基于微波陣列技術(shù)的高鐵周界入侵探測系統(tǒng)應(yīng)用研究

王軍鋒，盛大軍，劉子暢，呂大勇

（1.中科藍(lán)卓（北京）信息科技有限公司，北京 101399；2.京滬高速鐵路股份有限公司，北京 100844）

1 技術(shù)現(xiàn)狀分析

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等高新技術(shù)的出現(xiàn)，周界安防領(lǐng)域近年來得到了空前快速的發(fā)展。周界入侵探測技術(shù)可分為3個(gè)發(fā)展階段：第一代為視頻監(jiān)控，第二代為信號(hào)驅(qū)動(dòng)，第三代為目標(biāo)驅(qū)動(dòng)[1]。第一代視頻監(jiān)控僅具有事后追蹤作用，沒有入侵報(bào)警功能；第二代信號(hào)驅(qū)動(dòng)則依靠檢測信號(hào)量的大小變化進(jìn)行報(bào)警判斷，目前主流的振動(dòng)光纖、紅外對(duì)射、脈沖電子、泄漏電纜等系統(tǒng)均為第二代系統(tǒng)[2]，普遍存在誤報(bào)率較高、安全性較差、環(huán)境適應(yīng)性弱等缺點(diǎn)，易受到風(fēng)雪等天氣影響以及動(dòng)植物干擾影響。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的問世，多元化、智能化的周界安防系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，第三代目標(biāo)驅(qū)動(dòng)是周界入侵探測領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，其核心是采用多技術(shù)協(xié)同探測、算法融合、氣象數(shù)據(jù)智能分析、視頻聯(lián)動(dòng)、廣播報(bào)警燈等，在多傳感器聯(lián)動(dòng)的基礎(chǔ)上結(jié)合數(shù)據(jù)融合、模型分析、人工智能等技術(shù)，對(duì)周界環(huán)境進(jìn)行自學(xué)習(xí)，對(duì)入侵目標(biāo)行為進(jìn)行識(shí)別與告警，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境下、基于多傳感聯(lián)合計(jì)算的準(zhǔn)確告警。未來的周界安防將隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用朝著網(wǎng)格化、數(shù)字化、智能化，以及多手段相結(jié)合的方向發(fā)展，將周界安防系統(tǒng)提高到一個(gè)新的水平[3-6]。

目前，高鐵周界安防手段仍主要采用傳統(tǒng)的人防和物防手段。人防主要表現(xiàn)為每間隔3km設(shè)有崗?fù)ぃ芍蛋嗳藛T定期巡邏；物防主要體現(xiàn)在利用地勢(shì)優(yōu)勢(shì)，采用柵欄墻、護(hù)欄、鐵絲滾籠等方式。部分重點(diǎn)地區(qū)采用視頻監(jiān)控系統(tǒng)，但由于受到茂密植被的遮擋、極端天氣等影響，存在嚴(yán)重的誤報(bào)漏報(bào)現(xiàn)象。隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，高鐵周界安防受到廣泛的高度重視，開展了相關(guān)研究與技術(shù)攻關(guān)。尚賓賓[7]對(duì)紅外對(duì)射、振動(dòng)電纜、視頻監(jiān)控等9個(gè)主流的入侵報(bào)警手段進(jìn)行綜合對(duì)比分析，提出在復(fù)雜的高鐵周界環(huán)境中需要多手段聯(lián)合的探測方式進(jìn)行綜合布防監(jiān)控。徐夢(mèng)姝[8]提出一種新型高速鐵路周界入侵報(bào)警系統(tǒng)，基于人工智能技術(shù)對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的攝像圖像進(jìn)行智能識(shí)別，實(shí)現(xiàn)報(bào)警準(zhǔn)確率的提升。文靈[9]對(duì)多傳感器融合技術(shù)進(jìn)行充分研究，提出以時(shí)間和空間2個(gè)維度將多傳感器報(bào)警信息進(jìn)行融合，并將技術(shù)成果在周界安防系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行討論與研究。

