基于微波陣列技術的高鐵周界安防系統(tǒng)應用研究

劉子暢 王軍鋒 呂大勇

(中科藍卓（北京）信息科技有限公司，北京 101399)

1 概述

近年來，隨著高速鐵路的快速發(fā)展，因周界安防手段技術能力不足、巡邏人員監(jiān)管能力有限等原因，人為闖入、故意干擾行車事件屢次發(fā)生，造成了大量的財產(chǎn)損失，甚至威脅到生命安全，因此高速鐵路周界安防已經(jīng)逐漸引起廣泛關注[1]。隨著科學技術的迅猛發(fā)展，周界安防領域的技術及應用也在不斷的更新。尚賓賓學者在2018年對鐵路周界入侵報警中應用到的紅外對射、振動電纜、視頻監(jiān)控等9個技術手段進行了論述及對比，并提出在長距離、復雜環(huán)境下的鐵路沿線周界合理布放安防手段的建議[2]。2018年徐夢姝學者提出了一種新型高速鐵路周界入侵報警系統(tǒng)，是基于智能分析技術對攝像圖像進行智能識別，進而起到提起預警作用，并通過長期系統(tǒng)運行積累數(shù)據(jù)，進而利用大數(shù)據(jù)分析技術優(yōu)化系統(tǒng)算法庫，實現(xiàn)報警準確率的提升[3]。在其他領域，各學者也對周界安防做了研究與工程部署。2017年文靈學者對多傳感器融合技術進行研究，提出以時間和空間兩個維度將多種傳感器報警信息進行融合，并將技術成果在周界安防中的應用進行了探討與研究[4]。2018年高寧和陳振鳴學者提出了新一代基于智能入侵探測技術的周界安防系統(tǒng)應用于某指揮部周界安防中，對比提出了8種周界安防產(chǎn)品的各類指標和性能的對比，并基于在某基地的實際應用情況，得出針對于場站復雜環(huán)境來說，新型的基于入侵探測技術的周界安防系統(tǒng)更能夠有效的對場站周界進行多維度監(jiān)控與報警[5]。

學者們對主流的周界安防手段技術原理進行分析與論述，同時在軍用基地、機場、學校等領域的應用進行研究。結(jié)合各學者提出的業(yè)務上的需求、技術上的優(yōu)缺點，為本文研究提供良好基礎。高鐵沿線線路較長，涉及的各類環(huán)境要比場站、學校、機場等復雜得多，并且考慮到高鐵路段管理的特殊性，目前并沒有形成統(tǒng)一的周界安防技術標準，仍需根據(jù)實際沿線環(huán)境和管理業(yè)務需求進行探討。本文對高鐵周界安防現(xiàn)狀進行全面分析，總結(jié)出具體的業(yè)務需求，并提出切實可行的解決辦法，為高鐵周界安防有效管理提供輔助支持。

2 周界安防技術水平現(xiàn)狀及問題分析

2.1 高鐵周界技防現(xiàn)狀

周界安防手段可概括為人防、物防、技防3類，其中人防主要是利用人工加強巡邏，物防主要是利用地勢、圍墻、鐵絲滾網(wǎng)等物理防范手段，技防是利用信息技術對周界范圍進行信息化管理。隨著科學技術進步與整個安防事業(yè)不斷發(fā)展，周界安防技術能力也在不斷革新，當今周界防護系統(tǒng)主要包括：紅外探測、電子圍欄、振動光纖、泄漏電纜、視頻監(jiān)控等手段。然而受制于高鐵沿線特殊復雜的周界環(huán)境，在高鐵周界安防領域開展應用示范及驗證較多的技術手段以紅外對射、振動光纖、視頻監(jiān)控為主。

1)紅外對射是利用始端發(fā)射脈沖紅外線，由受光器接收，防區(qū)內(nèi)有物體遮擋光波時觸發(fā)報警；紅外對射設備小巧、安裝成本低、市場和技術均表現(xiàn)成熟。據(jù)調(diào)研可知，高鐵周界范圍有茂密植被，并且在霧霾、雨雪等天氣時，紅外對射設備極易將產(chǎn)生誤報警信息；另一方面，由于高鐵周界地勢有起伏，且周界有拐點，需要安設多套設備，也造成了施工難、設備多等問題。

