秦小光

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300251)

截至2017年底，我國(guó)已投入運(yùn)營(yíng)的鐵路隧道15 326 km，在建隧道總長(zhǎng)3 057 km，規(guī)劃鐵路隧道約5 482 km。[1]建成了一批長(zhǎng)度超過(guò)20 km的特長(zhǎng)隧道，如西格二線新關(guān)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(guó)規(guī)劃、在建及運(yùn)營(yíng)鐵路隧道數(shù)量均處在世界領(lǐng)先地位，我國(guó)的隧道建造技術(shù)居世界先進(jìn)水平。如何更好地維護(hù)、使用隧道成為擺在鐵路工程技術(shù)人員面前的新課題。鐵路隧道防災(zāi)救援技術(shù)是保障鐵路隧道安全運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵技術(shù)，本文中的鐵路隧道防災(zāi)救援有別于建造中的鐵路隧道，特指運(yùn)營(yíng)鐵路隧道防災(zāi)救援。與發(fā)達(dá)國(guó)家及不同行業(yè)相比，雖然我國(guó)對(duì)鐵路隧道防災(zāi)救援技術(shù)進(jìn)行了多年探索，但研究重點(diǎn)集中在設(shè)置疏散通道、救援站等硬件基礎(chǔ)設(shè)施[2-3]，對(duì)于軟技術(shù)體系，尤其鐵路運(yùn)營(yíng)隧道災(zāi)害的預(yù)警與報(bào)警，以及各系統(tǒng)設(shè)施的聯(lián)動(dòng)，尚缺乏系統(tǒng)研究和工程實(shí)踐，鐵路隧道安全標(biāo)準(zhǔn)體系和災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法尚不完善[4]。

1 鐵路隧道災(zāi)害危險(xiǎn)源研究

1.1 鐵路隧道災(zāi)害危險(xiǎn)源

鐵路災(zāi)害，是指由于自然或人為因素造成的、對(duì)鐵路正常運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生巨大影響，并對(duì)生命財(cái)產(chǎn)和社會(huì)生活造成災(zāi)難性后果的事件[5]，其表現(xiàn)形態(tài)分為自然災(zāi)害、行車(chē)事故、線路病害、環(huán)境破壞、人為破壞和異物侵限等。鐵路隧道中發(fā)生的鐵路災(zāi)害稱(chēng)為鐵路隧道災(zāi)害，其表現(xiàn)形式多樣，火災(zāi)造成設(shè)施燒毀、人員傷亡；水害造成圍巖軟化、襯砌破裂、基礎(chǔ)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(chē)輛損毀、行車(chē)中斷；地震引發(fā)隧道崩塌、山體落石、路基沉陷；雷電造成電氣設(shè)備損壞等。

1.2 鐵路隧道災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)大小，通常用可能造成安全風(fēng)險(xiǎn)的大小事故發(fā)生的可能性(L)、人員暴露于危險(xiǎn)環(huán)境中的頻繁程度(E)、發(fā)生事故所產(chǎn)生的后果(C)三個(gè)自變量的乘積(風(fēng)險(xiǎn)分值S)來(lái)衡量，即S=f(L，E，C)。

當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)分值≤20為可忽略風(fēng)險(xiǎn)(A級(jí))、分值在20～70之間為可容許風(fēng)險(xiǎn)(AA級(jí))、分值在70～160之間為中度風(fēng)險(xiǎn)(AAA級(jí))、分值在160～320之間為重大風(fēng)險(xiǎn)(AAAA級(jí))、分值>320為不容許風(fēng)險(xiǎn)(AAAAA級(jí))。自變量取值及災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)見(jiàn)表1～表4。

表1 事故發(fā)生可能性(L)

表2 人員暴露于危險(xiǎn)環(huán)境的頻繁程度(E)

表3 發(fā)生事故所產(chǎn)生的后果(C)

表4 災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分值及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)(S)

根據(jù)文獻(xiàn)[5]對(duì)1970年～2015年國(guó)內(nèi)外83例鐵路隧道運(yùn)營(yíng)事故的統(tǒng)計(jì)，災(zāi)害或次生災(zāi)害中火災(zāi)43例(包括油氣車(chē)撞擊或泄露引發(fā)火災(zāi)8例)，列車(chē)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(dǎo)致脫軌1例，其中火災(zāi)是各類(lèi)災(zāi)害中的最主要因素。

