鐵路安全遙感新技術(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

杜玉柱

(山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山西 運(yùn)城 044000)

作為國(guó)家重要的基礎(chǔ)設(shè)施,鐵路是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈,在整個(gè)交通運(yùn)輸體系中發(fā)揮著重要作用。近年來(lái),中國(guó)鐵路發(fā)展取得了舉世矚目的巨大成就,截至2018年底,全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程已達(dá)13.1萬(wàn)km以上;中國(guó)已經(jīng)擁有世界上最大和最現(xiàn)代化的高速鐵路網(wǎng),高速鐵路的運(yùn)營(yíng)里程超過(guò)29 000 km。列車速度的提高和大量新設(shè)備、新技術(shù)的使用,對(duì)處理突發(fā)事件、確保鐵路運(yùn)輸安全提出了越來(lái)越嚴(yán)格的要求[1]。

我國(guó)鐵路一直非常重視生產(chǎn)安全,鐵路建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)等已具備一套基本完備的規(guī)章體系,鐵路內(nèi)部安全管理有序、基本可控。但鐵路外部安全環(huán)境隨機(jī)多變,易受各種條件影響,已成為影響鐵路運(yùn)營(yíng)安全的主要風(fēng)險(xiǎn)之一[2]。

鐵路環(huán)境安全動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)于預(yù)防各類潛在的鐵路事故、消除事故對(duì)鐵路運(yùn)輸和社會(huì)的影響、最大限度地減少各類損失、確保鐵路的安全運(yùn)行至關(guān)重要。本文開(kāi)展多源數(shù)據(jù)支持下的鐵路環(huán)境安全動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究,針對(duì)鐵路沿線地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)與評(píng)估、侵占鐵路用地監(jiān)測(cè)、壓覆鐵路違規(guī)采礦等幾種典型應(yīng)用設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)方案,進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。

1 鐵路外部安全環(huán)境分析

鐵路外部安全環(huán)境主要指在鐵路自身運(yùn)輸空間之外,直接或間接威脅運(yùn)輸安全的沿線周邊外部環(huán)境總稱,包括社會(huì)環(huán)境和自然環(huán)境[3]。鐵路設(shè)施設(shè)備均置于公共場(chǎng)合之中,不可避免會(huì)受自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境的影響。

1.1 自然環(huán)境影響

我國(guó)鐵路遍布在不同地質(zhì)條件的各類區(qū)域,我國(guó)是世界上受自然災(zāi)害影響最嚴(yán)重的國(guó)家之一[3]。影響鐵路安全的自然災(zāi)害包括大風(fēng)、降雪、降雨、雷電、地震、泥石流、洪水、落石等。

1.2 社會(huì)環(huán)境影響

隨著鐵路沿線經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城鄉(xiāng)居民數(shù)量的增多,人為因素對(duì)鐵路安全環(huán)境的影響越來(lái)越大。易對(duì)高鐵安全構(gòu)成威脅的社會(huì)活動(dòng)主要包括:

(1)在鐵路線路兩側(cè)搭建彩鋼瓦、塑料大棚等輕飄物,上線易影響接觸網(wǎng)安全。

(2)在鐵路線路兩側(cè)規(guī)定范圍內(nèi)取土、挖沙、挖溝、采空作業(yè)、抽取地下水等活動(dòng),易造成路基、橋梁沉降。

(3)鐵路沿線易有高大廣告牌、樹(shù)木及其他懸掛物,在各種惡劣天氣下,可能傾倒侵入鐵路限界或倒伏于鐵路上,嚴(yán)重影響鐵路安全。

1.3 鐵路沿線外部環(huán)境安全監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀分析

目前,鐵路安全環(huán)境監(jiān)測(cè)和管理工作主要由鐵路工務(wù)段承擔(dān),鐵路工務(wù)段管轄土地多、鐵路里程長(zhǎng)、范圍廣,外部環(huán)境涉及面廣、隨機(jī)性強(qiáng),與此同時(shí)人員配備、各方的支持力度并不能滿足需求,對(duì)鐵路沿線外部環(huán)境安全隱患無(wú)法實(shí)行有效的實(shí)時(shí)監(jiān)管、監(jiān)控[4]。

