Шухостанов В.К.1, Реутов В.Г.2, Еремина М.В.1, Ведешин Л.А.3, Цыбанов А.Г.1
1 Отделение «Диагностика и безопасность техносферы», РАЕН
2 ОАО «Корпорация ФАЗОТРОН», г.Москва
3 Президиум РАН
Тел.: (495) 139-49-39; e-mail: v-p@diatech.ru
Space and local airborn diagnostics and monitoring of modern railway transport objects and systems
Shukhostanov V., Reutov V., Eryomina M., Vedeshin L., Tsybanov A.
Contemporary methods for diagnostics and monitoring of railway transport technosphere are developed by authors and now are in a stage of practical approbation and realization. They are based on space images and aerial data from optical, laser, GPR, infra-red, geomagnetic remote sensing. Some results are presented and discussed.
Введение
Диагностика и мониторинг реального технического состояния железнодорожной транспортной инфраструктуры (мостов, тоннелей, рельсового пути, земляного полотна (насыпей) и др.) – одна из наиболее актуальных задач в нашей стране и одно из важнейших направлений диагностики техносферы.
Сложившаяся практика эпизодических наземных обследований, инспекций, осмотров, выборочных проверок не может обеспечить оперативное получение достоверных и достаточных данных о реальном техническом состоянии таких пространственно протяжённых уникальных сооружений и конструкций, какими являются объекты железнодорожной транспортной техносферы.
Нами разработана и сейчас находится в стадии практической апробации и реализации на объектах техносферы АО «Российские Железные дороги» технология глобальной космической и локальной воздушной диагностики и мониторинга железнодорожных тоннелей, рельсовых путей, земляного полотна и железнодорожных мостовых сооружений.
Технология включает в себя:
- глобальную космическую диагностику железнодорожных объектов и их ближайшего и дальнего окружения;
- локальную воздушную диагностику железнодорожных объектов, их участков, узлов, элементов и непосредственного окружения.
С использованием элементов и компонент разработанной технологии начаты опытные работы по вертолётной лазерно-георадарной диагностике рельсовых путей и земляного полотна, ведутся работы по космической диагностике железнодорожного тоннеля «Сочи – Дагомыс» длиной 450м и Северомуйского тоннеля Восточно-Сибирской железной дороги длиной 15км. Для визуализации получаемых данных и результатов их анализа используются средства ГИС (ArcGIS) и программы для обработки данных дистанционного зондирования.
Глобальная космическая диагностика
Глобальная космическая диагностика железнодорожных объектов и их ближайшего и дальнего окружения проводится с помощью многозональных, гиперспектральных оптических, а также инфракрасных и радарных спутниковых систем. Она позволяет решать следующие задачи:
- трассодиагностика железнодорожного пути, выявление прилегающих к нему объектов техносферы, их характерных элементов и ближайшего окружения;
- анализ рельефа местности трассы железнодорожного пути;
- анализ влажности грунтов и оценка динамики подтопления исследуемой трассы железнодорожного пути;
- выявление потенциально опасных участков железнодорожного пути и его окружения;
- определение зон повышенных тектонических нагрузок.
Диагностика трассы железнодорожного пути
Выявление трассы железнодорожного пути является одним из начальных этапов проведения космической диагностики. Производится исследование трассы земляного полотна и его сооружений, технического коридора железнодорожного пути, ширины обочины земляного полотна и т.п.
В ходе космической диагностики кроме самого исследуемого объекта необходимо в максимальной степени выявить все детали этого объекта, а также элементы ближайшего окружения. Только в этом случае возможна полноценная оценка технического состояния исследуемого объекта.
Северомуйский тоннель. Космическая диагностика Северомуйского тоннеля проводилась по космическому снимку с Landsat-7. На этом спутнике установлен сенсор ETM+ с 8 спектральными каналами. Они охватывают видимый, ближний, коротковолновый и тепловой инфракрасные диапазоны спектра. Разрешение снимка составляет 15м для панхроматического канала, 30м – для видимых ближнего и коротковолновых инфракрасных каналов и 60м для теплового инфракрасного канала.