高鐵線路在天窗期施工工程較多，且根據(jù)周界安防實(shí)際需求也有日常巡護(hù)等人員，現(xiàn)有周界安防系統(tǒng)對(duì)于施工維修及日常巡護(hù)人員在靠近、穿越周界開展合法工作時(shí)不能有效識(shí)別身份信息，造成無法避免的誤報(bào)警事件。同時(shí)，現(xiàn)有高鐵周界安防系統(tǒng)各自相對(duì)獨(dú)立，針對(duì)非法入侵事件沒有形成統(tǒng)一聯(lián)動(dòng)報(bào)警，需要進(jìn)一步依托地理信息系統(tǒng)平臺(tái)在空間和時(shí)間維度上進(jìn)行查詢檢索和綜合展示?，F(xiàn)有技術(shù)手段雖然在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)入侵報(bào)警與必要的周界安防管理，但由于技術(shù)手段眾多，且受限于各類安防系統(tǒng)的技術(shù)接口與架構(gòu)的差異性，很難通過統(tǒng)一平臺(tái)實(shí)現(xiàn)管理，而是每采用一種手段即需建立一套后臺(tái)管理系統(tǒng)，給安防管理人員帶來了極大的工作量與工作難度。

2 高鐵周界安防的需求分析

（1）支持不規(guī)則地形、圍網(wǎng)部署。受到高鐵線路地勢(shì)起伏、路橋結(jié)合處、長距離周界等環(huán)境限制，為能實(shí)現(xiàn)周界安防系統(tǒng)的一體化部署，避免過多設(shè)備安裝，需要周界安防系統(tǒng)能夠有效應(yīng)對(duì)地形的起伏，在不規(guī)則的周界范圍內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)一的一體化部署，在圍網(wǎng)、圍墻、柵欄等處統(tǒng)一安裝部署。

（2）與視頻安防系統(tǒng)深度融合、聯(lián)動(dòng)監(jiān)控。由于視頻監(jiān)控將在高鐵周界范圍逐步安裝部署，并考慮到視頻系統(tǒng)對(duì)事件可視化管理的優(yōu)勢(shì)，需要周界安防報(bào)警系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行深度融合，實(shí)現(xiàn)基于報(bào)警事件的聯(lián)動(dòng)，進(jìn)而從報(bào)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可靠依據(jù)。

（3）克服周邊植被環(huán)境干擾、降低誤報(bào)率。茂密植被是高鐵周界安防系統(tǒng)的重要挑戰(zhàn)，針對(duì)于茂密植被的嚴(yán)重干擾，需要周界安防系統(tǒng)能夠有效進(jìn)行合理過濾，提升報(bào)警的有效性，降低誤報(bào)率。同時(shí)由于系統(tǒng)安裝部署在室外不同區(qū)域，需要充分考慮野外暴曬、雨雪等天氣條件。

（4）識(shí)別日常巡邏和維護(hù)維修人員并記錄軌跡。針對(duì)高鐵周界日常巡邏和維護(hù)維修人員，系統(tǒng)需要對(duì)該類合法的工作人員進(jìn)行有效識(shí)別，當(dāng)其進(jìn)入防范周界范圍時(shí)不產(chǎn)生報(bào)警信息，僅對(duì)其運(yùn)動(dòng)軌跡及進(jìn)入人員詳細(xì)信息進(jìn)行后臺(tái)記錄。

3 關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)組成

面向高鐵沿線周界安全防護(hù)需求，提出基于微波陣列技術(shù)的高鐵周界入侵探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備入侵行為報(bào)警、入侵目標(biāo)定位、敵我識(shí)別、視頻聯(lián)動(dòng)等能力，為提升高鐵周界安防探測手段、提高管理效率提供有效手段。

3.1 微波陣列技術(shù)

第二代周界安防技術(shù)是以信號(hào)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)信號(hào)發(fā)生異常時(shí)則產(chǎn)生報(bào)警信息。第三代則是以入侵目標(biāo)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，多傳感協(xié)同方式對(duì)入侵行為進(jìn)行感知。在此提出的智能入侵探測技術(shù)是基于第二代異常信號(hào)和第三代多傳感協(xié)同感知的基礎(chǔ)上，結(jié)合人工智能技術(shù)，面向高鐵沿線特殊環(huán)境的入侵報(bào)警技術(shù)。

