Аэрокосмический мониторинг в обеспечении безопасности функционирования железной дороги

Аэрокосмический мониторинг в обеспечении безопасности функционирования

ъ/

железной дороги

О. В. ГРИГОРЬЕВА, ст. науч. сотрудник Военно-космической академии им. А. Ф. Можайского, А. В. ПАНИН, докт. техн. наук, профессор кафедры «Техносферная и экологическая безопасность» Петербургского государственного университета путей сообщения

В современных условиях при увеличивающейся интенсивности грузового потока и возрастающих скоростях пассажирского движения аэрокосмический мониторинг является новым надежным способом информационного обеспечения, необходимого для безопасности функционирования железнодорожного транспорта. Он позволяет выявить многочисленные и разнородные факторы риска, оценить риск в эквивалентном денежном выражении и эффективно способствует безаварийному движению.

В настоящее время при постоянно растущих темпах строительства особую роль приобретают автоматизированные комплексы мониторинга технического состояния инженерных конструкций и технологических систем. С их помощью можно на ранней стадии выявлять накапливающиеся неблагоприятные изменения с целью принятия мер по упреждению возникновения чрезвычайных ситуаций.

В состав одной из таких инженерно-технических систем, функционирование которой связано с риском возникновения аварийных и чрезвычайных ситуаций, влекущих за собой тяжелые последствия, входят особо опасные производственные объекты железнодорожного транспорта. Регулярный мониторинг подведомственных территорий, направленный на обеспечение их безопасности, целесообразно осуществлять в ходе совместных аэрокосмических и тестовых наземных наблюдений. В этом случае удается достичь:

• комплексного подхода к диагностике объектов большой пространственной протяженности;

• высокой оперативности (своевременности) получения информации о состоянии объектов ЖД инфраструктуры;

• низкой ресурсоемкости, показатель которой напрямую зависит от временных и материальных затрат, необходимых на обработку;

• высокой результативности.

Для организации такого мониторинга разработан аппаратно-программный комплекс применения данных аэрокосмической съемки, который базируется на следующих технических (технологических) решениях:

• обработка материалов аэросъемки с привлечением как общеизвестных программ обработки аэрокосмических изображений (ENVI, Erdas Imagine, MultiSpec и др.), так и разработанного в организации специализированного программно-методического обеспечения обнаружения отдельных объектов и их состояний на изображениях по заданным дешифровочным признакам;

• оценка и прогнозирование развития природно-техногенных угроз, осуществляющиеся на основе комплексного анализа данных аэрокосмической съемки и результатов наземных исследований;

• количественная оценка степени опасности выявленных негативных факторов с учетом требований нормативно-правовой документации;

• моделирование зоны поражения в случае аварии на участках повышенной опасности железнодорожного пути при развитии ситуации по различным сценариям (с разлитием и возгоранием химически-опасных веществ, с взрывом);

• ГИС-анализ для принятия объективных управленческих решений и представления информации в форме, удобной пользователю и заказчику.

Экспериментальную техническую базу для получения исходных данных составляет современный аэросъемочный комплекс, состоящий из аппаратуры высокого разрешения в видимом диапазоне спектра (цифровые фотоаппараты), видеоспектрометра, регистрирующего изображения в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра, тепловых сканеров и радиолокатора. В некоторых случаях привлекаются данные, полученные с космических спутников дистанционного зондирования Земли.

Обнаружение природно-техноген-ных факторов и оценка показателей их опасности основаны на принципе формирования устойчивых признаков физических свойств ландшафта и техногенных объектов в различных диапазонах спектра. Дешифровочные признаки и эталонные изображения объектов сформированы в специализированной базе данных, связанной с программным комплексом автоматизированной обработки аэрокосмических изображений.

После проведения аэросъемочных работ или получения космических данных осуществляется диагностика районов расположения железнодорожных объектов, изображенных на снимках. Диагностика заключается в обнаружении, распознавании и оценке природ-но-техногенных факторов, ставящих под угрозу безопасность работы железнодорожных объектов, с одновременной геопривязкой изображений и контуров дешифрирования к цифровой топографической основе в геоинформационной системе (ГИС).

