运营铁路隧道防灾救援监控与报警一体化技术研究

秦小光

(中国铁路设计院集团有限公司,天津 300251)

截至2017年底，我国已投入运营的铁路隧道15 326 km，在建隧道总长3 057 km，规划铁路隧道约5 482 km。[1]建成了一批长度超过20 km的特长隧道，如西格二线新关角隧道(32.69 km)，西秦岭隧道(28.24 km)，太行山隧道(27.84 km)等，我国规划、在建及运营铁路隧道数量均处在世界领先地位，我国的隧道建造技术居世界先进水平。如何更好地维护、使用隧道成为摆在铁路工程技术人员面前的新课题。铁路隧道防灾救援技术是保障铁路隧道安全运营的关键技术，本文中的铁路隧道防灾救援有别于建造中的铁路隧道，特指运营铁路隧道防灾救援。与发达国家及不同行业相比，虽然我国对铁路隧道防灾救援技术进行了多年探索，但研究重点集中在设置疏散通道、救援站等硬件基础设施[2-3]，对于软技术体系，尤其铁路运营隧道灾害的预警与报警，以及各系统设施的联动，尚缺乏系统研究和工程实践，铁路隧道安全标准体系和灾害风险评估方法尚不完善[4]。

1 铁路隧道灾害危险源研究

1.1 铁路隧道灾害危险源

铁路灾害，是指由于自然或人为因素造成的、对铁路正常运营产生巨大影响，并对生命财产和社会生活造成灾难性后果的事件[5]，其表现形态分为自然灾害、行车事故、线路病害、环境破坏、人为破坏和异物侵限等。铁路隧道中发生的铁路灾害称为铁路隧道灾害，其表现形式多样，火灾造成设施烧毁、人员伤亡；水害造成围岩软化、衬砌破裂、基础下沉；有害气体造成人员呼吸不畅甚至死亡；塌方落物造成车辆损毁、行车中断；地震引发隧道崩塌、山体落石、路基沉陷；雷电造成电气设备损坏等。

1.2 铁路隧道灾害风险分析

风险评价是评估风险点所带来的风险大小，通常用可能造成安全风险的大小事故发生的可能性(L)、人员暴露于危险环境中的频繁程度(E)、发生事故所产生的后果(C)三个自变量的乘积(风险分值S)来衡量，即S=f(L，E，C)。

当风险分值≤20为可忽略风险(A级)、分值在20～70之间为可容许风险(AA级)、分值在70～160之间为中度风险(AAA级)、分值在160～320之间为重大风险(AAAA级)、分值>320为不容许风险(AAAAA级)。自变量取值及灾害风险等级见表1～表4。

表1 事故发生可能性(L)

表2 人员暴露于危险环境的频繁程度(E)

表3 发生事故所产生的后果(C)

表4 灾害风险分值及风险等级(S)

根据文献[5]对1970年～2015年国内外83例铁路隧道运营事故的统计，灾害或次生灾害中火灾43例(包括油气车撞击或泄露引发火灾8例)，列车事故31例，衬砌脱落6例，有害气体事故4例，隧道口塌方或掩埋3例，恐怖事件2例，暴雨导致脱轨1例，其中火灾是各类灾害中的最主要因素。

2 铁路隧道防灾救援存在问题和要求

2.1 铁路隧道防灾救援存在问题

(1)隧道断面小、纵深窄长，灾害发生蔓延快，容易造成堵塞，救援疏散难度大。火灾会烧毁设施设备，损坏结构，产生的烟气和热很难排除；水灾会淹没设施设备，造成电气短路，引起结构坍塌；有毒气体会引发呼吸障碍，可燃气体遇电气明火产生爆炸，引发二次灾害。

(2)我国铁路隧道灾害预警报警技术、防灾协调机制不先进，防灾救援经验较少，尚未建立完整的铁路隧道灾害管理体制，存在诸多隐患。一旦灾难突发，很难及时报警和有效控制灾情发展，将灾难消除在初始阶段。

