運營鐵路隧道防災救援監控與報警一體化技術研究

秦小光

(中國鐵路設計院集團有限公司,天津 300251)

截至2017年底，我國已投入運營的鐵路隧道15 326 km，在建隧道總長3 057 km，規劃鐵路隧道約5 482 km。[1]建成了一批長度超過20 km的特長隧道，如西格二線新關角隧道(32.69 km)，西秦嶺隧道(28.24 km)，太行山隧道(27.84 km)等，我國規劃、在建及運營鐵路隧道數量均處在世界領先地位，我國的隧道建造技術居世界先進水平。如何更好地維護、使用隧道成為擺在鐵路工程技術人員面前的新課題。鐵路隧道防災救援技術是保障鐵路隧道安全運營的關鍵技術，本文中的鐵路隧道防災救援有別于建造中的鐵路隧道，特指運營鐵路隧道防災救援。與發達國家及不同行業相比，雖然我國對鐵路隧道防災救援技術進行了多年探索，但研究重點集中在設置疏散通道、救援站等硬件基礎設施[2-3]，對于軟技術體系，尤其鐵路運營隧道災害的預警與報警，以及各系統設施的聯動，尚缺乏系統研究和工程實踐，鐵路隧道安全標準體系和災害風險評估方法尚不完善[4]。

1 鐵路隧道災害危險源研究

1.1 鐵路隧道災害危險源

鐵路災害，是指由于自然或人為因素造成的、對鐵路正常運營產生巨大影響，并對生命財產和社會生活造成災難性后果的事件[5]，其表現形態分為自然災害、行車事故、線路病害、環境破壞、人為破壞和異物侵限等。鐵路隧道中發生的鐵路災害稱為鐵路隧道災害，其表現形式多樣，火災造成設施燒毀、人員傷亡；水害造成圍巖軟化、襯砌破裂、基礎下沉；有害氣體造成人員呼吸不暢甚至死亡；塌方落物造成車輛損毀、行車中斷；地震引發隧道崩塌、山體落石、路基沉陷；雷電造成電氣設備損壞等。

1.2 鐵路隧道災害風險分析

風險評價是評估風險點所帶來的風險大小，通常用可能造成安全風險的大小事故發生的可能性(L)、人員暴露于危險環境中的頻繁程度(E)、發生事故所產生的后果(C)三個自變量的乘積(風險分值S)來衡量，即S=f(L，E，C)。

當風險分值≤20為可忽略風險(A級)、分值在20～70之間為可容許風險(AA級)、分值在70～160之間為中度風險(AAA級)、分值在160～320之間為重大風險(AAAA級)、分值>320為不容許風險(AAAAA級)。自變量取值及災害風險等級見表1～表4。

表1 事故發生可能性(L)

表2 人員暴露于危險環境的頻繁程度(E)

表3 發生事故所產生的后果(C)

表4 災害風險分值及風險等級(S)

根據文獻[5]對1970年～2015年國內外83例鐵路隧道運營事故的統計，災害或次生災害中火災43例(包括油氣車撞擊或泄露引發火災8例)，列車事故31例，襯砌脫落6例，有害氣體事故4例，隧道口塌方或掩埋3例，恐怖事件2例，暴雨導致脫軌1例，其中火災是各類災害中的最主要因素。

2 鐵路隧道防災救援存在問題和要求

2.1 鐵路隧道防災救援存在問題

(1)隧道斷面小、縱深窄長，災害發生蔓延快，容易造成堵塞，救援疏散難度大。火災會燒毀設施設備，損壞結構，產生的煙氣和熱很難排除；水災會淹沒設施設備，造成電氣短路，引起結構坍塌；有毒氣體會引發呼吸障礙，可燃氣體遇電氣明火產生爆炸，引發二次災害。

(2)我國鐵路隧道災害預警報警技術、防災協調機制不先進，防災救援經驗較少，尚未建立完整的鐵路隧道災害管理體制，存在諸多隱患。一旦災難突發，很難及時報警和有效控制災情發展，將災難消除在初始階段。

(3)防災救援各設備系統獨立建設，孤島運行，難于實現互聯互通、資源共享和綜合自動化運維管理，效率和功能已不能適應鐵路隧道現代化、智能化安全運營和管理的需要。當災難發生時，難以充分發揮其應有的作用。