2 鐵路隧道防災(zāi)救援存在問(wèn)題和要求

2.1 鐵路隧道防災(zāi)救援存在問(wèn)題

(1)隧道斷面小、縱深窄長(zhǎng)，災(zāi)害發(fā)生蔓延快，容易造成堵塞，救援疏散難度大?；馂?zāi)會(huì)燒毀設(shè)施設(shè)備，損壞結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的煙氣和熱很難排除；水災(zāi)會(huì)淹沒(méi)設(shè)施設(shè)備，造成電氣短路，引起結(jié)構(gòu)坍塌；有毒氣體會(huì)引發(fā)呼吸障礙，可燃?xì)怏w遇電氣明火產(chǎn)生爆炸，引發(fā)二次災(zāi)害。

(2)我國(guó)鐵路隧道災(zāi)害預(yù)警報(bào)警技術(shù)、防災(zāi)協(xié)調(diào)機(jī)制不先進(jìn)，防災(zāi)救援經(jīng)驗(yàn)較少，尚未建立完整的鐵路隧道災(zāi)害管理體制，存在諸多隱患。一旦災(zāi)難突發(fā)，很難及時(shí)報(bào)警和有效控制災(zāi)情發(fā)展，將災(zāi)難消除在初始階段。

(3)防災(zāi)救援各設(shè)備系統(tǒng)獨(dú)立建設(shè)，孤島運(yùn)行，難于實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通、資源共享和綜合自動(dòng)化運(yùn)維管理，效率和功能已不能適應(yīng)鐵路隧道現(xiàn)代化、智能化安全運(yùn)營(yíng)和管理的需要。當(dāng)災(zāi)難發(fā)生時(shí)，難以充分發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

2.2 鐵路隧道防災(zāi)救援的要求

目前我國(guó)防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)工作堅(jiān)持以防為主，防抗救相結(jié)合的原則，注重災(zāi)前預(yù)防、綜合減災(zāi)、減輕災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，提升綜合防范能力。鐵路隧道防災(zāi)救援是鐵路防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)的重要工作之一，需根據(jù)鐵路行車(chē)特點(diǎn)、安全生產(chǎn)要求、隧道災(zāi)害因素分析結(jié)果進(jìn)行重點(diǎn)防范，制定災(zāi)害預(yù)防方案和應(yīng)急預(yù)案，提高防御能力和水平，確保鐵路安全運(yùn)營(yíng)。

(1)鐵路隧道防災(zāi)救援系統(tǒng)應(yīng)以多部門(mén)運(yùn)營(yíng)指揮、應(yīng)急協(xié)調(diào)和維修維護(hù)管理為中心，分級(jí)分層構(gòu)建，防災(zāi)救援系統(tǒng)和正常運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)應(yīng)結(jié)合建設(shè)。我國(guó)防災(zāi)救援體系分為國(guó)家、地方、行業(yè)幾個(gè)層次，鐵路運(yùn)維管理組織由鐵路總公司、鐵路局、站段、車(chē)間工區(qū)多層構(gòu)架組成，鐵路隧道防災(zāi)救援系統(tǒng)應(yīng)與之相適應(yīng)。同時(shí)，鐵路隧道防災(zāi)救援建設(shè)應(yīng)按照平災(zāi)結(jié)合的原則，充分考慮應(yīng)急救援和正常運(yùn)維的特點(diǎn)。鐵路隧道距離長(zhǎng)，所處區(qū)域偏遠(yuǎn)，應(yīng)急救援、維修維護(hù)不方便，鐵路隧道防災(zāi)救援系統(tǒng)除設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急操控裝置外，還應(yīng)該通過(guò)自動(dòng)化信息化手段，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作和維護(hù)，及時(shí)有效便捷地進(jìn)行防災(zāi)救援系統(tǒng)應(yīng)急指揮和運(yùn)維管理。

