铁路安全遥感新技术动态监测

杜玉柱

(山西水利职业技术学院,山西 运城 044000)

作为国家重要的基础设施,铁路是国民经济的大动脉,在整个交通运输体系中发挥着重要作用。近年来,中国铁路发展取得了举世瞩目的巨大成就,截至2018年底,全国铁路营业里程已达13.1万km以上;中国已经拥有世界上最大和最现代化的高速铁路网,高速铁路的运营里程超过29 000 km。列车速度的提高和大量新设备、新技术的使用,对处理突发事件、确保铁路运输安全提出了越来越严格的要求[1]。

我国铁路一直非常重视生产安全,铁路建设、运营、维护等已具备一套基本完备的规章体系,铁路内部安全管理有序、基本可控。但铁路外部安全环境随机多变,易受各种条件影响,已成为影响铁路运营安全的主要风险之一[2]。

铁路环境安全动态监测对于预防各类潜在的铁路事故、消除事故对铁路运输和社会的影响、最大限度地减少各类损失、确保铁路的安全运行至关重要。本文开展多源数据支持下的铁路环境安全动态监测研究,针对铁路沿线地质灾害监测与评估、侵占铁路用地监测、压覆铁路违规采矿等几种典型应用设计监测方案,进行试验测试。

1 铁路外部安全环境分析

铁路外部安全环境主要指在铁路自身运输空间之外,直接或间接威胁运输安全的沿线周边外部环境总称,包括社会环境和自然环境[3]。铁路设施设备均置于公共场合之中,不可避免会受自然环境和社会环境的影响。

1.1 自然环境影响

我国铁路遍布在不同地质条件的各类区域,我国是世界上受自然灾害影响最严重的国家之一[3]。影响铁路安全的自然灾害包括大风、降雪、降雨、雷电、地震、泥石流、洪水、落石等。

1.2 社会环境影响

随着铁路沿线经济的发展、城乡居民数量的增多,人为因素对铁路安全环境的影响越来越大。易对高铁安全构成威胁的社会活动主要包括:

(1)在铁路线路两侧搭建彩钢瓦、塑料大棚等轻飘物,上线易影响接触网安全。

(2)在铁路线路两侧规定范围内取土、挖沙、挖沟、采空作业、抽取地下水等活动,易造成路基、桥梁沉降。

(3)铁路沿线易有高大广告牌、树木及其他悬挂物,在各种恶劣天气下,可能倾倒侵入铁路限界或倒伏于铁路上,严重影响铁路安全。

1.3 铁路沿线外部环境安全监测现状分析

目前,铁路安全环境监测和管理工作主要由铁路工务段承担,铁路工务段管辖土地多、铁路里程长、范围广,外部环境涉及面广、随机性强,与此同时人员配备、各方的支持力度并不能满足需求,对铁路沿线外部环境安全隐患无法实行有效的实时监管、监控[4]。

铁路线路里程长,巡视人员以周期分区段对线路进行巡视,发现、处置及汇报具有一定程度滞后性;违章搭建、偷倒渣土、垃圾,非法施工常利用夜间、周末及节假日,发现时已成既有隐患;邻近营业线施工审批流程一般周期较长,流程也较复杂,地方工程上的进度要求和较长的审批周期之间存在矛盾,偷干的可能性较大。

2 各类遥感监测技术对比分析

近年来遥感GNSS、分布式光纤监测及GIS等技术发展迅速,对于铁路环境安全动态监测都有着积极作用。

2.1 适用监测技术

2.1.1 卫星遥感监测技术

随着空间技术、信息技术和计算机技术的快速发展,地球遥感技术在空间和时间分辨率方面发展迅速,目前民用卫星的空间分辨率可以达0.5 m,在轨重复时间可以达1～6 d,差分干涉雷达技术(D-InSAR)甚至可进行毫米级的地表沉降监测[5]。利用卫星遥感技术进行铁路环境安全勘察、评估监测是必然发展趋势[6]。

2.1.2 GNSS监测技术

GNSS可在全球任何位置为用户提供24 h全天候的三维坐标和速度信息,目前主要有GPS、BDS、GLONASS和Galileo 4大卫星导航系统。其中,BDS是由中国独立建造和运营的卫星导航系统。随着接收机性能的提高和数据处理技术的进步,GNSS相对定位的精度可达毫米级,这种技术已成为变形监测的重要工具,因为它在测站间无需通视,不受气候条件影响,且具有高度自动化的特点[7]。

