基于阻抗變化分析的刺繩圍欄周界警戒與隔離技術研究

胡祥超，朱寶良，魯 輝

（西北核技術研究所 陜西 西安 710024）

基于阻抗變化分析的刺繩圍欄周界警戒與隔離技術研究

胡祥超，朱寶良，魯 輝

（西北核技術研究所 陜西 西安 710024）

提出了一種基于阻抗變化分析的刺繩圍欄入侵行為探測方法，直接利用現(xiàn)有隔離圍欄的刺繩緯線為探測傳感器探測外部入侵破壞行為，并通過分析柵欄緯線在一定觀察周期內的阻抗變化來實現(xiàn)外部入侵行為的定性與分類識別，實現(xiàn)了傳統(tǒng)周界物理隔離與現(xiàn)代周界警戒技術的完美結合。通過前期驗證性實驗證明了該技術的有效性與可行性，在關鍵區(qū)域的周界警戒與周界隔離等安防需求領域具有廣闊的應用前景。

阻抗變化分析；刺繩緯線環(huán)傳感器；周界警戒與隔離技術；入侵行為探測與分類識別

隨著社會進步與科技發(fā)展，傳統(tǒng)的“人防+物防、人物聯(lián)動”的周界警戒與周界隔離模式已經(jīng)無法滿足關鍵區(qū)域（軍事基地、監(jiān)獄、核電反應堆、關鍵電力設施等）的周界安防需求。將周界警戒技術與傳統(tǒng)物理隔離技術有機結合，從而實現(xiàn)“人、物、技合一，技物防御為主，人防為輔”的綜合安防技術對于推動周界安防技術的發(fā)展具有十分重要的意義[1-5]。其中，傳統(tǒng)的物理隔離方法與現(xiàn)代科技安防措施的有機結合與實際應用是研究的關鍵點?；诖汤K的周界圍欄是目前應用最為成功也是最為廣泛的周界物理隔離方法，能夠對入侵行為形成非常有效的威懾與阻嚇作用。刺繩于19世紀70年代發(fā)明成功，其基本結構一直延續(xù)至今天，圍繞刺繩已經(jīng)產(chǎn)生超過570項的專利發(fā)明，因此刺繩也被稱為“改變世界面貌”的發(fā)明之一。由于刺繩造型獨特，不易觸摸，因此能夠達到極佳的震懾及阻嚇效果，且產(chǎn)品運輸簡捷，安裝施工便利，目前已經(jīng)廣泛應用與于園林防護、高速公路、廠區(qū)、礦區(qū)、監(jiān)獄、軍事禁區(qū)等周界隔離防護場合[6-8]。然而在一些人煙稀少的關鍵區(qū)域（變電站、監(jiān)獄、軍事設施等），單一的刺繩圍欄確無法實現(xiàn)對強行突入、破壞等入侵行為的及時探測與警戒聯(lián)動，導致人防處置行為滯后，帶來不可估量的損失。

基于現(xiàn)有的刺繩圍欄提出了一種全新的基于刺繩緯線環(huán)的周界警戒與隔離方法，利用周界圍欄上的刺繩緯線為探測傳感器探測外部入侵破壞行為，并通過分析刺繩緯線在一定觀察周期內的阻抗變化實現(xiàn)對外部入侵行為的定性與分類識別。該技術方法不僅可實現(xiàn)傳統(tǒng)刺繩圍欄的物理隔離及對入侵行為的威懾阻嚇功能，亦可實現(xiàn)現(xiàn)代電子圍欄技術對入侵行為的探測警戒探測功能，并且具有入侵行為探測與分類識別的功能，是周界物理隔離與周界警戒技術的完美結合?；谧杩棺兓治雠c刺繩緯線傳感器實現(xiàn)的的周界警戒與隔離技術，具有實施簡便，應用前景廣闊，成本相對低廉，易于實現(xiàn)對入侵行為的定性與分類識別等優(yōu)點。