2.2 鐵路隧道防災救援的要求

目前我國防災減災救災工作堅持以防為主，防抗救相結合的原則，注重災前預防、綜合減災、減輕災害風險，提升綜合防范能力。鐵路隧道防災救援是鐵路防災減災救災的重要工作之一，需根據鐵路行車特點、安全生產要求、隧道災害因素分析結果進行重點防范，制定災害預防方案和應急預案，提高防御能力和水平，確保鐵路安全運營。

(1)鐵路隧道防災救援系統應以多部門運營指揮、應急協調和維修維護管理為中心，分級分層構建，防災救援系統和正常運營系統應結合建設。我國防災救援體系分為國家、地方、行業幾個層次，鐵路運維管理組織由鐵路總公司、鐵路局、站段、車間工區多層構架組成，鐵路隧道防災救援系統應與之相適應。同時，鐵路隧道防災救援建設應按照平災結合的原則，充分考慮應急救援和正常運維的特點。鐵路隧道距離長，所處區域偏遠，應急救援、維修維護不方便，鐵路隧道防災救援系統除設置現場應急操控裝置外，還應該通過自動化信息化手段，實現遠程操作和維護，及時有效便捷地進行防災救援系統應急指揮和運維管理。

(2)鐵路隧道防災救援系統應有針對性地構建一體化結構。防災減災救災和經濟技術發展水平密切相關，鐵路隧道防災具有較獨特的特征，不同隧道災害防范重點不同，應針對火災、水災、有害氣體等災害因素，有針對性的、有重點的建設鐵路隧道防災救援系統。同時，鐵路隧道防災救援系統是一個多部門多專業的聯動系統，需建立防災、減災、救災的一體化聯動機制，提高效率。

3 一體化系統技術

3.1 系統構架

針對以上需求，構建鐵路隧道防災救援監控與報警一體化系統(以下簡稱一體化系統)，實現火災、水災、有害氣體等災害的集中監測和應急救援指揮。當發生災害時，通過一體化系統自動探測、自動報警、確認災害、啟動相應的應急程序，協調相關單位部門和系統設備進行減災救援，確保隧道防災救援和安全疏散的有效性，保障鐵路運營安全。同時，通過系統一體化構架提高鐵路隧道智能化水平和綜合防災救援能力，將災難盡量控制在最小范圍內，消除在初始狀態。從目前國內外鐵路隧道及城市軌道交通監控系統的集成方案來看，監控系統主要設計原則是技術先進成熟、系統安全可靠、經濟適用、可實施、可擴充、運維方便。結合我國鐵路隧道運維特點，對各機電設備系統，尤其是監控類系統，如設備監控、火災報警、電力監控、應急照明、應急廣播、視頻監控、熱軸報警、列車通過監測、隧道口塌方監測、疏散門等，進行分析研究，綜合國內外鐵路、公路隧道，城市軌道交通工程地下隧道建設經驗和運維經驗，認為一體化系統可有3種集成方式[7-9]。

方式一：深度集成，指各子系統完全集成在一體化系統中，其全部功能由一體化系統實現。

方式二：互聯，指各子系統獨立運行，與一體化系統通過外部接口進行信息交互，實現聯動。

方式三：界面集成，指各子系統獨立運行進行數據處理，監控操作界面被集成在一體化系統中，監控功能和人機界面通過一體化系統實現。

方式一系統集成范圍較廣，各系統間的聯動控制及信息的共享與交互簡單直接，符合技術發展方向，充分體現一體化系統的優越性，但對系統集成的能力要求較高，且存在不同系統開通時間不同引起的工程實施組織方面的矛盾。方式二集成范圍小，系統集成相對簡單，可回避部分系統先期開通的矛盾。方式三介于方式一和方式二之間。我國鐵路隧道防災救援監控與報警相關的子系統有設備監控、火災報警、電力監控、應急照明、應急廣播、視頻監控、熱軸報警、列車通過監測、隧道口塌方監測、疏散門等，根據運維監控需求、技術發展、各子系統構成和功能選擇不同的集成互聯方式。