鐵路線路里程長(zhǎng),巡視人員以周期分區(qū)段對(duì)線路進(jìn)行巡視,發(fā)現(xiàn)、處置及匯報(bào)具有一定程度滯后性;違章搭建、偷倒渣土、垃圾,非法施工常利用夜間、周末及節(jié)假日,發(fā)現(xiàn)時(shí)已成既有隱患;鄰近營(yíng)業(yè)線施工審批流程一般周期較長(zhǎng),流程也較復(fù)雜,地方工程上的進(jìn)度要求和較長(zhǎng)的審批周期之間存在矛盾,偷干的可能性較大。

2 各類遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)比分析

近年來(lái)遙感GNSS、分布式光纖監(jiān)測(cè)及GIS等技術(shù)發(fā)展迅速,對(duì)于鐵路環(huán)境安全動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)都有著積極作用。

2.1 適用監(jiān)測(cè)技術(shù)

2.1.1 衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)

隨著空間技術(shù)、信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,地球遙感技術(shù)在空間和時(shí)間分辨率方面發(fā)展迅速,目前民用衛(wèi)星的空間分辨率可以達(dá)0.5 m,在軌重復(fù)時(shí)間可以達(dá)1～6 d,差分干涉雷達(dá)技術(shù)(D-InSAR)甚至可進(jìn)行毫米級(jí)的地表沉降監(jiān)測(cè)[5]。利用衛(wèi)星遙感技術(shù)進(jìn)行鐵路環(huán)境安全勘察、評(píng)估監(jiān)測(cè)是必然發(fā)展趨勢(shì)[6]。

2.1.2 GNSS監(jiān)測(cè)技術(shù)

GNSS可在全球任何位置為用戶提供24 h全天候的三維坐標(biāo)和速度信息,目前主要有GPS、BDS、GLONASS和Galileo 4大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。其中,BDS是由中國(guó)獨(dú)立建造和運(yùn)營(yíng)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。隨著接收機(jī)性能的提高和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的進(jìn)步,GNSS相對(duì)定位的精度可達(dá)毫米級(jí),這種技術(shù)已成為變形監(jiān)測(cè)的重要工具,因?yàn)樗跍y(cè)站間無(wú)需通視,不受氣候條件影響,且具有高度自動(dòng)化的特點(diǎn)[7]。

2.1.3 無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)

無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)是指利用小型無(wú)人機(jī)作為飛行平臺(tái),利用數(shù)碼相機(jī)獲取目標(biāo)區(qū)域的影像,通過(guò)攝影測(cè)量方式獲得目標(biāo)地理信息數(shù)據(jù)。無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)機(jī)動(dòng)靈活、高效快速,已在多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,現(xiàn)主要應(yīng)用于土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、應(yīng)急救災(zāi)測(cè)繪等方面[8-9]。

2.1.4 視頻監(jiān)測(cè)技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和圖像處理及傳輸技術(shù)的快速發(fā)展,視頻監(jiān)控技術(shù)也有了很大的發(fā)展。視頻監(jiān)控因其直觀、準(zhǔn)確、及時(shí)和信息內(nèi)容豐富的特點(diǎn)而被應(yīng)用于多種場(chǎng)景。

2.1.5 分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)

分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)是利用光與光纖材料發(fā)生作用而產(chǎn)生散射的特性,完成光纖線路振動(dòng)、溫度、應(yīng)變的監(jiān)測(cè),從而獲取目標(biāo)的安全狀態(tài)[10]。該技術(shù)是近年來(lái)興起的新型傳感技術(shù),可以用較低的成本,實(shí)現(xiàn)高精度、長(zhǎng)范圍的監(jiān)控測(cè)量,其他技術(shù)難以做到[11]。

2.1.6 地理信息分析技術(shù)