Природно-техногенные факторы риска классифицируются следующим образом:

• природные факторы риска, т. е. опасности, связанные с активизацией гравитационных (участки склонов с оползневыми деформациями, места аккумуляции рыхлого обломочного мате-

-Q-

риала), эрозионных (массивы с проявлением плоскостного смыва, овраги и т. п.) и динамически развивающихся карстовых и суффозионных явлений, а также с изменением гидрогеологического режима местности вдоль железнодорожной линии (затопление и подтопление земель в результате повышения уровня грунтовых вод) и природными пожарами;

• экологические факторы риска, обусловленные сверхлимитным загрязнением окружающей среды и другими негативными воздействиями на ландшафт, возникающими в процессе эксплуатации, ремонта и строительства объектов железной дороги (несанкционированные свалки отходов, загрязненные нефтью и нефтепродуктами участки железнодорожных путей и территории объектов инфраструктуры железной дороги);

• техногенные факторы риска, связанные с незаконным вмешательством в работу транспортных объектов (участки самовольно захваченных земель, строительство в пределах полосы отчуждения, повреждения ограждений полос отводов);

• инженерно-технические факторы риска, возникшие в результате несоблюдения правил эксплуатации (ненадлежащее состояние щебеночного покрытия, лесозащитной полосы, превышение уровня высотности древостоя в защитной лесополосе, зарастание санитарного разрыва древесно-кустар-никовой растительностью, ненадлежащее состояние защитных сооружений, участки деформации насыпей, обусловленной плоскостным смывом, оползанием и т. п.).

Для указанных факторов вводятся как количественные, так и качественные показатели степени их опасности (таблица 1).

Количественное ранжирование факторов было произведено как в соответствии с нормативной документацией (например, природной пожароопас-ности, опасности геодинамических процессов и т. п.), так и по разработанным методикам, где оценка опасности рассчитывается с помощью системы баллов. Перевод натурных единиц измерения показателей в единую систему баллов производится методом линейного масштабирования: разность между максимальными и минимальными значениями нормированного показателя делится на количество баллов единой шкалы, затем определяются соответствия нормированного показателя баллам. Для получения сопоставимых

Таблица 1.

Показатели степени опасности железнодорожных объектов

Инженерно-технические угрозы

Природные угрозы

ТЬшо-генные угрозы, втом числе угроза незаконного вмешательства

Транспортная обеспеченность

Экологические угрозы

показатели чения показателей в баллах

Наличие склонов с оползневыми деформациями + 1

Степень опасности оползневого склона Неопасный 0

Умеренно опасный 1

Опасный 2

Чрезвычайно опасный 3

Наличие участков проявления плоскостной эрозии, смыва, промоин (ед/км пути или процент от площади полосы отвода) <10 0

10-50 1

>50 3

Степень опасности эрозии (или интенсивность потенциальной эрозии) Неопасный 0

Умеренно опасный 1

Опасный 2

Чрезвычайно опасный 3

Степень расчлененности территории оврагами, м/кв. м 0 0

0,7-2,5 2

>2,5 3

Степень опасности оврага (расстояние до железнодорожного объекта или путей, направление развития, площадь и т. д.) Неопасный 0

Умеренно опасный 1

Опасный 2

Чрезвычайно опасный 3

Нарушение и гибель древостоя в лесополосе вследствие гидронасыщения, % <10 0

10-50 1

>50 3

Нарушение дернового покрова на откосах и банкетах, % от площади откоса или банкета <30 0

30-60 1

>60 2

Состояние контрбанкет Пустые 0

Полузасыпанные 1

Засыпанные 3

Наличие участков затопления или подтопления + 1

Степень пожароопасносги территории Умеренно опасный 1

Опасный 2

Чрезвычайно опасный 3

Степень природной пожароопасносги 1 п

2 1

3 7

4 Л

5 5

Категория пожароопасносги дорог, включая анализ источников пожара А 4

В 3

В 7

Г 1

Д 0

Состояние и степень загрязненности щебеночного шифытия Низкая 0

Средняя 1

Высокая 3

Превышение высотности древостоя в защитной полосе, %от 1 км пути <10 0

10^0 2

>40 3

Степень зарастания санитарного разрыва древесно-кустарниковой растительностью, % от 1 км пути <20 0