鐵路綜合視頻監控系統是鐵路通信業務網的一個子系統，設置于站段所亭、線路、隧道、橋梁、貨場、裝卸線、作業場所、重要機房等部位，服務于安監、客運、貨運、工務、電務、機務、車輛、運輸、公安等不同部門的不同業務需求，是一個功能比較完善的子系統。一體化系統可通過通信接口與綜合視頻系統連接，采取界面集成的方式，一體化工作站實現圖像畫面組合、切換圖像、控制云臺轉動、調節鏡頭光圈參數，檢索、回放、下載歷史圖像功能[10-11]。大屏幕系統在防災救援控制室與一體化系統互聯，支持系統的人機界面在大屏幕上顯示。

鐵路廣播系統是通信業務網的一個子系統，一般按場所獨立設置于站場、車站、列車。鐵路隧道防災救援廣播屬于應急通信系統，在設置火災自動報警系統的場所與消防廣播共用。一體化系統可通過通信接口與廣播系統連接，采取界面集成的方式，一體化工作站實現人工應急廣播和自動應急廣播功能。

鐵路隧道設備監控、火災報警、應急照明等系統均為某一隧道獨立系統，設備監控系統負責隧道內防災救援風機、風閥、水泵的監控，火災報警系統負責隧道內火災報警及聯動控制，應急照明系統負責隧道內應急照明設備監控，可通過一體化系統集成監控管理。電力監控系統負責全線供電設備監控，可通過通信接口與一體化系統連接，采取互聯集成的方式進行監控管理，也可以采用集成方式由一體化平臺進行集中監管。

疏散門設置在正線與疏散通道交接處，緊急情況下，觸發釋放疏散門電磁鎖，打開疏散門；鐵路隧道口設置塌方監測設備，監測山坡塌方；隧道口外方設置熱軸探測設備，監測列車車軸使用狀態；隧道口內方設置列車通過監測設備，探測車輛的通過狀態。上述設備均為獨立設置，可由一體化系統集成監控管理。

隨著我國加大鐵路建設的力度，各種不同類型隧道不斷出現，鐵路隧道災害監控也成為各項目建設和運維的重難點。一體化系統需根據鐵路隧道的運維特點，實現數據的自動采集、分析、處理、報表、存儲等多項功能，滿足鐵路不同層級運維管理人員的需求，一體化系統可采用多級控制方案。

方案一 三級結構：采用鐵路局中心級、車站級、現場級三級。在各鐵路局設鐵路局中心級系統，在各車站設車站級系統，在各隧道設置現場級系統。中心級系統與車站級系統之間通過通信傳輸網實現數據互通，現場級采用環型現場總線方式組網。如圖1所示。

方案二 兩級結構：采用車站級、現場級兩級，在隧道相鄰的車站設車站級系統，在隧道設置現場級系統。由車站級獨立完成對隧道設備的監控，不與鐵路局中心級互通。如圖2所示。

圖1 三級系統結構

3.2 一體化系統設備配置(圖3)

路局中心級系統：設置冗余應用服務器、冗余數據服務器、磁盤陣列、監測/監控工作站、工程師工作站，并與地震預警、自然災害及異物侵限系統設置接口。同時，設置中心級移動服務器、移動工作站，維修人員可以通過Telnet、Web、Android、iOS等方式實現遠程監管，查看系統運行狀態和接收報警信息，以便第一時間了解并解決問題。

圖2 兩級系統結構

圖3 三級結構系統設備配置

車站級系統：設置應用服務器、數據服務器、磁盤陣列、監控工作站。

現場級系統：在隧道值班室設置火災報警控制器，在斜井控制柜中設置冗余PLC控制器，在隧道正線和斜井被控風機控制箱、照明配電箱附近設置遠程I/O模塊箱，對被控設備進行監控；在救援站設置緊急監控盤[12]；在水泵房設置消防泵巡檢裝置；在隧道正線消火栓處設置消防報警電話插孔、手動報警按鈕、消防泵啟泵按鈕等報警及聯動設備；在氣體滅火設備室設置感溫、感煙探測器，聲光報警設備，氣體滅火控制設備；在隧道正線洞口設置塌方監測設備和列車通過監測設備；隧道內設置溫濕度、瓦斯、CO2氣體探測裝置，風速探測裝置，隧道光纖感溫探測裝置。

