基于Bagging-SVM 的門禁單元光柵周界入侵同步預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

遲玉剛

（南京大學(xué)，江蘇南京 210023）

對(duì)門禁單元光柵的不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相應(yīng)的入侵預(yù)警系統(tǒng)，利用光柵光學(xué)特性進(jìn)行預(yù)警數(shù)據(jù)光感濾波操作，可提升預(yù)警的科學(xué)性[1]。但是無法精準(zhǔn)掌握同步預(yù)警數(shù)據(jù)，在進(jìn)行系統(tǒng)預(yù)警時(shí)，存在部分預(yù)警信息泄露問題，預(yù)警的精準(zhǔn)程度較低，系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)率相對(duì)較高[2]，因此研究門禁單元光柵周界入侵同步預(yù)警具有重要意義。

不少研究學(xué)者設(shè)計(jì)了相應(yīng)的預(yù)警系統(tǒng)，陳兆鵬等人[3]基于光纖Bragg 光柵傳感器陣列，提出入侵預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，在相同長(zhǎng)度的監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)分析傳感器傳回的信號(hào)數(shù)據(jù)，提升入侵感應(yīng)的靈敏度，結(jié)合時(shí)域分析方式感知預(yù)警信息，進(jìn)一步提升預(yù)警系統(tǒng)的可靠程度。陶鑫等人[4]提出基于弱光柵陣列技術(shù)構(gòu)建預(yù)警系統(tǒng)機(jī)制，根據(jù)光柵所處位置定位振動(dòng)區(qū)域，根據(jù)光柵反射的回光解析振動(dòng)信號(hào)的頻率，進(jìn)而獲取相應(yīng)的預(yù)警數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)預(yù)警分析。

傳統(tǒng)門禁單元光柵周界入侵同步預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)雖具備一定的預(yù)警有效性[5]，但在系統(tǒng)整體預(yù)警操作上存在安全問題。因此，文中基于Bagging-SVM 提出一種新式門禁單元光柵周界入侵同步預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并通過實(shí)驗(yàn)研究證明該預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警可靠性。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)據(jù)傳感模塊

在設(shè)計(jì)門禁單元光柵周界入侵同步預(yù)警系統(tǒng)硬件的初始階段，為有效檢測(cè)預(yù)警數(shù)據(jù)的有效性，設(shè)置數(shù)據(jù)傳感模塊，用于感知不同結(jié)構(gòu)的光柵光波特征[6-7]。數(shù)據(jù)傳感模塊選擇WRNB-230 型號(hào)的傳感器，該傳感器通常和顯示儀表、記錄儀表、電子計(jì)算機(jī)等配套使用，其抗干擾能力強(qiáng)，熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)能經(jīng)過溫度變送器傳送不平衡信號(hào)，經(jīng)放大后轉(zhuǎn)換成為4～20 mA 的直流電信號(hào)，發(fā)送給工作儀表，工作儀表便顯示出所對(duì)應(yīng)的參數(shù)值。顯示器精度等級(jí)為模擬指示式2.5 級(jí)、數(shù)字顯示式0.5 級(jí)，儀表輸出接線端與外殼之間的絕緣電阻不小于50 Ω，能夠有效避免電力數(shù)據(jù)外泄[8]。儀表的基本誤差應(yīng)不超過熱電偶和溫度變送器基本誤差的合成誤差，在確保數(shù)據(jù)傳感的同時(shí)管理預(yù)警信息的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高效安全的數(shù)據(jù)傳感操作。

1.2 監(jiān)測(cè)模塊

文中監(jiān)測(cè)模塊的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)器選擇型號(hào)為YHJCQ的光感電子監(jiān)測(cè)裝置[9]，放電計(jì)數(shù)器在波形為8 Hz時(shí)，幅值為50～100 A。輸入信號(hào)范圍為0.1～200 A，具備RS485 通信接口功能，可實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信或與上位機(jī)通信，有效確保數(shù)據(jù)之間的傳輸與監(jiān)測(cè)[10]。該監(jiān)測(cè)器應(yīng)用小波變換測(cè)量分析非平穩(wěn)時(shí)變信號(hào)的諧波，能夠定時(shí)記錄和存儲(chǔ)電壓、電流、有功功率、無功功率、頻率、相位等電力參數(shù)的變化趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部數(shù)據(jù)的有效轉(zhuǎn)化，并根據(jù)電力參數(shù)的相關(guān)特征獲取單元光柵的光感特征參數(shù)，完成數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)操作。

