一種校園智能綜合入侵防范周界系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高 曉 東，顧 東 岳

（1.江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南通 226006；2.南通文體會(huì)展管理有限公司，南通 226010）

校園周邊圍墻是校園安全的第一道防線，是防范校園入侵的重點(diǎn)部位。公安部門(mén)明確要求各級(jí)各類(lèi)學(xué)校在“校園圍墻處要加裝電子圍欄、周界報(bào)警裝置，進(jìn)一步增強(qiáng)安全防范能力”。江蘇省高質(zhì)量平安校園建設(shè)也將“周界防范建設(shè)”列為重要考核指標(biāo)之一。

目前，周界入侵防范系統(tǒng)在很多行業(yè)得到研究和應(yīng)用。張佑春等[1]在智能建筑行業(yè)針對(duì)傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)線路龐雜、功能單一、實(shí)時(shí)性差等缺陷，提出了一種采用RS-485 總線的智能建筑視頻監(jiān)控與周界防范系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)聲光與云臺(tái)攝像機(jī)聯(lián)動(dòng)報(bào)警功能。李婷玉等[2]在油田作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置基于SOLOv2算法（實(shí)時(shí)實(shí)例分割算法）和CenterNet（一種anchor-free 的目標(biāo)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)）的近海區(qū)域作業(yè)人員入侵偵測(cè)模型，對(duì)作業(yè)人員的位置與危險(xiǎn)區(qū)域位置進(jìn)行計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)近海周界區(qū)域入侵偵測(cè)，加強(qiáng)安全作業(yè)監(jiān)管。孫恒斌等[3]在核電站廠區(qū)通過(guò)配置智慧墻等探測(cè)措施，實(shí)現(xiàn)廠區(qū)安保防護(hù)優(yōu)化，解決了敏感區(qū)域周界防范薄弱的問(wèn)題。從技術(shù)載體來(lái)看，目前主流周界入侵防范系統(tǒng)可分為兩類(lèi)：一是“有形”的周界，如張力電子圍欄、脈沖電子圍欄；一是“無(wú)形”的周界，如智能視覺(jué)周界、紅外周界等。這些入侵防范系統(tǒng)在一定程度上滿(mǎn)足了安全防范的要求，但也存在各自的弊端。例如，以張力圍欄為代表的物理周界雖能有效降低入侵事件的概率，但誤報(bào)率較高，安保人員不能精準(zhǔn)辨別信息真?zhèn)?，不能?shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)情況，無(wú)法在第一時(shí)間準(zhǔn)確處置警情。鑒于以上情況，本文擬應(yīng)用智能視覺(jué)周界系統(tǒng)和張力圍欄周界系統(tǒng)，結(jié)合兩者優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種綜合入侵防范智能周界系統(tǒng)，既能大概率地阻止入侵事件發(fā)生，又能在入侵事件發(fā)生的第一時(shí)間給出及時(shí)、準(zhǔn)確的報(bào)警信息，以便快速處置，從而解決單一周界入侵防范技術(shù)的痛點(diǎn)。

1 周界相關(guān)技術(shù)分析

1.1 主流周界技術(shù)對(duì)比

當(dāng)前主流的周界防范系統(tǒng)包括智能視覺(jué)周界、張力電子圍欄周界、脈沖電子圍欄周界、紅外周界、微波墻周界等。不同周界系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)[4]對(duì)比如表1 所示。從表1 來(lái)看，“無(wú)形”周界與“有形”周界在技術(shù)特點(diǎn)上具有互補(bǔ)性。[5]為進(jìn)一步提升校園安防的綜合水平，可將二者進(jìn)行綜合應(yīng)用，探索一種校園智能綜合周界防范系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)周界防范的物理阻攔功能和入侵識(shí)別分析功能。

表1 主流周界防范系統(tǒng)技術(shù)對(duì)比

1.2 智能綜合入侵防范周界系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)分析

通過(guò)張力電子圍欄與智能視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合形成具有統(tǒng)一管理、聯(lián)動(dòng)報(bào)警、綜合治理功能的智能綜合入侵防范周界系統(tǒng)，有著任何一種單一周界防范系統(tǒng)所不具備的優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)在主動(dòng)防御、強(qiáng)適應(yīng)性、雙向通信、多系統(tǒng)無(wú)縫聯(lián)動(dòng)等方面。智能綜合入侵防范周界系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了威懾入侵者（消除作案動(dòng)機(jī)）、阻擋入侵事件發(fā)生（設(shè)置入侵障礙）、進(jìn)行報(bào)警管理（聲光報(bào)警與視頻監(jiān)控聯(lián)動(dòng)）三重功能，具有物理阻攔和智能識(shí)別的雙重防范能效?；谌斯ぶ悄艿娜肭肿R(shí)別算法能有效避免溫度、天氣、樹(shù)木、小動(dòng)物等因素的干擾。此外，系統(tǒng)支持多系統(tǒng)無(wú)縫聯(lián)動(dòng)，前端設(shè)備與管理中心雙向通信，具有警情上報(bào)、復(fù)核、處置等一體化管理功能。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

