高速铁路长大隧道应急处置信息系统关键技术研究

殷勇

（中国铁路上海局集团有限公司运输部，上海 200071）

0 引言

随着高速铁路网规模不断扩大，长大隧道的数量也呈显著上升趋势。截至目前我国铁路已投入运营长度大于10 km的长大隧道170座，总长2 312 km，其中长度超过20 km的特长隧道11座，总长262 km［1］。高速铁路长大隧道内发生事故会造成巨大的经济损失和恶劣的社会影响。近年来，各铁路运输企业非常重视长大隧道应急救援机制的建设和完善，依托信息化、智能化手段进行应急处置系统研发［2-5］，全力预防和减少铁路隧道内突发事件的发生。

目前针对长大隧道防灾救援工作，各铁路运输企业和相关院校已经立项多个课题进行研究，钱生校等［6］通过构建防灾安全保障设施、监控报警子系统和安全控制子系统组成防灾监控与应急救援保障信息系统，实现了对隧道内事故的预警，统一了隧道内各设备设施数据；耿彪［7］运用ArcGIS软件创建路网交通网络数据集，实现了去往事故点最短距离、最近服务设施、各救援点服务区域的快速求解及可视化呈现，有助于应急决策者在突发事件发生后，能快速、及时、准确地调配应急资源；李春辉等［8］针对我国隧道施工坍塌事故的应急救援预案及措施，提出了基于地理信息系统（GIS）的隧道坍塌救援管理系统设计方案，隧道在出现塌方事故时，可快速将被困人员的动态信息和隧道基础数据信息传送给救援决策者，以便决策者采取符合现场实际的救援方案并开展救援行动。

目前长大隧道应急救援仍采用传统指挥方式，指挥人员需整合各业务部门信息资料，并从大量的专业图纸数据中分析隧道实时情况，耗时长、响应慢。伴随多源数据三维可视化集成技术快速发展，研发基于数据三维可视化的高速铁路长大隧道应急处置信息系统，融合多源数据，以更直观的展现形式增强交互体验，可显著提升长大隧道辅助决策能力和应急处置效率。

在建立统一数据、统一功能的基础上，重点提出应急处置信息系统的重要作用：缩减救援时间、降低事故损失及社会影响、提升铁路运营效益、推进铁路装备智能化建设。

1 研发背景

1.1 运营风险

高速铁路长大隧道面临主要运营风险有自然灾害、铁路交通事故、社会治安问题、设备故障四大类。经分析，隧道内主要存在火灾和水灾、空气动力学问题、隧道内的通常病害、结构失稳等问题［5］。由于长大隧道处于封闭状态，空间小；地处山区，交通不便，且多处于移动信号盲区，不利于救援过程中的联系和沟通；受现场环境限制，救援过程中容易引发碰伤、摔伤等次生事故。长大隧道的特点导致救援困难，且在现有建设方式下这些困难始终客观存在。

铁路部门在实际工作中对长大隧道管理仍存在薄弱环节，主要有以下方面：

（1）隧道内设备设施不达标。从设备设施标准分析，早期建设投入使用的长大隧道不达标，如10 km及以上的单洞隧道，新标准要求在洞身段设置不小于1处紧急出口或避难所，但建设较早的长大隧道未设置紧急出口和避难所，在遇到突发情况时，若指挥不到位、信息不对称，极有可能产生不可估量的严重后果。

（2）相关制度不完善。有些设备管理单位及运输组织单位对长大隧道的认知不到位，针对长大隧道运营安全的管理制度不细致、不完善，没有形成协同联动的高效应急处置体系。

（3）风险管控认知不足、应急处置方案不明确。目前一些设备管理单位风险识别、研判能力不足，隧道内检测设备设施不完善，有些潜在隐患不能及时发现，易引发设备故障甚至次生灾害。隧道内发生事故，需要综合各专业技术资料，及时确定科学的应急处置方案，指导现场人员作业。

1.2 需求分析

综合分析当前高速铁路长大隧道应急救援机制，存在以下两方面问题：一方面，信息孤岛，关于长大隧道信息系统的建设通常采取业务部门牵头、纵向独立建设的模式，各部门根据专业特点和各自不同需求，建设了许多“小而全”的系统，但在处置长大隧道突发事件时，没有形成一套整体的应急处置系统；另一方面，数据展示不够直观有效，可视化尤其是三维可视化的功能薄弱，不利于人员快速理解，从而无法开展有效的远程救援指挥，不能为指挥人员提供准确有效的辅助决策。因此，对应急处置信息系统提出以下三方面需求：

（1）建立统一的信息管理平台。隧道信息统一录入、存储、使用，在事故应急处置时，可以快速从系统中调取事故隧道以及事故列车的相关信息。

（2）数据可视化应用。三维可视化在原有数据可视化的基础上，将抽象的隧道、线路、列车运行数据转换为更直观的三维模型，通过数据还原真实隧道内部环境，为应急指挥人员快速决策提供有力支撑。

（3）缩减应急处置时间。快速定位列车在长大隧道中的位置，掌握列车停车地点预设的照明、通风、应急通道等设备情况，快速制定事故救援和人员疏散等应急预案，压缩应急处置时间，减少事故损失和影响。