GIS在數(shù)據(jù)收集、整理、分析時(shí)能充分顧及數(shù)據(jù)的空間性和時(shí)態(tài)性,利用其疊加分析、領(lǐng)域分析及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判模型等分析功能可以分析安全隱患的危險(xiǎn)性及其影響范圍,實(shí)現(xiàn)鐵路環(huán)境安全隱患的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)[12]。

2.2 適用性分析

為設(shè)計(jì)科學(xué)、合理的鐵路環(huán)境安全動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的解決方案,對(duì)各項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)及適用范圍進(jìn)行對(duì)比分析,各項(xiàng)技術(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 各項(xiàng)技術(shù)對(duì)比

3 基于遙感新技術(shù)的鐵路環(huán)境安全動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)解決方案

3.1 方案制定

對(duì)鐵路環(huán)境安全動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的需求進(jìn)行分析,根據(jù)安全隱患的原因、事件突發(fā)性、危害程度及作用范圍等因素,可將其分為3種類別:鐵路沿線地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估與監(jiān)測(cè)(Ⅰ類)、鐵路土地紅線及安全保護(hù)區(qū)內(nèi)土地利用情況監(jiān)測(cè)(Ⅱ類)、線路異物入侵監(jiān)測(cè)(Ⅲ類)。鐵路環(huán)境安全監(jiān)測(cè)對(duì)象分類見(jiàn)表2。

表2 鐵路環(huán)境安全監(jiān)測(cè)對(duì)象分類

結(jié)合各項(xiàng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的特點(diǎn),指定的鐵路環(huán)境安全動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)方案如圖1所示。

圖1 鐵路環(huán)境安全動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)方案

3.2 試驗(yàn)測(cè)試

選取某既有鐵路20 km公路段為試驗(yàn)段,開(kāi)展鐵路環(huán)境安全動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)試驗(yàn),該試驗(yàn)段內(nèi)共計(jì)3個(gè)車站,途徑5個(gè)村莊,跨越1處公路和2處河道。沿線有大橋3座、隧道3座、涵洞多個(gè),并有高大邊坡3處。試驗(yàn)中,對(duì)試驗(yàn)段的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行收集,并布設(shè)視頻監(jiān)測(cè)設(shè)備、GNSS監(jiān)測(cè)設(shè)備及分布式光纖傳感器等監(jiān)測(cè)設(shè)備。

3.2.1 試驗(yàn)總體方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)技術(shù)路線

3.2.2 主要試驗(yàn)設(shè)備與數(shù)據(jù)

(1)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。收集1期的Pleiades衛(wèi)星(0.5 m分辨率)、多期的Sentinel-2衛(wèi)星(10 m分辨率)影像數(shù)據(jù)和Sentinel-1衛(wèi)星雷達(dá)數(shù)據(jù),進(jìn)行鐵路沿線地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估與監(jiān)測(cè)(Ⅰ類)、鐵路土地紅線及安全保護(hù)區(qū)內(nèi)土地利用情況監(jiān)測(cè)試驗(yàn)(Ⅱ類)。

(2)GNSS監(jiān)測(cè)設(shè)備。GNSS自動(dòng)位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由3臺(tái)高性能GNSS接收機(jī)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信模塊和數(shù)據(jù)處理平臺(tái)組成。其中,1臺(tái)GNSS接收機(jī)為基準(zhǔn)站,2臺(tái)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行模擬測(cè)試。GNSS自動(dòng)位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全天候的自動(dòng)化位移監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析和預(yù)報(bào)警[13-14],利用該系統(tǒng)進(jìn)行鐵路沿線地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估與監(jiān)測(cè)(Ⅰ類)試驗(yàn)。

