軌道交通光纖周界監測系統信號處理方法研究

馮浩波 蘇泰華

（南寧軌道交通集團有限責任公司，廣西 南寧 530029）

1 概述

軌道交通車輛段停車場除了承擔車輛的停放、檢修、保養任務之外，運營線路的列車編組、調度等工作也在此完成，線路的控制中心、物資總庫、變電所等重要處所也放置于車輛段停車場內[1～3]。因此，保證車輛段停車場的周界安全，防止外來人員入侵，是保障城市軌道交通安全運行的重要前提。為保障軌道交通車輛段停車場的安全運營，避免外來閑雜人員的無意闖入或惡意入侵，必須在車輛段停車場周界布設入侵報警系統，對車輛段停車場的周界安全進行實時監控。周界報警系統通常采用的技術方案有：振動光纖、振動電纜、紅外對射、激光對射、微波探測等，其中，光纖傳感技術與電類傳感技術相比，具有易于安裝和敷設、探測部分為光纖無需供電、不受電磁波干擾等優勢，正成為周界安防技術方案的主流趨勢[4～5]。周界監測系統在運行過程中，環境中存在的干擾源眾多，對于軌道交通車輛段停車場周界場站而言，容易引起光纖周界監測系統誤報的干擾源除了風雨等天氣因素，還有頻繁經過的列車產生的較大振動信號。因此，如何在充分利用光纖傳感系統高靈敏度優勢的同時，在眾多外界因素干擾之下，對環境干擾進行過濾，正確地識別入侵行為，降低系統誤報率，保證系統運行效果，是實際工程中需要重點解決的問題。

2 信號分析

2.1 光纜布設

軌道交通車輛段停車場所處地理位置一般較為偏僻，空間面積較大，周界長度大約為2～4km。探測光纜的安裝方式如圖1 所示，當監測區域的圍墻或圍欄上已安裝有網片，則利用現有網片直接將探測光纜采取S 型敷設，綁扎在網片上，每隔約0.3m-0.5m 設置一個綁扎點。如監測區域圍墻上沒有安裝網片，則在圍墻頂部安裝網片，再將光纜采取S 型敷設綁扎在網片上。

圖1 探測光纜安裝示意圖

2.2 數據采集

振動數據采集方式如下：

2.2.1 將振動探測光纜布設于監測區域的周界；

2.2.2 對于整個周界探測區域，將探測光纜劃分為多個等距離的探測單元；

2.2.3 系統采集和解調每個探測單元檢測到的振動信號；

2.2.4 對于每個探測單元檢測到的振動信號，按照每0.2 秒一段，分割為多個時間片段，統計每個時間片段的最大值；

2.2.5 將上一步每個探測單元得到的時間片段的最大值序列，按照探測單元的空間分布進行排列和拼接，得到監測區域的光纖振動瀑布圖。

2.3 數據分析

對于軌道交通車輛段停車場的周界，西戎主要監測對圍墻的各種外界沖擊振動信號，如人員在圍墻的翻越行為，以及較大力度沖擊圍墻的行為。在軌道段線的出入口，列車頻繁出入。除了自然環境中的干擾源，如大風、降雨等，列車經過產生的振動，也是出現較為頻繁的干擾源。

經過對大量模擬攀爬測試時錄制數據，以及風雨天氣和列車經過時錄制數據的歸類分析，我們發現入侵攀爬、風雨干擾和列車經過這三類振動信號，在空域圖像上存在有一定區別。風雨干擾和列車經過產生的振動信號，在時間和空間的影響范圍均較為廣泛，在空域圖像中，呈緩變趨勢；而入侵攀爬信號，所呈現的激勵影響較為集中，其時間和空間的影響范圍相對于風雨干擾和列車經過振動而言，其影響范圍相對較小。并且在存在風雨干擾或列車經過等背景環境干擾的情形下，入侵攀爬產生的激勵會與背景干擾振動進行疊加，在干擾背景下，仍呈現較為明顯的突變趨勢。

由于入侵攀爬產生的激勵會與背景干擾振動相疊加，因此系統在進行報警判斷時，不宜使用采集信號振動幅度達到閾值即發出報警的方式，否則，會因風雨干擾和列車經過等因素產生大量的誤報警?？紤]到入侵攀爬振動和風雨干擾、列車經過等干擾振動在空域圖像上所存在的差異性。因此，我們提出利用圖像處理算法，將風雨干擾、列車經過等干擾振動信號作為不均勻背景進行提取，并消除空域圖像中的這種不均勻性，實現對風雨干擾、列車經過等干擾振動信號的過濾，同時保留并增強入侵攀爬振動激勵。通過對振動信號空域圖像進行預處理，在入侵攀爬振動激勵增強后的空域圖像中再進行判斷分析，可以有效提高光纖周界監測系統的報警準確率。

