杜玉柱

(山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山西 運城 044000)

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

我國鐵路一直非常重視生產(chǎn)安全,鐵路建設(shè)、運營、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,已成為影響鐵路運營安全的主要風(fēng)險之一[2]。

鐵路環(huán)境安全動態(tài)監(jiān)測對于預(yù)防各類潛在的鐵路事故、消除事故對鐵路運輸和社會的影響、最大限度地減少各類損失、確保鐵路的安全運行至關(guān)重要。本文開展多源數(shù)據(jù)支持下的鐵路環(huán)境安全動態(tài)監(jiān)測研究,針對鐵路沿線地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與評估、侵占鐵路用地監(jiān)測、壓覆鐵路違規(guī)采礦等幾種典型應(yīng)用設(shè)計監(jiān)測方案,進(jìn)行試驗測試。

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輸空間之外,直接或間接威脅運輸安全的沿線周邊外部環(huán)境總稱,包括社會環(huán)境和自然環(huán)境[3]。鐵路設(shè)施設(shè)備均置于公共場合之中,不可避免會受自然環(huán)境和社會環(huán)境的影響。

1.1 自然環(huán)境影響

我國鐵路遍布在不同地質(zhì)條件的各類區(qū)域,我國是世界上受自然災(zāi)害影響最嚴(yán)重的國家之一[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,人為因素對鐵路安全環(huán)境的影響越來越大。易對高鐵安全構(gòu)成威脅的社會活動主要包括:

(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,易造成路基、橋梁沉降。

(3)鐵路沿線易有高大廣告牌、樹木及其他懸掛物,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)測現(xiàn)狀分析

目前,鐵路安全環(huán)境監(jiān)測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、范圍廣,外部環(huán)境涉及面廣、隨機(jī)性強(qiáng),與此同時人員配備、各方的支持力度并不能滿足需求,對鐵路沿線外部環(huán)境安全隱患無法實行有效的實時監(jiān)管、監(jiān)控[4]。

鐵路線路里程長,巡視人員以周期分區(qū)段對線路進(jìn)行巡視,發(fā)現(xiàn)、處置及匯報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)時已成既有隱患;鄰近營業(yè)線施工審批流程一般周期較長,流程也較復(fù)雜,地方工程上的進(jìn)度要求和較長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)測技術(shù)對比分析

近年來遙感GNSS、分布式光纖監(jiān)測及GIS等技術(shù)發(fā)展迅速,對于鐵路環(huán)境安全動態(tài)監(jiān)測都有著積極作用。

2.1 適用監(jiān)測技術(shù)

2.1.1 衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)

隨著空間技術(shù)、信息技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,地球遙感技術(shù)在空間和時間分辨率方面發(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)行毫米級的地表沉降監(jiān)測[5]。利用衛(wèi)星遙感技術(shù)進(jìn)行鐵路環(huán)境安全勘察、評估監(jiān)測是必然發(fā)展趨勢[6]。

2.1.2 GNSS監(jiān)測技術(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是由中國獨立建造和運營的衛(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相對定位的精度可達(dá)毫米級,這種技術(shù)已成為變形監(jiān)測的重要工具,因為它在測站間無需通視,不受氣候條件影響,且具有高度自動化的特點[7]。

2.1.3 無人機(jī)航測技術(shù)

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

2.1.4 視頻監(jiān)測技術(shù)

隨著計算機(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、及時和信息內(nèi)容豐富的特點而被應(yīng)用于多種場景。

2.1.5 分布式光纖監(jiān)測技術(shù)

分布式光纖監(jiān)測技術(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、溫度、應(yīng)變的監(jiān)測,從而獲取目標(biāo)的安全狀態(tài)[10]。該技術(shù)是近年來興起的新型傳感技術(shù),可以用較低的成本,實現(xiàn)高精度、長范圍的監(jiān)控測量,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、分析時能充分顧及數(shù)據(jù)的空間性和時態(tài)性,利用其疊加分析、領(lǐng)域分析及風(fēng)險評判模型等分析功能可以分析安全隱患的危險性及其影響范圍,實現(xiàn)鐵路環(huán)境安全隱患的監(jiān)測預(yù)報[12]。

