于勝利，李茂，肖超，王保江，宋浩

（1.武漢鐵路監(jiān)督管理局?執(zhí)法監(jiān)察辦公室，湖北?武漢???430062；??2.中國鐵路武漢局集團有限公司，湖北?武漢???430062；??3.河南東網(wǎng)信息技術有限公司，河南?鄭州???450003）

0 引言

目前，我國高速鐵路運營里程近3萬km，位居世界第一，占世界高鐵運營里程的2/3以上。隨著鐵路線路長度的增加、速度的提高，尤其是時速達350?km的“復興號”全面開行，鐵路沿線外部環(huán)境影響已成為高速鐵路安全運營面臨的突出挑戰(zhàn)。

鐵路沿線安全防護與保護手段包括鐵路運輸企業(yè)設備管理單位的檢查人員巡視、鐵路公安人員護路看護等人防手段，也有部分地段采用了視頻監(jiān)控等物防手段[1]，但鐵路長大隧道外部環(huán)境仍然是巡護中的“無人區(qū)”。長大隧道頂部大多位于山區(qū)，無道路通行，巡線難度高、強度大。在這種情況下，人工巡護方式就顯得力不從心，隧道頂部違法開采、施工等行為比較隱蔽，難以發(fā)現(xiàn)，一旦隧道頂部的開挖、堆砌對隧道圍巖甚至隧道拱圈造成影響，則整個隧道將會面臨嚴重的破壞[2]。而且，隧道修復工作難度極大，同時還會嚴重影響列車的通行，帶來極大的經(jīng)濟損失。據(jù)調(diào)查，武漢鐵路監(jiān)督管理局曾受理舉報，發(fā)現(xiàn)1例高鐵隧道外部安全問題，但當時隧道已經(jīng)受到一定的損壞。

在此，基于衛(wèi)星遙感技術，并結合其在高速鐵路隧道外部環(huán)境監(jiān)測的應用實例，論述該技術的優(yōu)勢和應用價值，以期為高鐵長大隧道外部環(huán)境安全監(jiān)管提供參考。

1 技術應用概述

1.1 應用意義

衛(wèi)星遙感技術是以人造衛(wèi)星為平臺，綜合發(fā)展而來的一項高新技術。遙感衛(wèi)星能在規(guī)定的時間內(nèi)覆蓋整個地球或指定的任何區(qū)域，并采集該區(qū)域的數(shù)據(jù)[3]。

高分辨率的衛(wèi)星影像通常是指像素的空間分辨率在5?m以內(nèi)的遙感影像，由高分辨率衛(wèi)星拍攝。利用高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以提取街道、建筑物、河流等地物地貌信息。與航空攝影對比，該技術在獲取同樣分辨率影像方面更快速、更經(jīng)濟，且不受空域等條件限制[4-5]。

應用衛(wèi)星遙感技術對高鐵隧道外部環(huán)境進行動態(tài)監(jiān)測，在傳統(tǒng)人防和物防基礎上增加技防的投入，其主要意義如下：

（1）該技術手段的投入可填補高速鐵路長大隧道沿線外部環(huán)境無法巡護的空白，在提高巡護強度和效率的同時，對高鐵隧道沿線環(huán)境總體情況有更全面的把控[6-7]，具有創(chuàng)造性應用意義。

（2）衛(wèi)星遙感對危害點可做到定期回訪，量測危害點的變化，不受外界干擾，提前預判其發(fā)展趨勢，達到隔斷事故、保障線路安全的目的。

（3）對危害點觀測并存檔，衛(wèi)星遙感圖片（簡稱衛(wèi)片）可作為鐵路設備管理單位現(xiàn)場核查的基礎依據(jù)材料，并對危害行為當事人進行有理有據(jù)地制止，落實好企業(yè)主體責任。

（4）為鐵路監(jiān)管部門對發(fā)生的外部環(huán)境事故和違法行為調(diào)查認定提供技術支撐和法定證據(jù)。

（5）可以使高鐵沿線100?m控制區(qū)和500?m可視區(qū)的監(jiān)管邊界以及地方政府與鐵路運輸企業(yè)的管理邊界更加清晰。

1.2 實施流程

基于衛(wèi)星遙感技術的高速鐵路隧道外部環(huán)境監(jiān)測技術主要由衛(wèi)星影像采集處理，圖像與鐵路里程、行政區(qū)域界限套合，圖像分析和比對，以及現(xiàn)場查看處理4個主要步驟構成，其中衛(wèi)星影像圖獲取一般選用合適分辨率的國際商業(yè)衛(wèi)星，對指定區(qū)域依法拍攝帶狀圖像；圖像分析和比對采用GIS軟件處理，處理成果儲存在后臺服務器中，利用互聯(lián)網(wǎng)+手機端查看處理的方式，以達到信息快速查看和傳遞的功能。衛(wèi)星遙感監(jiān)測流程見圖1。