智能綜合入侵防范周界系統(tǒng)由前端設(shè)備、傳輸網(wǎng)絡(luò)、報(bào)警控制中心組成。前端設(shè)備包括張力控制桿（含張力探測(cè)、控制模塊）、受力桿、轉(zhuǎn)向受力桿、支撐桿、鋼絲圍欄線、彈簧、緊固件等。張力控制桿帶有標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)警開(kāi)關(guān)量信號(hào)接口，兼容任何總線制、分線制報(bào)警主機(jī)。報(bào)警主機(jī)通過(guò)識(shí)別防區(qū)的編碼進(jìn)行報(bào)警定位，這種架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行靈活調(diào)整，在復(fù)雜的地段可以合理增加防區(qū)。智能警戒攝像機(jī)交叉對(duì)射部署，并通過(guò)各防區(qū)交換機(jī)匯聚接入報(bào)警控制中心主交換機(jī)。智能警戒攝像機(jī)除了具備普通攝像機(jī)現(xiàn)場(chǎng)視頻采集和數(shù)字編碼的功能，還具備智能識(shí)別和視頻聯(lián)動(dòng)功能，能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行跟蹤和活動(dòng)軌跡繪制。報(bào)警控制中心設(shè)備包括報(bào)警主機(jī)、平臺(tái)服務(wù)器、解碼器、硬盤(pán)錄像機(jī)、電視墻、管理計(jì)算機(jī)等，這些設(shè)備分別通過(guò)RJ45 網(wǎng)絡(luò)接口與主交換機(jī)連接。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智能綜合入侵防范周界系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2 入侵事件偵測(cè)流程

前端入侵事件偵測(cè)有兩種方式：①由前端智能警戒攝像機(jī)觸發(fā)的入侵事件報(bào)警。[6]該方法通過(guò)視頻管理軟件在攝像機(jī)可視防區(qū)劃分警戒區(qū)實(shí)現(xiàn)布防，一旦偵測(cè)到人體闖入警戒防區(qū)即向安防管理平臺(tái)發(fā)送報(bào)警信息，并將實(shí)時(shí)畫(huà)面以彈窗方式展示在監(jiān)控屏幕，為安保人員第一時(shí)間處置警情提供參考。智能警戒攝像機(jī)采用智能識(shí)別算法，能有效過(guò)濾小動(dòng)物、樹(shù)葉等誤報(bào)信息，報(bào)警信息準(zhǔn)確率高。[7]②由張力圍欄觸發(fā)的入侵事件報(bào)警。該方法是通過(guò)張力控制桿偵測(cè)不銹鋼圍欄線的伸縮性變化，并將超出閾值的張力報(bào)警信息發(fā)送給報(bào)警主機(jī)。報(bào)警主機(jī)觸發(fā)前端聲光報(bào)警器，對(duì)入侵者進(jìn)行震懾的同時(shí)聯(lián)動(dòng)該區(qū)域智能警戒攝像機(jī)，并將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)畫(huà)面?zhèn)魉椭凉芾碇行谋O(jiān)控屏幕，實(shí)現(xiàn)張力圍欄報(bào)警與視頻報(bào)警雙向復(fù)核。入侵事件偵測(cè)業(yè)務(wù)邏輯如圖2 所示。

圖2 入侵事件偵測(cè)業(yè)務(wù)邏輯

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

校園智能綜合入侵防范周界系統(tǒng)以物理圍欄和視頻人工智能識(shí)別技術(shù)為基礎(chǔ)，將張力圍欄報(bào)警信號(hào)以及視頻報(bào)警信號(hào)統(tǒng)一接入安防綜合管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)張力檢測(cè)與視頻識(shí)別聯(lián)動(dòng)報(bào)警，滿(mǎn)足校園周界綜合入侵防范需求，具體功能包括：

