站臺(tái)端部入侵防護(hù)系統(tǒng)的研究

梁 帥，鄧勝江，戴建強(qiáng)，李 陽(yáng)

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

鐵路站臺(tái)端部防護(hù)是對(duì)鐵路車站站臺(tái)兩端一定區(qū)域的安全防護(hù)，主要目的是防止旅客穿越站臺(tái)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(tái)端部可采取電子防護(hù)方式，對(duì)非法入侵行為（穿越、翻越、或以破壞防護(hù)欄的方式進(jìn)入鐵路防護(hù)區(qū)域的行為）進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并提供報(bào)警信息。

近年來(lái)，鐵路站臺(tái)端部電子防護(hù)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(cè)器和視頻聯(lián)動(dòng)技術(shù)的站臺(tái)安防系統(tǒng)，彭良勇[3]提出基于雷達(dá)探測(cè)和視頻聯(lián)動(dòng)的站臺(tái)端部防入侵監(jiān)測(cè)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(bào)率較高。楊天驕等人[5]提出基于微波雷達(dá)和RFID 識(shí)別技術(shù)的端部防穿越入侵防護(hù)系統(tǒng)，能夠識(shí)別攜帶RFID 卡的工作人員；劉曉宇等人[6]采用微波雷達(dá)技術(shù)和ZIGBEE 定位技術(shù)的站臺(tái)端部防護(hù)系統(tǒng)，能夠識(shí)別攜帶電子標(biāo)簽的工作人員，在一定程度上降低了誤報(bào)率?？傮w而言，這些站臺(tái)端部電子防護(hù)系統(tǒng)不能識(shí)別工作人員，或是不能識(shí)別無(wú)身份識(shí)別卡工作人員，誤報(bào)率較高，影響了站臺(tái)端部電子防護(hù)技術(shù)的應(yīng)用效果。

鑒于此，本文提出以激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)為主、以超寬帶（UWB，Ultra Wide Band）精準(zhǔn)定位識(shí)別和圖像智能識(shí)別為輔的站臺(tái)端部入侵防護(hù)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱：系統(tǒng)），能夠智能探測(cè)入侵目標(biāo)，高精度地識(shí)別和定位UWB 定位標(biāo)簽，并且還能智能識(shí)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(lái)，以降低誤報(bào)率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

站臺(tái)端部入侵防護(hù)系統(tǒng)主要由站臺(tái)端部入侵防護(hù)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(tái)端部入侵防護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成示意

（1）站臺(tái)端部入侵防護(hù)裝置：安裝在站臺(tái)兩端，主要包括激光雷達(dá)、攝像頭、定位基站、主控模塊、語(yǔ)音報(bào)警模塊、揚(yáng)聲器和LED 顯示屏，還配置了無(wú)線遙控器和無(wú)線遙控模塊，可遠(yuǎn)程控制站臺(tái)端部入侵防護(hù)裝置的開啟、布防、撤防；可對(duì)進(jìn)入站臺(tái)端部的入侵目標(biāo)進(jìn)行360°無(wú)死角探測(cè)，實(shí)現(xiàn)入侵目標(biāo)探測(cè)、工作人員身份識(shí)別、監(jiān)控視頻錄像、聲光提示等功能，并將入侵目標(biāo)檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)中心設(shè)備進(jìn)行分析和存儲(chǔ)。

（2）數(shù)據(jù)中心設(shè)備：部署在車站信息機(jī)房，主要包括應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、視頻分析服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備、交換機(jī)等設(shè)備，這些設(shè)備通過車站辦公網(wǎng)與端部入侵防護(hù)裝置連通；數(shù)據(jù)中心設(shè)備完成入侵目標(biāo)檢測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理、分析與轉(zhuǎn)發(fā)，向用戶操作終端推送報(bào)警信息，通知監(jiān)控人員及時(shí)處理報(bào)警事件；實(shí)現(xiàn)與車站生產(chǎn)管控平臺(tái)的信息交互；此外，還為系統(tǒng)管理員提供系統(tǒng)維護(hù)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(fēng)；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(hù)操作界面；音響用于對(duì)報(bào)警信息的擴(kuò)音提示，麥克風(fēng)用于與端部入侵防護(hù)裝置進(jìn)行語(yǔ)音交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)非法入侵者遠(yuǎn)程喊話。

站臺(tái)端部入侵防護(hù)系統(tǒng)可接入車站生產(chǎn)管控平臺(tái)[7]，作為該平臺(tái)的一個(gè)子系統(tǒng)，與車站生產(chǎn)管控平臺(tái)進(jìn)行信息交互，并受車站生產(chǎn)管控平臺(tái)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(tái)端部入侵防護(hù)系統(tǒng)也可安裝在沒有車站生產(chǎn)管控平臺(tái)的車站上獨(dú)立運(yùn)行。