圖1 衛(wèi)星遙感監(jiān)測流程

2 應用實例

衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術在解決高鐵長大隧道安全環(huán)境監(jiān)管方面已取得了較好的效果。例如，應用衛(wèi)星遙感技術監(jiān)測中國鐵路武漢局集團有限公司武漢高鐵工務段管理的京廣高鐵黃龍寺隧道，對開通運營近10年的鐵路隧道外部進行了多次全面體檢，監(jiān)測結果內(nèi)容清晰，也發(fā)現(xiàn)了一些問題，為完善處置措施和徹底消除隱患提供了詳實的技術支撐。再如，2018年7月25日鄭西高鐵被70?m×5?m防塵網(wǎng)中斷行車。在調(diào)查處置中，采用0.3?m分辨率衛(wèi)星遙感監(jiān)測分析比對，鎖定證據(jù)，破解了責任難題，為企業(yè)落實主體責任、相關地方政府履行監(jiān)管責任提供了依據(jù)。在此，以京廣高鐵黃龍寺隧道區(qū)段安全環(huán)境監(jiān)測作為具體實例進行闡述。

2.1 監(jiān)測方案

黃龍寺隧道位于鄂豫交界處，大別山山脈之中，全長8?715?m。黃龍寺隧道主要發(fā)育大小斷裂5條，線路兩側發(fā)育多條小型斷裂，構造節(jié)理、裂隙發(fā)育，地表水類型為：洞身主要發(fā)育3條溪流，其中2條溝底標高高于隧道頂部標高；隧道平均埋深為100～200?m。隧道南北貫穿大別山脈，頂部沿途有零星村落，交通、通訊條件極差，即使走行其中，也無法確認下埋隧道的具體位置，從而發(fā)現(xiàn)開挖及破壞行為，更無法直觀地評估其對隧道的影響。

選擇黃龍寺隧道沿線兩側各1?000?m范圍作為監(jiān)測區(qū)域，獲取帶有空間坐標的衛(wèi)片后，標出鐵路隧道的線路中線、隧道邊界線、線路安全保護區(qū)邊線及100、200、500、1?000?m范圍線，鐵路里程等參考標識，監(jiān)測頻率定為每月1次。隱患排查時，由內(nèi)業(yè)人員負責對衛(wèi)片進行比對分析處理，發(fā)現(xiàn)危害隧道安全的行為活動或違法侵入相應邊線形成安全隱患后，由外業(yè)調(diào)查人員現(xiàn)場巡查處理。首期采用0.3?m分辨率衛(wèi)片，第2期采用0.5?m分辨率衛(wèi)片。每期與前一期的衛(wèi)片比對，比對內(nèi)容包括：危害點性質(zhì)、危害點與隧道邊線的距離變化；危害點面積、開挖方量、危害活動變化以及排查有無新增危害點[8]等信息。按照危害點的危害程度，將危害分為：侵限區(qū)、高危區(qū)、危害區(qū)和一般區(qū)4個等級。統(tǒng)計分析完畢后形成排查報告，提交鐵路設備管理部門，依據(jù)鐵路相關行業(yè)標準和法規(guī)規(guī)定進行處置，必要時上報地方政府或鐵路監(jiān)管部門依法查處。

2.2 排查機制

基于衛(wèi)星遙感技術的排查分為3個層次：

（1）第1層次：全面排查鐵路沿線環(huán)境，摸底隧道外部危害區(qū)域情況，根據(jù)已掌握資料，對已經(jīng)發(fā)生的侵限行為及時發(fā)現(xiàn)并通報制止[9]；對高危區(qū)域或危害區(qū)域重點標識并聯(lián)系所在地的行政部門聯(lián)合防治，確保高鐵安全運營；對一般區(qū)應加強監(jiān)控，防止其量變成危害區(qū)性質(zhì)。

（2）第2層次：對已成為高危區(qū)或危害區(qū)的地段，在采用巡護人員重點盯防的同時，進行專項監(jiān)控設計，利用“傳感器+無線傳輸”技術實時動態(tài)監(jiān)控，數(shù)據(jù)一旦發(fā)生趨勢性變化或超出預設警戒值，可實時報送到鐵路設備管理部門，提前應對。

（3）第3層次：鐵路運輸企業(yè)無法處置的違法行為，但已危及安全的嚴重安全隱患，應委托監(jiān)測單位會同鐵路設備管理單位依據(jù)監(jiān)測及復核結果，報告鐵路監(jiān)管部門或地方政府部門進行查處。

