Научная статья на тему 'Аэрокосмический мониторинг в обеспечении безопасности функционирования железной дороги'

Аэрокосмический мониторинг в обеспечении безопасности функционирования железной дороги Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

CC BY
326
88
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ ТРАНСПОРТ / ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ / ФАКТОРЫ РИСКА / АЭРОКОСМИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА МОНИТОРИНГА ЗЕМЛИ / RAILWAY TRANSPORT / GEO-INFORMATION TECHNOLOGIES / RISK FACTORS / AEROSPACE CONTROL SYSTEMS

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Григорьева О.В., Панин А.В.

Рассматриваются вопросы информационного обеспечения безопасности железнодорожных объектов с использованием аэрокосмических комплексов контроля наземной обстановки. Приводятся примеры применения данных дистанционного зондирования в оценке рисков природно-техногенных угроз. Выдвигаются предложения по созданию автоматизированной информационно-аналитической системы управления рисками на основе геоинформационных технологий.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Григорьева О.В., Панин А.В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Aerospace monitoring in ensuring safe railway functioning

The article looks at issues of data support for railway infrastructure security using aerospace control systems for ground activities situation. Examples of using remote sensing data in evaluation of natural and technogenic risks are provided. Creation of an automated information analysis system for risk management on the basis of geo-information technologies is proposed.

Текст научной работы на тему «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 (уровень проходимости прилегающей территории)

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

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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 (принято минимальным)

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 (с результатами моделирования области видимости в ГИС Агс^е^)

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.