20-50 1

>50 3

Наличие участков деформации железнодорожной насыпи, образовавшихся вследствие плоскостного смыва, оползания и т. п. + 1

Гибель и уничтожение (например, в результате несанкционированных вырубок) растительности в защитной лесополосе, %<уг 1 км пути <20 0

20-70 1

>70 2

Наличие взрывоопасных объектов на прилегающей территории + 1

Количество несанкционированных переходов через железнодорожные пути, ед/кв. км 0 0

1

2

Количество несанкционированных подъездных путей, ед./кв. км п 0

1-3 1

>3 2

Наличие повревдений в ограждениях полос отвода, ед/кв. км 0 0

1-2 1

>2 2

Наличие участков самовольного захвата земель и строительства в пределах полосы отчуяздения, ед/кв. км 0 0

1-2 1

>2 2

Наличие заброшенных зданий и сооружений + 1

Количество и состояние железнодорожных объектов повышенного внимания (мосты, тоннели и т. д), ед/кмпути <=1 0

2-5 1

>5 2

Пересечение с ЛЭП + 1

Пересечения железнодорожного пути с автодорогами на одном уровне (объекты повышенной аварийной опасности), ед/кмпути 0 0

1-3 1

>3 2

Оценка степени доступности подъезда для специализированных видов транспорта к железнодорожной линии, ед/кв. км + -1

Категория подъездной дороги 1,И,ШДУ,У -1/0

Качество подъездной дороги, в том числе классификация по типу покрытия (грунтовые или с твердым покрытием) Удовл. 0

Неудовл. 1

Удаленность от населенных пунктов, км <20 0

20-70 1

>70 2

Удаленность от ближайшей станции, км <50 1

50-100 1

>100 2

Наличие запасных путей + -1

Загрязнения почв и грунтов Уровень негатив] ного воздей-

Негативное воздействие на растительность ствия определяется в соответствии с нормативами природоохранного законодательства

Загрязнения водных объектов

Рис. 1. Контроль гидрологического режима вдоль железнодорожной трассы (обнаружение подтопления трассы в местах подпруживания поверхностного стока):

а — изображение ЦЦФ; б — изображение, полученное с помощью теплового ИК-сканера; 1 и 2 — открытые и заболоченные участки водной поверхности; 3 — водопропускные сооружения.

Рис. 2. Участки возможной активизации оползневых процессов: а — участок 1.3 проходит вдоль железнодорожной ветки; б — стрелками указаны направления развития оползневого процесса.

Рис. 3. Оценка опасности оползневых склонов вдоль дороги (3 балла — опасный):

10.1 — скальные породы, скрепляющие склон; 10.2 — полоса грунта с остаточным содержанием верхнего горизонта почв и дерна; 10.3 — разнозернистые пески с включением суглинка; 10.4 и 10.5 — зоны, наиболее подверженные риску сползания.

Рис. 4. Регистрация техногенных факторов риска по данным аэрокосмической съемки: а — состояние объектов повышенной аварийной опасности: пересечение с дорогами (анализ наличия предупреждающих знаков и сигнального оборудования); б — доступность объектов железной дороги: подъездной путь, автомобильная дорога.

единиц сравнения по различным показателям принимается единая шкала баллов (0; 5).

На рис. 1 приведен пример регистрации природных факторов риска —распознавание участков подтопления железнодорожной трассы: четко выделяются места, где скопившаяся у насыпи вода пытается найти обходной путь, создавая небольшое подтопление. Путем совместного анализа теплового снимка, где участок подтопления регистрируется за счет инверсии вода — суша, и изображения цифровой фотокамеры в видимом диапазоне спектра (ЦЦФ) обнаруживаются не только участки открытой водной поверхности, но и заболоченные, покрытые ряской и тиной районы вдоль железнодорожной линии. Они находятся только с одной стороны насыпи, это свидетельствует о нарушении гидрологического режима водотока и недостаточной пропускной способности водоотводя-щих сооружений, что, в свою очередь, говорит о необходимости изменения их проектной глубины или увеличения мощности.

