墻體型震動(dòng)入侵探測技術(shù)在核電站中的應(yīng)用

鄧 麗

（三門核電有限公司，浙江 臺(tái)州 317112）

核安全在核能與核技術(shù)利用中至關(guān)重要，關(guān)系到其能否正常發(fā)展，關(guān)系到環(huán)境安全和公眾安全。核電站實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)采用了探測、延遲及響應(yīng)的技術(shù)和措施，可以有效防止入侵者盜取或非法轉(zhuǎn)移核燃料。若核電站的保護(hù)區(qū)和要害區(qū)的某些廠房邊界無入侵探測設(shè)備，不滿足HAD501導(dǎo)則。因此，需要在墻體安裝入侵探測設(shè)備，能檢測高度為2.5m 范圍內(nèi)的墻體破壞行為。

1 墻體型震動(dòng)入侵探測技術(shù)

1.1 工作原理

墻體型震動(dòng)入侵探測器采用高精度MEMS 地震波探頭，可檢測到墻體上由于攀爬、敲擊、撞擊引起的微弱震動(dòng)，探測靈敏度閾值可以設(shè)置。系統(tǒng)用于探測墻體破壞行為，與震動(dòng)光纖或在圍欄上安裝探測器等探測技術(shù)相比，具有微弱信號(hào)識(shí)別能力強(qiáng)，不受天氣條件影響，易于安裝和調(diào)試等特點(diǎn)[1]。探測器布設(shè)在墻體上，距離地面高度1.5m，每一個(gè)的有效探測范圍為5m。

墻體型震動(dòng)入侵探測器經(jīng)探測主機(jī)將報(bào)警信號(hào)傳送給核電站已有的周界入侵探測系統(tǒng)的報(bào)警控制器STARII，通過TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)與實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)集成平臺(tái)連接，實(shí)時(shí)與其進(jìn)行通信，完成系統(tǒng)指令。當(dāng)入侵發(fā)生時(shí)，它可以快速實(shí)現(xiàn)報(bào)警信號(hào)與閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，顯示相關(guān)報(bào)警區(qū)域的圖像，并記錄現(xiàn)場圖像供保衛(wèi)人員完成報(bào)警復(fù)核[2]。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.1 System network topology

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)由4 個(gè)部分組成，即前端探測部分、聯(lián)動(dòng)控制部分、網(wǎng)絡(luò)傳輸部分和監(jiān)控中心部分（系統(tǒng)集成管理平臺(tái)），系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。

1.2.1 前端探測部分

前端探測部分主要由墻體型震動(dòng)入侵探測器、探測主機(jī)、支架附件等組成，通過對墻體上微弱震動(dòng)信號(hào)的采集與融合分析，在控制中心報(bào)警處理功能模塊實(shí)現(xiàn)三級(jí)算法融合，最終輸出報(bào)警事件，并通過聯(lián)動(dòng)控制部分完成報(bào)警聯(lián)動(dòng)。

1.2.2 聯(lián)動(dòng)控制部分

聯(lián)動(dòng)控制部分由控制箱內(nèi)的視音頻編解碼器、I/O 控制器及墻體附近的攝像機(jī)等設(shè)備組成。現(xiàn)場報(bào)警聯(lián)動(dòng)可通過聯(lián)動(dòng)數(shù)據(jù)庫預(yù)設(shè)方案，結(jié)合用戶對現(xiàn)場響應(yīng)和指揮調(diào)度的要求，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化聯(lián)動(dòng)定制。

1.2.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸部分

系統(tǒng)中入侵探測設(shè)備、攝像機(jī)等設(shè)備均通過控制箱內(nèi)設(shè)備接入以太網(wǎng)交換機(jī)，交換機(jī)通過光纖組成主干通信網(wǎng)，并在中心機(jī)房完成信號(hào)匯聚。

1.2.4 監(jiān)控中心部分

監(jiān)控中心部分由控制中心服務(wù)器、報(bào)警平臺(tái)軟件組成，通過報(bào)警軟件客戶端及視頻管理客戶端，用戶可查看各防區(qū)的報(bào)警、故障及狀態(tài)事件，并設(shè)置、復(fù)核、手動(dòng)控制相關(guān)的聯(lián)動(dòng)設(shè)備，完成報(bào)警處置。

