铁路安全预警系统的研究与设计1 引言长期以来，铁路安全监察部门基本的安全管理模式是单一的反馈控制模式（如图1）。
这种安全监察控制模式主要体现了事后把关的安全管理思想，即主要通过对已发生的事故和事故苗子等进行分析，找出原因，然后制定实施对策的方法来不断的改善铁路运输生产系统的安全状况。
虽然这种安全管理模式能够对铁路运输生产起到一定的安全保障作用，但是其控制的实施是以事故或事故苗子发生为代价，严重背离了现代安全管理工作的本质要求。
随着我国铁路既有线路的大面积提速和技术改造以及高速铁路的准备兴起，列车的运行速度和运行密度日益增大，铁路运输生产系统的系统复杂度和风险度显著提高，再应用单一的反馈控制，等到事故或事故苗子发生后再采取相应的对策已经远远不能适应现代铁路运输安全管理的发展要求。
图1铁路安全监察单一反馈控制管理模式铁路安全预警系统是为铁路各级安全监察部门提供辅助安全决策服务的一个具有专项功能的管理信息系统。
它利用先进的计算机技术不但能够实现铁路安全监察部门日常工作所需要的统计、预测、评价、辅助决策等多种管理功能，而且更重要的是能够从宏观上动态监测、识别铁路运输生产系统内部各要素的不安全状态和可能的事故隐患，对铁路安全监察工作进行指导。
铁路安全预警系统的应用可以极大的提高铁路安全监察部门的管理水平和工作效率，实现由过去的单一的反馈控制管理模式到前馈与反馈耦合的超前控制管理模式（如图2）的转变，最大可能的做到监察管理决策的科学性、针对性、预见性，力争把铁路安全事故消灭在萌芽乃至未萌之中，从而实现铁路安全事故的超前预防和超前控制。
图2铁路安全监察前馈与反馈耦合的超前管理控制模式因此，为了适应现代铁路运输发展的新局面，彻底改变过去滞后的安全管理模式，铁路企业安全监察管理部门应当尽可能的建立起铁路安全预警系统，实现安全管理模式由“事故出发型”到“事故发现型”的转变，从实际意义上真正的贯彻落实“安全第一，预防为主”的铁路安全工作基本方针。
2 铁路安全预警系统的设计思想2.1 铁路安全预警系统的设计依据铁路安全监察实践表明，事故的发生虽然具有随机性和偶然性，但是同时也具有一定的因果性和必然性。
在事故发生之前，总会存在大量的安全隐患预示着事故的征兆，并且一旦条件成熟，这些安全隐患就会导致事故的发生。
大部分的安全隐患是由于违犯了维系铁路运输生产系统安全运营的各项规章、制度和标准等因素造成的，所以基本能够在铁路各级运输安全监察部门所收集到的各类安全信息中反映出来。
从理论上讲，这些安全信息可以看作介于铁路运输生产系统的各项规章、制度、标准与安全事故之间的一个中间环节（如图3），图3 安全信息在安全管理控制中的作用及时的对这些安全信息应用安全系统工程的理论和方法进行深入挖掘，分析预测，安全评价，就能够在很大程度上刻画出当前铁路运输生产系统的安全状况，预先判断可能的安全隐患。
因此，铁路安全预警系统只要抓住了安全信息这一关键环节，充分利用其与安全事故所具有的一定程度的因果必然联系规律，就有可能实现对铁路安全事故的超前管理和控制。
2.2 铁路安全预警系统的设计功能铁路安全预警系统从铁路安全监察部门掌握的安全信息入手，主要实现两个方面的功能。
一个方面是对大量的历史数据信息进行分类管理，向各级铁路运输安全管理人员提供多角度多层次的科学统计数据，使他们对以往的工作有总结性认识；另一个方面是对当前的新鲜数据信息进行加工处理，以历史安全信息，事故信息等为基础，结合环境、职工素质、设备质量等信息资料，预先识别预测蕴藏其中的能够导致安全事故发生的危险源与危险状态，彻底改变安全信息与安全事故之间的关系（见图4）。