(3)分布式光纖傳感器。分布式光纖傳感器布設(shè)方案:在鐵路沿線綠色防護(hù)網(wǎng)上布設(shè)振動(dòng)光纜[15],當(dāng)人或動(dòng)物直接觸碰光纜或圍欄周圍有機(jī)械施工時(shí),光纖設(shè)備會(huì)通過(guò)分析處理,智能識(shí)別且判斷出不同的外部干擾類型。如光纜或圍欄附近發(fā)生攀爬圍欄、挖土機(jī)、打樁機(jī)等危害行為或天氣,以及火車通過(guò)等干擾行為時(shí),光纖設(shè)備均會(huì)自動(dòng)分析干擾類型,并進(jìn)行智能處理,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)預(yù)警和實(shí)時(shí)報(bào)警,從而達(dá)到安防報(bào)警的效果。分布式光纖傳感器主要進(jìn)行線路異物入侵監(jiān)測(cè)(Ⅲ類)。

光纖布設(shè)方式如圖3所示。光纖按此方式進(jìn)行綁扎(圓點(diǎn)為綁扎點(diǎn))。

圖3 光纖布設(shè)方式

試驗(yàn)采用光纖監(jiān)測(cè)儀的技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 光纖監(jiān)測(cè)儀的技術(shù)參數(shù)

(4)視頻監(jiān)測(cè)設(shè)備。選用海康威視的網(wǎng)絡(luò)高清高速智能球機(jī)(型號(hào):iDS-2DF8437I5X-A/SP)作為試驗(yàn)視頻監(jiān)測(cè)設(shè)備,該產(chǎn)品具有以下功能:2560×1440@60fps高清畫(huà)面輸出、照射距離最遠(yuǎn)可達(dá)500 m、支持水平360°旋轉(zhuǎn)、事件抓圖、巡航功能、人臉抓拍等。主要進(jìn)行鐵路土地紅線及安全保護(hù)區(qū)內(nèi)土地利用情況監(jiān)測(cè)(Ⅱ類)、線路異物入侵監(jiān)測(cè)(Ⅲ類)兩類安全監(jiān)測(cè)。

3.2.3 典型安全事件監(jiān)測(cè)測(cè)試

試驗(yàn)設(shè)備安裝、調(diào)試,以及衛(wèi)星數(shù)據(jù)收集、處理完成后,分系統(tǒng)進(jìn)行典型安全事件的監(jiān)測(cè)測(cè)試,具體如下:

(1)侵占鐵路用地監(jiān)測(cè)。按照侵占鐵路用地事件的特點(diǎn),分別采用靜態(tài)監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)兩種方式進(jìn)行測(cè)試。

靜態(tài)監(jiān)測(cè)為利用多期衛(wèi)星影像進(jìn)行變化圖斑提取,再利用人工實(shí)地查驗(yàn)的方式進(jìn)行檢驗(yàn)。動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)采用在鐵路安全保護(hù)區(qū)內(nèi)進(jìn)行機(jī)械作業(yè)、人工取土和翻越圍護(hù)網(wǎng)等模擬違規(guī)活動(dòng),利用分布式光纖傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),對(duì)誤報(bào)率、漏檢率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。靜態(tài)監(jiān)測(cè)侵占鐵路安全保護(hù)區(qū)用地的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。經(jīng)統(tǒng)計(jì),靜態(tài)監(jiān)測(cè)總體正確率為90%,漏檢率為25%,誤報(bào)率為8%。對(duì)于面積大于50 m2的侵占用地,監(jiān)測(cè)正確率為100%。

表4 靜態(tài)監(jiān)測(cè)測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)鐵路安全保護(hù)區(qū)內(nèi)違規(guī)施工、侵入圍欄的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。經(jīng)統(tǒng)計(jì),動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)總體正確率為81%,漏檢率為22%,誤報(bào)率為18%。對(duì)于人工取土的漏檢率較高,對(duì)侵入圍欄的監(jiān)測(cè)正確率可達(dá)90%。

表5 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

(2)地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)自動(dòng)位移監(jiān)測(cè)。利用布設(shè)的GNSS變形監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)測(cè)試,測(cè)試采用人為移動(dòng)GNSS監(jiān)測(cè)站模擬變形的方式進(jìn)行測(cè)試自動(dòng)位移監(jiān)測(cè)的精度、延時(shí)。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6。經(jīng)統(tǒng)計(jì),對(duì)于小于5 cm的變形量,監(jiān)測(cè)滯后時(shí)間為2 h;對(duì)于大于5 cm的變形量監(jiān)測(cè)滯后時(shí)間為1 h。