2 墻體型震動(dòng)入侵探測技術(shù)在核電站的應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 前端探測部分布設(shè)方式

根據(jù)現(xiàn)場勘查結(jié)果，探測器布設(shè)間距為5m，距地高度1.5m，用支架和膨脹螺栓固定在墻體上。探測器之間用485控制線連接，線纜沿墻體水平方向使用鍍鋅鋼管敷設(shè)。探測器在遇到支撐立柱或通道門時(shí)需要特殊處理，在立柱上單獨(dú)布設(shè)探測器，或在通道門兩側(cè)安裝探測器，從通道門上方走線。探測器分左右兩路接入探測主機(jī)，探測主機(jī)安裝到控制箱內(nèi)，每層設(shè)一個(gè)控制箱，內(nèi)部安裝有電源、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。

2.1.2 聯(lián)動(dòng)控制部分設(shè)計(jì)

聯(lián)動(dòng)控制部分完成報(bào)警事件的聯(lián)動(dòng)控制，主要包括前端聯(lián)動(dòng)設(shè)備及與實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)集成平臺(tái)的聯(lián)動(dòng)部分。前端聯(lián)動(dòng)設(shè)備主要由固定攝像機(jī)、視頻解碼器等，在20m ～25m 范圍內(nèi)安裝1 臺(tái)低照度固定攝像機(jī)。云臺(tái)攝像機(jī)只能用于監(jiān)控和跟蹤，不能用于視頻復(fù)核。因此，這里使用的是固定攝像機(jī)。

當(dāng)發(fā)生入侵報(bào)警時(shí)，該系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)出報(bào)警防區(qū)、相鄰防區(qū)的視頻畫面，由于系統(tǒng)前端探測部分可做到精確定位。因此，通過攝像機(jī)的預(yù)置位關(guān)聯(lián)和聯(lián)動(dòng)，可快速準(zhǔn)確地將視頻定位到入侵報(bào)警點(diǎn)，使保衛(wèi)人員能迅速、直觀地掌握現(xiàn)場的情況。報(bào)警處理完畢后，攝像機(jī)可自動(dòng)恢復(fù)到守望位。在這里保衛(wèi)人員進(jìn)行視頻復(fù)核的作用是判定每一個(gè)入侵探測器報(bào)警的原因，確定其是否是入侵或誤報(bào)警或噪擾報(bào)警，若是入侵則向相關(guān)響應(yīng)力量提供一個(gè)入侵發(fā)生的具體信息，如入侵人員數(shù)量、發(fā)生入侵的位置、武裝情況等，并終止探測時(shí)間。

2.1.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸部分設(shè)計(jì)

每層安裝一個(gè)低壓控制箱，控制箱內(nèi)安裝光端機(jī)（1光口2 電口100M 帶寬），通過光纖網(wǎng)絡(luò)連接到保衛(wèi)控制中心實(shí)物保護(hù)機(jī)房。前端震動(dòng)信號(hào)通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綑C(jī)房服務(wù)器，服務(wù)器通過光纖網(wǎng)絡(luò)下發(fā)控制命令到前端設(shè)備實(shí)現(xiàn)報(bào)警聯(lián)動(dòng)。

網(wǎng)絡(luò)傳輸部分的質(zhì)量也很關(guān)鍵，因?yàn)榍岸撕芏嗳肭痔綔y器的報(bào)警信號(hào)，需要依靠網(wǎng)絡(luò)來傳輸。一旦發(fā)生報(bào)警，與實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)集成平臺(tái)的聯(lián)動(dòng)后顯示在保衛(wèi)控制中心大屏幕上的最短時(shí)間決定了視頻復(fù)核的質(zhì)量。該時(shí)間越短越好，一般在1s ～2s 是可以接受的。

