站臺端部入侵防護系統(tǒng)的研究

梁 帥，鄧勝江，戴建強，李 陽

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081）

鐵路站臺端部防護是對鐵路車站站臺兩端一定區(qū)域的安全防護，主要目的是防止旅客穿越站臺端部并穿越鐵軌，危及其人身安全及行車安全。按照鐵路相關(guān)規(guī)定[1]，鐵路站臺端部可采取電子防護方式，對非法入侵行為（穿越、翻越、或以破壞防護欄的方式進入鐵路防護區(qū)域的行為）進行監(jiān)測，并提供報警信息。

近年來，鐵路站臺端部電子防護技術(shù)發(fā)展迅速，取得了不少研究成果。劉祥等人[2]提出基于紅外探測器和視頻聯(lián)動技術(shù)的站臺安防系統(tǒng)，彭良勇[3]提出基于雷達探測和視頻聯(lián)動的站臺端部防入侵監(jiān)測方案，謝錦妹等人[4]采用激光掃描技術(shù)與視頻監(jiān)控技術(shù)建立防入侵監(jiān)控系統(tǒng)；但這些系統(tǒng)不能區(qū)分工作人員，誤報率較高。楊天驕等人[5]提出基于微波雷達和RFID 識別技術(shù)的端部防穿越入侵防護系統(tǒng)，能夠識別攜帶RFID 卡的工作人員；劉曉宇等人[6]采用微波雷達技術(shù)和ZIGBEE 定位技術(shù)的站臺端部防護系統(tǒng)，能夠識別攜帶電子標簽的工作人員，在一定程度上降低了誤報率。總體而言，這些站臺端部電子防護系統(tǒng)不能識別工作人員，或是不能識別無身份識別卡工作人員，誤報率較高，影響了站臺端部電子防護技術(shù)的應(yīng)用效果。

鑒于此，本文提出以激光雷達探測技術(shù)為主、以超寬帶（UWB，Ultra Wide Band）精準定位識別和圖像智能識別為輔的站臺端部入侵防護系統(tǒng)（簡稱：系統(tǒng)），能夠智能探測入侵目標，高精度地識別和定位UWB 定位標簽，并且還能智能識別穿著專用制服或工裝的工作人員，有效地將工作人員與非法入侵者區(qū)分開來，以降低誤報率。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

站臺端部入侵防護系統(tǒng)主要由站臺端部入侵防護裝置、數(shù)據(jù)中心設(shè)備和用戶操作終端構(gòu)成，如圖1 所示。

圖1 站臺端部入侵防護系統(tǒng)構(gòu)成示意

（1）站臺端部入侵防護裝置：安裝在站臺兩端，主要包括激光雷達、攝像頭、定位基站、主控模塊、語音報警模塊、揚聲器和LED 顯示屏，還配置了無線遙控器和無線遙控模塊，可遠程控制站臺端部入侵防護裝置的開啟、布防、撤防；可對進入站臺端部的入侵目標進行360°無死角探測，實現(xiàn)入侵目標探測、工作人員身份識別、監(jiān)控視頻錄像、聲光提示等功能，并將入侵目標檢測數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)中心設(shè)備進行分析和存儲。

（2）數(shù)據(jù)中心設(shè)備：部署在車站信息機房，主要包括應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、視頻分析服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲設(shè)備、交換機等設(shè)備，這些設(shè)備通過車站辦公網(wǎng)與端部入侵防護裝置連通；數(shù)據(jù)中心設(shè)備完成入侵目標檢測數(shù)據(jù)的存儲、處理、分析與轉(zhuǎn)發(fā)，向用戶操作終端推送報警信息，通知監(jiān)控人員及時處理報警事件；實現(xiàn)與車站生產(chǎn)管控平臺的信息交互；此外，還為系統(tǒng)管理員提供系統(tǒng)維護工具。

（3）用戶操作終端設(shè)備：安裝在車站監(jiān)控中心或綜控室，主要包括管理監(jiān)控終端、音響和麥克風；管理監(jiān)控終端接入車站辦公網(wǎng)，提供監(jiān)控管理及系統(tǒng)維護操作界面；音響用于對報警信息的擴音提示，麥克風用于與端部入侵防護裝置進行語音交互，實現(xiàn)對非法入侵者遠程喊話。

站臺端部入侵防護系統(tǒng)可接入車站生產(chǎn)管控平臺[7]，作為該平臺的一個子系統(tǒng)，與車站生產(chǎn)管控平臺進行信息交互，并受車站生產(chǎn)管控平臺的控制；入侵告警信息可通過接口發(fā)送至智能作業(yè)終端和車站綜合監(jiān)控大屏。站臺端部入侵防護系統(tǒng)也可安裝在沒有車站生產(chǎn)管控平臺的車站上獨立運行。

1.2 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

從數(shù)據(jù)流程的角度，站臺端部入侵防護系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)劃分為4 個層次：數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)管理層、數(shù)據(jù)分析層和業(yè)務(wù)應(yīng)用層，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)圖