2.2 適用性分析

為設(shè)計科學(xué)、合理的鐵路環(huán)境安全動態(tài)監(jiān)測的解決方案,對各項技術(shù)的特點及適用范圍進(jìn)行對比分析,各項技術(shù)對比見表1。

表1 各項技術(shù)對比

3 基于遙感新技術(shù)的鐵路環(huán)境安全動態(tài)監(jiān)測解決方案

3.1 方案制定

對鐵路環(huán)境安全動態(tài)監(jiān)測的需求進(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)害評估與監(jiān)測(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(Ⅱ類)、線路異物入侵監(jiān)測(Ⅲ類)。鐵路環(huán)境安全監(jiān)測對象分類見表2。

表2 鐵路環(huán)境安全監(jiān)測對象分類

結(jié)合各項監(jiān)測技術(shù)的特點,指定的鐵路環(huán)境安全動態(tài)監(jiān)測技術(shù)方案如圖1所示。

圖1 鐵路環(huán)境安全動態(tài)監(jiān)測技術(shù)方案

3.2 試驗測試

選取某既有鐵路20 km公路段為試驗段,開展鐵路環(huán)境安全動態(tài)監(jiān)測試驗,該試驗段內(nèi)共計3個車站,途徑5個村莊,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,并有高大邊坡3處。試驗中,對試驗段的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行收集,并布設(shè)視頻監(jiān)測設(shè)備、GNSS監(jiān)測設(shè)備及分布式光纖傳感器等監(jiān)測設(shè)備。

3.2.1 試驗總體方案設(shè)計

試驗技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 試驗技術(shù)路線

3.2.2 主要試驗設(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)害評估與監(jiān)測(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)測試驗(Ⅱ類)。

(2)GNSS監(jiān)測設(shè)備。GNSS自動位移監(jiān)測系統(tǒng)由3臺高性能GNSS接收機(jī)、移動網(wǎng)絡(luò)通信模塊和數(shù)據(jù)處理平臺組成。其中,1臺GNSS接收機(jī)為基準(zhǔn)站,2臺為監(jiān)測點進(jìn)行模擬測試。GNSS自動位移監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)全天候的自動化位移監(jiān)測、實時數(shù)據(jù)分析和預(yù)報警[13-14],利用該系統(tǒng)進(jìn)行鐵路沿線地質(zhì)災(zāi)害評估與監(jiān)測(Ⅰ類)試驗。

(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)振動光纜[15],當(dāng)人或動物直接觸碰光纜或圍欄周圍有機(jī)械施工時,光纖設(shè)備會通過分析處理,智能識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,以及火車通過等干擾行為時,光纖設(shè)備均會自動分析干擾類型,并進(jìn)行智能處理,實現(xiàn)系統(tǒng)預(yù)警和實時報警,從而達(dá)到安防報警的效果。分布式光纖傳感器主要進(jìn)行線路異物入侵監(jiān)測(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(圓點為綁扎點)。

圖3 光纖布設(shè)方式

試驗采用光纖監(jiān)測儀的技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 光纖監(jiān)測儀的技術(shù)參數(shù)

(4)視頻監(jiān)測設(shè)備。選用?？低暤木W(wǎng)絡(luò)高清高速智能球機(jī)(型號:iDS-2DF8437I5X-A/SP)作為試驗視頻監(jiān)測設(shè)備,該產(chǎn)品具有以下功能:2560×1440@60fps高清畫面輸出、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(Ⅱ類)、線路異物入侵監(jiān)測(Ⅲ類)兩類安全監(jiān)測。

3.2.3 典型安全事件監(jiān)測測試

試驗設(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)測測試,具體如下:

(1)侵占鐵路用地監(jiān)測。按照侵占鐵路用地事件的特點,分別采用靜態(tài)監(jiān)測、動態(tài)監(jiān)測兩種方式進(jìn)行測試。

