等)開啟B/S結構模式［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警狀態，借以分析、判斷高鐵的實時安全情況，并針對預警等級及時、快速地采取相應措施及啟動應急救援預案等。

2.2 系統的功能

基于GIS技術的困難艱險山區高速鐵路安全預警系統具有5個主要功能模塊，具體為:數據采集系統、數據分析處理系統、報警系統、事故預測評價系統、數據查詢系統［8-10］，如圖2所示。

圖2 困難艱險山區高鐵GIS安全預警系統功能框架

(1)數據采集:系統將困難艱險山區高鐵沿線的相關歷史資料錄入到數據庫，包括地形圖、地質勘探資料、氣候水文資料、橋隧的規劃設計圖紙等，并運用GPS衛星定位技術、RS遙感技術、車載終端PDA等技術手段，對數據庫進行實時的數據更新、完善及補充。對采集到的數據，系統會對其進行矢量化并建立拓撲關系，采用按圖層和屬性分類的方式進行管理。系統具備對不同格式數據進行自由轉換的功能，例如把本系統所采用的SHP格式數據轉化成AUTOCAD、MAPINFO、MAPGIS等格式。系統還具備圖形的制作與編輯功能。

(2)數據分析處理:系統以數據庫提供的實時數據信息為基礎，運用數據匹配模型和風險評估模型，對沿線的風險情況進行實時分析。

(3)預警:參照《國務院有關部門、單位公共突發事件應急預案框架指南》及《鐵路工務安全規則》，將風險劃分為5個等級，并將不同等級的風險以不同的顏色來表示，分別為:等級一(S1):安全狀態，用綠色表示;等級二(S2):準安全狀態，用藍色表示;等級三(S3):臨界狀態，用黃色表示;等級四(S4):準危險狀態，用橙色表示;等級五(S5):危險狀態，用紅色表示。如表2所示。根據5種風險等級設置4條風險基準控制線，當評估數值跨越這些基準控制線時，系統將發出對應的警報，在高鐵路網GIS地圖上亮起相應的預警信號燈。

表2 困難艱險山區高鐵GIS安全預警系統預警信號燈設置

(4)事故預測評價:盡管不同安全事故的形成機理可能千差萬別，但根據對以往事故數據的分析得知，它們之間往往具有千絲萬縷的內在聯系且具有一定的規律性。利用GIS技術，系統可以直接調用數據庫的數據對已發事故進行分析，預測將來一段時間事故的分布范圍與發生概率。

(5)數據查詢:以預警信息數據庫為基礎，系統為決策者提供氣象、地質、水文等類型相關信息的查詢功能。決策者可根據需要選擇查詢屬性數據、空間分析數據或進行屬性—空間數據互查。

3 系統實現的關鍵技術

3.1 系統預警指標體系的建立

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

圖3 困難艱險山區高鐵GIS安全預警系統風險指標體系

以建立的風險評價體系為基礎，引入1－9段標度法，采用問卷調查法(現場調查對象為參與貴廣高鐵項目的建設單位、設計單位、施工單位、監理單位的相關專業人員)，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，構造出判斷矩陣，并對矩陣進行一致性檢驗，最終確定各風險因素的權重，如表3所示。

表3 風險因素權重

3.2 系統預警風險評估模型

對于一個安全預警系統而言，不僅需要建立風險預警指標體系，還需要通過數學建模來對諸多的不確定性指標進行綜合評價，從而得到反映風險程度的綜合指標值并開展預警工作。進行綜合評價的方法也較多，需根據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雜問題效果極佳，但缺點是權重難以確定，而權重的準確性對于評價結果是否客觀又是至關重要的。所以筆者選擇以基于AHP法的模糊綜合評價法來構建預警模型，AHP法的引入，很好地解決了權重難以確定的問題。

模糊綜合評價就是應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險對總目標的綜合影響，全面客觀地反映了風險的整體特征。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:建立困難艱險山區高鐵安全風險因素集。設困難艱險山區高鐵安全風險因素集為U，根據圖3中的風險指標體系將風險因素集分為2層。

第一層:U={U1，U2，U3}

U1=氣象風險，U2=地質風險，U3=水文風險。

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

U11=降水量，U12=風速，U13=氣溫;U21=邊坡坡度，U22=巖土類型，U23=植被覆蓋率，U24=地質構造;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}。各等級風險對應的預警信號燈分別為: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險等級上發生的概率R(即隸屬度)的取值采用專家打分法，組織13位相關方面的專家對安全預警指標進行分類逐一評價，并將最終的評價結果輸入GIS系統數據庫，以備系統調用。因素風險概率評價見表4(以地質類風險因素打分為例，氣象、水文類風險打分方式相同)。

表4 風險因素專家打分

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

由一級模糊評價的結果得到二級評價的模糊矩陣

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

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

表5 安全風險等級評價標準

總風險評價值b屬于上述哪個區間，預警系統就將相應的風險等級顯示在系統的GIS地圖上，并亮起相應顏色的預警指示燈。

4 結論

(1)針對困難艱險山區高鐵運營的高風險情況，結合GIS技術，設計了一套適用于困難艱險山區高鐵切實可行的安全預警系統。

(2)對參與貴廣高鐵項目的建設單位、設計單位、施工單位、監理單位的相關專業人員進行了現場問卷調查，獲得了寶貴真實的安全風險數據資料，并在此基礎上建立了安全預警系統指標體系。

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

(4)采用系統科學理論中“人—機—環境”系統的方法對高鐵運營安全風險進行識別并建立風險指標體系，力圖使系統的評估結果更接近于實際。但由于掌握的資料有限，整個體系的構建尚不完善，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。該系統建成后將應用于我國困難艱險山區的高鐵線路，為其安全運營提供幫助。

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