基于空天地遙感技術(shù)的鐵路外部環(huán)境安全隱患監(jiān)測(cè)與管理研究

摘 要：鐵路外部環(huán)境安全隱患分布范圍廣、種類(lèi)繁多復(fù)雜，依靠人工實(shí)地作業(yè)的管理模式壓力巨大，而空天地一體化遙感憑借其非接觸、大范圍、高效的優(yōu)勢(shì)可多角度、多尺度獲取精細(xì)化鐵路外部安全隱患數(shù)據(jù)?；诳仗斓剡b感與圖像智能解譯技術(shù)，提出鐵路外部環(huán)境“全域安全隱患摸底—重點(diǎn)對(duì)象動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)—人工抽樣現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)—隱患定量化分級(jí)評(píng)估”的閉環(huán)管理新模式，有效推動(dòng)鐵路外部環(huán)境管理工作從人防向技防的轉(zhuǎn)變進(jìn)程。

關(guān)鍵詞：鐵路外部環(huán)境；安全隱患；行車(chē)安全；遙感技術(shù)；管理模式

中圖分類(lèi)號(hào)：TN948 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）22-0141-04

Abstract： The hidden dangers of railway external environment are widely distributed， various and complex， and the management mode of relying on manual field operation is under great pressure. With its non-contact， large-scale and efficient advantages， air-space-earth integrated remote sensing can obtain fine railway external safety hidden danger data from multiple angles and multi-scales. Based on the technology of space-space remote sensing and intelligent image interpretation， a new closed-loop management model of "global security hidden danger mapping-key object dynamic monitoring-manual sampling on-site confirmation-hidden danger quantitative classification assessment" in railway external environment is put forward. Effectively promote the transformation process of railway external environment management from civil air defense to technical defense.

Keywords： railway external environment; safety hidden danger; driving safety; remote sensing technology; management mode

截至2022年底，我國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到15.5萬(wàn)km，路網(wǎng)覆蓋范圍逐年擴(kuò)大，沿線環(huán)境日益復(fù)雜，鐵路外部環(huán)境安全已經(jīng)躍升為制約鐵路安全運(yùn)營(yíng)的主要挑戰(zhàn)。近年來(lái)路外環(huán)境影響行車(chē)安全事件頻發(fā)，如2018年京滬高鐵發(fā)生列車(chē)遭彩鋼板撞擊事件；2021年京津城際、京滬高鐵、京哈線和津山線等多條鐵路因接觸網(wǎng)異物導(dǎo)致列車(chē)晚點(diǎn)等事件。路外安全隱患的治理水平直接關(guān)系到安全事故發(fā)生的可能性。目前，鐵路外部環(huán)境安全隱患管理主要依賴(lài)于人工巡檢手段或手持記錄儀等少量技防手段，在鐵路管理工作智能化、信息化的大趨勢(shì)下，空天地遙感技術(shù)的引入，為外部環(huán)境調(diào)查工作提供了新的手段[1]，有效提升隱患管理的效率及信息化程度。

1 空天地遙感技術(shù)

遙感（Remote Sensing）即遙遠(yuǎn)的感知，其通過(guò)遙感器遠(yuǎn)距離不接觸采集目標(biāo)對(duì)象數(shù)據(jù)，并通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析來(lái)獲取有關(guān)地物目標(biāo)，或地區(qū)，或現(xiàn)象的信息的一門(mén)科學(xué)與技術(shù)[2]。根據(jù)搭載傳感器的平臺(tái)不同，遙感可分為航天遙感（衛(wèi)星、宇宙飛船）、航空遙感（有人機(jī)、無(wú)人機(jī)、飛艇和氣球）、地面遙感（車(chē)輛、高塔、手持等）。

航天遙感目前多指星基遙感（衛(wèi)星平臺(tái)），具有全天候工作、感知范圍大、基本不受地域界限和地理?xiàng)l件的限制等多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際鐵路應(yīng)用中存在時(shí)效性差、數(shù)據(jù)針對(duì)性低、分辨率不足的問(wèn)題。