(2)鐵路隧道防災(zāi)救援系統(tǒng)應(yīng)有針對(duì)性地構(gòu)建一體化結(jié)構(gòu)。防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)和經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展水平密切相關(guān)，鐵路隧道防災(zāi)具有較獨(dú)特的特征，不同隧道災(zāi)害防范重點(diǎn)不同，應(yīng)針對(duì)火災(zāi)、水災(zāi)、有害氣體等災(zāi)害因素，有針對(duì)性的、有重點(diǎn)的建設(shè)鐵路隧道防災(zāi)救援系統(tǒng)。同時(shí)，鐵路隧道防災(zāi)救援系統(tǒng)是一個(gè)多部門(mén)多專(zhuān)業(yè)的聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，需建立防災(zāi)、減災(zāi)、救災(zāi)的一體化聯(lián)動(dòng)機(jī)制，提高效率。

3 一體化系統(tǒng)技術(shù)

3.1 系統(tǒng)構(gòu)架

針對(duì)以上需求，構(gòu)建鐵路隧道防災(zāi)救援監(jiān)控與報(bào)警一體化系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)一體化系統(tǒng))，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)、水災(zāi)、有害氣體等災(zāi)害的集中監(jiān)測(cè)和應(yīng)急救援指揮。當(dāng)發(fā)生災(zāi)害時(shí)，通過(guò)一體化系統(tǒng)自動(dòng)探測(cè)、自動(dòng)報(bào)警、確認(rèn)災(zāi)害、啟動(dòng)相應(yīng)的應(yīng)急程序，協(xié)調(diào)相關(guān)單位部門(mén)和系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行減災(zāi)救援，確保隧道防災(zāi)救援和安全疏散的有效性，保障鐵路運(yùn)營(yíng)安全。同時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)一體化構(gòu)架提高鐵路隧道智能化水平和綜合防災(zāi)救援能力，將災(zāi)難盡量控制在最小范圍內(nèi)，消除在初始狀態(tài)。從目前國(guó)內(nèi)外鐵路隧道及城市軌道交通監(jiān)控系統(tǒng)的集成方案來(lái)看，監(jiān)控系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)原則是技術(shù)先進(jìn)成熟、系統(tǒng)安全可靠、經(jīng)濟(jì)適用、可實(shí)施、可擴(kuò)充、運(yùn)維方便。結(jié)合我國(guó)鐵路隧道運(yùn)維特點(diǎn)，對(duì)各機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)，尤其是監(jiān)控類(lèi)系統(tǒng)，如設(shè)備監(jiān)控、火災(zāi)報(bào)警、電力監(jiān)控、應(yīng)急照明、應(yīng)急廣播、視頻監(jiān)控、熱軸報(bào)警、列車(chē)通過(guò)監(jiān)測(cè)、隧道口塌方監(jiān)測(cè)、疏散門(mén)等，進(jìn)行分析研究，綜合國(guó)內(nèi)外鐵路、公路隧道，城市軌道交通工程地下隧道建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為一體化系統(tǒng)可有3種集成方式[7-9]。

方式一：深度集成，指各子系統(tǒng)完全集成在一體化系統(tǒng)中，其全部功能由一體化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

方式二：互聯(lián)，指各子系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，與一體化系統(tǒng)通過(guò)外部接口進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。

方式三：界面集成，指各子系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，監(jiān)控操作界面被集成在一體化系統(tǒng)中，監(jiān)控功能和人機(jī)界面通過(guò)一體化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

方式一系統(tǒng)集成范圍較廣，各系統(tǒng)間的聯(lián)動(dòng)控制及信息的共享與交互簡(jiǎn)單直接，符合技術(shù)發(fā)展方向，充分體現(xiàn)一體化系統(tǒng)的優(yōu)越性，但對(duì)系統(tǒng)集成的能力要求較高，且存在不同系統(tǒng)開(kāi)通時(shí)間不同引起的工程實(shí)施組織方面的矛盾。方式二集成范圍小，系統(tǒng)集成相對(duì)簡(jiǎn)單，可回避部分系統(tǒng)先期開(kāi)通的矛盾。方式三介于方式一和方式二之間。我國(guó)鐵路隧道防災(zāi)救援監(jiān)控與報(bào)警相關(guān)的子系統(tǒng)有設(shè)備監(jiān)控、火災(zāi)報(bào)警、電力監(jiān)控、應(yīng)急照明、應(yīng)急廣播、視頻監(jiān)控、熱軸報(bào)警、列車(chē)通過(guò)監(jiān)測(cè)、隧道口塌方監(jiān)測(cè)、疏散門(mén)等，根據(jù)運(yùn)維監(jiān)控需求、技術(shù)發(fā)展、各子系統(tǒng)構(gòu)成和功能選擇不同的集成互聯(lián)方式。

鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)是鐵路通信業(yè)務(wù)網(wǎng)的一個(gè)子系統(tǒng)，設(shè)置于站段所亭、線路、隧道、橋梁、貨場(chǎng)、裝卸線、作業(yè)場(chǎng)所、重要機(jī)房等部位，服務(wù)于安監(jiān)、客運(yùn)、貨運(yùn)、工務(wù)、電務(wù)、機(jī)務(wù)、車(chē)輛、運(yùn)輸、公安等不同部門(mén)的不同業(yè)務(wù)需求，是一個(gè)功能比較完善的子系統(tǒng)。一體化系統(tǒng)可通過(guò)通信接口與綜合視頻系統(tǒng)連接，采取界面集成的方式，一體化工作站實(shí)現(xiàn)圖像畫(huà)面組合、切換圖像、控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)、調(diào)節(jié)鏡頭光圈參數(shù)，檢索、回放、下載歷史圖像功能[10-11]。大屏幕系統(tǒng)在防災(zāi)救援控制室與一體化系統(tǒng)互聯(lián)，支持系統(tǒng)的人機(jī)界面在大屏幕上顯示。

鐵路廣播系統(tǒng)是通信業(yè)務(wù)網(wǎng)的一個(gè)子系統(tǒng)，一般按場(chǎng)所獨(dú)立設(shè)置于站場(chǎng)、車(chē)站、列車(chē)。鐵路隧道防災(zāi)救援廣播屬于應(yīng)急通信系統(tǒng)，在設(shè)置火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的場(chǎng)所與消防廣播共用。一體化系統(tǒng)可通過(guò)通信接口與廣播系統(tǒng)連接，采取界面集成的方式，一體化工作站實(shí)現(xiàn)人工應(yīng)急廣播和自動(dòng)應(yīng)急廣播功能。

鐵路隧道設(shè)備監(jiān)控、火災(zāi)報(bào)警、應(yīng)急照明等系統(tǒng)均為某一隧道獨(dú)立系統(tǒng)，設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)隧道內(nèi)防災(zāi)救援風(fēng)機(jī)、風(fēng)閥、水泵的監(jiān)控，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)負(fù)責(zé)隧道內(nèi)火災(zāi)報(bào)警及聯(lián)動(dòng)控制，應(yīng)急照明系統(tǒng)負(fù)責(zé)隧道內(nèi)應(yīng)急照明設(shè)備監(jiān)控，可通過(guò)一體化系統(tǒng)集成監(jiān)控管理。電力監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)全線供電設(shè)備監(jiān)控，可通過(guò)通信接口與一體化系統(tǒng)連接，采取互聯(lián)集成的方式進(jìn)行監(jiān)控管理，也可以采用集成方式由一體化平臺(tái)進(jìn)行集中監(jiān)管。

疏散門(mén)設(shè)置在正線與疏散通道交接處，緊急情況下，觸發(fā)釋放疏散門(mén)電磁鎖，打開(kāi)疏散門(mén)；鐵路隧道口設(shè)置塌方監(jiān)測(cè)設(shè)備，監(jiān)測(cè)山坡塌方；隧道口外方設(shè)置熱軸探測(cè)設(shè)備，監(jiān)測(cè)列車(chē)車(chē)軸使用狀態(tài)；隧道口內(nèi)方設(shè)置列車(chē)通過(guò)監(jiān)測(cè)設(shè)備，探測(cè)車(chē)輛的通過(guò)狀態(tài)。上述設(shè)備均為獨(dú)立設(shè)置，可由一體化系統(tǒng)集成監(jiān)控管理。

隨著我國(guó)加大鐵路建設(shè)的力度，各種不同類(lèi)型隧道不斷出現(xiàn)，鐵路隧道災(zāi)害監(jiān)控也成為各項(xiàng)目建設(shè)和運(yùn)維的重難點(diǎn)。一體化系統(tǒng)需根據(jù)鐵路隧道的運(yùn)維特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、分析、處理、報(bào)表、存儲(chǔ)等多項(xiàng)功能，滿足鐵路不同層級(jí)運(yùn)維管理人員的需求，一體化系統(tǒng)可采用多級(jí)控制方案。