1.2 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

從數(shù)據(jù)流程的角度，站臺(tái)端部入侵防護(hù)系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)劃分為4 個(gè)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(dá)對(duì)探測(cè)區(qū)域?qū)崟r(shí)探測(cè)，當(dāng)探測(cè)到目標(biāo)時(shí)，采集目標(biāo)的位置坐標(biāo)；通過UWB 定位基站實(shí)時(shí)讀取定位標(biāo)簽的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽信號(hào)的采集；通過攝像頭獲取探測(cè)區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面，當(dāng)發(fā)生入侵行為時(shí)，同步采集入侵目標(biāo)的圖像和視頻。

（2）數(shù)據(jù)管理層：對(duì)數(shù)據(jù)采集層上傳的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范管理和分類存儲(chǔ)。

（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(zhǔn)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?cái)?shù)據(jù)和報(bào)警信息的可視化展示，實(shí)現(xiàn)報(bào)警信息自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)和推送，提供系統(tǒng)運(yùn)用管理和維護(hù)支持。

2 工作原理及報(bào)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(tái)端站臺(tái)端部入侵防護(hù)裝置的主控模塊采集激光雷達(dá)、UWB 定位基站、攝像頭的信號(hào)，對(duì)站臺(tái)端部進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)。

（2）當(dāng)探測(cè)到站臺(tái)端部出現(xiàn)入侵目標(biāo)時(shí)，主控模塊判斷進(jìn)入端部區(qū)域的目標(biāo)是否攜帶定位標(biāo)簽；如果目標(biāo)攜帶定位標(biāo)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(dòng)報(bào)警。

（3）當(dāng)發(fā)生入侵行為時(shí)，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(duì)入侵行為進(jìn)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(tái)端部入侵防護(hù)裝置，解除報(bào)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(tái)端部入侵防護(hù)裝置和管理監(jiān)控終端；站臺(tái)端部入侵防護(hù)裝置控制LED 顯示屏和語(yǔ)音報(bào)警模塊，進(jìn)行聲光告警；同時(shí)，管理監(jiān)控終端自動(dòng)彈出入侵報(bào)警信息提示窗，并播報(bào)報(bào)警語(yǔ)音。

（5）車站監(jiān)控人員通過麥克風(fēng)，對(duì)入侵者進(jìn)行語(yǔ)音警告，并通過站臺(tái)端部入侵防護(hù)裝置的語(yǔ)音報(bào)警模塊播報(bào)警告語(yǔ)音，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程喊話。

（6）在站臺(tái)施工、車站安全檢查等特殊時(shí)段，可通過無(wú)線遙控器，對(duì)指定站臺(tái)端部入侵防護(hù)裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程布防或撤防操作；當(dāng)接收到撤防命令后，站臺(tái)端部入侵防護(hù)裝置關(guān)閉其入侵防護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程撤防；當(dāng)接收到無(wú)線遙控器發(fā)出的布防命令后，站臺(tái)端部入侵防護(hù)裝置開啟入侵防護(hù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程布防。

2.2 報(bào)警處理流程

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

圖4 報(bào)警處理流程示意

當(dāng)探測(cè)到預(yù)警區(qū)域出現(xiàn)入侵行為時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行聲光告警，提醒入侵者此區(qū)域禁止通行。當(dāng)報(bào)警區(qū)域探測(cè)到入侵行為時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別入侵者的身份；若為工作人員，即隨身攜帶有定位標(biāo)簽，或者穿著專用制服或者工裝，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)解除報(bào)警，否則系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行聲光報(bào)警。

3 系統(tǒng)功能

站臺(tái)端部入侵防護(hù)系統(tǒng)的主要功能包括：入侵探測(cè)、身份識(shí)別、智能識(shí)別、入侵警告、拍照錄像、防護(hù)遙控、監(jiān)測(cè)報(bào)警、遠(yuǎn)程警告和系統(tǒng)維護(hù)，如圖5 所示。

圖5 功能結(jié)構(gòu)示意

（1）入侵探測(cè)：激光雷達(dá)持續(xù)向探測(cè)區(qū)域發(fā)射激光束，當(dāng)探測(cè)到目標(biāo)時(shí)，同步采集目標(biāo)反射回來(lái)的信號(hào)，依據(jù)激光測(cè)距原理，計(jì)算出目標(biāo)的位置坐標(biāo)。

（2）身份識(shí)別：定位基站主動(dòng)掃描工作人員隨身攜帶的定位標(biāo)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(huì)自動(dòng)解除報(bào)警。

（3）智能識(shí)別：站臺(tái)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(shí)現(xiàn)工作人員的智能識(shí)別。

（4）入侵警告：當(dāng)發(fā)生入侵行為時(shí)，通過語(yǔ)音播報(bào)，以及站臺(tái)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(tái)端部防護(hù)區(qū)域。