航空遙感目前多指有人機(jī)遙感與無(wú)人機(jī)遙感，具有靈活性高、數(shù)據(jù)針對(duì)性強(qiáng)、抵近能力強(qiáng)和分辨率高的優(yōu)勢(shì)，但在鐵路實(shí)際應(yīng)用中存在易受天氣因素干擾、平臺(tái)續(xù)航能力差、數(shù)據(jù)獲取成本高的問(wèn)題。

地面遙感目前多指車(chē)載（搭載傳感器的汽車(chē)）或手持遙感，靈活、輕便，可探測(cè)垂直方向、頂部有遮擋（如橋下）的目標(biāo)，可配合人工巡檢，但在實(shí)際鐵路應(yīng)用中存在探測(cè)面積小，探測(cè)范圍受限等問(wèn)題。

空天地三種手段的遙感技術(shù)各有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也存在各自的短板[3]，將三者有機(jī)結(jié)合，互為補(bǔ)充，可為鐵路外部環(huán)境隱患調(diào)查提供豐富的數(shù)據(jù)源，進(jìn)而形成監(jiān)測(cè)能力更強(qiáng)的空天地一體化的鐵路外部環(huán)境遙感管理新模式。

2 鐵路外部環(huán)境安全隱患基本概念

2.1 鐵路外部環(huán)境安全隱患的定義

事故隱患是指人的活動(dòng)場(chǎng)所、設(shè)備及設(shè)施的不安全狀態(tài)，或者由于人的不安全行為和管理上的缺陷而可能導(dǎo)致人身傷害或者經(jīng)濟(jì)損失的潛在危險(xiǎn)[4]。相應(yīng)地，鐵路外部環(huán)境安全隱患是指鐵路限界外可能會(huì)影響行車(chē)安全或造成鐵路財(cái)產(chǎn)損失的環(huán)境中物或人的不安全狀態(tài)。

2.2 鐵路外部環(huán)境安全隱患分類(lèi)

結(jié)合遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)特點(diǎn)和數(shù)字圖像處理優(yōu)勢(shì)，本文將鐵路管理部門(mén)提出的外部環(huán)境安全隱患細(xì)化分為兩大類(lèi)，遙感技術(shù)可監(jiān)測(cè)類(lèi)與遙感技術(shù)暫不可監(jiān)測(cè)類(lèi)。

根據(jù)目前的遙感監(jiān)測(cè)水平，遙感技術(shù)可監(jiān)測(cè)類(lèi)包括：有明顯工程痕跡的違法施工、警示標(biāo)志缺失、開(kāi)采爆破，有明顯設(shè)備或痕跡的采砂淘金、圍墾造田、桿塔等倒落隱患，樹(shù)植隱患，堆放隱患，違建違占、硬質(zhì)飄浮物、輕質(zhì)飄浮物。

隱蔽性或突發(fā)性較強(qiáng)，多與人類(lèi)突發(fā)行為相關(guān)，遙感技術(shù)暫不可監(jiān)測(cè)類(lèi)包括：危險(xiǎn)物品類(lèi)、危害鐵路通信信號(hào)設(shè)施類(lèi)、危害電氣化鐵路設(shè)施類(lèi)、非法通行類(lèi)、非法燒荒類(lèi)和放養(yǎng)牲畜類(lèi)。

3 鐵路外部環(huán)境現(xiàn)行管理模式

目前，各鐵路局站段負(fù)責(zé)鐵路外部環(huán)境安全日常管理工作組織。通過(guò)護(hù)路隊(duì)巡檢等方式開(kāi)展鐵路外部環(huán)境安全隱患排查，發(fā)現(xiàn)隱患問(wèn)題并記錄上報(bào)，協(xié)調(diào)推進(jìn)鐵路外部環(huán)境安全隱患整治[5-6]。鐵路相關(guān)部門(mén)亟需利用技防手段提升站段現(xiàn)場(chǎng)隱患排查效率，并通過(guò)數(shù)字化、圖像化手段輔助鐵路局及國(guó)鐵集團(tuán)等部門(mén)的管理與決策。