1) 阻擋入侵事件發(fā)生，威懾入侵者。在原有圍墻上安裝實(shí)體圍欄，對(duì)原有圍墻加高，增加入侵者和圍墻內(nèi)人員的翻越難度，從而起到物理防范的目的。威懾功能主要通過(guò)夜光警示牌和前端聲光報(bào)警設(shè)備實(shí)現(xiàn)，主要是從心理上對(duì)入侵者進(jìn)行警告和震懾。

2) 實(shí)時(shí)監(jiān)控。實(shí)時(shí)調(diào)閱智能分析監(jiān)控點(diǎn)圖像，支持多種分屏顯示預(yù)覽畫(huà)面。智能分析結(jié)果預(yù)覽內(nèi)容包括警戒規(guī)則、目標(biāo)框、報(bào)警信息等。報(bào)警信息列表包括報(bào)警時(shí)間、事件類(lèi)型、發(fā)生地點(diǎn)等字段，用戶(hù)可以在報(bào)警列表中點(diǎn)擊查看報(bào)警抓拍圖片并回放報(bào)警錄像。

3) 周界去誤報(bào)。傳統(tǒng)周界防范系統(tǒng)誤報(bào)率高，智能綜合入侵防范周界系統(tǒng)具有人工智能識(shí)別功能，能夠有效過(guò)濾絕大部分非人體觸發(fā)的報(bào)警，提高周界防范報(bào)警準(zhǔn)確率，解決在實(shí)際使用中報(bào)警不準(zhǔn)確、誤報(bào)率高、防范效果不理想等問(wèn)題。

4) 視頻聯(lián)動(dòng)。視頻聯(lián)動(dòng)主要包括預(yù)置點(diǎn)聯(lián)動(dòng)、報(bào)警上墻、警情還原與視頻存儲(chǔ)等功能。①預(yù)置點(diǎn)聯(lián)動(dòng)。電子圍欄區(qū)域配置相機(jī)的預(yù)置點(diǎn)，在常規(guī)模式下，攝像機(jī)根據(jù)實(shí)際需求展示周界實(shí)景，若觸發(fā)報(bào)警，則聯(lián)動(dòng)到指定的預(yù)置點(diǎn)，直播報(bào)警畫(huà)面實(shí)況。②報(bào)警圖像實(shí)時(shí)上墻顯示。通過(guò)系統(tǒng)配置，將聯(lián)動(dòng)報(bào)警圖像上墻顯示。報(bào)警圖像自動(dòng)在顯示屏上的指定位置進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，監(jiān)控中心工作人員可實(shí)時(shí)掌握?qǐng)?bào)警點(diǎn)的視頻圖像信息或報(bào)警點(diǎn)周?chē)沫h(huán)境信息。③警情還原與視頻存儲(chǔ)。警情發(fā)生時(shí)，視頻自動(dòng)進(jìn)行視頻存儲(chǔ)，為后期警情還原提供回放視頻。

5) 報(bào)警管理。綜合安防平臺(tái)具有方便、快捷的報(bào)警管理界面，為用戶(hù)提供便捷的報(bào)警信息和用戶(hù)操作記錄的查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)、編輯等功能。報(bào)警受理狀態(tài)以明顯標(biāo)識(shí)區(qū)分未處理、已處理、處理中3 種狀態(tài)。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 報(bào)警主機(jī)配置

報(bào)警主機(jī)提供了豐富的接線端口，[7]接線面板左側(cè)為報(bào)警及電源接線端口，報(bào)警1、報(bào)警2 分別為一、二防區(qū)開(kāi)關(guān)信號(hào)輸出；輔助電源輸出電壓DC11V～14.5V，為外接地址模塊供電；POWER_IN 為電源輸入端口，電壓為DC15-36V 或AC15-36V；BELL 為外接警號(hào)端口。右側(cè)為一、二防區(qū)對(duì)應(yīng)的四道張力線信號(hào)接入。S1 為復(fù)位開(kāi)關(guān)，按1 下，可以使張力控制器復(fù)位，清除報(bào)警信息，重新記憶當(dāng)前張力值；按住S1 的時(shí)長(zhǎng)在3 s 以上即可進(jìn)入調(diào)試模式。S2 為撥鍵開(kāi)關(guān)，1 擋、2 擋、3 擋、4 擋位依次為靈敏度選擇（AUX）、防拆開(kāi)關(guān)選擇（FCKG）、級(jí)聯(lián)開(kāi)關(guān)選擇（Cascade）、防區(qū)選擇（Mode）。報(bào)警主機(jī)接線如圖3 所示。