2)振動光纖是以感應光纖、光電轉(zhuǎn)換單元為核心組件，基于光學干涉原理，當發(fā)生振動引起纖芯變形，導致光位相變化時，通過感測光的波形等變化特性，并經(jīng)過模型計算，可以識別入侵行為和侵入地點。在高鐵周界安防場景中通常被安裝在鐵絲圍欄和柵欄上，對攀爬、破壞周界行為較為敏感，但對翻越入侵行為無法實施監(jiān)測報警。振動光纖優(yōu)勢在于不受地形起伏、周界拐點多等因素限制，但其敏感度通常較高，在大風、大雨天氣以及周圍車輛引起的振動等場景下誤報情況較為嚴重，同時在長距離橋梁段由于車速的影響，無法有效探測入侵情況。

3)視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)逐漸從傳統(tǒng)的模擬視頻監(jiān)控、數(shù)字視頻監(jiān)控手段轉(zhuǎn)為智能視頻系統(tǒng)，通過圖像識別、行為識別相關技術實現(xiàn)對入侵的報警。另一方面的主要作用為實時錄像、事后核查、事故追責。視頻監(jiān)控系統(tǒng)在周界安防應用中往往與其他周界安防系統(tǒng)共同配合使用，但并沒有實現(xiàn)系統(tǒng)間的融合與聯(lián)動。且由于高鐵周界通常有茂密植被，對視頻監(jiān)控設備易造成遮擋，因此為視頻監(jiān)控系統(tǒng)帶來了較大的監(jiān)控挑戰(zhàn)。

2.2 高鐵周界安防問題分析

1)各周界安防系統(tǒng)之間相對獨立，針對非法入侵事件沒有形成聯(lián)動報警

近年來，智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)逐漸在高鐵安防中廣泛應用與部署，但目前僅限于個別重點區(qū)域部署，并沒有形成全線部署。在智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)基礎上，采用振動光纖、紅外對射等周界技防手段沒有與已經(jīng)形成規(guī)模化部署的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)形成聯(lián)動與深度融合，不能對入侵事件進行一體化查看，需要借助空間維度和時間維護進行查詢，為安防管理帶來難度。

2)對于執(zhí)勤巡邏、維修人員不能識別

高鐵線路施工工程較多，且根據(jù)周界實際需求也會有日常巡邏人員。現(xiàn)有的周界安防系統(tǒng)對于合法施工維修人員和日常合法巡邏人員在靠近、穿越周界開展合法施工時不能有效識別，仍會按照非法入侵處理，造成誤報警事件，同時也會引起安防管理人員恐慌。

3)由于小動物、植被、天氣情況造成誤報現(xiàn)象較為嚴重

基于高鐵周界范圍環(huán)境特殊性，路基段多有茂密植被生長，嚴重影響現(xiàn)有周界安防技術手段報警的有效性。同時現(xiàn)有手段受到天氣狀況影響較為嚴重，甚至霧霾、大霧天氣也會對現(xiàn)有系統(tǒng)造成嚴重擾動而產(chǎn)生誤報警現(xiàn)象。

3 高鐵周界安防需求分析

隨著我國高速鐵路運營里程日益增加，車站、線路、接觸網(wǎng)及沿線設備組成的鐵路運輸環(huán)境與環(huán)境接觸范圍不斷擴大。尤其高速鐵路的周界安全風險，具體表現(xiàn)出阻礙列車發(fā)出、在線路上放置異物、非法破壞或穿越鐵路柵欄、道路車輛或沿線材料侵入鐵路線路等行為，這些惡意行為或潛在危險給鐵路運輸帶來嚴重事故隱患。因此，高鐵周界安防顯得尤為重要。以尚賓賓為代表的學者提出，綜合考慮線路總體設施及線路情況，將整個線路進行詳細劃分為重要設備房屋、重要機構(gòu)設施、安全運行線路、車站、站臺、上跨鐵路立交橋、特殊運輸站段等場景。這一類學者們認為單一的周界安防報警技術不能良好滿足用戶對于周界安全的實際需求，并提議采用多種技術相結(jié)合的方式，對高鐵周界安防進行全面管理。經(jīng)過分析可知，雖然在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)入侵報警與必要的周界安防管理，但是由于技術手段眾多、又受限于各類安防系統(tǒng)技術接口與架構(gòu)的差異性，很難實現(xiàn)通過統(tǒng)一平臺的管理，因此需要每采用一種手段即需建立一套后臺管理系統(tǒng)，為路段安防管理人員帶來極大的工作量與工作難度，在全面推廣實用角度存在極大難度。高鐵周界安防具體如下。