3.3 一體化系統聯動功能

一體化系統主要防范鐵路隧道火災、水災、有害氣體等災害，監測災害發生、發展，發出預報和報警信息，聯動防災救援設備動作，實現災害的防范和災害指揮救援。

(1)火災監測報警及聯動控制功能

當鐵路隧道發生火災時，火災報警控制系統通過感溫光纜、光纖線性測溫、雙波段感火焰探測、圖像型火災探測器等手段探測到火災發生，將火災信息發送到監控系統。一方面，火災報警控制系統聯動消防泵、專用排煙風機、加壓送風機等機電設備；另一方面，設備監控系統接收到火災信息后，聯動相關兼用設備。

在火災的情況下，主要監控對象為隧道排煙風機、補風機。一旦接收到火災信號，系統需要根據相應火災工況控制邏輯，啟動相應的排煙風機、補風機[13-14]。

(2)水災監測報警及聯動控制功能

當鐵路隧道發生水災時，監控系統接收到水位監控設備的報警信息，并進行災害確認，一旦系統確認災害，系統進入水災工況，啟動排水泵、聯動控制水閥，進行排水作業[15]。

(3)有害氣體監測報警及聯動控制功能

當鐵路隧道發生有毒氣體災害時，監控系統接收到二氧化碳、瓦斯等有害氣體的報警信號，當濃度大于預定濃度時，判斷發生有害氣體災害。

系統確定隧道內發生了有害氣體災害后，需要聯動控制隧道內暖通專業設置的軸流風機或排風機，實現有害氣體的排出[16]。

(4)其他報警方式及通用聯動控制功能

除了以上災害外，還存在列車故障、隧道口坍塌、地震等其他災害事故。一體化系統需對隧道內照明、應急通信設備、通過列車、疏散門進行監控，從而實現特殊情況下的防災救援功能。隧道內人員可以通過手機進行報警，也可以利用設置在隧道內的應急通信電話或手動報警按鈕進行報警，鐵路隧道值班員接到報警，可及時通過電話、視頻等方式對災害進行確認，報警確認后，一體化系統開始聯動應急廣播、視頻監控、應急照明、導向標志、應急供電、環控通風、消防水泵等相關系統設備進行救援疏散。

3.4 系統性能

效率一向是生產應用的最重要指標之一，安全性、可靠性、可用性、可維護性、可擴展性也是一體化系統設計、集成、應用的重要評估指標。它們相對獨立又相互關聯，必須通過綜合分析的方法方能正確評價。

(1)效率

鐵路隧道防災救援設備系統有環控通風、給排水、照明、應急通信、應急廣播、綜合視頻、設備監控、火災報警等，如果各系統均分立設置，各系統雖能獨自完成現場控制，但設備種類多、數量大，運維管理復雜，系統接口交叉。

構建一體化系統，以設備監控系統為核心，與火災報警、應急廣播、綜合視頻等系統互聯集成，將鐵路的“腦、眼、手、口”集合在一起，統籌管理，在統一平臺上的滿足鐵路隧道防災救援監視、報警、控制、分析、管理、指揮的全面需求。各系統實現信息共享，避免接口交叉，取消了不必要的物理節點和環節，信息傳遞更加順暢，消耗下降，效率提高；同時各系統間聯動關系由人工升級為自動，減少了人為誤操作，監控管理質量得到提升。系統接口關系見圖4。

圖4 系統接口關系

(2)系統安全性與可靠性

系統可靠性指產品在規定的條件下和規定的時間內完成規定功能的能力。通常采用平均無故障時間MTBF指標評估。

一體化系統的關鍵設備包括工作站、服務器、磁盤陣列、FEP、交換機，各設備組合關系有串聯、并聯、權聯3種結構形式。應用服務器和磁盤陣列組成了串聯的服務器—磁盤陣列系統，歷史服務器和磁盤陣列組成了串聯的服務器—磁盤陣列系統，各服務器組成了服務器權聯系統，各工作站組成了工作站權聯系統，工作站權聯系統、服務器權聯系統、冗余交換機和FEP組成串聯的一體化系統。如果磁盤陣列MTBF按4×105h估算，其余設備按1×105h估算，則