图1 模块联系

2 关键技术

2.1 系统功能

高速铁路长大隧道应急处置信息系统要实现数据管理、应急处置、系统管理三大功能，模块联系见图1。

（1）数据管理：为应急处置提供基础数据支持及相关资源下载服务。根据指挥救援的功能需求将数据类型分为：业务数据、多媒体资源。系统对2种类型数据进行区分管理，隧道数据类型见表1。

表1 隧道数据类型

（2）应急处置：应急处置模块负责隧道数据三维呈现及用户交互，可通过模拟动车组列车运行，为现场决策提供信息支持。通过建立隧道和动车组模型，选取动车组列车停车的隧道，输入车次或上下行别，再输入停车公里标，模拟动车组列车在三维隧道内的实景。根据需要，可查询列车停车位置距隧道口、紧急出口、避难所、救援站、防护门、照明设备、应急电话、两端车站的距离，并根据车身换长计算出距离值，方便管理者对实际情况进行真实了解，采取正确应对措施，基于动车组列车模拟运行的应急处置功能见图2。

图2 基于动车组列车模拟运行的应急处置功能

此外，当隧道内部发生设备故障时，设备管理单位能通过三维隧道模型查看故障位置，通过应急处置信息系统了解相关工区距离、最近通道门和钥匙位置，以及参与应急处置人员的联系表等信息。

（3）系统管理：系统用户分为管理员及普通用户，普通用户可进行突发事件的应急处置以及日常的设备信息查询；系统管理员提供数据维护、用户角色权限管理、日志查询、更新管理等功能。

2.2 关键技术

2.2.1 数据采集

系统数据对象主要为隧道（包含隧道内各业务系统设备信息），区别于传统的数据表格类文件，系统研发的关键技术是如何采集隧道的工程图纸（CAD）、隧道全貌（拍摄，现场测量）、可供三维还原的动车组信息等。系统数据采集方案主要通过以下2个途径实现：

（1）对于隧道内各业务系统设备的数据信息，如电务、通信、工务（消防设备、应急通道等）、供电等，主要通过各业务单位既有的信息记录进行标准化处理，建立业务模型，最终在系统内进行三维模拟。这类数据数量巨大，且不同单位的数据格式不同，处理时需对数据功能和类型进行判断，并验证数据的准确性，提前排查错误数据，在录入系统时通过ETL工具及相应方法提高信息录入准确性，降低录入时间及人力成本。

（2）用于三维还原的数据采集，如隧道工程图纸（CAD）、动车组长宽高等信息，在相关部门获取的同时，前往各隧道进行实地拍摄与测量，确保模拟的隧道环境与真实环境一致。三维建模时，系统着重考虑符合功能需求的制作规范，如优化平面和高程精度、系统单位统一为米、删除冗余的点面等，纹理贴图需制作3种尺寸，满足远、中、近3种视距内显示，需制作法线、高光、置换贴图，达到拟真的视觉还原。

2.2.2 数据管理

针对采集的数据，需根据数据类型设计相应的管理模式。系统中的数据分为字符类文本、经过三维还原后的三维模型两大类。后者文件容量大，增加了传输及存储压力，系统综合运用无损压缩技术与资源版本管理技术。

（1）对于字符类数据存放至云服务器，应用层提出访问需求时，首先对访问者进行身份验证，验证通过后，进行加密传输，请求结束后，断开与客户端的连接，操作端在系统使用过程中，本地服务器不会产生业务数据存留，保证数据安全。

（2）三维模型采用压缩加密格式存放至服务器，并在客户端首次访问时进行三维数据资源下载，以封装包存放至客户端，如.asstesbundle格式。客户端检查数据资源版本，更新时向服务器发送请求，下载最新的资源包，并更新本机的三维资源。三维资源数据库管理在客户端进行，采用预制体（.prefab）或数据资源形式（.fbx/.obj），并通过代码控制。当系统运行时，会根据用户操作显示相应的三维环境及模型。

2.2.3 数据可视化

系统的数据可视化技术主要通过拟真隧道视觉还原以及隧道维保数据集成进行实现。在隧道救援以及日常隧道设施维护过程中，系统作为指挥的有力工具，要求对隧道主体结构、业务设施以及周围环境等进行视觉还原，达到与现场区别少甚至无区别的目的。三维建模以及真实贴图烘焙是实现真实视觉还原的保障，在建设过程中，需多次对隧道内真实环境进行采集、取样、测量，并与业务数据进行仿真比对分析，最终制作出符合真实环境的三维隧道模型。

系统涉及各类结构化数据和非结构化数据，通过有效整合，数据可视化技术能够快速调取所需数据，从而为隧道救援以及维保运营提供数据支撑。同时，各类数据互通也为维保工作需求的数据带来多元性和更多可能性，不同信息相互组合将产生更多的情景方案，依靠数据分析系统，满足日常的维保需求。