(3)防灾救援各设备系统独立建设，孤岛运行，难于实现互联互通、资源共享和综合自动化运维管理，效率和功能已不能适应铁路隧道现代化、智能化安全运营和管理的需要。当灾难发生时，难以充分发挥其应有的作用。

2.2 铁路隧道防灾救援的要求

目前我国防灾减灾救灾工作坚持以防为主，防抗救相结合的原则，注重灾前预防、综合减灾、减轻灾害风险，提升综合防范能力。铁路隧道防灾救援是铁路防灾减灾救灾的重要工作之一，需根据铁路行车特点、安全生产要求、隧道灾害因素分析结果进行重点防范，制定灾害预防方案和应急预案，提高防御能力和水平，确保铁路安全运营。

(1)铁路隧道防灾救援系统应以多部门运营指挥、应急协调和维修维护管理为中心，分级分层构建，防灾救援系统和正常运营系统应结合建设。我国防灾救援体系分为国家、地方、行业几个层次，铁路运维管理组织由铁路总公司、铁路局、站段、车间工区多层构架组成，铁路隧道防灾救援系统应与之相适应。同时，铁路隧道防灾救援建设应按照平灾结合的原则，充分考虑应急救援和正常运维的特点。铁路隧道距离长，所处区域偏远，应急救援、维修维护不方便，铁路隧道防灾救援系统除设置现场应急操控装置外，还应该通过自动化信息化手段，实现远程操作和维护，及时有效便捷地进行防灾救援系统应急指挥和运维管理。

(2)铁路隧道防灾救援系统应有针对性地构建一体化结构。防灾减灾救灾和经济技术发展水平密切相关，铁路隧道防灾具有较独特的特征，不同隧道灾害防范重点不同，应针对火灾、水灾、有害气体等灾害因素，有针对性的、有重点的建设铁路隧道防灾救援系统。同时，铁路隧道防灾救援系统是一个多部门多专业的联动系统，需建立防灾、减灾、救灾的一体化联动机制，提高效率。

3 一体化系统技术

3.1 系统构架

针对以上需求，构建铁路隧道防灾救援监控与报警一体化系统(以下简称一体化系统)，实现火灾、水灾、有害气体等灾害的集中监测和应急救援指挥。当发生灾害时，通过一体化系统自动探测、自动报警、确认灾害、启动相应的应急程序，协调相关单位部门和系统设备进行减灾救援，确保隧道防灾救援和安全疏散的有效性，保障铁路运营安全。同时，通过系统一体化构架提高铁路隧道智能化水平和综合防灾救援能力，将灾难尽量控制在最小范围内，消除在初始状态。从目前国内外铁路隧道及城市轨道交通监控系统的集成方案来看，监控系统主要设计原则是技术先进成熟、系统安全可靠、经济适用、可实施、可扩充、运维方便。结合我国铁路隧道运维特点，对各机电设备系统，尤其是监控类系统，如设备监控、火灾报警、电力监控、应急照明、应急广播、视频监控、热轴报警、列车通过监测、隧道口塌方监测、疏散门等，进行分析研究，综合国内外铁路、公路隧道，城市轨道交通工程地下隧道建设经验和运维经验，认为一体化系统可有3种集成方式[7-9]。

方式一：深度集成，指各子系统完全集成在一体化系统中，其全部功能由一体化系统实现。

方式二：互联，指各子系统独立运行，与一体化系统通过外部接口进行信息交互，实现联动。

方式三：界面集成，指各子系统独立运行进行数据处理，监控操作界面被集成在一体化系统中，监控功能和人机界面通过一体化系统实现。

方式一系统集成范围较广，各系统间的联动控制及信息的共享与交互简单直接，符合技术发展方向，充分体现一体化系统的优越性，但对系统集成的能力要求较高，且存在不同系统开通时间不同引起的工程实施组织方面的矛盾。方式二集成范围小，系统集成相对简单，可回避部分系统先期开通的矛盾。方式三介于方式一和方式二之间。我国铁路隧道防灾救援监控与报警相关的子系统有设备监控、火灾报警、电力监控、应急照明、应急广播、视频监控、热轴报警、列车通过监测、隧道口塌方监测、疏散门等，根据运维监控需求、技术发展、各子系统构成和功能选择不同的集成互联方式。