2.1.3 无人机航测技术

无人机航测技术是指利用小型无人机作为飞行平台,利用数码相机获取目标区域的影像,通过摄影测量方式获得目标地理信息数据。无人机航测技术机动灵活、高效快速,已在多领域广泛应用,现主要应用于土地利用动态监测、应急救灾测绘等方面[8-9]。

2.1.4 视频监测技术

随着计算机、网络和图像处理及传输技术的快速发展,视频监控技术也有了很大的发展。视频监控因其直观、准确、及时和信息内容丰富的特点而被应用于多种场景。

2.1.5 分布式光纤监测技术

分布式光纤监测技术是利用光与光纤材料发生作用而产生散射的特性,完成光纤线路振动、温度、应变的监测,从而获取目标的安全状态[10]。该技术是近年来兴起的新型传感技术,可以用较低的成本,实现高精度、长范围的监控测量,其他技术难以做到[11]。

2.1.6 地理信息分析技术

GIS在数据收集、整理、分析时能充分顾及数据的空间性和时态性,利用其叠加分析、领域分析及风险评判模型等分析功能可以分析安全隐患的危险性及其影响范围,实现铁路环境安全隐患的监测预报[12]。

2.2 适用性分析

为设计科学、合理的铁路环境安全动态监测的解决方案,对各项技术的特点及适用范围进行对比分析,各项技术对比见表1。

表1 各项技术对比

3 基于遥感新技术的铁路环境安全动态监测解决方案

3.1 方案制定

对铁路环境安全动态监测的需求进行分析,根据安全隐患的原因、事件突发性、危害程度及作用范围等因素,可将其分为3种类别:铁路沿线地质灾害评估与监测(Ⅰ类)、铁路土地红线及安全保护区内土地利用情况监测(Ⅱ类)、线路异物入侵监测(Ⅲ类)。铁路环境安全监测对象分类见表2。

表2 铁路环境安全监测对象分类

结合各项监测技术的特点,指定的铁路环境安全动态监测技术方案如图1所示。

图1 铁路环境安全动态监测技术方案

3.2 试验测试

选取某既有铁路20 km公路段为试验段,开展铁路环境安全动态监测试验,该试验段内共计3个车站,途径5个村庄,跨越1处公路和2处河道。沿线有大桥3座、隧道3座、涵洞多个,并有高大边坡3处。试验中,对试验段的卫星遥感数据进行收集,并布设视频监测设备、GNSS监测设备及分布式光纤传感器等监测设备。

3.2.1 试验总体方案设计

试验技术路线如图2所示。

图2 试验技术路线

3.2.2 主要试验设备与数据

(1)卫星遥感数据。收集1期的Pleiades卫星(0.5 m分辨率)、多期的Sentinel-2卫星(10 m分辨率)影像数据和Sentinel-1卫星雷达数据,进行铁路沿线地质灾害评估与监测(Ⅰ类)、铁路土地红线及安全保护区内土地利用情况监测试验(Ⅱ类)。

(2)GNSS监测设备。GNSS自动位移监测系统由3台高性能GNSS接收机、移动网络通信模块和数据处理平台组成。其中,1台GNSS接收机为基准站,2台为监测点进行模拟测试。GNSS自动位移监测系统实现全天候的自动化位移监测、实时数据分析和预报警[13-14],利用该系统进行铁路沿线地质灾害评估与监测(Ⅰ类)试验。

(3)分布式光纤传感器。分布式光纤传感器布设方案:在铁路沿线绿色防护网上布设振动光缆[15],当人或动物直接触碰光缆或围栏周围有机械施工时,光纤设备会通过分析处理,智能识别且判断出不同的外部干扰类型。如光缆或围栏附近发生攀爬围栏、挖土机、打桩机等危害行为或天气,以及火车通过等干扰行为时,光纤设备均会自动分析干扰类型,并进行智能处理,实现系统预警和实时报警,从而达到安防报警的效果。分布式光纤传感器主要进行线路异物入侵监测(Ⅲ类)。

