CC BY
87
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
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.