1 基本原理

周界物理隔離設施以基于金屬絲網(wǎng)的隔離柵欄為主，具有有效的阻隔延緩外部入侵行為的功能。傳統(tǒng)的隔離柵欄以鐵絲作為緯線，而目前采用刺繩（刺鐵絲）作為緯線的隔離柵欄應用越來越廣泛。為應用方便、可靠且抗腐蝕，緯線表面還經(jīng)常做電鍍處理。然而，無論哪種材質，都改變不了緯線為金屬導體的實質?；谧杩棺兓治龅碾姈艡谥芙缇渑c隔離技術就是以傳統(tǒng)隔離柵欄為基礎，利用其緯線作為探測器，通過實時分析緯線的阻抗變化來實現(xiàn)對外部入侵行為的定性與分類識別，使其在保留傳統(tǒng)柵欄網(wǎng)的物理隔離功能的同時實現(xiàn)了周界警戒功能，二者有機結合，技物合一。簡言之，本文提出的周界警戒與隔離技術就是利用刺繩緯線的導體特征，以其為傳感器探測外界入侵行為，通過對緯線環(huán)在一定觀察周期內的阻抗變化進行研究分析，從而判斷出周界是否遭受到外界入侵。單根緯線的阻抗可由下式表示：

其中，ZS為緯線阻抗，XS為緯線電阻，XLS為緯線電抗，為緯線感抗，XCS為緯線容抗，LS為緯線電感量，CS為緯線電容量，ω為緯線激勵信號角頻率，f為緯線激勵信號頻率。

由公式（1）可知，單根緯線的阻抗與緯線自身的電阻量、電感量以及電容量直接相關，在任一固定時刻，緯線阻抗可表征為阻抗復數(shù)圖譜中的一個點。為便于開展實驗研究，本文的研究工作中采用緯線環(huán)的阻抗幅值Za為研究對象，其計算公式為：

當刺繩圍欄遭遇外部破壞、碾壓、攀爬、短路搭接等入侵行為時，緯線環(huán)的電阻、電感及電容量將發(fā)生改變，從而導致阻抗發(fā)生變化，通過定量監(jiān)測研究相關緯線環(huán)傳感器的阻抗變化可實現(xiàn)對外界入侵行為的實時預警（定性監(jiān)測）。并且通過研究不同的入侵行為導致的緯線環(huán)傳感器在一定觀測周期內阻抗變化模式的差異（例如，破壞行為導致緯線環(huán)傳感器阻抗的突變斷路并不可恢復，而攀爬行為導致緯線環(huán)傳感器阻抗一定時間段內的波動且在一定程度上可恢復等），可以實現(xiàn)對不同入侵行為的分類識別。由于對外界入侵行為定性與分類識別是基于阻抗變化模式的判斷，為便于直觀快速反應緯線傳感器的阻抗信息變化，以安全區(qū)基準阻抗為基底歸一化阻抗信息作為最終研究對象，其數(shù)學表達式為：

其中，Zai(t)為歸一化阻抗信息隨時間變化函數(shù)，Za(t)為阻抗信息隨時間變化函數(shù)，Z0為安全區(qū)基準阻抗。通過研究緯線傳感器歸一化阻抗信息隨時間變化模式來對外部入侵行為進行定性與分類識別。歸一化阻抗信息變化示意圖如圖1所示，其分布曲線包含前安全區(qū)、后安全區(qū)及入侵擾動區(qū)三部分，未有入侵行為發(fā)生時，曲線位于前安全區(qū)，當發(fā)生外部入侵行為時，傳感器的阻抗信息發(fā)生變化，歸一化阻抗信息曲線進入入侵區(qū)，入侵結束后，曲線進入后安全區(qū)，結合整個曲線變化過程可得到阻抗變化模式，從而形成對外部入侵行為的定性探測與分類識別。需要注意的是，由于刺鐵絲的非完全彈性材質特性，當緯線遭受來自外部入侵行為激勵后，其自身物理特性將不能100%完全恢復，例如，受到拉伸后，刺鐵絲的受力部位將有一定程度的拉伸延長，從而導致其電氣阻抗特性發(fā)生永久性改變，而在外部入侵激勵結束后其電氣特性不能完全恢復。因此，在判斷利用阻抗信息變化分析判斷外部入侵行為時，增加一滑動觀察窗（固定的觀測周期），窗體寬度根據(jù)實際經(jīng)驗外部設定，一般應至少包含入侵區(qū)以及一部分前安全區(qū)。

圖1 歸一化阻抗信息分布隨時間分布曲線Fig. 1 Normalized impedance distribution curve with time

2 圍欄單元與緯線選擇

為增強緯線傳感器性能，對傳統(tǒng)的刺繩圍欄緯線結構進行了一定的修改（包含基本結構及緯線選型），形成基本的圍欄單元，從而使其更加便于對緯線進行阻抗分析和最大對外部入侵行為的探測性能，而實際的周界隔離與警戒圍欄由一定數(shù)量的圍欄單元串聯(lián)組合而成，從而可形成多防區(qū)聯(lián)防應用。

