基于GIS技术的困难艰险山区高铁安全预警系统研究

尹 航，李远富，曾宪云

(1.西南交通大学经济管理学院，成都 610031;2.西南交通大学土木工程学院，成都 610031;3.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都 610031;4.成都交通投资集团，成都 610041)

近年来，随着中西部地区迎来高铁建设的新时代，“困难艰险山区高铁”的命题以其穿越中国南北气候的分界线，穿越中国地质条件最为复杂艰险山区的雄伟气势走进了中国高铁历史的舞台，同时也给高铁运营安全带来了新的挑战。困难艰险山区高速铁路的定义为:跨越地质条件极为复杂的艰险山区，多由高桥长隧组成的高速铁路线路。其安全管理的难点可以归纳为:沿线气候地质条件复杂、高桥长隧比例大、运营安全风险高、事故突发性强、应急救援难度大。目前在建 和拟建的西部困难艰险山区高铁项目概况详见表1。

表1 在建和拟建的困难艰险山区高铁项目概况

高速铁路事故易造成严重的伤亡、巨大的经济损失和不良的社会效应［1］。困难艰险山区高铁作为我国运营风险最大的高速铁路，研究如何提高其安全管理水平，增强对安全事故的防控和应急处置能力已刻不容缓。要在高铁安全管理上谋求长治久安之策，就要探索安全预警系统的构建方法，把安全管理的重心提到超前防范上来。目前，建立高速铁路安全预警系统是世界各国在修建高速铁路时亟待解决的关键技术问题之一，也是国内外研究的热点问题，在充分研究国内外研究动态的基础上，提出基于GIS技术海量多源数据存储、系统化管理、动态化更新、智能化分析和可视化发布等优点，结合困难艰险山区高铁的实际情况，建立一套切实可行的困难艰险山区高铁安全预警系统，为减少事故造成的人员伤亡和财产损失、提高应急救援反应速度提供有力支持。

1 基于GIS技术的高铁安全预警系统

1.1 国内外铁路GIS技术应用研究现状

GIS即地理信息系统(Geographic Information System)，具有对地理空间数据强大的获取、存储、显示、预测、分析、管理以及决策能力，是在地理学、地图学、测量学和计算机科学等学科基础上发展起来的一门技术。近年来，以GIS技术为核心的3S技术(GIS技术、GPS卫星定位技术、RS遥感技术)得到了蓬勃的发展并受到了广泛的关注，为高速铁路安全预警工作开辟了一个新途径。运用GIS技术，可以对海量的气候、地质和水文数据进行科学高效的管理和深入分析，并依赖其强大的可视化表达和图形绘制能力、独到的空间定位搜索分析能力进行精确的空间分析，将来自不同数据源的数据整合在一起，通过模型的分析处理，提供对管理、决策有用的信息。

国外GIS技术在铁路上的应用主要集中在欧洲、北美洲的发达国家和日本，用于勘察设计、调度、工务管理、基础设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技术开发的高铁地震预警系统，该系统的数据库共享日本气象局和地震局的实时信息，可以用于预警由于地震引发的诸如海啸、熔岩喷发、山崩和河流决堤等环境灾害;英国Vaisala公司基于GIS技术开发的Railcast系统，该系统具有铁路气象风险预警功能，可以实时监控风速、降雨量、轨温，当指标达到预警值时发出警报;美国联合太平洋铁路公司(Union Pacific Railroad)开发的铁路GIS风险预警系统，将气象因素、站场数据和列车运行数据综合分析，防范铁路安全事故。