表6 GNSS位移監(jiān)測(cè)測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3.2.4 試驗(yàn)期間特殊問(wèn)題處理

(1)分布式光纖與視頻聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)。當(dāng)分布式光纖在某一特定位置發(fā)現(xiàn)有入侵且產(chǎn)生報(bào)警時(shí),會(huì)把位置信息通過(guò)線路里程、左右側(cè)描述的方式上傳至監(jiān)測(cè)系統(tǒng);監(jiān)測(cè)系統(tǒng)則將入侵點(diǎn)的位置信息轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的地理坐標(biāo),然后計(jì)算該入侵點(diǎn)與最近攝像頭之間的相對(duì)位置關(guān)系,以此確定聯(lián)動(dòng)攝影頭的轉(zhuǎn)動(dòng)角度并將相關(guān)信息發(fā)送給攝像頭。攝像頭在接收到信息后則會(huì)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)角度,從攝像頭視頻上即可查看對(duì)應(yīng)報(bào)警位置點(diǎn)的實(shí)時(shí)情況,從而實(shí)現(xiàn)分布式光纖與視頻聯(lián)動(dòng)的功能。

(2)分布式光纖誤報(bào)率控制。采用分布式光纖傳感器進(jìn)行鐵路周界入侵防護(hù)時(shí),過(guò)高的誤報(bào)率是制約其實(shí)際應(yīng)用的主要因素。為在不增加漏報(bào)率的同時(shí)降低誤報(bào)率,在測(cè)試中采取了以下措施:①根據(jù)實(shí)際環(huán)境分段設(shè)置閾值,有效降低周邊環(huán)境的影響;②通過(guò)光纖與視頻聯(lián)動(dòng),建立入侵事件模型庫(kù),提高識(shí)別率;③設(shè)置適當(dāng)延時(shí)報(bào)警,解決火車正常經(jīng)過(guò)防區(qū)引起的誤報(bào)。

3.2.5 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)試

經(jīng)3個(gè)月的測(cè)試,利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)有效識(shí)別鐵路沿線地質(zhì)災(zāi)害隱患2處,采用GNSS可以實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)位移(模擬測(cè)試)監(jiān)測(cè)。通過(guò)遙感影像監(jiān)測(cè)到在鐵路安全保護(hù)區(qū)內(nèi)違規(guī)私搭棚房1處。能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)人員翻越封閉網(wǎng)侵入鐵路、臨近鐵路線大型機(jī)械施工(模擬測(cè)試)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),報(bào)警延時(shí)優(yōu)于5 s。利用Web GIS系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)服務(wù)。

4 結(jié) 論

本文探索綜合運(yùn)用遙感新技術(shù)、安全監(jiān)測(cè)新技術(shù)及地理信息技術(shù)等,構(gòu)建鐵路安全環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)體系,能夠有效提高鐵路安全環(huán)境監(jiān)測(cè)和管理水平。確定了鐵路環(huán)境安全監(jiān)測(cè)綜合解決方案并有以下優(yōu)點(diǎn)。

(1)利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),可以對(duì)鐵路沿線大范圍的地災(zāi)隱患進(jìn)行識(shí)別和排查。

(2)利用GNSS監(jiān)測(cè)技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)隱患點(diǎn)的全天候、高精度變形監(jiān)測(cè)。

(3)利用分布式光纖傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù),可實(shí)現(xiàn)鐵路周界實(shí)時(shí)異物入侵動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

(4)利用GIS、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)可構(gòu)建鐵路環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型,提高環(huán)境安全的識(shí)別與預(yù)警能力,能夠提升預(yù)警判識(shí)能力,為自然環(huán)境災(zāi)害預(yù)防和應(yīng)急處置提供支持。