1.3 預(yù)警模塊

預(yù)警模塊的預(yù)警儀器為數(shù)據(jù)預(yù)警解調(diào)儀，該預(yù)警裝置擁有八個(gè)獨(dú)立的光通道，每個(gè)光通道有多達(dá)40 個(gè)傳感器，能夠完整采集采樣率在10%以下的光感數(shù)據(jù)的波長(zhǎng)穩(wěn)定性參數(shù)，無需進(jìn)行飛行時(shí)間校正即可保持波長(zhǎng)精度，具備消偏振光源的功能，以減少雙折射引起的噪聲影響。該預(yù)警裝置的高動(dòng)態(tài)范圍在30 dB 以上，可以進(jìn)行外部觸發(fā)，并具有同時(shí)檢測(cè)屬于同一光通道的傳感器的特點(diǎn)[11]。波長(zhǎng)為10 nm，工作溫度在0～45 ℃之間，工作濕度在0%～80%以內(nèi)無凝結(jié)的狀態(tài)下，能夠有效預(yù)警不同階段的光感信息數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)光柵內(nèi)部的光感信號(hào)作出相應(yīng)傳輸反應(yīng)，經(jīng)由光通道將采集的預(yù)警信息轉(zhuǎn)化為預(yù)警信號(hào)模式，實(shí)現(xiàn)預(yù)警模塊的設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

Bagging-SVM 算法作為一種迭代算法，能夠有效提升集成學(xué)習(xí)的性能，在統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)的理論基礎(chǔ)上構(gòu)建良好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析模型，完整解析預(yù)警數(shù)據(jù)的隱藏信息[12]。將樣本訓(xùn)練集分類成不同的數(shù)據(jù)類型，增強(qiáng)系統(tǒng)的分類能力，獲取更加可靠的預(yù)警信息?；贐agging-SVM的數(shù)據(jù)分割示意圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)分割示意圖

利用硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析預(yù)警數(shù)據(jù)，構(gòu)建系統(tǒng)軟件平臺(tái)，為提升整體算法的預(yù)警學(xué)習(xí)多樣性，避免產(chǎn)生多重?cái)_動(dòng)機(jī)制，文中系統(tǒng)軟件結(jié)合個(gè)體差異性排除方法建立預(yù)警空間[13]?？刂祁A(yù)警系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)處于二重?cái)_動(dòng)狀態(tài)中，同時(shí)整合樣本數(shù)據(jù)與特征擾動(dòng)數(shù)據(jù)，加強(qiáng)對(duì)門禁單元光柵結(jié)構(gòu)的管理力度，實(shí)現(xiàn)算法集成學(xué)習(xí)平臺(tái)的建立。

快速解調(diào)波長(zhǎng)信號(hào)，按照預(yù)警操控平臺(tái)的特征值數(shù)據(jù)輸出入侵動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)，清除外界因素對(duì)系統(tǒng)平臺(tái)運(yùn)算的干擾[14]，通過平臺(tái)傳感系統(tǒng)傳輸相關(guān)單元用戶信息，相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸公式為：

式中，T表示傳輸參數(shù)；C表示傳輸指令；S表示平臺(tái)傳感原則；z表示入侵動(dòng)機(jī)參數(shù)。

調(diào)整預(yù)警數(shù)據(jù)輸入行為，對(duì)應(yīng)不同的傳感平臺(tái)輸出波長(zhǎng)處理預(yù)警采樣數(shù)據(jù)[15]。在預(yù)警平臺(tái)內(nèi)部，將波長(zhǎng)分辨率較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)傳輸至通信光纜通道，加強(qiáng)對(duì)通道內(nèi)部的監(jiān)督管理。調(diào)高動(dòng)態(tài)預(yù)警信息的預(yù)警頻率，控制時(shí)變信號(hào)中的數(shù)據(jù)頻率分量，并進(jìn)行預(yù)警參數(shù)相關(guān)性分析。

針對(duì)預(yù)警性能較強(qiáng)的平臺(tái)算法空間的特征設(shè)置預(yù)警計(jì)算公式如下：

式中，n表示平臺(tái)算法數(shù)據(jù)，k表示入侵信息采集指標(biāo)，a表示不同屬性的預(yù)警信息，P表示激勵(lì)信號(hào)波長(zhǎng)。

根據(jù)以上預(yù)警計(jì)算公式計(jì)算預(yù)警平臺(tái)內(nèi)部存儲(chǔ)的信號(hào)特征值參數(shù)，調(diào)整參數(shù)的移動(dòng)位置，同時(shí)進(jìn)行預(yù)警參數(shù)特征值降維處理。

在軟件平臺(tái)中降維參數(shù)的過程中，通常選擇數(shù)據(jù)貢獻(xiàn)率較高的參數(shù)，同時(shí)將運(yùn)算得出的n維特征參數(shù)作為經(jīng)過降維處理后的結(jié)果參數(shù)。為有效減小預(yù)警誤差，在選取降維特征值參數(shù)時(shí)，按照預(yù)警特征值參數(shù)的存儲(chǔ)容量大小進(jìn)行排序操作，觀察數(shù)據(jù)遞增條件，并記錄相關(guān)條件信息，將信息數(shù)據(jù)傳導(dǎo)至中心參數(shù)選取平臺(tái)中[16]。精準(zhǔn)預(yù)測(cè)預(yù)警平臺(tái)中的預(yù)警數(shù)據(jù)格式化信息，然后集中監(jiān)控預(yù)警特征維數(shù)的變化狀況。當(dāng)維數(shù)變化過大時(shí)，停止平臺(tái)降維處理，并適當(dāng)提升平臺(tái)的判斷能力?？紤]平臺(tái)中的入侵?jǐn)?shù)據(jù)信息，度量預(yù)警區(qū)間，并建立預(yù)警度量公式：