1)需要支持不規(guī)則地形、圍網(wǎng)部署

受到地勢起伏、路橋結(jié)合處、長距離周界等環(huán)境限制，為能實現(xiàn)周界安防系統(tǒng)的一體化部署，避免過多設備安裝，需要周界安防系統(tǒng)能夠有效應對地形的起伏，能夠在不規(guī)則的周界范圍統(tǒng)一、一體化部署，能夠在圍網(wǎng)、圍墻、柵欄等處統(tǒng)一安裝部署。

2)需要提供統(tǒng)一的周界安防監(jiān)控平臺

高鐵周界環(huán)境復雜，需要利用多種周界安防監(jiān)控手段實施周界入侵報警。但出于管理便捷性、報警準確性、多手段聯(lián)動性等多方面考慮，需要具有統(tǒng)一的監(jiān)控平臺對報警事件進行查看、處理、核查，進而有效提升事件處置效率。

3)需要能夠與視頻安防系統(tǒng)聯(lián)動監(jiān)控

由于視頻監(jiān)控將逐步在高鐵周界范圍安裝部署，并同時考慮到視頻系統(tǒng)對事件可視化管理的優(yōu)勢，需要周界安防報警系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行深度融合，實現(xiàn)基于報警事件的聯(lián)動。進而從報警信息和視頻全事件跟蹤方面取證，為高鐵周界安防管理提供依據(jù)。

4)需要能克服周邊植被環(huán)境干擾，降低誤報率

茂密植被是高鐵周界安防系統(tǒng)有效性的重要挑戰(zhàn)，針對茂密植被的嚴重干擾，需要周界安防系統(tǒng)能夠有效進行合理過濾，提升報警有效性，降低誤報率。同時由于周界系統(tǒng)安裝部署在室外，需要充分考慮室外暴曬、雨雪等天氣條件。

5)需要能夠準確定位入侵行為

周界范圍距離較長且拐點較多，周界安防系統(tǒng)需要能夠準確的定位入侵行為發(fā)生的地點，需要對多個點進入監(jiān)控范圍行為進行記錄，并且記錄于統(tǒng)一軟件平臺界面，可通過可視化方式進行管理查看。

6)需要識別日常巡邏、維修人員并記錄軌跡

針對高鐵周界日常巡邏人員以及維護維修人員，系統(tǒng)需要對該類合法的工作人員進行有效識別，對其進入防范周界范圍時不產(chǎn)生報警信息，僅對其運動軌跡及進入人員詳細信息進行記錄。

4 微波陣列技術在高鐵周界安防中的應用研究

4.1 基于微波陣列技術的周界安防系統(tǒng)概述

基于微波陣列技術構(gòu)建的周界安防系統(tǒng)以線纜形態(tài)展現(xiàn)，當物體靠近其探測范圍時即可產(chǎn)生報警信息，可滿足在不規(guī)則范圍、高低起伏地勢條件下的部署。同時可滿足實體墻、圍欄、圍網(wǎng)等多種環(huán)境下的部署。該系統(tǒng)后臺軟件采用了深度學習算法，可有效對小動物、植被、天氣等干擾進行識別，從而降低誤報事件發(fā)生概率。該系統(tǒng)同時打通了與主流視頻監(jiān)控設備的鏈路，能夠與視頻監(jiān)控設備進行深度融合，實現(xiàn)報警驅(qū)動與實時聯(lián)動，即由探測線纜對入侵事件進行探測，再由報警信息驅(qū)動視頻設備實現(xiàn)對入侵行為的跟蹤，從而實現(xiàn)事件跟蹤與取證。

系統(tǒng)主要由微波探測與信息收集系統(tǒng)、事件管理軟件、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、自動識別終端組成。其中，微波探測與信息收集系統(tǒng)是由探測線纜和數(shù)據(jù)收集分站組成，是部署在周界范圍用來進行周界安防監(jiān)測的設備；事件管理軟件是基于深度學習算法實現(xiàn)入侵目標的類型識別，是通過可視化的高鐵周界環(huán)境進行入侵事件精確定位與管理；視頻監(jiān)控系統(tǒng)用來進行入侵行為跟蹤與核查，可以利用現(xiàn)有視頻安防監(jiān)控設備；自動識別終端是提供給巡邏檢查的合法人員佩戴的設備，通過它可以識別進入探測場內(nèi)人員的合法性,如圖1所示。