方案一 三級(jí)結(jié)構(gòu)：采用鐵路局中心級(jí)、車(chē)站級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)級(jí)三級(jí)。在各鐵路局設(shè)鐵路局中心級(jí)系統(tǒng)，在各車(chē)站設(shè)車(chē)站級(jí)系統(tǒng)，在各隧道設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)級(jí)系統(tǒng)。中心級(jí)系統(tǒng)與車(chē)站級(jí)系統(tǒng)之間通過(guò)通信傳輸網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通，現(xiàn)場(chǎng)級(jí)采用環(huán)型現(xiàn)場(chǎng)總線方式組網(wǎng)。如圖1所示。

方案二 兩級(jí)結(jié)構(gòu)：采用車(chē)站級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)級(jí)兩級(jí)，在隧道相鄰的車(chē)站設(shè)車(chē)站級(jí)系統(tǒng)，在隧道設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)級(jí)系統(tǒng)。由車(chē)站級(jí)獨(dú)立完成對(duì)隧道設(shè)備的監(jiān)控，不與鐵路局中心級(jí)互通。如圖2所示。

圖1 三級(jí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 一體化系統(tǒng)設(shè)備配置(圖3)

路局中心級(jí)系統(tǒng)：設(shè)置冗余應(yīng)用服務(wù)器、冗余數(shù)據(jù)服務(wù)器、磁盤(pán)陣列、監(jiān)測(cè)/監(jiān)控工作站、工程師工作站，并與地震預(yù)警、自然災(zāi)害及異物侵限系統(tǒng)設(shè)置接口。同時(shí)，設(shè)置中心級(jí)移動(dòng)服務(wù)器、移動(dòng)工作站，維修人員可以通過(guò)Telnet、Web、Android、iOS等方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)管，查看系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和接收?qǐng)?bào)警信息，以便第一時(shí)間了解并解決問(wèn)題。

圖2 兩級(jí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 三級(jí)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)備配置

車(chē)站級(jí)系統(tǒng)：設(shè)置應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、磁盤(pán)陣列、監(jiān)控工作站。

現(xiàn)場(chǎng)級(jí)系統(tǒng)：在隧道值班室設(shè)置火災(zāi)報(bào)警控制器，在斜井控制柜中設(shè)置冗余PLC控制器，在隧道正線和斜井被控風(fēng)機(jī)控制箱、照明配電箱附近設(shè)置遠(yuǎn)程I/O模塊箱，對(duì)被控設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控；在救援站設(shè)置緊急監(jiān)控盤(pán)[12]；在水泵房設(shè)置消防泵巡檢裝置；在隧道正線消火栓處設(shè)置消防報(bào)警電話插孔、手動(dòng)報(bào)警按鈕、消防泵啟泵按鈕等報(bào)警及聯(lián)動(dòng)設(shè)備；在氣體滅火設(shè)備室設(shè)置感溫、感煙探測(cè)器，聲光報(bào)警設(shè)備，氣體滅火控制設(shè)備；在隧道正線洞口設(shè)置塌方監(jiān)測(cè)設(shè)備和列車(chē)通過(guò)監(jiān)測(cè)設(shè)備；隧道內(nèi)設(shè)置溫濕度、瓦斯、CO2氣體探測(cè)裝置，風(fēng)速探測(cè)裝置，隧道光纖感溫探測(cè)裝置。

3.3 一體化系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)功能

一體化系統(tǒng)主要防范鐵路隧道火災(zāi)、水災(zāi)、有害氣體等災(zāi)害，監(jiān)測(cè)災(zāi)害發(fā)生、發(fā)展，發(fā)出預(yù)報(bào)和報(bào)警信息，聯(lián)動(dòng)防災(zāi)救援設(shè)備動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害的防范和災(zāi)害指揮救援。

(1)火災(zāi)監(jiān)測(cè)報(bào)警及聯(lián)動(dòng)控制功能

當(dāng)鐵路隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)通過(guò)感溫光纜、光纖線性測(cè)溫、雙波段感火焰探測(cè)、圖像型火災(zāi)探測(cè)器等手段探測(cè)到火災(zāi)發(fā)生，將火災(zāi)信息發(fā)送到監(jiān)控系統(tǒng)。一方面，火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)消防泵、專(zhuān)用排煙風(fēng)機(jī)、加壓送風(fēng)機(jī)等機(jī)電設(shè)備；另一方面，設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)接收到火災(zāi)信息后，聯(lián)動(dòng)相關(guān)兼用設(shè)備。