В то же время на снимках в видимом диапазоне дешифрируется большое количество компонентов ландшафта, важных для общей и детальной оценки инженерно-геологической обстановки. Наиболее актуальна оценка опасных геологических процессов в южных регионах России. Например, при анализе железной дороги, проходящей по побережью Черного моря, было зарегистрировано несколько опасных оползневых склонов в районах междуречья р. Дагомыс, р. Мамайки и р. Сочи (рис. 2). Контуром на снимке указаны приблизительные границы оползневого объекта, для которого в геоморфологическом отношении характерны хребты и возвышенности на пластово-складчатом основании, сформированном из отложений верхнего мела-палеогена с вертикальным расчленением 50-300 м.

Высокая достоверность идентификации оползневых склонов, осуществленной по материалам аэросъемки, подтверждается результатами линиамент-ного анализа данных космической съемки того же района. Анализ показал, что именно в междуречье рек Мамайка и Сочи наблюдается напряженная тектоническая обстановка, связанная с пересечением здесь продольных и поперечных зон разрывных нарушений и зон трещиноватости горных пород. Зоны поперечных трещин, узлы их пересечения на склонах с уклонами более

20° представляют собой места, благоприятные для развития оползневых процессов, которые и были отмечены в междуречье рек Дагомыс и Мамайка.

Для оценки активизации опасного геодинамического процесса была разработана методика оценки риска развития оползней в зависимости от мор-фометрических и инженерно-геологических характеристик скальных склонов, таких как крутизна, степень зарастания травянисто-кустарниковой растительностью, выветрелость и др. (таблица 2).

На рис. 3 представлены результаты применения этой методики в ГИС По результатам анализа разновременных данных отмечается увеличение площади проявления геологического процесса и оползневый склон классифицируется как опасный (3 балла). Результаты оценки хорошо согласуются с выводами, сделанными по СНиП 2.01.15-90.

Оценка экологических факторов риска рассчитывается по показателям выявленных загрязнений и других негативных воздействий в соответствии с нормативно-правовыми документами. Обнаружение и прогнозирование степени нефтяной контаминации земель как наиболее характерного вида загрязнений для объектов железной дороги (например, при транспортировке грузов в районе нефтеналивных эстакад) осуществляется по много- и гиперспектральным данным в видимом и ближнем инфракрасном канале с использованием специализированных программ дешифрирования [1]. В некоторых случаях могут привлекаться тепловые инфракрасные изображения — участки нефтезагрязнений на них обнаруживаются по очень большой интенсивности излучения, регистрируе-

Таблица 2. Показатели оползневой опасности скального склона, определенные по данным аэрокосмической съемки в видимом диапазоне спектра

Параметры Показатели

Длина относительно автодороги 1, м 400

Начало участка 38,4

Конец участка 38,8

Площадь склона, подверженная оползневым процесса, 5, кв. м 11,65

Наличие характерных пятен почвенно-растительного покрова есть

Ориентация пятен почвенно-растительного покрова Вдоль склона

Площадь склона, занятая растительностью, % 38

Уровень стабилизации склона (вид растительности) Травянисто-кустарниковая растительность

Абсолютная высота расположения ОГП, м 42

Год обнаружения 2009

Крутизна, в градусах 15-35

Форма поверхности Неровная, частично с наступающими выступами

Расстояние от подошвы откоса до защищаемого объекта, м < 2

Среднее число трещин на 1 м < 1

Ширина раскрытия трещин, см 0,5

Направление угла падения трещин по отношению к площадке размещения защищаемого объекта, в градусах 30-40

Степень выветрелости скального массива Выветрелые

Степень интенсивности развития процесса ОГП (при наличии разновременных данных) 1,2

Характеристика местности слева Гора

Характеристика местности справа Обрыв, река

мои за счет высокого температурного контраста с фоном.

Примеры регистрации техногенных факторов риска на аэрокосмических изображениях приведены на рис. 4а, 4б, инженерно-технических факторов риска — на рис. 5.