2.3 分析處理及展示

通過衛(wèi)片采集分析處理，從監(jiān)測區(qū)域總體影像圖中可直觀地發(fā)現(xiàn)隧道外部危害點，并了解危害點性質(zhì)和基本信息。首期監(jiān)測共發(fā)現(xiàn)14處危害點，具體情況如下：侵入安保區(qū)危害點6處（屬于侵限區(qū)），其中4處為房屋侵入安保區(qū)，2處為隧道頂部開挖建設，侵限區(qū)必須及時制止整改；即將侵入安保區(qū)危害點2處（屬于高危區(qū)），高危區(qū)應制定防護方案，整治防護；緩慢發(fā)展危害點2處（屬于危害區(qū)），危害區(qū)應評估其危害程度，重點監(jiān)控；潛在危害點4處（屬于一般區(qū)），一般區(qū)應定期復查，監(jiān)控其發(fā)展趨勢。

隧道外部環(huán)境監(jiān)測總體影像圖采用美國WorldView-4商業(yè)衛(wèi)星拍攝，精度為0.3?m分辨率，拍攝日期為2018年4月。原始二進制遙感數(shù)據(jù)經(jīng)地面站處理成帶有坐標的Tiff格式圖像，運用GIS軟件將參考線、鐵路里程等標識標注在圖像中，再生成Img格式圖像供分析比對[10]，最終隧道外部危害點分布總體影像見圖2。在圖2—圖4中，S為鐵路高鐵隧道外部危害點占地面積，m2；L為危害點距離高鐵邊線外側投影線最小距離，m；鐵路里程用公里數(shù)表示，km。

圖2 隧道外部危害點分布總體影像

首期監(jiān)測采用0.3?m分辨率高精度圖像，對隧道頂部的地物地貌判斷較精準，對危害點識別較明確[11]。將發(fā)現(xiàn)的14處危害點按鐵路里程從小到大依次編號排序，每處危害點均標明危害性質(zhì)、距離高鐵隧道外邊線的距離及占地面積基本信息，便于初步判斷危害程度。影像圖為帶有坐標格式圖像，可直接利用坐標信息或量測鐵路里程直接到達危害點位置，方便現(xiàn)場查看[12]。隧道頂部安全危害分析見圖3。

圖3 隧道頂部安全危害分析

衛(wèi)星影像圖為彩色圖像，能更清晰地識別危害程度等級，在處理中將高鐵隧道走向采用洋紅色線條標識；20?m范圍線采用紅色標識；100?m范圍線采用橙色標識；500?m范圍線采用黃色標識；1?000?m 范圍線采用藍色標識。將4類危害程度等級分別對應為侵限區(qū)：紅色；高危區(qū)：橙色；危害區(qū)：黃色；一般區(qū)：藍色。衛(wèi)星遙感區(qū)域輻射范圍廣，可連同黃龍寺隧道周邊隧道一并納入監(jiān)測范圍（見圖4）。

圖4 周邊隧道頂部監(jiān)測影像

2.4 危害處理

發(fā)現(xiàn)危害點后，監(jiān)測單位將危害點詳細信息上報該區(qū)段鐵路管理單位——武漢高鐵工務段，設備管理單位上報武漢鐵路監(jiān)督管理局。上述單位會同鐵路管理部門、監(jiān)測單位、地方行政管理單位共同到現(xiàn)場查看，按照規(guī)定重點監(jiān)督14處危害點，制止危害行為并責令修復。同時，落實責任人，將處罰依據(jù)、處罰流程及衛(wèi)片資料登記存檔。

3 結論

結合應用實例，針對衛(wèi)星遙感技術在高鐵長大隧道外部環(huán)境安全監(jiān)管中的應用，得出以下結論：

（1）衛(wèi)星遙感技術在高鐵長大隧道外部環(huán)境安全監(jiān)測、災害預防與排查整治等方面具有明顯優(yōu)勢，可快速、準確、清晰地發(fā)現(xiàn)危害點，同時，可測量所有圖像空間尺度，掌握危害點發(fā)展趨勢，確定安全隱患類型，提前預判其發(fā)展和可能造成的后果，做到提前隔斷危害鐵路安全事件的發(fā)生。

（2）該技術有助于鐵路管理單位更全面地把控高鐵隧道外部環(huán)境總體情況，可作為鐵路運輸企業(yè)加強巡視檢查的輔助手段，以及長大隧道、橋梁和復雜地形下鐵路安全環(huán)境監(jiān)管的手段。

（3）該技術可作為鐵路監(jiān)管部門對影響高鐵外部環(huán)境問題依法處置、行政處罰和安全預警的手段。