在火災(zāi)的情況下，主要監(jiān)控對(duì)象為隧道排煙風(fēng)機(jī)、補(bǔ)風(fēng)機(jī)。一旦接收到火災(zāi)信號(hào)，系統(tǒng)需要根據(jù)相應(yīng)火災(zāi)工況控制邏輯，啟動(dòng)相應(yīng)的排煙風(fēng)機(jī)、補(bǔ)風(fēng)機(jī)[13-14]。

(2)水災(zāi)監(jiān)測(cè)報(bào)警及聯(lián)動(dòng)控制功能

當(dāng)鐵路隧道發(fā)生水災(zāi)時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)接收到水位監(jiān)控設(shè)備的報(bào)警信息，并進(jìn)行災(zāi)害確認(rèn)，一旦系統(tǒng)確認(rèn)災(zāi)害，系統(tǒng)進(jìn)入水災(zāi)工況，啟動(dòng)排水泵、聯(lián)動(dòng)控制水閥，進(jìn)行排水作業(yè)[15]。

(3)有害氣體監(jiān)測(cè)報(bào)警及聯(lián)動(dòng)控制功能

當(dāng)鐵路隧道發(fā)生有毒氣體災(zāi)害時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)接收到二氧化碳、瓦斯等有害氣體的報(bào)警信號(hào)，當(dāng)濃度大于預(yù)定濃度時(shí)，判斷發(fā)生有害氣體災(zāi)害。

系統(tǒng)確定隧道內(nèi)發(fā)生了有害氣體災(zāi)害后，需要聯(lián)動(dòng)控制隧道內(nèi)暖通專(zhuān)業(yè)設(shè)置的軸流風(fēng)機(jī)或排風(fēng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)有害氣體的排出[16]。

(4)其他報(bào)警方式及通用聯(lián)動(dòng)控制功能

除了以上災(zāi)害外，還存在列車(chē)故障、隧道口坍塌、地震等其他災(zāi)害事故。一體化系統(tǒng)需對(duì)隧道內(nèi)照明、應(yīng)急通信設(shè)備、通過(guò)列車(chē)、疏散門(mén)進(jìn)行監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)特殊情況下的防災(zāi)救援功能。隧道內(nèi)人員可以通過(guò)手機(jī)進(jìn)行報(bào)警，也可以利用設(shè)置在隧道內(nèi)的應(yīng)急通信電話或手動(dòng)報(bào)警按鈕進(jìn)行報(bào)警，鐵路隧道值班員接到報(bào)警，可及時(shí)通過(guò)電話、視頻等方式對(duì)災(zāi)害進(jìn)行確認(rèn)，報(bào)警確認(rèn)后，一體化系統(tǒng)開(kāi)始聯(lián)動(dòng)應(yīng)急廣播、視頻監(jiān)控、應(yīng)急照明、導(dǎo)向標(biāo)志、應(yīng)急供電、環(huán)控通風(fēng)、消防水泵等相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行救援疏散。

3.4 系統(tǒng)性能

效率一向是生產(chǎn)應(yīng)用的最重要指標(biāo)之一，安全性、可靠性、可用性、可維護(hù)性、可擴(kuò)展性也是一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、集成、應(yīng)用的重要評(píng)估指標(biāo)。它們相對(duì)獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)，必須通過(guò)綜合分析的方法方能正確評(píng)價(jià)。

(1)效率

鐵路隧道防災(zāi)救援設(shè)備系統(tǒng)有環(huán)控通風(fēng)、給排水、照明、應(yīng)急通信、應(yīng)急廣播、綜合視頻、設(shè)備監(jiān)控、火災(zāi)報(bào)警等，如果各系統(tǒng)均分立設(shè)置，各系統(tǒng)雖能獨(dú)自完成現(xiàn)場(chǎng)控制，但設(shè)備種類(lèi)多、數(shù)量大，運(yùn)維管理復(fù)雜，系統(tǒng)接口交叉。