铁路综合视频监控系统是铁路通信业务网的一个子系统，设置于站段所亭、线路、隧道、桥梁、货场、装卸线、作业场所、重要机房等部位，服务于安监、客运、货运、工务、电务、机务、车辆、运输、公安等不同部门的不同业务需求，是一个功能比较完善的子系统。一体化系统可通过通信接口与综合视频系统连接，采取界面集成的方式，一体化工作站实现图像画面组合、切换图像、控制云台转动、调节镜头光圈参数，检索、回放、下载历史图像功能[10-11]。大屏幕系统在防灾救援控制室与一体化系统互联，支持系统的人机界面在大屏幕上显示。

铁路广播系统是通信业务网的一个子系统，一般按场所独立设置于站场、车站、列车。铁路隧道防灾救援广播属于应急通信系统，在设置火灾自动报警系统的场所与消防广播共用。一体化系统可通过通信接口与广播系统连接，采取界面集成的方式，一体化工作站实现人工应急广播和自动应急广播功能。

铁路隧道设备监控、火灾报警、应急照明等系统均为某一隧道独立系统，设备监控系统负责隧道内防灾救援风机、风阀、水泵的监控，火灾报警系统负责隧道内火灾报警及联动控制，应急照明系统负责隧道内应急照明设备监控，可通过一体化系统集成监控管理。电力监控系统负责全线供电设备监控，可通过通信接口与一体化系统连接，采取互联集成的方式进行监控管理，也可以采用集成方式由一体化平台进行集中监管。

疏散门设置在正线与疏散通道交接处，紧急情况下，触发释放疏散门电磁锁，打开疏散门；铁路隧道口设置塌方监测设备，监测山坡塌方；隧道口外方设置热轴探测设备，监测列车车轴使用状态；隧道口内方设置列车通过监测设备，探测车辆的通过状态。上述设备均为独立设置，可由一体化系统集成监控管理。

随着我国加大铁路建设的力度，各种不同类型隧道不断出现，铁路隧道灾害监控也成为各项目建设和运维的重难点。一体化系统需根据铁路隧道的运维特点，实现数据的自动采集、分析、处理、报表、存储等多项功能，满足铁路不同层级运维管理人员的需求，一体化系统可采用多级控制方案。

方案一 三级结构：采用铁路局中心级、车站级、现场级三级。在各铁路局设铁路局中心级系统，在各车站设车站级系统，在各隧道设置现场级系统。中心级系统与车站级系统之间通过通信传输网实现数据互通，现场级采用环型现场总线方式组网。如图1所示。

方案二 两级结构：采用车站级、现场级两级，在隧道相邻的车站设车站级系统，在隧道设置现场级系统。由车站级独立完成对隧道设备的监控，不与铁路局中心级互通。如图2所示。

图1 三级系统结构

3.2 一体化系统设备配置(图3)

路局中心级系统：设置冗余应用服务器、冗余数据服务器、磁盘阵列、监测/监控工作站、工程师工作站，并与地震预警、自然灾害及异物侵限系统设置接口。同时，设置中心级移动服务器、移动工作站，维修人员可以通过Telnet、Web、Android、iOS等方式实现远程监管，查看系统运行状态和接收报警信息，以便第一时间了解并解决问题。

图2 两级系统结构

图3 三级结构系统设备配置

车站级系统：设置应用服务器、数据服务器、磁盘阵列、监控工作站。

现场级系统：在隧道值班室设置火灾报警控制器，在斜井控制柜中设置冗余PLC控制器，在隧道正线和斜井被控风机控制箱、照明配电箱附近设置远程I/O模块箱，对被控设备进行监控；在救援站设置紧急监控盘[12]；在水泵房设置消防泵巡检装置；在隧道正线消火栓处设置消防报警电话插孔、手动报警按钮、消防泵启泵按钮等报警及联动设备；在气体灭火设备室设置感温、感烟探测器，声光报警设备，气体灭火控制设备；在隧道正线洞口设置塌方监测设备和列车通过监测设备；隧道内设置温湿度、瓦斯、CO2气体探测装置，风速探测装置，隧道光纤感温探测装置。