Для проведения космической диагностики трассы этого тоннеля использовались все спектральные каналы сенсора ETM+. Спектральные каналы синтезированы с панхроматическим каналом высокого пространственного разрешения.
После проведения мультиспектрального анализа были выявлены основные элементы тоннеля (западный и восточный порталы, вертикальные шахтные стволы № 1-4) и их координаты.
Для дальнейших исследований основных элементов тоннеля и его окружения была выбрана наиболее оптимальная, с точки зрения информативности, комбинация ближнего (№4), среднего инфракрасного (№5) и красного видимого (№3) каналов (рис. 1).
Рис. 1. Северомуйский тоннель. Комбинация каналов 4-5-3 сенсора Landsat-7 ETM+.
Железнодорожная трасса (обход Северомуйского тоннеля) на выбранной комбинации каналов выделяется тёмно-коричневым цветом, насыпная автодорога – бледно-зеленым, растительность и горные массивы зелёным и светло-коричневым, реки и водоёмы – тёмно-фиолетовым, урбанизированные территории – светло-голубым, просеки – жёлтым цветом.
Выявлены следующие элементы окружения Северомуйского тоннеля:
- железнодорожный обход
- тоннели железнодорожного обхода
- насыпная автодорога
- урбанизированные территории
- линии электропередач
- реки
- водоёмы.
Основные элементы тоннеля и его ближайшего окружения, выявленные при проведении космической диагностики трассы, представлены на рис. 2.
Рис. 2. Основные элементы Северомуйского тоннеля и его ближайшего окружения.
Железнодорожный тоннель на участке «Сочи-Туапсе». Космическая диагностика этого тоннеля проводилась по космическому снимку сверхвысокого пространственного разрешения QuickBird.
На спутнике QuickBird установлен сенсор BHRC-60 с 4 спектральными каналами. Они охватывают видимый и ближний инфракрасный диапазоны спектра. Разрешение снимка составляет 0,61м для панхроматического канала, 2,5м – для видимого и ближнего инфракрасного каналов.
Для проведения космической диагностики трассы железнодорожного тоннеля использовалась синтезированная с панхроматическим каналом комбинация каналов 3-2-1.
Надтоннельная поверхность представляет собой склон, заросший кустарником, на ней отмечены оползневые участки. Выше склон застроен жилыми постройками. Справа от тоннеля находится побережье Чёрного моря.
В процессе диагностики были выявлены основные элементы тоннеля и его окружения (порталы тоннеля со стороны Дагомыса и Сочи, три оползневых участка) и их координаты.
Анализ рельефа вдоль трассы железнодорожного пути
Оценка рельефа местности позволяет определить потенциально опасные места, оказывающие дополнительные нагрузки на тоннель, места железнодорожного пути с чрезмерной крутизной откосов, а также лучше визуально определить взаимное расположение объектов, оценить их взаимосвязь и проанализировать влияние перепадов высот на железнодорожные пути.
В качестве исходных данных для анализа рельефа используется информация радарной радиолокационной интерферометрии. На основе этих данных строится модель в виде географического массива опорных точек с требуемым пространственным разрешением. Полученная модель может быть отредактирована на предмет удаления пустых (не содержащих информацию) областей, коррекции данных по высоте и пространственному положению, добавления новых данных и т.д. Откорректированный массив точек интерполируется в непрерывную растровую модель местности. Метод интерполяции выбирается, исходя из требований к качеству и точности модели. Непрерывная растровая модель местности – финальный вариант трехмерной модели местности, который является основой для дальнейших исследований. Эта модель местности может быть объединена с космическим снимком.
Северомуйский тоннель. На территорию прохождения тоннеля была построена непрерывная трёхмерная модель местности, на которую был наложен космический снимок LandSat-7 (рис. 3).
Рис. 3. Трёхмерная модель местности Северомуйского тоннеля.