我國地域廣闊，高鐵周界環(huán)境復(fù)雜多樣，對(duì)于周界安防來說干擾項(xiàng)眾多。傳統(tǒng)周界安防系統(tǒng)誤報(bào)率較高的原因之一即為無法對(duì)干擾項(xiàng)進(jìn)行有效過濾。高鐵沿線較長，各地的干擾項(xiàng)互不相同，具有典型區(qū)域性特征。該系統(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，以線纜形式均勻排布，每個(gè)微波收發(fā)芯片以毫秒級(jí)的極短周期發(fā)射傳感探測信號(hào)，2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(yīng)微波陣列，通過微波信號(hào)收發(fā)在空間構(gòu)成傳感探測場（見圖1）。

當(dāng)有目標(biāo)進(jìn)入高鐵周界探測場時(shí)，每個(gè)收發(fā)芯片將會(huì)形成異常探測波形，對(duì)無線信號(hào)場造成遮擋、吸收、反射等干擾，形成大量向量對(duì)不同特征的動(dòng)態(tài)變化信息，采用數(shù)字信號(hào)處理（DSP）算法對(duì)微波收發(fā)芯片收到的信號(hào)從時(shí)域、頻域和空間域上進(jìn)行多維度的特征提取和分析過濾。同時(shí)采用AIS算法，利用AI神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與大數(shù)據(jù)智能分析系統(tǒng)進(jìn)行端到端的干擾過濾優(yōu)化，對(duì)入侵事件的多維度特征進(jìn)一步分析與處理，有效濾除環(huán)境及其他干擾因素造成的系統(tǒng)誤報(bào)警。同時(shí)后臺(tái)軟件基于深度學(xué)習(xí)模型知識(shí)庫對(duì)探測的目標(biāo)類型進(jìn)行有效識(shí)別與分類，具備數(shù)據(jù)庫樣品持續(xù)積累更新的能力，可根據(jù)高鐵不同現(xiàn)場環(huán)境，持續(xù)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫樣品進(jìn)行增補(bǔ)和定義，并基于模型庫進(jìn)行識(shí)別匹配，實(shí)現(xiàn)對(duì)具備威脅的入侵行為進(jìn)行準(zhǔn)確分類和報(bào)警，達(dá)到無漏警、低虛警的實(shí)時(shí)探測性能。目前該系統(tǒng)可對(duì)表1所列目標(biāo)進(jìn)行有效識(shí)別。

圖1 微波陣列技術(shù)工作原理

表1 目標(biāo)識(shí)別情況

同時(shí)，為滿足安防管理人員對(duì)入侵事件的可視化管理需求，系統(tǒng)利用通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)探測報(bào)警與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的融合，在以目標(biāo)作為驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生報(bào)警信息的同時(shí)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。另外，可提供手持終端和后臺(tái)監(jiān)控2種報(bào)警處置方式，滿足不同區(qū)段安防人員的管理需求。

3.2 基于數(shù)據(jù)通信的合法識(shí)別技術(shù)

為滿足對(duì)日常高鐵周界安全巡檢人員、夜間天窗點(diǎn)上線施工合法人員的識(shí)別需求，系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的信息通信與識(shí)別技術(shù)，為每個(gè)微波收發(fā)芯片進(jìn)行唯一編碼，同時(shí)提供智能識(shí)別卡。合法作業(yè)人員可通過佩戴的識(shí)別卡實(shí)現(xiàn)與探測線纜芯片之間的信息通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信息交互與數(shù)據(jù)連接，從而識(shí)別入侵目標(biāo)的合法性。針對(duì)合法進(jìn)入行為，系統(tǒng)對(duì)其運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行記錄，以供巡邏任務(wù)核查與監(jiān)督?；跀?shù)據(jù)通信的合法識(shí)別示意見圖2。