2.4 信號預處理

為了減弱或消除振動信號空域圖像中，由于風雨干擾、列車經過等大范圍背景噪聲干擾所引入的不均勻性，其不均勻性，類似于光學圖像中不均勻光照的影響，因此本文采用頂帽變換，來校正振動信號空域圖像中的不均勻性。

頂帽變換算法主要用于提取出圖像的不均勻背景，再將原始圖像和不均勻背景圖像進行相減，即實現保留和增強前景圖像的效果。

經過對大量模擬攀爬測試時錄制數據的統計分析，根據攀爬振動激勵的形態學特點，我們采用20×5 的模板，對振動信號空域圖像進行頂帽變換。所用模板的尺度，需大于攀爬振動激勵信號圖塊的尺度，同時小于風雨干擾、列車經過等背景噪聲影響范圍的尺度。

如圖2 所示，為某次人工攀爬圍墻激勵測試，所采集到的原始信號，從數據中可以看到4 次人工激勵，同時，由于風吹圍欄產生晃動的干擾，其背景也存在有一定的波動。

圖2 原始信號

采用20×5 的模板，對原始振動信號空域圖像進行開運算。如圖3 所示，可以提取到原始振動信號空域圖像中背景的緩變趨勢，即提取到底面背景。

圖3 底面提取

將原始振動信號空域圖像與提取到的底面進行相減，即進行頂帽變換，如圖4 所示，可見信號底面的緩變波動被明顯消除。由于風吹圍欄產生晃動的干擾被有效消除，同時，攀爬產生的激勵信號，得到了有效地保留。

圖4 頂帽變換

對圖像的頂帽變換結果，進再行指數增強運算，指數因子設置為3，如圖5 所示，可見增強了圖像中較為明亮的區域，人工激勵的信號得到了進一步的增強，同時，背景噪聲干擾被有效抑制。

圖5 激勵增強

2.5 算法設計

光纖周界監測系統的報警算法步驟設計如下：

2.5.1 對于整個周界探測區域，將探測光纜劃分為多個等距離的探測單元；

2.5.2 在監測周界區域，每隔一定距離，進行敲擊定位，記錄圍欄區域探測單元和實際的監測防區的對應關系；

2.5.3 系統采集和解調每個探測單元檢測到的振動信號，對于每個探測單元檢測到的振動信號，按照每0.2秒一段，分割為多個時間片段，統計每個時間片段的最大值；

2.5.4 將上一步每個探測單元得到的時間片段的最大值序列，按照探測單元的空間分布進行排列和拼接，得到監測區域的光纖振動瀑布圖；

2.5.5 對光纖振動數據圖像進行頂帽變換，消除空域圖像背景中的緩變趨勢，即消除風雨、列車經過等大范圍背景噪聲影響，再進行指數增強運算，指數因子設置為3；

2.5.6 對于預處理后的光纖振動瀑布圖，設置二值化分割閾值，對瀑布圖做二值化處理；

2.5.7 對二值化矩陣中的明亮像素點進行聚類分析，以提取光纖振動數據圖像中的每一個激勵信號團塊；

2.5.8 判斷某激勵信號團塊的激勵時長和影響范圍是否達到圍欄策略預設門限值；

2.5.9 當某激勵信號團塊達到圍欄策略預設門限值，則系統發出入侵報警，報警信息包含時間、位置等內容。

3 測試運行

某軌道交通車輛段停車場周界長度約3.6km，墻體上方安裝有硬質網片，光纖振動探測光纜采用“S 型”敷設，在監測周界墻體上方的網片上，進行綁扎安裝。

分別選擇無風、微風、大風、下雨的天氣，進行模擬攀爬激勵測試，統計報警率如表1 所示，報警正確率達到100%。

表1 模擬攀爬測試報警率統計

在常規運行狀態下，統計每月的誤報數量，系統經過一年運行，誤報次數統計如圖6 所示，誤報頻次≤3 次/月。

圖6 系統誤報次數統計

4 結論

系統經過1 運行，誤報頻次≤3 次/月。進行了多次模擬攀爬激勵測試，報警正確率達到100%。系統在充分發揮光纖傳感技術高靈敏度優勢的同時，在大風、降雨、車輛經過等眾多的外界因素干擾之下，能夠正確地識別和區分入侵行為和環境干擾，有效降低系統的誤報率，保證系統的報警正確率，具有良好的工程應用價值，為城市軌道交通車輛段停車場的周界安全提供了可靠保障。