4 基于遙感技術(shù)的外部環(huán)境管理模式

近年來(lái)，遙感技術(shù)憑借其大范圍、全天候、無(wú)接觸的優(yōu)勢(shì)在鐵路勘察設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)維階段獲得了廣泛應(yīng)用?？仗斓厝N遙感技術(shù)互為補(bǔ)充，擴(kuò)大了單一遙感手段在鐵路外部環(huán)境安全隱患信息獲取能力[7]?；诙嘣催b感數(shù)據(jù)及遙感圖像解譯結(jié)果，配合鐵路部門(mén)現(xiàn)行管理模式，建立鐵路外部環(huán)境安全隱患遙感監(jiān)測(cè)與管理新模式，推動(dòng)外部環(huán)境管理工作從人防向技防的轉(zhuǎn)變進(jìn)程。

4.1 安全隱患管理新模式

針對(duì)鐵路外部環(huán)境安全隱患管理現(xiàn)狀以及存在的問(wèn)題，采用基于衛(wèi)星遙感、航空攝影與地基移動(dòng)智能巡檢相結(jié)合的天空地一體化技術(shù)，融合深度學(xué)習(xí)智能算法，搭建鐵路外部環(huán)境安全隱患遙感監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，提出鐵路外部環(huán)境“全域安全隱患摸底—重點(diǎn)對(duì)象動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)—人工抽樣現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)—隱患定量化分級(jí)評(píng)估”的閉環(huán)管理新模式。

4.2 全域安全隱患摸底

目前，鐵路站段大多采用人工記錄隱患臺(tái)賬，存在隱患信息缺漏、動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè)不足的問(wèn)題。利用空天地立體化遙感進(jìn)行安全隱患摸底，可完善路局既有的隱患臺(tái)賬，彌補(bǔ)由于人工視角或者巡查不到位導(dǎo)致的臺(tái)賬遺漏問(wèn)題，并通過(guò)遙感圖像可視化隱患信息，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)安全隱患變化區(qū)域及變化類(lèi)別，打破傳統(tǒng)文字記錄，使隱患信息更直觀。

采用空天地一體化的遙感技術(shù)進(jìn)行站段管轄全域安全隱患摸底，調(diào)查范圍為鐵路中線兩側(cè)各500 m，全域安全隱患摸底工作建議一年一次。全域安全隱患摸底流程如下：①根據(jù)表1鐵路外部環(huán)境安全隱患分析表及該區(qū)域?qū)嶋H數(shù)據(jù)獲取成本，確定各類(lèi)型安全隱患數(shù)據(jù)獲取途徑，如利用衛(wèi)星影像獲取、有（無(wú)）人機(jī)獲取、地面遙感車(chē)獲取。②根據(jù)不同數(shù)據(jù)獲取途徑進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。衛(wèi)星影像：訂購(gòu)所管轄區(qū)域分辨率優(yōu)于1 m衛(wèi)星影像。航空影像（無(wú)人機(jī)或有人機(jī)）：設(shè)計(jì)飛行路線，航向重疊度不小于60%，旁向重疊度不小于40%，采用高精度航攝相機(jī)，分辨率設(shè)置為優(yōu)于0.2 m。地面遙感車(chē)或手持設(shè)備數(shù)據(jù)：同時(shí)配備全景相機(jī)與點(diǎn)云激光，獲取衛(wèi)星影像、航片被遮擋的安全隱患信息，如橋下堆積物、警示標(biāo)志缺失等，點(diǎn)云測(cè)量隱患面積及體積，抵近采集分辨率設(shè)置優(yōu)于0.1 m，最高分辨率可達(dá)2 cm。③數(shù)據(jù)處理，利用衛(wèi)星影像與航片數(shù)據(jù)制作正射影像，地基移動(dòng)數(shù)據(jù)配準(zhǔn)全景影像與點(diǎn)云數(shù)據(jù)。④采集安全隱患信息，利用基于深度學(xué)習(xí)的安全隱患自動(dòng)提取算法，配合人工采集，獲取安全隱患地理位置、面積、高度等信息，如圖1所示。⑤安全隱患數(shù)據(jù)錯(cuò)誤檢查與數(shù)據(jù)合并，進(jìn)行沿線段落數(shù)據(jù)采集正確性和質(zhì)量檢查以及拓?fù)溴e(cuò)誤檢查。⑥統(tǒng)一空間地理坐標(biāo)，將多源數(shù)據(jù)摸底結(jié)果進(jìn)行地理坐標(biāo)系統(tǒng)一。⑦安全隱患數(shù)據(jù)空間信息計(jì)算，根據(jù)里程和空間坐標(biāo)信息，恢復(fù)和計(jì)算安全隱患的鐵路要素從屬信息，包含起始里程和鐵路距離。