3.3 一体化系统联动功能

一体化系统主要防范铁路隧道火灾、水灾、有害气体等灾害，监测灾害发生、发展，发出预报和报警信息，联动防灾救援设备动作，实现灾害的防范和灾害指挥救援。

(1)火灾监测报警及联动控制功能

当铁路隧道发生火灾时，火灾报警控制系统通过感温光缆、光纤线性测温、双波段感火焰探测、图像型火灾探测器等手段探测到火灾发生，将火灾信息发送到监控系统。一方面，火灾报警控制系统联动消防泵、专用排烟风机、加压送风机等机电设备；另一方面，设备监控系统接收到火灾信息后，联动相关兼用设备。

在火灾的情况下，主要监控对象为隧道排烟风机、补风机。一旦接收到火灾信号，系统需要根据相应火灾工况控制逻辑，启动相应的排烟风机、补风机[13-14]。

(2)水灾监测报警及联动控制功能

当铁路隧道发生水灾时，监控系统接收到水位监控设备的报警信息，并进行灾害确认，一旦系统确认灾害，系统进入水灾工况，启动排水泵、联动控制水阀，进行排水作业[15]。

(3)有害气体监测报警及联动控制功能

当铁路隧道发生有毒气体灾害时，监控系统接收到二氧化碳、瓦斯等有害气体的报警信号，当浓度大于预定浓度时，判断发生有害气体灾害。

系统确定隧道内发生了有害气体灾害后，需要联动控制隧道内暖通专业设置的轴流风机或排风机，实现有害气体的排出[16]。

(4)其他报警方式及通用联动控制功能

除了以上灾害外，还存在列车故障、隧道口坍塌、地震等其他灾害事故。一体化系统需对隧道内照明、应急通信设备、通过列车、疏散门进行监控，从而实现特殊情况下的防灾救援功能。隧道内人员可以通过手机进行报警，也可以利用设置在隧道内的应急通信电话或手动报警按钮进行报警，铁路隧道值班员接到报警，可及时通过电话、视频等方式对灾害进行确认，报警确认后，一体化系统开始联动应急广播、视频监控、应急照明、导向标志、应急供电、环控通风、消防水泵等相关系统设备进行救援疏散。

3.4 系统性能

效率一向是生产应用的最重要指标之一，安全性、可靠性、可用性、可维护性、可扩展性也是一体化系统设计、集成、应用的重要评估指标。它们相对独立又相互关联，必须通过综合分析的方法方能正确评价。

(1)效率

铁路隧道防灾救援设备系统有环控通风、给排水、照明、应急通信、应急广播、综合视频、设备监控、火灾报警等，如果各系统均分立设置，各系统虽能独自完成现场控制，但设备种类多、数量大，运维管理复杂，系统接口交叉。

构建一体化系统，以设备监控系统为核心，与火灾报警、应急广播、综合视频等系统互联集成，将铁路的“脑、眼、手、口”集合在一起，统筹管理，在统一平台上的满足铁路隧道防灾救援监视、报警、控制、分析、管理、指挥的全面需求。各系统实现信息共享，避免接口交叉，取消了不必要的物理节点和环节，信息传递更加顺畅，消耗下降，效率提高；同时各系统间联动关系由人工升级为自动，减少了人为误操作，监控管理质量得到提升。系统接口关系见图4。

图4 系统接口关系

(2)系统安全性与可靠性

系统可靠性指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。通常采用平均无故障时间MTBF指标评估。

一体化系统的关键设备包括工作站、服务器、磁盘阵列、FEP、交换机，各设备组合关系有串联、并联、权联3种结构形式。应用服务器和磁盘阵列组成了串联的服务器—磁盘阵列系统，历史服务器和磁盘阵列组成了串联的服务器—磁盘阵列系统，各服务器组成了服务器权联系统，各工作站组成了工作站权联系统，工作站权联系统、服务器权联系统、冗余交换机和FEP组成串联的一体化系统。如果磁盘阵列MTBF按4×105h估算，其余设备按1×105h估算，则