（1）數(shù)據(jù)采集層：通過激光雷達對探測區(qū)域?qū)崟r探測，當探測到目標時，采集目標的位置坐標；通過UWB 定位基站實時讀取定位標簽的信號，實現(xiàn)標簽信號的采集；通過攝像頭獲取探測區(qū)域的實時監(jiān)控畫面，當發(fā)生入侵行為時，同步采集入侵目標的圖像和視頻。

（2）數(shù)據(jù)管理層：對數(shù)據(jù)采集層上傳的各類數(shù)據(jù)進行規(guī)范管理和分類存儲。

（3）數(shù)據(jù)分析層：建立各種數(shù)據(jù)分析模型及算法，通過數(shù)據(jù)處理和智能分析，準確判別入侵行為。

（4）業(yè)務(wù)應(yīng)用層：面向系統(tǒng)用戶，提供監(jiān)控數(shù)據(jù)和報警信息的可視化展示，實現(xiàn)報警信息自動轉(zhuǎn)發(fā)和推送，提供系統(tǒng)運用管理和維護支持。

2 工作原理及報警處理流程

2.1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)工作原理如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)工作原理示意

（1）站臺端站臺端部入侵防護裝置的主控模塊采集激光雷達、UWB 定位基站、攝像頭的信號，對站臺端部進行實時探測。

（2）當探測到站臺端部出現(xiàn)入侵目標時，主控模塊判斷進入端部區(qū)域的目標是否攜帶定位標簽；如果目標攜帶定位標簽，則判斷其為工作人員，否則判定為非法入侵者，系統(tǒng)立即啟動報警。

（3）當發(fā)生入侵行為時，主控模塊將入侵行為數(shù)據(jù)、入侵畫面?zhèn)鬏斀o服務(wù)器（包括應(yīng)用服務(wù)器和視頻分析服務(wù)器），由服務(wù)器對入侵行為進行二次智能分析。

（4）如果判斷為工作人員，應(yīng)用服務(wù)器將分析結(jié)果傳送給站臺端部入侵防護裝置，解除報警；如果判斷為非法入侵者，則將分析結(jié)果分別傳送給站臺端部入侵防護裝置和管理監(jiān)控終端；站臺端部入侵防護裝置控制LED 顯示屏和語音報警模塊，進行聲光告警；同時，管理監(jiān)控終端自動彈出入侵報警信息提示窗，并播報報警語音。

（5）車站監(jiān)控人員通過麥克風，對入侵者進行語音警告，并通過站臺端部入侵防護裝置的語音報警模塊播報警告語音，實現(xiàn)遠程喊話。

（6）在站臺施工、車站安全檢查等特殊時段，可通過無線遙控器，對指定站臺端部入侵防護裝置進行遠程布防或撤防操作；當接收到撤防命令后，站臺端部入侵防護裝置關(guān)閉其入侵防護功能，實現(xiàn)遠程撤防；當接收到無線遙控器發(fā)出的布防命令后，站臺端部入侵防護裝置開啟入侵防護，實現(xiàn)遠程布防。

2.2 報警處理流程

站臺端部入侵防護系統(tǒng)將站臺端部劃分為預(yù)警區(qū)域和報警區(qū)域，系統(tǒng)報警處理流程如圖4 所示。

圖4 報警處理流程示意

當探測到預(yù)警區(qū)域出現(xiàn)入侵行為時，系統(tǒng)自動進行聲光告警，提醒入侵者此區(qū)域禁止通行。當報警區(qū)域探測到入侵行為時，系統(tǒng)自動識別入侵者的身份；若為工作人員，即隨身攜帶有定位標簽，或者穿著專用制服或者工裝，系統(tǒng)會自動解除報警，否則系統(tǒng)自動進行聲光報警。

3 系統(tǒng)功能

站臺端部入侵防護系統(tǒng)的主要功能包括：入侵探測、身份識別、智能識別、入侵警告、拍照錄像、防護遙控、監(jiān)測報警、遠程警告和系統(tǒng)維護，如圖5 所示。

圖5 功能結(jié)構(gòu)示意

（1）入侵探測：激光雷達持續(xù)向探測區(qū)域發(fā)射激光束，當探測到目標時，同步采集目標反射回來的信號，依據(jù)激光測距原理，計算出目標的位置坐標。

（2）身份識別：定位基站主動掃描工作人員隨身攜帶的定位標簽，并據(jù)此判斷入侵者是否為工作人員，若為工作人員，系統(tǒng)會自動解除報警。

（3）智能識別：站臺上的工作人員一般身著制服或工裝，根據(jù)工作人員制服或者工裝的圖像，實現(xiàn)工作人員的智能識別。

（4）入侵警告：當發(fā)生入侵行為時，通過語音播報，以及站臺端部安裝的LED 顯示屏上的文字警告，催促非法入侵者立即離開站臺端部防護區(qū)域。

（5）拍照錄像：當檢測到入侵行為時，系統(tǒng)自動控制監(jiān)控攝像頭拍攝入侵行為發(fā)生時和結(jié)束時的照片，并全程實時追蹤錄像，為后續(xù)的事件回溯提供證據(jù)。