目前，国内铁路基于GIS技术的应用主要集中在以下几个方面。

(1)工务管理方面:如中铁工程设计咨询集团有限公司开发的《工务地理信息系统》。

(2)选线设计方面:如中铁第一勘测设计院集团有限公司主持的“铁路勘测设计一体化、智能化研究”项目，主要被成都、昆明铁路局应用于成昆、成渝、芝万、滇藏等铁路。

(3)列车定位方面:由若干科研单位和院校采用GPS、GIS、GSM等技术研制开发的《列车运行定位监控系统》，已被西安铁路局应用于辖区内的几个电务段。

(4)铁路用地管理方面:北京铁路局开发的《GIS铁路用地综合信息管理系统》，现已推广应用于北京铁路局和太原铁路局。

但用于铁路安全预警的应用尚处于发展阶段，现有此方面的研究有:针对铁路水害的抢险救援系统研究;用于铁路隧道熔岩突水灾害的预警系统研究等［2］。

1.2 基于GIS技术安全预警系统的研究目标

基于对国内外铁路GIS技术应用的研究，得到了很多值得借鉴的信息，也归纳总结出了一些值得改进的问题。

(1)在以往的铁路安全管理中，很少使用三维数字地图，往往是以传统的图纸为媒介，如果发现风险，通常是通过文字报告或电话的方式逐级上报，这里存在2个弊端:第一，贻误了安全管理中最为宝贵的时间;第二，决策者接到上报的风险信息，却无法直观了解风险的全貌，导致无法做出及时准确的决策。

(2)路网沿线的历史数据存储分散，且格式不一，这给数据的调用带来了困难。本文研究的安全预警系统将努力改善和解决这些问题。

本系统的目标定位为:根据困难艰险山区高速铁路的特点对复杂的致险因素进行深入具体的分析，挖掘事故发生的机理，从而对安全风险进行分析、预测、评价，并利用先进的数据采集手段收集实时数据，通过特定的风险评估模型对数据进行客观评价，对风险予以分级预警，将预警信息实时动态地显示在GIS三维立体线路图上，为决策者提供快速、准确、直观的预警信息，以达到提升对高铁事故的防控能力的目的，最大限度地避免困难艰险山区高铁事故的发生。

2 系统的结构与功能

2.1 系统的总体结构

本系统是基于GIS技术，结合困难艰险山区高铁灾害特点，运用风险评估模型建立起来的智能信息系统。它将通过GPS卫星定位技术、RS遥感技术、车载终端设备所采集的信息纳入数据库，通过特定的风险评估模型对数据库中的数据进行实时客观的风险分析处理，根据风险分析的结果，对风险进行分级预警，并以不同的颜色显示在高铁路网运行图上。使用者可以通过浏览器、手持终端(PDA)和客户端软件的形式来查看安全预警状态。系统结构从总体上划分为:数据采集层、数据储存层、数据处理及发布层和客户层4个层级［3］，如图1 所示。

图1 困难艰险山区高铁GIS安全预警系统体系结构

(1)数据采集层:主要由通过GPS卫星定位系统、RS遥感系统、车载终端PDA等技术手段采集的实时数据和历史数据库构成，能否及时准确的采集到实时数据，是安全预警系统能够正常工作的前提。

(2)数据储存层:由多组数据库服务器构成，由于困难艰险山区的地质条件复杂、沿线气候多变，导致产生了海量存储数据，所以对数据库服务器的配置要求极高。

(3)数据处理及发布层:由应用服务器和WEB服务器组成，应用服务器与数据储存层的数据库服务器相连，对数据库服务器所提供的实时数据进行分析处理，并将预警信息发布到WEB服务器，为用户提供基于GIS技术的多维可视化展示。

(4)客户层:分为C/S(Client/Server)结构和B/S(Browser/Server)结构2种模式，对于系统的专业用户(即负责系统的设计、维护和管理的技术人员)开启C/S结构模式，便于其对系统进行维护和管理;对其他用户(安全管理人员等)开启B/S结构模式［4-7］，安全管理人员可以通过显示器直观地观察到高铁各路段的实时安全预警状态，借以分析、判断高铁的实时安全情况，并针对预警等级及时、快速地采取相应措施及启动应急救援预案等。

2.2 系统的功能

基于GIS技术的困难艰险山区高速铁路安全预警系统具有5个主要功能模块，具体为:数据采集系统、数据分析处理系统、报警系统、事故预测评价系统、数据查询系统［8-10］，如图2所示。