圖2 基于數(shù)據(jù)通信的合法識(shí)別示意圖

3.3 系統(tǒng)組成

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)和自動(dòng)識(shí)別終端組成。其中，微波探測與信息收集系統(tǒng)由探測線纜和數(shù)據(jù)收集分站組成，部署在周界范圍用以進(jìn)行周界入侵監(jiān)測；事件管理軟件可基于深度學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)入侵目標(biāo)的類型識(shí)別，通過可視化的周界環(huán)境進(jìn)行入侵事件精確定位與管理；視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)入侵行為進(jìn)行跟蹤與核查，可利用現(xiàn)有視頻安防監(jiān)控設(shè)備；自動(dòng)識(shí)別終端是提供給巡邏檢查、施工作業(yè)人員佩戴的設(shè)備，可以識(shí)別進(jìn)入探測場內(nèi)人員的合法性及具體信息。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 概述

該系統(tǒng)于2018年在京滬高速鐵路廊坊段安裝部署并開展了試驗(yàn)驗(yàn)證工作。該路段包括典型的路基段和橋梁段，并含有柵欄門、路橋結(jié)合處、橋梁檢修通道等管理薄弱點(diǎn)，且有鐵路基站可供取網(wǎng)取電。由于路基段環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，因此為保障探測準(zhǔn)確度，探測線纜在路基段以雙線形式在護(hù)欄內(nèi)側(cè)鋪地部署；橋梁段環(huán)境相對(duì)簡單，以單線形式部署于橋梁護(hù)欄處；數(shù)據(jù)收集分站部署于路基段護(hù)欄內(nèi)側(cè)；軟件類系統(tǒng)為便于試驗(yàn)驗(yàn)證部署于值班警亭處。試點(diǎn)工程重點(diǎn)開展了入侵試驗(yàn)、干擾試驗(yàn)和系統(tǒng)功能試驗(yàn)。其中，入侵試驗(yàn)主要包括單點(diǎn)及多點(diǎn)非法入侵、異物入侵、入侵行為跟蹤、合法人員智能識(shí)別等典型試驗(yàn)；系統(tǒng)干擾試驗(yàn)包括護(hù)欄外各類車輛行駛、模擬異物干擾等；系統(tǒng)功能試驗(yàn)包括聯(lián)動(dòng)聲光、攝像系統(tǒng)、防區(qū)管理、入侵定位、特殊地形安裝部署、自監(jiān)控等功能。

4.2 正常運(yùn)行測試結(jié)果

在系統(tǒng)正常運(yùn)行的一段周期內(nèi)，在非人工干預(yù)情況下共計(jì)報(bào)警1026次，通過視頻核查及現(xiàn)場調(diào)查，具體報(bào)警信息分析如下：

（1）2018年9月系統(tǒng)產(chǎn)生報(bào)警信息18條，經(jīng)過視頻核查后，報(bào)警原因?yàn)樵诼窐蚪Y(jié)合處超大車輛駛過。系統(tǒng)采集了產(chǎn)生該報(bào)警信息的所有數(shù)據(jù)，并利用深度學(xué)習(xí)算法對(duì)該事件進(jìn)行建模，此后已將超大車輛駛過事件作為干擾項(xiàng)有效過濾。

（2）2018年10月系統(tǒng)產(chǎn)生報(bào)警信息32條，經(jīng)視頻核查后，報(bào)警原因?yàn)樵诼坊问艿矫苤脖缓托?dòng)物干擾（見圖3）。系統(tǒng)經(jīng)過升級(jí)深度學(xué)習(xí)算法，有效過濾植被和小動(dòng)物干擾，此后無此類誤報(bào)警信息產(chǎn)生。

圖3 高鐵護(hù)欄內(nèi)側(cè)小動(dòng)物干擾報(bào)警

（3）2018年11月系統(tǒng)產(chǎn)生報(bào)警信息34條，經(jīng)視頻核查后，報(bào)警原因主要是受到大風(fēng)、雨雪等極端天氣影響。系統(tǒng)對(duì)冬季的極端天氣進(jìn)行采樣與算法庫更新，此后系統(tǒng)可對(duì)極端天氣影響進(jìn)行有效過濾。

（4）在系統(tǒng)正常運(yùn)行周期內(nèi)，由于未給合法的施工作業(yè)人員配備智能識(shí)別卡，因此在夜晚天窗點(diǎn)作業(yè)施工時(shí)，共計(jì)產(chǎn)生942次報(bào)警事件。