（6）防護控制：可通過無線遙控器，遠程控制站臺端部入侵防護裝置，進行臨時撤防和恢復(fù)布防；當監(jiān)控人員忘記重新布防時，超過設(shè)定的撤防時長，系統(tǒng)會自動恢復(fù)站臺端部入侵防護裝置的布防設(shè)置。

（7）監(jiān)測報警：可通過管理監(jiān)控終端查看所有站臺監(jiān)控攝像頭的實時監(jiān)控畫面；發(fā)生入侵行為時，監(jiān)控管理終端自動彈出入侵行為報警提示窗，并通過語音播報提醒監(jiān)控人員，對入侵行為予以關(guān)注。

（8）遠程警告：監(jiān)控人員通過用戶操作終端的麥克風，對進入站臺端部區(qū)域的非法入侵者進行人工喊話，督促其立即離開站臺端部防護區(qū)域。

（9）系統(tǒng)維護：為系統(tǒng)管理人員提供用戶管理、日志查看與分析、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)字典維護等功能，方便系統(tǒng)運用管理。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 高精度UWB 定位

UWB 是一種無載波通信技術(shù)，利用納秒至微秒級非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，帶寬可達千兆赫茲，具有穿透力強、定位精確的優(yōu)點。

每個站臺端部都安裝了定位基站，通過測量定位基站與工作人員攜帶的定位標簽之間距離，實現(xiàn)站臺上工作人員的定位。定位基站作為信號主機，定位標簽作為信號從機，利用數(shù)據(jù)幀在信號主機與信號從機之間的傳播時間來測量兩者間的距離，其原理如圖6 所示。

圖6 UWB 測距原理圖原理示意

在Ti時刻，定位基站向定位標簽發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀，進行定位請求；定位標簽在Ta時刻收到數(shù)據(jù)幀，經(jīng)過一段響應(yīng)時間Ts后，在Tb時刻向定位基站發(fā)回數(shù)據(jù)幀，定位基站在Tj時刻收到數(shù)據(jù)幀。

定位基站數(shù)據(jù)幀往返總時間Ttotal為

由圖6 可知，定位基站數(shù)據(jù)幀往返總時間Ttotal也等于定位標簽接收和發(fā)送數(shù)據(jù)幀的時間和（即2倍數(shù)據(jù)幀到達時間Ttoa）與定位標簽響應(yīng)時間Ts之和，即有

由此，數(shù)據(jù)幀到達時間Ttoa的計算公式為

而定位標簽到定位基站的直線距離D的計算公式為

其中，V為數(shù)據(jù)幀在空氣中的傳播速度。

根據(jù)站臺布局，設(shè)置每個定位基站的識讀距離，在此距離范圍內(nèi)，可以確定工作人員的精確位置（即相對于定位基站的距離）。

4.2 工作人員智能識別

在站臺上或者穿越站臺工作時，工作人員通常穿著專用制服或工裝。通過對現(xiàn)場人員著裝圖像的智能分析，可識別工作人員。

（1） 工作人員著裝圖像數(shù)據(jù)集構(gòu)建：選取站臺上身著不同制服和工裝的工作人員照片，將圖像分辨率設(shè)置為600×400，利用LabelImg 工具，對圖片上工作人員進行細致標注，制作成Pascal VOC 格式的工作人員著裝圖像數(shù)據(jù)集。

（2）智能識別模型訓練：在視頻分析服務(wù)器上安裝Caffe 深度學習工具包，采用VGG16 特征提取網(wǎng)絡(luò)，利用工作人員著裝圖像數(shù)據(jù)集進行Faster-RCNN 算法訓練，生成工作人員智能識別模型。

（3）圖像識別分析：當發(fā)生入侵報警時，將現(xiàn)場目標圖像輸入視頻分析服務(wù)器上的工作人員智能識別模型，對圖像中目標進行識別，判斷其是否為工作人員。

5 結(jié)束語

設(shè)計了一套以激光雷達探測技術(shù)為主、高精度定位識別和圖像智能識別分析為輔的站臺端部入侵防護系統(tǒng)，可有效消除飛鳥、雨雪、火車通行等對站臺端部入侵行為識別的干擾，能夠?qū)y帶有定位標簽或穿著專用制服的工作人員進行身份識別；系統(tǒng)抗干擾能力強，誤報率低，便于運用管理與維護，并與車站生產(chǎn)管控平臺實現(xiàn)了信息交互。系統(tǒng)投入使用后，有效地增強了鐵路車站站臺防護能力，提升了鐵路車站安全管理水平。

下一步，將收集更多站臺上工作人員著裝圖像，完成圖像標注，構(gòu)造高質(zhì)量的工作人員著裝圖像數(shù)據(jù)集，對工作人員智能識別模型進行改進優(yōu)化，提升工作人員識別的準確度，進一步降低誤報率。