圖3 報(bào)警主機(jī)接線示意圖

報(bào)警主機(jī)調(diào)試步驟如下：①檢查各端口接線是否正確；②依次接通左1 至左4、右1 至右4 共計(jì)8 個(gè)端口指示燈電源；③調(diào)節(jié)張力線緊線器，燈常亮表示張力線比較松弛，需要調(diào)緊“緊線器”至燈滅；燈慢閃表示張力線過(guò)緊，需要調(diào)松“緊線器”至燈滅；燈滅表示正常。

3.2 入侵偵測(cè)設(shè)置

入侵偵測(cè)包括普通事件和Smart（智能）事件兩種類(lèi)型，普通事件在視頻畫(huà)面發(fā)生變化時(shí)即觸發(fā)報(bào)警事件，而Smart 事件具有智能識(shí)別功能，通過(guò)平臺(tái)提供的AI 識(shí)別模型可以有效識(shí)別人體、車(chē)輛、小動(dòng)物等多種目標(biāo)對(duì)象。[8]入侵事件偵測(cè)規(guī)則分別為：①越界偵測(cè)。當(dāng)目標(biāo)越過(guò)用戶(hù)設(shè)置的警戒面時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警。根據(jù)穿越警戒面的方向，分為單向報(bào)警(從左往右、從右往左）和雙向報(bào)警。②區(qū)域入侵偵測(cè)。當(dāng)目標(biāo)在用戶(hù)設(shè)置的偵測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)停留（包括靜止和移動(dòng)）超過(guò)設(shè)定時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警。③進(jìn)入?yún)^(qū)域偵測(cè)。當(dāng)目標(biāo)從用戶(hù)設(shè)置的偵測(cè)區(qū)域外進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警。④離開(kāi)區(qū)域偵測(cè)。當(dāng)目標(biāo)從用戶(hù)設(shè)置的偵測(cè)區(qū)域內(nèi)離開(kāi)檢測(cè)區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警。以上4 種偵測(cè)區(qū)的繪制方法如圖4 所示。

圖4 入侵事件偵測(cè)區(qū)繪制

偵測(cè)區(qū)繪制完成后通過(guò)圖形化選擇界面設(shè)置布防時(shí)間及聯(lián)動(dòng)報(bào)警方式。聯(lián)動(dòng)報(bào)警方式包括常規(guī)聯(lián)動(dòng)，如聲音聯(lián)動(dòng)、郵件聯(lián)動(dòng)、監(jiān)控中心聯(lián)動(dòng)、監(jiān)視器上警告等。聯(lián)動(dòng)報(bào)警與報(bào)警所在點(diǎn)位聲光設(shè)備、攝像機(jī)強(qiáng)關(guān)聯(lián)也是事件軌跡生成的前提條件。

3.3 實(shí)時(shí)視頻報(bào)警聯(lián)動(dòng)

在入侵事件發(fā)生的同時(shí)，報(bào)警信息以彈窗方式出現(xiàn)在電視墻或者計(jì)算機(jī)端，事件報(bào)警彈窗界面示例如圖5 所示。事件報(bào)警彈窗頁(yè)面包括實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)預(yù)覽、聯(lián)動(dòng)回放和越界圖片等內(nèi)容，詳細(xì)展示入侵事件所發(fā)生的地點(diǎn)、時(shí)間、來(lái)源、類(lèi)型以及事件等級(jí)等信息。事件報(bào)警彈窗需要工作人員手工確認(rèn)，以便復(fù)核和處置報(bào)警信息。

圖5 電視墻報(bào)警聯(lián)動(dòng)彈窗示例界面

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)綜合應(yīng)用張力圍欄系統(tǒng)和智能視覺(jué)周界系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了一種具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的綜合入侵防范周界系統(tǒng)，一方面解決了傳統(tǒng)單一周界系統(tǒng)不能完全滿(mǎn)足入侵防范需求的不足，另一方面充分利用綜合安防管理平臺(tái)強(qiáng)大的管理能力，綜合管理兩種報(bào)警信號(hào)，協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)，進(jìn)一步提高了校園警情處置能力。實(shí)地部署和應(yīng)用表明，系統(tǒng)能夠有效滿(mǎn)足24 h 周界防范需求，在過(guò)濾誤報(bào)信息、處置及還原警情等方面均具有較好的性能，為進(jìn)一步提高校園安全管理水平提供了有力保障。