4.3 重點(diǎn)對(duì)象動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

根據(jù)全域安全隱患摸底情況與站段歷史巡檢記錄，對(duì)重點(diǎn)區(qū)域及重點(diǎn)對(duì)象進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要由機(jī)動(dòng)性較強(qiáng)、時(shí)效性較高的航空遙感（有人機(jī)、無(wú)人機(jī)）及地面遙感（地面遙感車(chē)、手持設(shè)備）采集，采集頻率建議為春秋季1月一次，夏冬季2～3月一次。利用面向?qū)ο蟮倪b感影像變化監(jiān)測(cè)技術(shù)提取安全隱患的變化，包括安全隱患新增、拆除、面積體積變化和類(lèi)型變化等，實(shí)現(xiàn)對(duì)安全隱患目標(biāo)的快速排查，為后續(xù)評(píng)估與監(jiān)管處置建立了基礎(chǔ)。

采用空地遙感技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)對(duì)象動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，調(diào)查范圍為全域安全隱患摸底結(jié)果以及歷史排查隱患聚集重點(diǎn)區(qū)域，重點(diǎn)對(duì)象動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)流程如下：①多期影像數(shù)據(jù)預(yù)處理與精確配準(zhǔn)，針對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域獲取的原始遙感影像進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理獲得正射影像，對(duì)不同時(shí)間、不同期次的遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行正射校正、影像鑲嵌和影像精準(zhǔn)配準(zhǔn)；②利用面向?qū)ο蟮某袼胤指睿⊿LIC）變化監(jiān)測(cè)技術(shù)完成安全隱患變化識(shí)別。將變化區(qū)域作為場(chǎng)景目標(biāo)信息進(jìn)行標(biāo)注，在影像特征分割的基礎(chǔ)上，對(duì)分割的對(duì)象進(jìn)行監(jiān)督分類(lèi)，并對(duì)分類(lèi)后的結(jié)果進(jìn)行變化監(jiān)測(cè)分析，將高鐵沿線各類(lèi)安全隱患按屬性進(jìn)行分類(lèi)和變化監(jiān)測(cè)，克服像素級(jí)變化的干擾；③根據(jù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)多期影像進(jìn)行疊加，完成安全隱患數(shù)據(jù)新增、刪減、面積體積變化和類(lèi)型更改等信息更新。

4.4 人工抽樣現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)