Для оценки влияния рельефа на исследуемый объект была построена поверхность, проходящая над тоннелем относительно уровня моря. По результатам оценки были сделаны следующие выводы:
- западные и восточные порталы тоннеля находятся приблизительно на одном уровне по высоте;
- максимальная глубина заложения тоннеля составляет около 1км на участке от 6 до 8 км от Западного портала. Таким образом, на этом участке могут возникать дополнительные нагрузки.
Железнодорожный тоннель на участке «Сочи-Туапсе».На территорию прохождения этого тоннеля была построена непрерывная трёхмерная модель местности, на которую был наложен космический снимок QuickBird (рис. 4). Для оценки влияния рельефа на исследуемый объект была построена поверхность, проходящая над тоннелем относительно уровня моря. По результатам оценки были сделаны следующие выводы:
- положение по высоте Входа 1 (Дагомыс) и Входа 2 (Сочи) различается незначительно (около 7м).
- внешних дополнительных нагрузок на свод тоннеля не обнаружено.
Рис. 4. Трёхмерная модель местности железнодорожного тоннеля на участке «Сочи-Туапсе».
Анализ влажности грунтов
Повышенная влажность грунтов крайне негативно сказывается на нормальном функционировании тоннельных систем, может приводить к затоплению тоннелей, обводнению, разрушению обделки и т.д. Для выявления таких мест проводится анализ влажности грунтов надтоннельной территории. Он также полезен при диагностике состояния откосов железнодорожных насыпей и выемок. Ведь основными факторами, вызывающими оползневые процессы, смещение откосов насыпей и выемок, являются переувлажнение грунтов атмосферными, грунтовыми или паводковыми водами, эрозионный размыв откосов, а также сезонные колебания влажностного режима грунтов.
Указанные факторы изменяют напряженное состояние железнодорожной насыпи, уменьшают сопротивление грунтов сдвигу, вызывают деформацию земляного полотна и его сооружений.
Северомуйский тоннель. Для анализа влажности грунтов этой территории использовалась комбинация каналов 4-5-3 LandSat-7, то есть комбинация ближнего, среднего ИК-каналов и красного видимого канала. Она позволяет различить границу между водой и сушей и подчеркнуть скрытые детали, плохо видимые при использовании только каналов видимого диапазона. Возможно детектирование водных объектов. Эта комбинация дает возможность анализа влажности. В целом, чем выше влажность грунтов, тем темнее она будет выглядеть, что обусловлено поглощением водой излучения ИК диапазона. В результате были определены места повышенной влажности на трассе Северомуйского тоннеля (рис. 5).
Рис. 5. Места повышенной влажности территории Северомуйского тоннеля.
Железнодорожный тоннель на участке «Сочи-Туапсе». Для анализа влажности грунтов территории этого тоннеля использовались спектральные каналы системы QuickBird. Предварительный сравнительный анализ информативности спектральных каналов показал, что лучше всего увлажнённые участки грунта отображаются в канале № 2 (0,52 – 0,6мкм). Были в первом приближении определены места повышенной влажности на трассе тоннеля.
Выявление потенциально опасных участков
Систематизация и объединение всех данных, полученных в ходе космической диагностики, является основой для определения потенциально опасных участков, к которым относятся участки:
- повышенной влажности;
- находящиеся на насыпях, отсыпанных на болотах и других слабых основаниях; участки подтопления и размыва земляного полотна;
- расположенные в зоне оврагообразования;
- с чрезмерной крутизной откосов;
- расположенные на оползнях;
- селеопасные, скально-обвальные, оползневые, карстовые участки;
- участки с повышенными внешними нагрузками;
По результатам глобальной космической диагностики были определены потенциально опасные участки для Северомуйского тоннеля (рис. 6) и тоннеля на участке «Сочи – Туапсе» (рис. 7).
Рис. 6. Потенциально опасные участки Северомуйского тоннеля.
Рис. 7. Потенциально опасные участки тоннеля «Сочи-Туапсе».
Локальная воздушная диагностика
Локальная воздушная диагностика самих железнодорожных объектов, их участков, узлов, элементов и непосредственного окружения производится с помощью воздушных лабораторий.