靜態(tài)監(jiān)測為利用多期衛(wèi)星影像進(jìn)行變化圖斑提取,再利用人工實地查驗的方式進(jìn)行檢驗。動態(tài)監(jiān)測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,利用分布式光纖傳感器進(jìn)行實時監(jiān)測,對誤報率、漏檢率進(jìn)行統(tǒng)計。靜態(tài)監(jiān)測侵占鐵路安全保護(hù)區(qū)用地的測試結(jié)果見表4。經(jīng)統(tǒng)計,靜態(tài)監(jiān)測總體正確率為90%,漏檢率為25%,誤報率為8%。對于面積大于50 m2的侵占用地,監(jiān)測正確率為100%。

表4 靜態(tài)監(jiān)測測試結(jié)果統(tǒng)計

動態(tài)監(jiān)測鐵路安全保護(hù)區(qū)內(nèi)違規(guī)施工、侵入圍欄的測試結(jié)果見表5。經(jīng)統(tǒng)計,動態(tài)監(jiān)測總體正確率為81%,漏檢率為22%,誤報率為18%。對于人工取土的漏檢率較高,對侵入圍欄的監(jiān)測正確率可達(dá)90%。

表5 動態(tài)監(jiān)測測試結(jié)果統(tǒng)計

(2)地質(zhì)災(zāi)害隱患點自動位移監(jiān)測。利用布設(shè)的GNSS變形監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行位移監(jiān)測測試,測試采用人為移動GNSS監(jiān)測站模擬變形的方式進(jìn)行測試自動位移監(jiān)測的精度、延時。測試結(jié)果見表6。經(jīng)統(tǒng)計,對于小于5 cm的變形量,監(jiān)測滯后時間為2 h;對于大于5 cm的變形量監(jiān)測滯后時間為1 h。

表6 GNSS位移監(jiān)測測試結(jié)果統(tǒng)計

3.2.4 試驗期間特殊問題處理

(1)分布式光纖與視頻聯(lián)動試驗。當(dāng)分布式光纖在某一特定位置發(fā)現(xiàn)有入侵且產(chǎn)生報警時,會把位置信息通過線路里程、左右側(cè)描述的方式上傳至監(jiān)測系統(tǒng);監(jiān)測系統(tǒng)則將入侵點的位置信息轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的地理坐標(biāo),然后計算該入侵點與最近攝像頭之間的相對位置關(guān)系,以此確定聯(lián)動攝影頭的轉(zhuǎn)動角度并將相關(guān)信息發(fā)送給攝像頭。攝像頭在接收到信息后則會驅(qū)動轉(zhuǎn)到對應(yīng)角度,從攝像頭視頻上即可查看對應(yīng)報警位置點的實時情況,從而實現(xiàn)分布式光纖與視頻聯(lián)動的功能。

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

3.2.5 監(jiān)測系統(tǒng)測試

經(jīng)3個月的測試,利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)有效識別鐵路沿線地質(zhì)災(zāi)害隱患2處,采用GNSS可以實現(xiàn)毫米級位移(模擬測試)監(jiān)測。通過遙感影像監(jiān)測到在鐵路安全保護(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(模擬測試)的實時監(jiān)測,報警延時優(yōu)于5 s。利用Web GIS系統(tǒng)能實現(xiàn)跨平臺的實時監(jiān)測服務(wù)。

4 結(jié) 論

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

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

(2)利用GNSS監(jiān)測技術(shù),可以實現(xiàn)重點隱患點的全天候、高精度變形監(jiān)測。

(3)利用分布式光纖傳感器監(jiān)測技術(shù),可實現(xiàn)鐵路周界實時異物入侵動態(tài)監(jiān)測。

(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)險評價模型,提高環(huán)境安全的識別與預(yù)警能力,能夠提升預(yù)警判識能力,為自然環(huán)境災(zāi)害預(yù)防和應(yīng)急處置提供支持。