2.1 圍欄單元結構

設計的隔離圍欄基本單元的物理結構如圖2所示，由支柱、緯線環(huán)與其他輔助配件等組成。支柱實現(xiàn)圍欄垂直地面方向的物理支撐以及緯線環(huán)與地面水平方向的拉伸繃緊。多個緯線環(huán)水平分布構成隔離網(wǎng)，緯線環(huán)數(shù)量及相互間距由現(xiàn)場實際設計需求確定，每根緯線環(huán)由單根緯線在兩根柵欄支柱之間實現(xiàn)單圈纏繞（依據(jù)實際應用情況也可多圈纏繞），在一側留出兩個探測端點用于連接外部電氣系統(tǒng)實現(xiàn)緯線環(huán)的實時阻抗變化分析。其他輔助配件用于實現(xiàn)柵欄支柱與緯線環(huán)的有效固聯(lián)形成完整的柵欄單元，包含絕緣子、固聯(lián)件等。

圖2 柵欄單元物理結構示意圖Fig. 2 The physical structure of the fence unit

2.2 緯線選擇

傳統(tǒng)的周界隔離圍欄緯線可采用金屬絲（一般為鐵絲）、刀片刺繩以及刺鐵絲（通常將刀片刺繩與刺鐵絲都稱之為刺繩）等材料構成，均為金屬材質，均可作為周界警戒緯線環(huán)傳感器。這3種材料基本性能參數(shù)比較參表1。綜合考量不同緯線類型的優(yōu)缺點，結合本次研究工作的便易性，選擇刺鐵絲作為緯線環(huán)基本構成材料。刺鐵絲包含主線絲和刺絲兩部分組成。主線絲有單股、雙股以及三股之分，刺絲一般均為四刺。刺鐵絲種類較多，按照材質不同可分成低碳鋼絲、電鍍鋅絲熱、鍍鋅絲、PVC包塑絲、噴塑絲等；按照編制方式的不同可分成單擰法刺鐵絲、雙擰法刺鐵絲和傳統(tǒng)擰法刺鐵絲等；按表面處理材質可分成鍍鋅處理刺鐵絲、PVC包塑處理刺鐵絲、鋁合金處理刺鐵絲等；按表面處理工藝可分成電鍍（冷鍍）刺鐵絲、熱鍍鋅刺鐵絲、浸塑刺鐵絲等。做表面處理的原因是加強防腐強度[9-11]。普通金屬材質刺鐵絲裸露在空氣中會發(fā)生腐蝕從而導致緯線環(huán)的阻抗值發(fā)生變化，影響周界警戒效果。因此最終選擇PVC包塑刺鐵絲為緯線基本材質。

表1 緯線材料特性比較Tab.1 Comparison of material properties

3 實驗系統(tǒng)

研究工作中構建了一個基于阻抗分析的刺繩圍欄周界警戒與隔離技術實驗研究系統(tǒng)。如圖3所示，系統(tǒng)包含圍欄單元、阻抗分析儀、數(shù)控模擬信號切換器、計算機處理平臺以及其他輔助設備構成。其中，圍欄單元中緯線環(huán)選用型號為“14#×14#”的PVC包塑刺鐵絲構成，單圈纏繞；圍欄長度為20 m，圍欄高度為1.8 m，緯線環(huán)間隔相鄰間隔30 cm，共計6根緯線環(huán)；柵欄立柱采用U型不銹鋼方管（表面絕緣處理），高度為2.5 m，地下樁基埋深為60 cm，伸出地面部分高度為1.9 m。所有緯線環(huán)端線連接至數(shù)控模擬信號切換器，并依據(jù)計算機控制信息分時連接至阻抗分析儀。阻抗分析儀用于獲取緯線環(huán)傳感器的實時阻抗信息。計算機平臺為系統(tǒng)信息處理及控制核心，采用VC++與Matlab混合編程實現(xiàn)系統(tǒng)軟件處理平臺，實時處理、顯示相關數(shù)據(jù)信息以及入侵行為的模式判斷（定性與分類識別等）。