圖1 微波陣列技術在周界安防中的工作原理Fig.1 Working principle of microwave array technology in perimeter security

4.2 系統(tǒng)原理

提出了一種基于微波陣列技術的周界安防系統(tǒng)，其優(yōu)勢在于當有效非法目標靠近監(jiān)控區(qū)域時即產(chǎn)生報警信息，同時可觸發(fā)視頻系統(tǒng)對非法目標進行追蹤取證。提升了周界安防的管理手段和管理能力。系統(tǒng)的整體工作原理如圖2所示。

4.3 微波陣列技術在高鐵周界安防中的應用

圖2 系統(tǒng)工作原理圖Fig.2 System working principle diagram

系統(tǒng)利用密集的智能微波收發(fā)芯片形成陣列式入侵探測裝置，并以線纜形式均勻排布。每個微波收發(fā)芯片以ms級的極短周期發(fā)射傳感探測信號。兩條平行部署的探測線纜，形成密度極高、相互交疊、立體空間的自適應微波陣列，通過微波信號收發(fā)在空間構(gòu)成傳感探測場，智能傳感非法入侵行為并定位入侵點。同時基于微波陣列技術，對智能入侵探測和數(shù)據(jù)通信模塊進行拓展。由于系統(tǒng)采用密集的微波芯片作為探測單元，系統(tǒng)對每個芯片進行唯一編碼，進而實現(xiàn)對入侵事件的相對位置定位，通過與空間地理信息位置的匹配實現(xiàn)精確定位。

微波陣列技術在周界安防中的應用優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：第一，以線纜形式展現(xiàn)，針對地形起伏、拐點多、有圍墻和柵欄墻的多規(guī)范周界具有很好的環(huán)境適應性；第二，密集微波探測芯片的部署能夠?qū)θ肭帜繕诉M行精確定位；第三，低頻微波信號不會對高鐵運行產(chǎn)生任何干擾與影響；第四，基于微波信號的特性，結(jié)合后臺對微波信號的識別解析算法，并基于信號知識庫可對入侵目標類型進行識別。因此，基于上述優(yōu)勢，在環(huán)境復雜的高鐵周界利用微波陣列技術，能夠有效的解決現(xiàn)有安防系統(tǒng)中誤報率高問題。

4.4 數(shù)據(jù)通訊與智能識別技術在高鐵周界安防中的應用

數(shù)據(jù)通信模塊的擴展是基于合法人員識別的需求，通過微波芯片發(fā)出的信號與智能識別卡之間形成信號通信，進而識別其合法性。合法人員可通過佩戴智能識別卡實現(xiàn)與探測線纜芯片之間的信息通信，進而實現(xiàn)信息交互與數(shù)據(jù)連接，從而識別入侵目標的合法性。針對合法侵入行為，系統(tǒng)對其運動軌跡進行記錄，以供巡邏任務核查與監(jiān)督。

4.5 多傳感融合技術在高鐵周界安防中的應用

基于微波陣列技術的周界安防系統(tǒng)所用傳感為基于微波芯片構(gòu)成的入侵探測設備以及視頻監(jiān)控系統(tǒng)。整套系統(tǒng)中將入侵探測設備和視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過后臺報警機制進行深度融合。由入侵探測設備探測到報警信號時通過消息機制傳送至視頻監(jiān)控系統(tǒng)，以ms級的速度調(diào)度視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行入侵目標識別與跟蹤。進而從空間、時間兩個維度形成緊耦合關系，提供多維度的入侵報警信息。

5 結(jié)論

對基于微波陣列技術構(gòu)建的周界安防系統(tǒng)在高鐵周界安防中的應用進行了研究，具體研究結(jié)果如下。

1）主流的多種周界安防產(chǎn)品在一定的高鐵周界范圍內(nèi)適用性強，能夠?qū)θ肭中袨檫M行有效識別，但仍需以業(yè)務需求為核心，需要考慮在同一管理路段范圍內(nèi)各系統(tǒng)的統(tǒng)一化管理。

2）基于微波陣列技術的周界安防系統(tǒng)是高鐵周界安防系統(tǒng)的一項重大突破，能夠很好的應對地形起伏、能夠在茂密植被中準確實施入侵報警、能夠有效的與視頻系統(tǒng)融合聯(lián)動、能夠通過統(tǒng)一的管理平臺進行報警信息和事件全流程回放、能夠有效的對合法人員進行識別與行為記錄，滿足高鐵周界安防管理的業(yè)務需求。