在上述两个方面的功能之中，后者是图4铁路安全预警系统在安全管理控制中的作用铁路安全预警系统的核心功能。
2.3 铁路安全预警系统的设计关键如何利用当前的安全信息对未来的铁路运输安全形势进行前瞻性分析，以实现科学准确的安全预警，是铁路安全预警系统设计的关键所在。
铁路安全预警系统以现代安全系统工程学的理论方法为指导，在设计中综合运用事故树分析法，安全评价法，定量预测技术三种安全事故预防控制技术来实现系统的安全预警功能。
系统在运行过程中，动态监测铁路运输生产系统，及时分析数据信息，一旦发现铁路运输生产系统的某个环节的安全状况超出设定的警戒值，就及时警示铁路安全监察部门制定采取合理的对策。
总而言之，铁路安全预警系统设计的总体思想，就是综合利用现有铁路安全保障系统所能提供的铁路运输系统安全信息，针对铁路运输生产系统本身或其输入发生的变化，不等其影响到运输生产安全就事先将其对安全可能造成的影响进行分析评价，开展事故安全预测，在一定的时效范围内向铁路安全监察部门反馈信息，使得铁路安全监察部门能够根据得到的前馈信息，科学预见铁路运输生产系统及其要素的安全态势，采取合理措施对铁路运输生产系统的人、机、环境、管理四个要素进行事前协调，把事故消灭在萌芽之中，防患于未然。
3 铁路安全预警系统的信息平台3.1铁路安全预警系统数据采集机制长期的铁路安全管理工作，使铁路企业形成了有效的安全监察机制，该机制为铁路安全预警系统的数据采集提供了人员组织基础。
由于现阶段铁路安全保障系统的自动化水平较低，安全装备的整体功能和系统配套性不强，铁路企业车、机、工、电、辆等基础部门与预警系统相关安全信息采集，铁路安全预警系统以铁路局安全监察室，铁路分局安全监察室为基础，建立两级铁路安全预警信息中心，分别负责全局、全分局安全信息的集中处理和系统性采集；铁路局、铁路分局各横向业务处、业务分处（车务、工务、机务、电务、车辆等），作为管理点,分别负责路分局各相应子系统安全信息的采集；各分局所属基层站段、站段所属车间、班组，作为安全信息基础采集点，把运输生产一线的安全状况迅速的集中到铁路安全预警系统中。
铁路局、铁路分局、基层站段三个层次的安全信息监控采集网络，保证了全方位，多角度的安全信息源源不断的集中到铁路安全预警系统中来。
3.2 铁路安全预警系统的传输网络为了保证铁路安全预警系统的信息监控采集网络信息的有序流动，铁路企业必须为三层次铁路安全信息监控采集网络提供合适的、通畅的信息传输渠道。
现代计算机网络通信技术，为安全信息从生产一线迅速采集到预警信息系统中来提供了技术保证。
各级铁路安全监察管理部门可以利用现有的铁路三级计算机通信传输网络，满足铁路安全预警系统数据传输的要求（见图5）。
图5铁路安全预警系统的信息平台路分局预警中心与同级业务处（分处）通过路分局的办公网进行横向通信，基层站段根据具体情况，采用站段办公网、电话、拨号上网等通信手段满足预警系统数据采集。
铁路安全预警系统纵向通信是利用铁路系统已经拥有的X.25数据交换网络，对个别沿线偏远站段无法采用X.25数据交换的，采用拨号上网的方式进行数据传输。
由此，铁路安全预警系统的铁路局，铁路分局，基层站段这三个不同管理层次，就形成一个纵横交错、互联互通的信息传输网络。
3.3 铁路安全预警系统的数据存储铁路安全预警系统应采用集中－分布相结合的数据存储方案，设立铁路局、铁路分局、基层站段三级数据库，分别由铁路局安全预警中心、铁路分局安全预警中心、站段安全监察室管理。
铁路安全信息根据不同层次安全管理工作的需要，分布在路局、分局、站段三级数据库中。