圖3 實驗系統(tǒng)組成Fig. 3 The experimental system setup

4 驗證實驗

基于搭建的實驗研究系統(tǒng)，選取第1至第4根緯線環(huán)為測試對象，施加以外部激勵模擬入侵破壞行為，外部激勵包含破壞（剪斷）、搭接（相鄰短路及自身短路）、攀爬、拉伸等。由于刺繩緯線環(huán)傳感器受外部激勵后期不可100%恢復的特性，因此分別在4根緯線環(huán)上施加不同的外部激勵。實驗系統(tǒng)的采樣時間間隔為1 s，即每隔1 s記錄保存一條緯線環(huán)傳感器的阻抗信息，阻抗分析儀的激勵頻率選擇為3 MHz。分別得到不同激勵條件下刺繩傳感器的歸一化阻抗幅值隨時間的分布曲線（如圖4所示）。

圖4 緯線環(huán)傳感器的歸一化阻抗信息分布實驗結果Fig. 4 Experimental results of normalized impedance information distribution of woof loop sensor

由圖可知，不同的外部入侵行為（拉伸、剪斷、攀爬以及搭接）激勵條件下，緯線環(huán)傳感器的歸一化阻抗信息分布曲線呈現(xiàn)出不同的變化模式。在施加不同的外部激勵條件下，緯線環(huán)傳感器的歸一化阻抗幅值變化曲線均呈現(xiàn)較為劇烈（相對于前安全區(qū)）的波動（進入入侵區(qū)），因此能夠可靠的實現(xiàn)外部入侵行為的定性探測。在入侵區(qū)，拉伸激勵條件下，歸一化阻抗幅值分布曲線呈現(xiàn)先升后降的變化模式，并在后安全區(qū)逐漸趨于穩(wěn)定；剪斷激勵條件下歸一化阻抗幅值分布曲線呈現(xiàn)突變?yōu)闊o窮大的變化模式，并且無后安全區(qū)；攀爬激勵條件下歸一化阻抗幅值分布曲線呈現(xiàn)持續(xù)波動的變化模式，并且在后安全區(qū)逐漸趨于穩(wěn)定；短路搭接激勵條件下歸一化阻抗幅值分布曲線呈現(xiàn)突變?yōu)槟骋环€(wěn)定值的變化模式，并無后安全區(qū)。可見不同的外部入侵行為帶來不同的傳感器輸出變化模式，因此可根據(jù)不同的入侵區(qū)變化模式來實現(xiàn)入侵行為的分類識別。

5 結束語

基于傳統(tǒng)刺繩圍欄與阻抗變化分析方法的的周界警戒與隔離技術是通過優(yōu)化設計緯線結構形成入侵行為探測傳感器，來分析在一定觀察周期內的傳感器阻抗變化，從而實現(xiàn)對外部入侵行為的定性探測與分類識別。不僅具有傳統(tǒng)刺繩圍欄物理隔離與威懾功能，同時具有現(xiàn)代電子圍欄技術的周界警戒能力，真正實現(xiàn)了“物技合一”的周界安防功能。驗證性實驗研究發(fā)現(xiàn)，通過不同的入侵行為激勵，緯線環(huán)傳感器阻抗呈現(xiàn)不同的變化模式，因此可基于此實現(xiàn)外部入侵行為探測與分類識別，證明了該方法的技術可行性，應用前景廣闊。目前，該技術方法在西北戈壁灘某重點區(qū)域得到了初步成功應用，取得了良好運行效果。然而作為一種新提出的技術手段，必然需要通過深入研究不斷完善，在系統(tǒng)精度的提高，準確性與穩(wěn)定性提升，入侵行為模型庫建立以及自動判別，長周期運行條件下對系統(tǒng)精度的影響等方面都需要開展更進一步的深入研究。

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Study on perimeter surveillance and isolation technique based on impedance variation analysis of electric fence

HU Xiang-chao, ZHU Bao-liang, LU Hui
（Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi’an710024,China）

A novel technique of intrusion detection based on impedance variation analysis and woof loop sensor with barbed wire is proposed, which uses the woof loop of barbed wire fence as the senor to detect intrusions directly. Detection and classification of intrusions could be implemented by observations of the impedance variation analysis of woof loop sensor within a period of time. The technique has all the advantages as the traditional barbed-wire fence and modern electric fence. The effectiveness and feasibility of the technique were verified through a series of experiments. There would be broad application prospects for the technique in the perimeter surveillance and isolation fields in the future.

impedance variation analysis; woof loop sensor with barbed wire; perimeter surveillance and isolation techniques; detection and lassification of intrusions

TN707

A

1674-6236(2014)07-0088-04

2013-08-26稿件編號201308170

胡祥超(1981—)，男，黑龍江佳木斯人，博士。研究方向：測控技術與智能儀器，數(shù)字系統(tǒng)集成，信息與信號處理等。