В части анализа инженерно-технических рисков при оценке высоты древесных насаждении в лесополосе, уровень которых превышает установ-ленныи предел безопасности функционирования железнои дороги, использовался комплекс технических решении с привлечением методов ав-томатизированнои классификации в ENVI и пространственного анализа в ArcGis (например, Analyst Tools). Пример анализа приведен на рис. 5.

Практически на всех этапах обработки аэрокосмических изображений предусматривается привлечение ГИС, позволяющей систематизировать тематические задачи, решаемые в рамках обеспечения безопасности железнодорожных объектов.

В ГИС каждый километр или десяток километров пути оценивается с точки зрения риска возникновения природно-техногенных угроз или незаконного вмешательства. Для этого природно-техногенные факторы, выявленные на этапе обработки аэрокосмических изображений, отображаются в виде пространственных данных ГИС, а показатели их опасности фиксируются в геобазе данных по балльной системе.

Рис. 5. Диагностика инженерно-технического состояния железнодорожных объектов: а — участки лесополосы, где высота деревьев превышает предельно безопасный уровень для функционирования железной дороги; б — деформация поверхности железнодорожной насыпи: плоскостной смыв; в — участки теплотрассы с некачественной теплоизоляцией, на которых происходят существенные теплопотери.

-Q-

Ранжирование железнодорожного пути проводится с помощью заданного дерева решений с точки зрения степени опасности факторов риска и вероятности возникновения аварий на дороге по следующему правилу: если балльная оценка участка пути, полученная как удельная сумма баллов степени опасности выявленных природно-техно-генных факторов, стремится к максимальному значению, то этот участок можно признать зоной повышенной опасности с максимальной вероятностью возникновения аварии.

В конечном счете, на основании выявленных факторов формируется оценка риска угрозы безопасности функционирования железнодорожного объекта согласно классическому представлению в денежном эквиваленте:

Е

=2р ву,

,=1

где Р(В) — степень опасности природно-тех-ногенной угрозы;

У — ущерб, который может быть нанесен зданиям (в том числе жилым), сооружениям и объектам природы в случае возникновения аварии на участках повышенной опасности железнодорожной линии.

Для определения ущерба, нанесенного объектам жизнеобеспечения, осуществляется моделирование зоны поражения.

Пример ранжирования фрагмента железнодорожной трассы в ГИС по риску угрозы безопасности грузовых и пассажирских перевозок приведен на рис. 6.

Рис. 6. Реализация технологии оценки риска угрозы безопасности железной дороги и оптимизация мест расстановки камер наблюдения вдоль полотна

Все примеры свидетельствуют об эффективности привлечения аэрокосмической съемки для планирования работ инженерных служб дороги, для выбора наилучших мер по ликвидации выявленных нарушений и негативных процессов, угрожающих безопасности функционирования дороги, для принятия решений по смягчению последствий возможных аварий и минимизации рисков.

Например, при недостаточном уровне проходимости территории в местах повышенной опасности даются рекомендации, касающиеся увеличения степени доступности участка железнодорожного пути, чтобы в случае чрезвычайной ситуации к нему могли подъехать аварийно-спасательные отряды. Для обеспечения безопасности и предупреждения незаконного вмешательства в деятельность транспортного комплекса, руководствуясь данными аэрокосмической съемки, можно осу-

ществлять оптимальную расстановку камер наблюдения вдоль железной дороги (рис. 6).

На данный момент продолжается разработка информационно-аналитической системы, реализующей предложенный комплекс в ГИС. Она включает в себя объекты железнодорожной инфраструктуры, информацию о природ-но-техногенных процессах, данные об авариях и их причинах, модели прогноза аварийных ситуаций и принятия решения об отнесении участка железнодорожной линии к зоне повышенного риска.

Литература

1. Григорьева О. В., Саидов А. Г., Панин А. В. Индикатор состояния почвогрунтов в районах обращения нефти и нефтепродуктов, полученный неконтактными средствами наблюдений // Экология и промышленность России. — 2010. — № 10. — С. 50-53.