其中，L表示預(yù)警度量參數(shù)；M表示平臺(tái)入侵參數(shù)；E表示冗余矩陣結(jié)果特征值；I表示平臺(tái)容納空間參數(shù)。

設(shè)置不同的平臺(tái)參數(shù)權(quán)重，加大平臺(tái)內(nèi)部的數(shù)據(jù)分類力度，在預(yù)警分析平臺(tái)中控制不同屬性的預(yù)警數(shù)據(jù)，構(gòu)建預(yù)警特征子集，隨機(jī)抽取特征子集中的預(yù)警參數(shù)，并按照預(yù)警程度的大小將其分配至不同的預(yù)警空間中，等待后續(xù)預(yù)警監(jiān)測(cè)處理，由此實(shí)現(xiàn)整體預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)操作。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證文中設(shè)計(jì)的基于Bagging-SVM 的門禁單元光柵周界入侵同步預(yù)警系統(tǒng)的有效性，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)，通過MOIsm130設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)，信號(hào)采樣率設(shè)置為650 Hz，通過1 450～1 700 nm波長(zhǎng)的工作設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，確保不同的通道能夠順利通過80 個(gè)以上的測(cè)試單元，從而明確每個(gè)不同測(cè)試單元的信息，使監(jiān)測(cè)范圍維持在3～15 m。采用文中設(shè)置的預(yù)警系統(tǒng)對(duì)入侵信號(hào)和外界的溫度上升信號(hào)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分析在不同信號(hào)下，提出的預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警效果。

得到的溫度信號(hào)如圖2 所示。入侵信號(hào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

圖2 溫度信號(hào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 入侵信號(hào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

觀察圖2 和圖3 可知，文中研究的預(yù)警系統(tǒng)檢測(cè)的溫度上升信號(hào)和入侵信號(hào)存在很大的不同。對(duì)比入侵信號(hào)和溫度信號(hào)可知，入侵信號(hào)的振動(dòng)特性較明顯，曲線采用的模式為上升模式，在局部無法檢測(cè)出極大值和極小值。根據(jù)幅值分布特點(diǎn)可知，入侵曲線雖然在最大值和最小值上都存在分布，但是分布的點(diǎn)數(shù)相對(duì)較少，由此可以證明，入侵動(dòng)作的分布極為不均勻，而正常的溫度采用均勻分布方式。根據(jù)頻率域可知，入侵信號(hào)采用的方式為振動(dòng)方式，頻譜分布不集中，在3～5 Hz 頻率范圍內(nèi)振動(dòng)，溫度上升的信號(hào)不會(huì)出現(xiàn)0 頻點(diǎn)。由此可見，文中設(shè)計(jì)的預(yù)警系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地完成預(yù)警判斷。

為進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性，選用文中提出的系統(tǒng)、文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，分析準(zhǔn)確率，得到的準(zhǔn)確率實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 準(zhǔn)確率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表1 可知，文中設(shè)計(jì)的預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警準(zhǔn)確率高于文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)，其原因是文中系統(tǒng)在進(jìn)行預(yù)警分析時(shí)，不依靠分類器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，而文獻(xiàn)[3-4]的預(yù)警系統(tǒng)依靠分類器導(dǎo)致在分析過程中，信息存在不平衡，出現(xiàn)了多種錯(cuò)分狀態(tài)。

4 結(jié)束語

文中在傳統(tǒng)門禁單元光柵周界入侵同步預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種新式基于Bagging-SVM的門禁單元光柵周界入侵同步預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)以光柵周界系統(tǒng)的內(nèi)部傳感器為預(yù)警基礎(chǔ)，通過調(diào)節(jié)光柵解調(diào)裝置的感應(yīng)特征提取預(yù)警信號(hào)，根據(jù)不同的信號(hào)頻率給出相應(yīng)預(yù)警指令，提升預(yù)警的準(zhǔn)確率，同時(shí)能夠分析海量的入侵?jǐn)?shù)據(jù)，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)可靠性，可及時(shí)反饋預(yù)警信息，降低預(yù)警系統(tǒng)的報(bào)錯(cuò)率，更好地滿足使用者的需求。但該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用的過程中需要加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全管理，防止外界數(shù)據(jù)的入侵，增強(qiáng)整體預(yù)警系統(tǒng)的長(zhǎng)距離預(yù)警性能，確保預(yù)警的有效性，進(jìn)而獲取更佳的預(yù)警信息數(shù)據(jù)。