構(gòu)建一體化系統(tǒng)，以設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)為核心，與火災(zāi)報(bào)警、應(yīng)急廣播、綜合視頻等系統(tǒng)互聯(lián)集成，將鐵路的“腦、眼、手、口”集合在一起，統(tǒng)籌管理，在統(tǒng)一平臺(tái)上的滿足鐵路隧道防災(zāi)救援監(jiān)視、報(bào)警、控制、分析、管理、指揮的全面需求。各系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息共享，避免接口交叉，取消了不必要的物理節(jié)點(diǎn)和環(huán)節(jié)，信息傳遞更加順暢，消耗下降，效率提高；同時(shí)各系統(tǒng)間聯(lián)動(dòng)關(guān)系由人工升級(jí)為自動(dòng)，減少了人為誤操作，監(jiān)控管理質(zhì)量得到提升。系統(tǒng)接口關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖4 系統(tǒng)接口關(guān)系

(2)系統(tǒng)安全性與可靠性

系統(tǒng)可靠性指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。通常采用平均無(wú)故障時(shí)間MTBF指標(biāo)評(píng)估。

一體化系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備包括工作站、服務(wù)器、磁盤(pán)陣列、FEP、交換機(jī)，各設(shè)備組合關(guān)系有串聯(lián)、并聯(lián)、權(quán)聯(lián)3種結(jié)構(gòu)形式。應(yīng)用服務(wù)器和磁盤(pán)陣列組成了串聯(lián)的服務(wù)器—磁盤(pán)陣列系統(tǒng)，歷史服務(wù)器和磁盤(pán)陣列組成了串聯(lián)的服務(wù)器—磁盤(pán)陣列系統(tǒng)，各服務(wù)器組成了服務(wù)器權(quán)聯(lián)系統(tǒng)，各工作站組成了工作站權(quán)聯(lián)系統(tǒng)，工作站權(quán)聯(lián)系統(tǒng)、服務(wù)器權(quán)聯(lián)系統(tǒng)、冗余交換機(jī)和FEP組成串聯(lián)的一體化系統(tǒng)。如果磁盤(pán)陣列MTBF按4×105h估算，其余設(shè)備按1×105h估算，則

MTBF=

5×104h

分立的單機(jī)系統(tǒng)MTBF約2.5×104h，一體化系統(tǒng)與之相比，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性，降低了系統(tǒng)故障率和影響正常運(yùn)行的隨機(jī)性。

(3)系統(tǒng)可維護(hù)性

系統(tǒng)可維護(hù)性指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，按規(guī)定的程序和方法進(jìn)行維修時(shí)，保持或恢復(fù)到規(guī)定狀態(tài)的能力，通常采用故障恢復(fù)時(shí)間MTTR指標(biāo)評(píng)估。

其中λ為失效率，λ=1/MTBF。

如果服務(wù)器、工作站MTTR按1 h估算，其余設(shè)備按0.5 h估算，則

MTTR≈0.5 h

一體化系統(tǒng)與分立的單機(jī)系統(tǒng)相比，可用性指標(biāo)相差不多，但維管系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量減少，運(yùn)維人員工作強(qiáng)度相對(duì)降低。

(4)系統(tǒng)可用性

系統(tǒng)可用性指產(chǎn)品在任意隨機(jī)時(shí)刻需要和開(kāi)始執(zhí)行任務(wù)時(shí)，處于可工作或可使用狀態(tài)的程度。它是產(chǎn)品可靠性、可維修性和維修保障性的綜合指標(biāo)。通常用A=MTBF/(MTBF+MTTR)表示。

路局中心級(jí)、車(chē)站級(jí)一體化系統(tǒng)可用性A=50 000/(50 000+0.5)=99.999%，可用性極高。

(5)系統(tǒng)可擴(kuò)展性

一體化系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，易于擴(kuò)展。系統(tǒng)不僅滿足本項(xiàng)目運(yùn)維管理的要求，并能為今后設(shè)備擴(kuò)容以及后續(xù)線路接入預(yù)留一定的硬件與軟件條件。系統(tǒng)的服務(wù)器、交換機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備預(yù)留20%～40%的容量或插槽，軟件點(diǎn)數(shù)擴(kuò)展無(wú)限制，對(duì)于同構(gòu)系統(tǒng)的擴(kuò)展，可將數(shù)據(jù)域合并，對(duì)于異構(gòu)系統(tǒng)，建立網(wǎng)關(guān)。一體化系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)適合系統(tǒng)動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，可在線修改、擴(kuò)充設(shè)備而不干擾已經(jīng)運(yùn)作的其他系統(tǒng)。