路局数据库主要存储和管理全局性、适用于战略性决策的基础数据，分局数据库存储和管理本分局的，偏向于战术性决策的基础数据，站段数据库存储和管理本单位全部的基础数据。
三级数据库按预警系统决策需要，自下而上提取数据，并进行数据同步。
所有数据库构成一个数据库群落，各数据库中的数据保持一致，路分局，站段不同层次的用户可根据自己的权限范围访问本地或者远程的数据库。
4 铁路安全预警系统的逻辑结构与设计4.1 铁路安全预警系统的逻辑结构在通畅，高效的集采集、传输、存储为一体的信息平台之上，铁路安全预警系统根据铁路局、铁路分局、站段不同的管理层次实施路局级战略层预警，分局级战术层预警，站段级操作层预警三个版本。
三个层次铁路安全预警系统版本的逻辑结构相同，其区别仅在于三者管理层次、管理对象的不同所导致的预警策略、预警内容的不同。
安全预警系统的逻辑结构如图6所示：图6铁路安全预警系统逻辑结构图4.2 铁路安全预警系统业务逻辑设计4.2.1 安全信息处理子系统安全信息处理子系统完成安全信息的录入、导入、查询、修改,删除功能。
铁路安全问题点是安全信息录入的标准形式。
它是铁路安全信息标准化的产物，是由铁路各级安全管理部门的专业人员，根据现行的各项安全规章制度，作业技术标准等制定而成；安全问题点自成体系，全面、详细、准确的表述铁路系统运行过程中可能出现的问题。
铁路安全问题点的逻辑编码符合国家、铁道部相关的信息编码标准。
4.2.2 安全统计报表子系统安全统计报表子系统包括统计信息与安全报表两个管理模块。
统计信息管理模块应用直方图、趋势图、圆形结构图、分布图、对比趋势图、对比直方图等形式，形象的对安全管理工作的相关信息进行统计，准确的反映历史和现在的安全管理状况，（如设备故障率、职工两违数、安全天数等待），同时还提供系统内部横向、纵向数据对比，排序分析。
安全报表管理模块负责自动将预警系统的统计分析结果加以整理、汇总，并以适当形式录入到系统内建的铁路安全管理部门日常工作中的一系列报表内。
两个管理模块均提供打印输出功能，以及三个版本间的信息报表的上传下达功能。
4.2.3 安全信息预警子系统安全信息预警子系统细化为事故树预警、安全评价预警、定量预测预警三个模块，从不同的角度实现安全事故的动态监控，超前预防。
事故树预警模块以安全信息作为主要的基本事件，建立相关的铁路运输安全事故树，并求解其最小割集、最小径集及基本事件结构重要度，从而预先辨识运输生产系统的危险性和安全性。
综合运用德尔菲法、概率统计和模糊数学理论，该模块还应提供事故树顶上事件的发生概率信息。
此外，在警情发生时，该模块示警的同时给出顶上事件相应的对策参考信息。
安全评价预警模块运用多指标安全评价法对评价对象的安全属性进行考察。
该模块使用层次分析法或直接赋值确定指标的权重，通过线性加权评价模型给出评价指标体系的无量纲的评价值或主观效用。
评价指标体系兼顾事故指标与隐患指标，既考察对象在一定时期内的安全绩效，又考察对象的安全隐患状况，避免单用一类指标评价的片面性，全面的反映铁路运输生产系统的安全状况。
定量预测预警模块采用多种时间序列分析预测数学模型，通过对预测对象的时间序列数据进行数学运算，预测所考察对象未来可能的发展趋势。
该模块允许用户根据预测对象具体情况选择不同的数学模型，并通过人工设定调节模型参数使预测尽可能的逼近实际情况。
4.3.4 系统管理支持子系统系统管理支持子系统在预警系统日常运行中起到系统管理，辅助信息支持的功能，主要包括用户名及用户权限管理，三层次预警系统之间的数据同步传输，以及管理维护实现预警系统设计功能所需的相关辅助信息数据库（如安全事故对策信息库、行车事故信息库、环境信息库，职工素质信息库、设备信息库）等三个方面。