2.1.4 監(jiān)控中心部分設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心部分由應(yīng)用服務(wù)器和應(yīng)用軟件構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了各部分之間的聯(lián)動(dòng)，一旦發(fā)生入侵事件，可以聯(lián)動(dòng)查看報(bào)警發(fā)生地點(diǎn)、歷史視頻與實(shí)時(shí)視頻等信息，并將電子地圖或視頻信息顯示在保衛(wèi)控制中心的大屏上，保衛(wèi)人員視情況啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，以便實(shí)現(xiàn)警情的分析判斷和及時(shí)處置。

圖2 系統(tǒng)在實(shí)物保護(hù)集成平臺(tái)的電子地圖Fig.2 Electronic map of the system in the physical protection integration platform

2.2 功能驗(yàn)證

2.2.1 探測器性能特征

實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)的前端探測器的性能特征指標(biāo)有探測概率、噪擾報(bào)警率和誤報(bào)警率。

其中，探測概率指在一個(gè)被入侵探測器覆蓋的區(qū)域內(nèi)探測到一個(gè)入侵者的可能性。探測概率等于感應(yīng)概率乘以復(fù)核概率；噪擾報(bào)警率指與入侵企圖無關(guān)的可預(yù)期的警報(bào)發(fā)生率；誤報(bào)警率指不是由于入侵企圖造成的，并且也不能歸結(jié)為已知原因的警報(bào)發(fā)生率。

2.2.2 驗(yàn)證方式

在驗(yàn)證系統(tǒng)功能時(shí)，在距離任意一個(gè)探測器2.5m 范圍，用鐵質(zhì)工具如鐵錘等連續(xù)敲擊墻體，驗(yàn)證系統(tǒng)是否產(chǎn)生入侵報(bào)警并聯(lián)動(dòng)現(xiàn)場固定攝像機(jī)；同時(shí)，監(jiān)控中心報(bào)警軟件接收到報(bào)警信息，包括防區(qū)編號(hào)、探測器編號(hào)、報(bào)警產(chǎn)生時(shí)間等內(nèi)容[3]，在實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)集成平臺(tái)自動(dòng)彈出報(bào)警區(qū)域的視頻畫面，保衛(wèi)人員據(jù)此對報(bào)警進(jìn)行視頻復(fù)核、標(biāo)記及確認(rèn)處理。系統(tǒng)記錄歷史報(bào)警，可查詢并導(dǎo)出歷史報(bào)警記錄。

2.2.3 驗(yàn)證結(jié)果

圖3 系統(tǒng)視頻錄像顯示Fig.3 System video recording display

系統(tǒng)調(diào)試后，新增墻體型震動(dòng)入侵探測系統(tǒng)在實(shí)物保護(hù)集成平臺(tái)顯示的電子地圖如圖2 所示。可以看到，固定攝像機(jī)和墻體型震動(dòng)入侵探測器的結(jié)合，使得保護(hù)區(qū)和要害區(qū)之間的三層墻體都被有效防護(hù)。

新增該系統(tǒng)后，調(diào)取相關(guān)區(qū)域的攝像機(jī)監(jiān)控圖像如圖3 所示。

用鐵錘敲擊墻體用來模擬破壞或入侵行為，系統(tǒng)探測概率為100%，誤報(bào)警率為0，報(bào)警響應(yīng)時(shí)間小于2s，在實(shí)物保護(hù)集成平臺(tái)的報(bào)警視頻彈出時(shí)間小于2s，并可記錄報(bào)警發(fā)生前后各15s 的視頻。

3 結(jié)語

墻體型震動(dòng)入侵探測技術(shù)在核電站最先應(yīng)用于立體圍欄，針對核電站保護(hù)區(qū)和要害區(qū)之間的墻體需要被識(shí)別敲擊、撞擊引起的微弱震動(dòng)，增加了該種技術(shù)作為探測，能有效提升核電站的立體防護(hù)能力。該系統(tǒng)在保護(hù)區(qū)和要害區(qū)之間的墻體上安裝，至今無誤報(bào)，且探測概率達(dá)到相關(guān)要求，應(yīng)用效果良好，相信在核電站會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用。