图2 困难艰险山区高铁GIS安全预警系统功能框架

(1)数据采集:系统将困难艰险山区高铁沿线的相关历史资料录入到数据库，包括地形图、地质勘探资料、气候水文资料、桥隧的规划设计图纸等，并运用GPS卫星定位技术、RS遥感技术、车载终端PDA等技术手段，对数据库进行实时的数据更新、完善及补充。对采集到的数据，系统会对其进行矢量化并建立拓扑关系，采用按图层和属性分类的方式进行管理。系统具备对不同格式数据进行自由转换的功能，例如把本系统所采用的SHP格式数据转化成AUTOCAD、MAPINFO、MAPGIS等格式。系统还具备图形的制作与编辑功能。

(2)数据分析处理:系统以数据库提供的实时数据信息为基础，运用数据匹配模型和风险评估模型，对沿线的风险情况进行实时分析。

(3)预警:参照《国务院有关部门、单位公共突发事件应急预案框架指南》及《铁路工务安全规则》，将风险划分为5个等级，并将不同等级的风险以不同的颜色来表示，分别为:等级一(S1):安全状态，用绿色表示;等级二(S2):准安全状态，用蓝色表示;等级三(S3):临界状态，用黄色表示;等级四(S4):准危险状态，用橙色表示;等级五(S5):危险状态，用红色表示。如表2所示。根据5种风险等级设置4条风险基准控制线，当评估数值跨越这些基准控制线时，系统将发出对应的警报，在高铁路网GIS地图上亮起相应的预警信号灯。

表2 困难艰险山区高铁GIS安全预警系统预警信号灯设置

(4)事故预测评价:尽管不同安全事故的形成机理可能千差万别，但根据对以往事故数据的分析得知，它们之间往往具有千丝万缕的内在联系且具有一定的规律性。利用GIS技术，系统可以直接调用数据库的数据对已发事故进行分析，预测将来一段时间事故的分布范围与发生概率。

(5)数据查询:以预警信息数据库为基础，系统为决策者提供气象、地质、水文等类型相关信息的查询功能。决策者可根据需要选择查询属性数据、空间分析数据或进行属性—空间数据互查。

3 系统实现的关键技术

3.1 系统预警指标体系的建立

预警指标体系作为安全预警系统的核心，指标的选取必须具有代表性，且能够满足反映系统预警目标所面临的各类风险的要求。根据相关的安全法律、法规，结合对中铁二院、四院等单位提供的贵广线资料调研的基础上，又广泛搜集了国内外相关文献资料，采用系统科学理论中“人—机—环境”系统方法将困难艰险山区高铁安全风险划分为:人为风险、环境风险、设备风险。人为风险又包括:运营人员(包括操作人员、决策人员等)风险、乘客风险、其他人员风险;环境风险包括:气象风险、地质风险、水文风险;设备风险包括:列车风险、站场风险、轨道风险［11-13］。根据目前所掌握资料的详实程度及篇幅原因，笔者将侧重环境风险来对系统实现的关键技术进行探讨，环境风险也是困难艰险山区高铁安全面临的最主要风险，选择其进行探讨具有代表性。下面，运用 AHP(Analytic Hierarchy Process)法建立风险指标评价体系，如图3所示。

图3 困难艰险山区高铁GIS安全预警系统风险指标体系

以建立的风险评价体系为基础，引入1－9段标度法，采用问卷调查法(现场调查对象为参与贵广高铁项目的建设单位、设计单位、施工单位、监理单位的相关专业人员)，对同一层次各因素的重要性进行两两比较，得出各因素间的相对重要度并赋予分值，构造出判断矩阵，并对矩阵进行一致性检验，最终确定各风险因素的权重，如表3所示。

表3 风险因素权重

3.2 系统预警风险评估模型

对于一个安全预警系统而言，不仅需要建立风险预警指标体系，还需要通过数学建模来对诸多的不确定性指标进行综合评价，从而得到反映风险程度的综合指标值并开展预警工作。进行综合评价的方法也较多，需根据情况来选择合适的方法。模糊综合评价法用于评价多层次的复杂问题效果极佳，但缺点是权重难以确定，而权重的准确性对于评价结果是否客观又是至关重要的。所以笔者选择以基于AHP法的模糊综合评价法来构建预警模型，AHP法的引入，很好地解决了权重难以确定的问题。