MTBF=

5×104h

分立的单机系统MTBF约2.5×104h，一体化系统与之相比，提高了系统的安全性和可靠性，降低了系统故障率和影响正常运行的随机性。

(3)系统可维护性

系统可维护性指产品在规定的条件下和规定的时间内，按规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复到规定状态的能力，通常采用故障恢复时间MTTR指标评估。

其中λ为失效率，λ=1/MTBF。

如果服务器、工作站MTTR按1 h估算，其余设备按0.5 h估算，则

MTTR≈0.5 h

一体化系统与分立的单机系统相比，可用性指标相差不多，但维管系统设备数量减少，运维人员工作强度相对降低。

(4)系统可用性

系统可用性指产品在任意随机时刻需要和开始执行任务时，处于可工作或可使用状态的程度。它是产品可靠性、可维修性和维修保障性的综合指标。通常用A=MTBF/(MTBF+MTTR)表示。

路局中心级、车站级一体化系统可用性A=50 000/(50 000+0.5)=99.999%，可用性极高。

(5)系统可扩展性

一体化系统采用模块化设计，易于扩展。系统不仅满足本项目运维管理的要求，并能为今后设备扩容以及后续线路接入预留一定的硬件与软件条件。系统的服务器、交换机等关键设备预留20%～40%的容量或插槽，软件点数扩展无限制，对于同构系统的扩展，可将数据域合并，对于异构系统，建立网关。一体化系统的体系结构适合系统动态扩展，可在线修改、扩充设备而不干扰已经运作的其他系统。

4 发展与展望

随着我国铁路的发展，运营铁路隧道灾害尤其是长大隧道灾害逐渐受到各铁路局重视，面对新的需求，工程师们未雨绸缪在建设期对防灾救援技术进行研究，在石太客专、沪昆客专、武广客专、广深港客专等工程均采用了防灾救援技术进行安全疏散工程设计。目前第三次IT技术浪潮，物联网、云计算、移动APP、人工智能技术快速发展，铁路建设也应跟上时代的步伐，打造的中国制造2025，云技术、大数据、BIM技术和移动APP技术已经开始在铁路设计、施工、运维中逐步探索应用，一体化系统综合了传感测量、自动控制、计算机、网络、移动APP等多种技术，对铁路隧道防灾救援各系统统一监管、应急联动、资源共享，满足系统设备正常运营管理、防灾和安全、系统维修管理的需求。

(1)云技术

在路局中心级集中设置中央服务器、存储及网络设备，虚拟化构成一体化系统云中心，在车站、车间和工区值班室、维修办公室设置一体化系统云终端，构建私有云，充分利用计算虚拟化、存储虚拟化和网络虚拟化技术实现系统的一体化管理，简化运维，以小聚大，实现一体化系统的综合管理。

(2)移动运维

结合BIM技术，充分利用集成各系统的自诊断功能，开发移动APP服务，建立智能的运维服务体系。在路局中心设置移动应用服务器，与云中心连接，云中心的维修维护系统对各铁路隧道系统设备进行实时监测、诊断、分析、计划、处置，并通过移动应用服务器向移动终端发送，移动终端实时接收设备信息、灾害报警信息、运维管理信息。移动服务可从时间和空间上提高铁路隧道防灾救援灾害报警及应急协调指挥能力，相关人员使用移动终端不受时间和空间的限制，实时了解铁路隧道灾害发生情况并进行应急救援，突破时间和空间限制实现零延时零距离的铁路隧道防灾救援指挥，极大地提高了铁路隧道防灾救援系统的能力[17]。

5 结论

(1)铁路隧道灾害主要表现形式有火灾、水灾、有毒气体、地震、塌方、雷电等，其中火灾为首要致灾因素。

(2)铁路隧道防灾救援一体化系统应以多部门运营指挥、应急协调和维修维护管理为中心，分级分层构建，防灾救援系统和正常运营系统应结合建设。

(3)一体化系统应根据运维监控需求、技术发展、各子系统构成和功能选择不同的集成互联方式。

(4)一体化系统有利于提高系统性能，提高防灾救援效率。

(5)云技术、移动运维是一体化系统的未来发展方向。