通過(guò)遙感影像變化監(jiān)測(cè)與目標(biāo)識(shí)別相結(jié)合的方式，可以在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)管護(hù)區(qū)域內(nèi)安全隱患進(jìn)行動(dòng)態(tài)排查，及時(shí)掌握安全隱患現(xiàn)狀。由于人工智能算法仍然存在一定的誤判情形，仍需要保留人工干預(yù)以盡可能提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。另外，受影像數(shù)據(jù)質(zhì)量、分辨率等現(xiàn)實(shí)因素制約，以及隱患目標(biāo)的屬性信息如高度、堅(jiān)固程度、危險(xiǎn)等級(jí)等無(wú)法從遙感影像上直觀掌握，因此仍有必要對(duì)發(fā)生變化的安全隱患進(jìn)行實(shí)地人工抽樣現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)。

利用鐵路沿線高分辨率遙感正射影像，結(jié)合鐵路線位、橋墩、安保區(qū)等地理信息，輔助巡檢人員進(jìn)行實(shí)地抽樣巡查，在安全隱患全域摸底與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)安全隱患進(jìn)行查漏補(bǔ)缺，進(jìn)行實(shí)地核實(shí)，確定下一步整治處理。

4.5 隱患定量化分級(jí)評(píng)估

根據(jù)鐵路外部環(huán)境安全隱患監(jiān)測(cè)結(jié)果，結(jié)合地形地貌、氣候條件等因素，對(duì)安全隱患進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)評(píng)估，使鐵路管理部門(mén)更好地掌控安全隱患致災(zāi)可能性，并作為主要數(shù)據(jù)信息輔助安全隱患處理決策。

隱患定量化分級(jí)評(píng)估流程如下：①梳理周界安全風(fēng)險(xiǎn)與外部環(huán)境安全隱患事件，深入分析風(fēng)險(xiǎn)隱患影響行車(chē)安全的原因與程度，通過(guò)專(zhuān)家知識(shí)與智能感知的圖像解譯方法對(duì)影響高鐵安全運(yùn)行的各類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)隱患逐個(gè)地進(jìn)行判斷、鑒定及歸類(lèi)，明確周界安全與外部環(huán)境可能影響高鐵安全運(yùn)行的各類(lèi)因素及產(chǎn)生條件；②充分分析風(fēng)險(xiǎn)隱患精細(xì)判別結(jié)果，構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)事件的致因網(wǎng)絡(luò)，利用綜合專(zhuān)家知識(shí)致因網(wǎng)絡(luò)鏈，確定風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估因素與標(biāo)準(zhǔn)。利用模糊層次分析法，構(gòu)建因素集及評(píng)估集、推演隸屬度與權(quán)重計(jì)算方法，完成對(duì)風(fēng)險(xiǎn)隱患的評(píng)估，如圖2所示；③設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)隱患分級(jí)預(yù)警機(jī)制，研究多源異構(gòu)評(píng)估數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算方法，標(biāo)準(zhǔn)化處理后評(píng)估因素，使其與風(fēng)險(xiǎn)隱患呈正相關(guān)關(guān)系，根據(jù)場(chǎng)景與專(zhuān)家知識(shí)設(shè)計(jì)基于多評(píng)價(jià)因素的分級(jí)評(píng)估策略。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的鐵路外部環(huán)境“全域安全隱患摸底—重點(diǎn)對(duì)象動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)—人工抽樣現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)—隱患定量化分級(jí)評(píng)估”的閉環(huán)管理新模式，有助于減少現(xiàn)場(chǎng)人工，提高外部環(huán)境巡檢效率。其中，智能化安全隱患摸底與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)了安全隱患管理的數(shù)字化、可視化，隱患定量化分級(jí)評(píng)估結(jié)果為后續(xù)隱患處理工作提供了科學(xué)的數(shù)據(jù)依據(jù)。空天地遙感技術(shù)和新管理模式的應(yīng)用推動(dòng)了鐵路外部環(huán)境安全隱患管理工作從人工到技防的轉(zhuǎn)變。

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基金項(xiàng)目：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院院基金重點(diǎn)課題（2021YJ145）

第一作者簡(jiǎn)介：鄭佳怡（1995-），女，碩士，工程師。研究方向?yàn)殍F路遙感。