模糊综合评价就是应用模糊变换原理和最大隶属度原则，考虑与被评价事物相关的各个因素，对其所作的综合评价。目前常用的模糊综合评价模型有多种，笔者选择了普通矩阵乘法型，即M=(·，+)型，因为此模型兼顾了每个风险对总目标的综合影响，全面客观地反映了风险的整体特征。模型中wi和rij(i=1，2，…，n;j=1，2，…，m)均无上限约束，但注意需对 wi做归一化处理，模型如下

模型的计算步骤如下。

第1步:建立困难艰险山区高铁安全风险因素集。设困难艰险山区高铁安全风险因素集为U，根据图3中的风险指标体系将风险因素集分为2层。

第一层:U={U1，U2，U3}

U1=气象风险，U2=地质风险，U3=水文风险。

第二层:U1={U11，U12，U13}U2={U21，U22，U23，U24}U3={U31，U32}

U11=降水量，U12=风速，U13=气温;U21=边坡坡度，U22=岩土类型，U23=植被覆盖率，U24=地质构造;U31=水系流域，U32=地下水。

第 2 步:建立评语集。V={V1，V2，V3，V4，V5}它们分别表示不同的风险等级，即 V={V1，V2，V3，V4，V5}={安全，准安全，临界，准危险，危险}。各等级风险对应的预警信号灯分别为:绿色，蓝色，黄色，橙色，红色。

第3步:隶属度的确定。对指标层各因素在不同风险等级上发生的概率R(即隶属度)的取值采用专家打分法，组织13位相关方面的专家对安全预警指标进行分类逐一评价，并将最终的评价结果输入GIS系统数据库，以备系统调用。因素风险概率评价见表4(以地质类风险因素打分为例，气象、水文类风险打分方式相同)。

表4 风险因素专家打分

第4步:多级模糊综合评价。由于因素集分为两层，故应做2次模糊评估。第一次先通过模糊矩阵的合成运算实现指标层C对风险类别层B的模糊评价，由AHP法得到权重W值(表3)和由专家评分法确定的隶属度R值(表4)，根据公式(1)做第一级模糊评价

由一级模糊评价的结果得到二级评价的模糊矩阵

接着根据公式(1)进行第二级模糊评价，即运算风险类别层B对目标层A的模糊评价，得到总风险的综合评价值

最后根据最大隶属度原则，取b=max{bj}为最终的总风险综合评价值［14］。将评价值划分为5个区间，并与表2中的预警信号等级相对应，见表5。

表5 安全风险等级评价标准

总风险评价值b属于上述哪个区间，预警系统就将相应的风险等级显示在系统的GIS地图上，并亮起相应颜色的预警指示灯。

4 结论

(1)针对困难艰险山区高铁运营的高风险情况，结合GIS技术，设计了一套适用于困难艰险山区高铁切实可行的安全预警系统。

(2)对参与贵广高铁项目的建设单位、设计单位、施工单位、监理单位的相关专业人员进行了现场问卷调查，获得了宝贵真实的安全风险数据资料，并在此基础上建立了安全预警系统指标体系。

(3)针对模糊综合评价法模型权重难以准确选定的弱点，引入了AHP法来客观的给出权重，有利于更加准确的对困难艰险山区高铁沿线的风险进行评价，保证了安全预警系统的准确性。

(4)采用系统科学理论中“人—机—环境”系统的方法对高铁运营安全风险进行识别并建立风险指标体系，力图使系统的评估结果更接近于实际。但由于掌握的资料有限，整个体系的构建尚不完善，还需进一步研究改进。

(5)尽管交通管理部门和高速铁路营运部门不断加大高铁安全管理力度，促使其安全管理工作步入了良性轨道，但高速铁路安全管理问题仍然是不可忽视的一个问题，高铁的运营安全保障任重而道远。该系统建成后将应用于我国困难艰险山区的高铁线路，为其安全运营提供帮助。

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