（5）拍照錄像：當(dāng)檢測(cè)到入侵行為時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)控制監(jiān)控?cái)z像頭拍攝入侵行為發(fā)生時(shí)和結(jié)束時(shí)的照片，并全程實(shí)時(shí)追蹤錄像，為后續(xù)的事件回溯提供證據(jù)。

（6）防護(hù)控制：可通過無(wú)線遙控器，遠(yuǎn)程控制站臺(tái)端部入侵防護(hù)裝置，進(jìn)行臨時(shí)撤防和恢復(fù)布防；當(dāng)監(jiān)控人員忘記重新布防時(shí)，超過設(shè)定的撤防時(shí)長(zhǎng)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)恢復(fù)站臺(tái)端部入侵防護(hù)裝置的布防設(shè)置。

（7）監(jiān)測(cè)報(bào)警：可通過管理監(jiān)控終端查看所有站臺(tái)監(jiān)控?cái)z像頭的實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面；發(fā)生入侵行為時(shí)，監(jiān)控管理終端自動(dòng)彈出入侵行為報(bào)警提示窗，并通過語(yǔ)音播報(bào)提醒監(jiān)控人員，對(duì)入侵行為予以關(guān)注。

（8）遠(yuǎn)程警告：監(jiān)控人員通過用戶操作終端的麥克風(fēng)，對(duì)進(jìn)入站臺(tái)端部區(qū)域的非法入侵者進(jìn)行人工喊話，督促其立即離開站臺(tái)端部防護(hù)區(qū)域。

（9）系統(tǒng)維護(hù)：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(hù)等功能，方便系統(tǒng)運(yùn)用管理。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 高精度UWB 定位

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

每個(gè)站臺(tái)端部都安裝了定位基站，通過測(cè)量定位基站與工作人員攜帶的定位標(biāo)簽之間距離，實(shí)現(xiàn)站臺(tái)上工作人員的定位。定位基站作為信號(hào)主機(jī)，定位標(biāo)簽作為信號(hào)從機(jī)，利用數(shù)據(jù)幀在信號(hào)主機(jī)與信號(hào)從機(jī)之間的傳播時(shí)間來(lái)測(cè)量?jī)烧唛g的距離，其原理如圖6 所示。

圖6 UWB 測(cè)距原理圖原理示意

在Ti時(shí)刻，定位基站向定位標(biāo)簽發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀，進(jìn)行定位請(qǐng)求；定位標(biāo)簽在Ta時(shí)刻收到數(shù)據(jù)幀，經(jīng)過一段響應(yīng)時(shí)間Ts后，在Tb時(shí)刻向定位基站發(fā)回?cái)?shù)據(jù)幀，定位基站在Tj時(shí)刻收到數(shù)據(jù)幀。

定位基站數(shù)據(jù)幀往返總時(shí)間Ttotal為

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

由此，數(shù)據(jù)幀到達(dá)時(shí)間Ttoa的計(jì)算公式為

而定位標(biāo)簽到定位基站的直線距離D的計(jì)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(tái)布局，設(shè)置每個(gè)定位基站的識(shí)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(duì)于定位基站的距離）。

4.2 工作人員智能識(shí)別

在站臺(tái)上或者穿越站臺(tái)工作時(shí)，工作人員通常穿著專用制服或工裝。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員著裝圖像的智能分析，可識(shí)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(tái)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(duì)圖片上工作人員進(jìn)行細(xì)致標(biāo)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(shí)別模型訓(xùn)練：在視頻分析服務(wù)器上安裝Caffe 深度學(xué)習(xí)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(jìn)行Faster-RCNN 算法訓(xùn)練，生成工作人員智能識(shí)別模型。

（3）圖像識(shí)別分析：當(dāng)發(fā)生入侵報(bào)警時(shí)，將現(xiàn)場(chǎng)目標(biāo)圖像輸入視頻分析服務(wù)器上的工作人員智能識(shí)別模型，對(duì)圖像中目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，判斷其是否為工作人員。

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一套以激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)為主、高精度定位識(shí)別和圖像智能識(shí)別分析為輔的站臺(tái)端部入侵防護(hù)系統(tǒng)，可有效消除飛鳥、雨雪、火車通行等對(duì)站臺(tái)端部入侵行為識(shí)別的干擾，能夠?qū)y帶有定位標(biāo)簽或穿著專用制服的工作人員進(jìn)行身份識(shí)別；系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，誤報(bào)率低，便于運(yùn)用管理與維護(hù)，并與車站生產(chǎn)管控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了信息交互。系統(tǒng)投入使用后，有效地增強(qiáng)了鐵路車站站臺(tái)防護(hù)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(tái)上工作人員著裝圖像，完成圖像標(biāo)注，構(gòu)造高質(zhì)量的工作人員著裝圖像數(shù)據(jù)集，對(duì)工作人員智能識(shí)別模型進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，提升工作人員識(shí)別的準(zhǔn)確度，進(jìn)一步降低誤報(bào)率。