MTBF=

5×104h

分立的單機系統MTBF約2.5×104h，一體化系統與之相比，提高了系統的安全性和可靠性，降低了系統故障率和影響正常運行的隨機性。

(3)系統可維護性

系統可維護性指產品在規定的條件下和規定的時間內，按規定的程序和方法進行維修時，保持或恢復到規定狀態的能力，通常采用故障恢復時間MTTR指標評估。

其中λ為失效率，λ=1/MTBF。

如果服務器、工作站MTTR按1 h估算，其余設備按0.5 h估算，則

MTTR≈0.5 h

一體化系統與分立的單機系統相比，可用性指標相差不多，但維管系統設備數量減少，運維人員工作強度相對降低。

(4)系統可用性

系統可用性指產品在任意隨機時刻需要和開始執行任務時，處于可工作或可使用狀態的程度。它是產品可靠性、可維修性和維修保障性的綜合指標。通常用A=MTBF/(MTBF+MTTR)表示。

路局中心級、車站級一體化系統可用性A=50 000/(50 000+0.5)=99.999%，可用性極高。

(5)系統可擴展性

一體化系統采用模塊化設計，易于擴展。系統不僅滿足本項目運維管理的要求，并能為今后設備擴容以及后續線路接入預留一定的硬件與軟件條件。系統的服務器、交換機等關鍵設備預留20%～40%的容量或插槽，軟件點數擴展無限制，對于同構系統的擴展，可將數據域合并，對于異構系統，建立網關。一體化系統的體系結構適合系統動態擴展，可在線修改、擴充設備而不干擾已經運作的其他系統。

4 發展與展望

隨著我國鐵路的發展，運營鐵路隧道災害尤其是長大隧道災害逐漸受到各鐵路局重視，面對新的需求，工程師們未雨綢繆在建設期對防災救援技術進行研究，在石太客專、滬昆客專、武廣客專、廣深港客專等工程均采用了防災救援技術進行安全疏散工程設計。目前第三次IT技術浪潮，物聯網、云計算、移動APP、人工智能技術快速發展，鐵路建設也應跟上時代的步伐，打造的中國制造2025，云技術、大數據、BIM技術和移動APP技術已經開始在鐵路設計、施工、運維中逐步探索應用，一體化系統綜合了傳感測量、自動控制、計算機、網絡、移動APP等多種技術，對鐵路隧道防災救援各系統統一監管、應急聯動、資源共享，滿足系統設備正常運營管理、防災和安全、系統維修管理的需求。

(1)云技術

在路局中心級集中設置中央服務器、存儲及網絡設備，虛擬化構成一體化系統云中心，在車站、車間和工區值班室、維修辦公室設置一體化系統云終端，構建私有云，充分利用計算虛擬化、存儲虛擬化和網絡虛擬化技術實現系統的一體化管理，簡化運維，以小聚大，實現一體化系統的綜合管理。

(2)移動運維

結合BIM技術，充分利用集成各系統的自診斷功能，開發移動APP服務，建立智能的運維服務體系。在路局中心設置移動應用服務器，與云中心連接，云中心的維修維護系統對各鐵路隧道系統設備進行實時監測、診斷、分析、計劃、處置，并通過移動應用服務器向移動終端發送，移動終端實時接收設備信息、災害報警信息、運維管理信息。移動服務可從時間和空間上提高鐵路隧道防災救援災害報警及應急協調指揮能力，相關人員使用移動終端不受時間和空間的限制，實時了解鐵路隧道災害發生情況并進行應急救援，突破時間和空間限制實現零延時零距離的鐵路隧道防災救援指揮，極大地提高了鐵路隧道防災救援系統的能力[17]。

5 結論

(1)鐵路隧道災害主要表現形式有火災、水災、有毒氣體、地震、塌方、雷電等，其中火災為首要致災因素。

(2)鐵路隧道防災救援一體化系統應以多部門運營指揮、應急協調和維修維護管理為中心，分級分層構建，防災救援系統和正常運營系統應結合建設。

(3)一體化系統應根據運維監控需求、技術發展、各子系統構成和功能選擇不同的集成互聯方式。

(4)一體化系統有利于提高系統性能，提高防災救援效率。

(5)云技術、移動運維是一體化系統的未來發展方向。