光纤布设方式如图3所示。光纤按此方式进行绑扎(圆点为绑扎点)。

图3 光纤布设方式

试验采用光纤监测仪的技术参数见表3。

表3 光纤监测仪的技术参数

(4)视频监测设备。选用海康威视的网络高清高速智能球机(型号:iDS-2DF8437I5X-A/SP)作为试验视频监测设备,该产品具有以下功能:2560×1440@60fps高清画面输出、照射距离最远可达500 m、支持水平360°旋转、事件抓图、巡航功能、人脸抓拍等。主要进行铁路土地红线及安全保护区内土地利用情况监测(Ⅱ类)、线路异物入侵监测(Ⅲ类)两类安全监测。

3.2.3 典型安全事件监测测试

试验设备安装、调试,以及卫星数据收集、处理完成后,分系统进行典型安全事件的监测测试,具体如下:

(1)侵占铁路用地监测。按照侵占铁路用地事件的特点,分别采用静态监测、动态监测两种方式进行测试。

静态监测为利用多期卫星影像进行变化图斑提取,再利用人工实地查验的方式进行检验。动态监测采用在铁路安全保护区内进行机械作业、人工取土和翻越围护网等模拟违规活动,利用分布式光纤传感器进行实时监测,对误报率、漏检率进行统计。静态监测侵占铁路安全保护区用地的测试结果见表4。经统计,静态监测总体正确率为90%,漏检率为25%,误报率为8%。对于面积大于50 m2的侵占用地,监测正确率为100%。

表4 静态监测测试结果统计

动态监测铁路安全保护区内违规施工、侵入围栏的测试结果见表5。经统计,动态监测总体正确率为81%,漏检率为22%,误报率为18%。对于人工取土的漏检率较高,对侵入围栏的监测正确率可达90%。

表5 动态监测测试结果统计

(2)地质灾害隐患点自动位移监测。利用布设的GNSS变形监测设备进行位移监测测试,测试采用人为移动GNSS监测站模拟变形的方式进行测试自动位移监测的精度、延时。测试结果见表6。经统计,对于小于5 cm的变形量,监测滞后时间为2 h;对于大于5 cm的变形量监测滞后时间为1 h。

表6 GNSS位移监测测试结果统计

3.2.4 试验期间特殊问题处理

(1)分布式光纤与视频联动试验。当分布式光纤在某一特定位置发现有入侵且产生报警时,会把位置信息通过线路里程、左右侧描述的方式上传至监测系统;监测系统则将入侵点的位置信息转换成对应的地理坐标,然后计算该入侵点与最近摄像头之间的相对位置关系,以此确定联动摄影头的转动角度并将相关信息发送给摄像头。摄像头在接收到信息后则会驱动转到对应角度,从摄像头视频上即可查看对应报警位置点的实时情况,从而实现分布式光纤与视频联动的功能。

(2)分布式光纤误报率控制。采用分布式光纤传感器进行铁路周界入侵防护时,过高的误报率是制约其实际应用的主要因素。为在不增加漏报率的同时降低误报率,在测试中采取了以下措施:①根据实际环境分段设置阈值,有效降低周边环境的影响;②通过光纤与视频联动,建立入侵事件模型库,提高识别率;③设置适当延时报警,解决火车正常经过防区引起的误报。

3.2.5 监测系统测试

经3个月的测试,利用卫星遥感数据有效识别铁路沿线地质灾害隐患2处,采用GNSS可以实现毫米级位移(模拟测试)监测。通过遥感影像监测到在铁路安全保护区内违规私搭棚房1处。能够实现对人员翻越封闭网侵入铁路、临近铁路线大型机械施工(模拟测试)的实时监测,报警延时优于5 s。利用Web GIS系统能实现跨平台的实时监测服务。

4 结 论

本文探索综合运用遥感新技术、安全监测新技术及地理信息技术等,构建铁路安全环境动态监测体系,能够有效提高铁路安全环境监测和管理水平。确定了铁路环境安全监测综合解决方案并有以下优点。

(1)利用卫星遥感数据,可以对铁路沿线大范围的地灾隐患进行识别和排查。

(2)利用GNSS监测技术,可以实现重点隐患点的全天候、高精度变形监测。

(3)利用分布式光纤传感器监测技术,可实现铁路周界实时异物入侵动态监测。

(4)利用GIS、大数据分析技术可构建铁路环境安全风险评价模型,提高环境安全的识别与预警能力,能够提升预警判识能力,为自然环境灾害预防和应急处置提供支持。