3 应用案例分析

3.1 功能展示

（1）设备信息查询：系统已初步应用于高速铁路长大隧道的日常信息访问。例如，在衢九高铁杨林隧道的设备信息查询中，数据反馈准确迅速，满足日常的设备维护需求，查询结果见图3。

图3 衢九高铁杨林隧道的设备信息查询结果

（2）应急处置数据查询：杨林隧道的模拟救援中，在仅得知车次及停车位置的情况下，能够快速准确定位事故点，并还原隧道全貌，同时标注距离事故点最近的救援通道、消防设备位置等重要数据，实际操作时间不超过30 s。同时非专业人员经过简单操作培训后，即可使用本系统快速进行救援指挥工作。应急处置功能界面见图4。

（3）设备故障查询：通过对多条隧道的模拟救援以及日常数据使用情况来看，该系统实现了统一的信息管理，建成基于三维数据可视化的信息交互平台。系统提供设备管理单位维保查询功能，发生设备故障时，设备管理单位能通过三维隧道模型查看故障位置，通过应急处置信息系统了解相关工区距离、最近通道门钥匙和钥匙位置等，选择最优方案，提高设备故障处置效率。

（4）消防信息查询：系统提供隧道内及周边消防设备设施相关信息，在需要使用消防设备时，提供直观的信息表述，便于管理者制定最佳方案。系统提供隧道周边救援设施信息、隧道通道口及应急口的救援道路情况，能够指导地方救援力量准确、快速到达救援现场。系统提供隧道应急处置演练、教学功能，可对相关作业人员进行培训，帮助作业人员熟悉了解隧道内设备设施，各类标志、标牌情况，提供应急处置时的操作流程，利于作业人员业务技能水平提升。

图4 应急处置功能界面

3.2 效果分析

根据系统功能及故障处置结果，系统所带来的效益应从安全、运营、社会、技术4个方面进行分析。

（1）安全效益：发生隧道突发事故时，系统可根据汇报信息，迅速还原事故隧道全貌，准确定位事故点；可根据事故类型，搜索附近相关安全设备，以及安全通道等信息。方便指挥人员的信息收集、辨别与表达沟通，有助缩短救援时间，降低事故损失。

（2）运营效益：因所处环境的特殊性，隧道事故处置会占用大量时间，所以缩减隧道事故导致的线路停运时间，可提升铁路的运营效益，传统救援方式与信息系统的救援方式对比见图5。

（3）社会效益：系统在接到隧道突发事故汇报的第一时间，可迅速判断附近的安全线路、通道，快速指导人员沿所示路线到达安全区域，避免因等待救援过程中事故加剧导致的人员伤害，同时联系隧道附近城市、乡镇等医疗和消防资源进行联合救援。系统的有效应用可大大降低事故导致的人员伤害，避免群死群伤所造成的恶劣社会影响。

（4）技术效益：高速铁路长大隧道应急处置信息系统在数字铁路建设方面做出重大尝试，在技术体系上，既可衔接铁路智能建造，有效获取长大隧道及其他重要基础设施的相关信息并进行模型化表达，又可成为其他装备的平台载体，成为铁路装备设施智能化管控、数字化表达的有效平台。

图5 救援方式对比

4 结束语

研究高速铁路长大隧道救援的特点以及三维可视化技术在应急处置中的应用，结合目前高速铁路长大隧道的救援现状，阐述了建立统一、基于数据可视化应急处置信息系统的必要性和重要性，并对系统功能与关键技术进行了分析。

系统已初步建成并投入试用，在日常隧道设备设施信息访问中，反馈及时准确、数据维护更新便捷，满足了各业务部门对建设长大隧道统一信息平台的需求。杨林隧道模拟救援演练中，在仅得知停车事故位置及车次的情况下，通过该系统可快速准确定位，三维还原隧道环境，同时标注出距离事故点最近的救援通道、消防设备位置等重要信息，实际操作时间不超过30 s。同时非专业人员经培训后，可使用系统快速进行救援指挥工作。系统响应快速、信息传达准确、使用可视化方式提升了长大隧道应急处置效率和辅助决策能力。系统建成使用后，可缩减救援时间、增加应急指挥准确性、优化救援方案、减少损失、保障铁路运输中人身财产安全。此外，系统在用于救援的同时，也致力于整合原有的多个独立信息系统，将有用信息统一显示在长大隧道应急处置系统中，并做好数据接口，留有后续新增监控设备接入功能，可在后续应用过程中逐步完善长大隧道的信息化建设。

系统初步满足高速铁路长大隧道应急处置需求。后续需完善系统移动化建设，彻底解决长大隧道内突发事故时无法有效开展自我救援的困境。同时在隧道内设置监测设备、接入监测数据，实时分析隧道内各设备情况以及洞内环境，如温度监测、湿度监测、列车行驶状态监测、烟尘警报等，在数据可视化信息平台的基础上对长大隧道进行三维数字孪生［9-10］，并推演隧道内可能遇到的灾害场景，做到防患于未然。

目前该系统已在中国铁路上海局集团有限公司管辖内高速铁路长大隧道应急处置试用，系统使用、完善后，可作为铁路桥梁、隧道应急处置综合解决方案进行推广应用。