4 發(fā)展與展望

隨著我國(guó)鐵路的發(fā)展，運(yùn)營(yíng)鐵路隧道災(zāi)害尤其是長(zhǎng)大隧道災(zāi)害逐漸受到各鐵路局重視，面對(duì)新的需求，工程師們未雨綢繆在建設(shè)期對(duì)防災(zāi)救援技術(shù)進(jìn)行研究，在石太客專(zhuān)、滬昆客專(zhuān)、武廣客專(zhuān)、廣深港客專(zhuān)等工程均采用了防災(zāi)救援技術(shù)進(jìn)行安全疏散工程設(shè)計(jì)。目前第三次IT技術(shù)浪潮，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、移動(dòng)APP、人工智能技術(shù)快速發(fā)展，鐵路建設(shè)也應(yīng)跟上時(shí)代的步伐，打造的中國(guó)制造2025，云技術(shù)、大數(shù)據(jù)、BIM技術(shù)和移動(dòng)APP技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始在鐵路設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維中逐步探索應(yīng)用，一體化系統(tǒng)綜合了傳感測(cè)量、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)APP等多種技術(shù)，對(duì)鐵路隧道防災(zāi)救援各系統(tǒng)統(tǒng)一監(jiān)管、應(yīng)急聯(lián)動(dòng)、資源共享，滿足系統(tǒng)設(shè)備正常運(yùn)營(yíng)管理、防災(zāi)和安全、系統(tǒng)維修管理的需求。

(1)云技術(shù)

在路局中心級(jí)集中設(shè)置中央服務(wù)器、存儲(chǔ)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，虛擬化構(gòu)成一體化系統(tǒng)云中心，在車(chē)站、車(chē)間和工區(qū)值班室、維修辦公室設(shè)置一體化系統(tǒng)云終端，構(gòu)建私有云，充分利用計(jì)算虛擬化、存儲(chǔ)虛擬化和網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的一體化管理，簡(jiǎn)化運(yùn)維，以小聚大，實(shí)現(xiàn)一體化系統(tǒng)的綜合管理。

(2)移動(dòng)運(yùn)維

結(jié)合BIM技術(shù)，充分利用集成各系統(tǒng)的自診斷功能，開(kāi)發(fā)移動(dòng)APP服務(wù)，建立智能的運(yùn)維服務(wù)體系。在路局中心設(shè)置移動(dòng)應(yīng)用服務(wù)器，與云中心連接，云中心的維修維護(hù)系統(tǒng)對(duì)各鐵路隧道系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、診斷、分析、計(jì)劃、處置，并通過(guò)移動(dòng)應(yīng)用服務(wù)器向移動(dòng)終端發(fā)送，移動(dòng)終端實(shí)時(shí)接收設(shè)備信息、災(zāi)害報(bào)警信息、運(yùn)維管理信息。移動(dòng)服務(wù)可從時(shí)間和空間上提高鐵路隧道防災(zāi)救援災(zāi)害報(bào)警及應(yīng)急協(xié)調(diào)指揮能力，相關(guān)人員使用移動(dòng)終端不受時(shí)間和空間的限制，實(shí)時(shí)了解鐵路隧道災(zāi)害發(fā)生情況并進(jìn)行應(yīng)急救援，突破時(shí)間和空間限制實(shí)現(xiàn)零延時(shí)零距離的鐵路隧道防災(zāi)救援指揮，極大地提高了鐵路隧道防災(zāi)救援系統(tǒng)的能力[17]。

5 結(jié)論

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

(2)鐵路隧道防災(zāi)救援一體化系統(tǒng)應(yīng)以多部門(mén)運(yùn)營(yíng)指揮、應(yīng)急協(xié)調(diào)和維修維護(hù)管理為中心，分級(jí)分層構(gòu)建，防災(zāi)救援系統(tǒng)和正常運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)應(yīng)結(jié)合建設(shè)。

(3)一體化系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)運(yùn)維監(jiān)控需求、技術(shù)發(fā)展、各子系統(tǒng)構(gòu)成和功能選擇不同的集成互聯(lián)方式。

(4)一體化系統(tǒng)有利于提高系統(tǒng)性能，提高防災(zāi)救援效率。

(5)云技術(shù)、移動(dòng)運(yùn)維是一體化系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展方向。