4.3 模擬人員入侵測試結(jié)果

（1）模擬非法人員入侵。在橋梁段、路橋結(jié)合處、路基段，于夏季、冬季各測試30次，共計(jì)60次試驗(yàn)，系統(tǒng)準(zhǔn)確報(bào)警60次，無漏報(bào)事件。非法人員入侵報(bào)警效果見圖4。

圖4 非法人員入侵報(bào)警效果

（2）模擬攀爬。在橋梁段、路橋結(jié)合處、路基段，于夏季、冬季各測試30次，共計(jì)60次試驗(yàn)，系統(tǒng)準(zhǔn)確報(bào)警60次，無漏報(bào)事件。路基段模擬攀爬護(hù)欄見圖5。

圖5 路基段模擬攀爬護(hù)欄

（3）試驗(yàn)者配置智能識(shí)別卡。分別在不同時(shí)間內(nèi)，由多名試驗(yàn)人員佩戴智能識(shí)別卡沿護(hù)欄內(nèi)側(cè)共計(jì)行走4km，直至全部覆蓋試驗(yàn)區(qū)段。結(jié)果顯示，系統(tǒng)能夠?qū)υ囼?yàn)人員行走路線全程識(shí)別和全程記錄，并能了解試驗(yàn)人員的具體信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)入侵人員的身份識(shí)別。合法識(shí)別效果見圖6。

（4）異物入侵。選取路基段、路橋結(jié)合處開展模擬異物入侵試驗(yàn)，試驗(yàn)準(zhǔn)備的異物包括紙箱、鐵鍬、木板、石頭、棉被、衣物、工具箱、梯子、木棍，每個(gè)物體測試10次，共計(jì)90次。當(dāng)系統(tǒng)檢測認(rèn)為物體會(huì)對(duì)鐵路行車帶來威脅時(shí)產(chǎn)生報(bào)警信息。模擬異物入侵見圖7。

圖6 合法識(shí)別效果

圖7 模擬異物入侵

5 結(jié)論

（1）經(jīng)過多類型、大量的人工干預(yù)模擬試驗(yàn)，測試結(jié)果表明，基于微波陣列技術(shù)的高鐵周界入侵探測系統(tǒng)能夠?qū)Ψ欠ㄈ藛T、異物入侵具有高度的敏感性，能夠有效探測非法入侵行為?；谌斯ぶ悄芗夹g(shù)構(gòu)建的算法庫，能夠?qū)Ω哞F周界干擾項(xiàng)進(jìn)行有效的動(dòng)態(tài)識(shí)別與過濾，保證系統(tǒng)探測的有效性，提升報(bào)警準(zhǔn)確率。

（2）因其以線纜形式呈現(xiàn)，因此系統(tǒng)能在不規(guī)則且不規(guī)范的周界范圍進(jìn)行全空間安裝，尤其針對(duì)高鐵周界路橋結(jié)合處，能夠有效克服地形起伏，以及周界拐點(diǎn)多、同時(shí)建有圍墻/圍網(wǎng)/柵欄等限制。

（3）系統(tǒng)基于多傳感融合技術(shù)，將微波探測設(shè)備與視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行深度融合，以報(bào)警信息驅(qū)動(dòng)視頻系統(tǒng)進(jìn)行事件跟蹤與取證，打破了傳統(tǒng)周界安防僅利用空間和時(shí)間的松耦合、淺融合的局面。

（4）系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)的信息通信技術(shù)，能對(duì)合法的施工和巡邏人員進(jìn)行有效識(shí)別，并記錄識(shí)別人員的行為軌跡，從而降低系統(tǒng)的誤報(bào)情況，有效管理施工人員行為路線。

系統(tǒng)在京滬高速鐵路廊坊段進(jìn)行了部署測試，運(yùn)行期間能夠?qū)Ψ欠ㄈ肭质录M(jìn)行報(bào)警，同時(shí)針對(duì)引起頻繁報(bào)警的小動(dòng)物干擾事件通過靈活調(diào)整深度學(xué)習(xí)算法而有效過濾。系統(tǒng)運(yùn)行期間無漏報(bào)和誤報(bào)現(xiàn)象發(fā)生，有效提升了高鐵周界安防的整體能力，并有助于規(guī)范化管理合法施工人員作業(yè)，進(jìn)一步保障了高鐵運(yùn)營安全。