В отличие от традиционных воздушных лабораторий, созданных на базе тяжёлых вертолётов и самолётов, мы планируем использовать аппараты малой воздушной авиации. То есть машины, для которых не требуются различного рода полётные разрешения, специально оборудованные площадки и аэродромы, которые могут производить полёты на малых и сверхмалых высотах и при небольших скоростях, имеют хорошую манёвренность (рис. 8).
Рис. 8. Вертолётная лаборатория локальной воздушной диагностики.
В состав лаборатории входят:
- РСА-георадар метрового диапазона
- система лазерного сканирования
- GPS-GLONASS система пространственной привязки
- видеофотоизмерительная система
- многоканальная инфракрасная камера.
Система воздушного лазерного сканирования.Установленный на вертолете лазерный сканер проводит дискретное сканирование трассы земляного полотна и его сооружений, технического коридора железнодорожного пути, регистрируя направление и время прохождения лазерного луча.
По результатам лазерного сканирования строятся план, профиль и трёхмерная модель железнодорожного пути, его элементов и сооружений. На этой основе можно оценить не только изменение геометрии железнодорожного пути и его элементов, но и выявить дефекты и деформации земляного полотна, элементов металлоконструкций и опор железнодорожных мостов и других сооружений.
РСА-георадарное зондирование.Параллельно лазерному сканированию ведётся георадарное зондирование с помощью РСА-георадара метрового диапазона (радиолокатора с синтезированной апертурой). Широкая зона зондирования РСА-георадара (100м) позволяет оценивать состояние балластного слоя и грунта не только под основной площадкой рельсового пути, но и в межрельсовом промежутке и по краям железнодорожного полотна. Высокая скорость сканирования позволяет производить зондирование протяжённых участков за короткое время: 150-180км за 1 час.
Георадарное зондирование позволяет выявить в земляном полотне дефекты и деформации, места с ослабленными зонами, картировать подземные коммуникации, оценить состояние фундаментов и опор мостов. Схема зондирования c использованием РСА-георадара представлена на рисунке 9. Данную технологию планируется применить при диагностике тоннеля «Дагомыс-Сочи».
Рис. 9. Схема зондирования РСА-георадара.
Видеофотоизмерительная система.Для более точной визуализации объектов и обработки информации, полученной по результатам воздушного лазерного сканирования, производится цифровая аэрофотосъёмка.
Многоканальная инфракрасная камера позволяет получать многоцелевые информационно-метрические карты теплового излучения местности и размещенных на ней инженерных объектов, оценивать и прогнозировать аномальные процессы и ситуационные состояния природного, техногенного и антропогенного характера.
GPS-GLONASS система пространственной привязки. Привязка всех данных, полученных при лазерном сканировании, георадарном зондировании и аэрофотосъёмке инфракрасной камерой, осуществляется с помощью GPS-GLONASS системы. Это позволяет указать точные координаты любых объектов и обнаруженных дефектов.
Результаты
Железнодорожные транспортные объекты и системы имеют значительную пространственную протяжённость. Эпизодические точечные наземные локальные обследования не обеспечивают оперативного получения достоверных и достаточных данных об их реальном техническом состоянии.
Рис. 10. Комплексная диагностика протяжённых объектов.
Предложенная технология и всесторонний анализ собранных данных позволяют в полной мере оценить состояние железнодорожных транспортных систем на всём протяжении диагностируемого объекта (рис. 10). Данная технология имеет комплексный характер и позволяет:
- получить высокоточные трёхмерные модели надземной и подземной части земляного полотна;
- выявить и классифицировать дефекты надземной и подземной части земляного полотна;
- выделить потенциально опасные участки железнодорожного пути;
- провести картирование подземных коммуникация, пересекающих ж/д насыпь;
- определить толщины и состав конструктивных слоёв железнодорожной насыпи;
- оценить воздействие пойменной воды и наводнений на насыпи;
- определить геометрию кровли и естественного основания насыпи;
- выявить просадки в слоях балластной призмы и естественного основания.
В настоящее время наши усилия направлены на дальнейшее развитие теоретических основ и расширение практического использования методов космической диагностики в приложении к разным объектам техносферы.
