劉子暢 王軍鋒 呂大勇

(中科藍(lán)卓（北京）信息科技有限公司，北京 101399)

1 概述

近年來(lái)，隨著高速鐵路的快速發(fā)展，因周界安防手段技術(shù)能力不足、巡邏人員監(jiān)管能力有限等原因，人為闖入、故意干擾行車(chē)事件屢次發(fā)生，造成了大量的財(cái)產(chǎn)損失，甚至威脅到生命安全，因此高速鐵路周界安防已經(jīng)逐漸引起廣泛關(guān)注[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，周界安防領(lǐng)域的技術(shù)及應(yīng)用也在不斷的更新。尚賓賓學(xué)者在2018年對(duì)鐵路周界入侵報(bào)警中應(yīng)用到的紅外對(duì)射、振動(dòng)電纜、視頻監(jiān)控等9個(gè)技術(shù)手段進(jìn)行了論述及對(duì)比，并提出在長(zhǎng)距離、復(fù)雜環(huán)境下的鐵路沿線周界合理布放安防手段的建議[2]。2018年徐夢(mèng)姝學(xué)者提出了一種新型高速鐵路周界入侵報(bào)警系統(tǒng)，是基于智能分析技術(shù)對(duì)攝像圖像進(jìn)行智能識(shí)別，進(jìn)而起到提起預(yù)警作用，并通過(guò)長(zhǎng)期系統(tǒng)運(yùn)行積累數(shù)據(jù)，進(jìn)而利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)優(yōu)化系統(tǒng)算法庫(kù)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警準(zhǔn)確率的提升[3]。在其他領(lǐng)域，各學(xué)者也對(duì)周界安防做了研究與工程部署。2017年文靈學(xué)者對(duì)多傳感器融合技術(shù)進(jìn)行研究，提出以時(shí)間和空間兩個(gè)維度將多種傳感器報(bào)警信息進(jìn)行融合，并將技術(shù)成果在周界安防中的應(yīng)用進(jìn)行了探討與研究[4]。2018年高寧和陳振鳴學(xué)者提出了新一代基于智能入侵探測(cè)技術(shù)的周界安防系統(tǒng)應(yīng)用于某指揮部周界安防中，對(duì)比提出了8種周界安防產(chǎn)品的各類指標(biāo)和性能的對(duì)比，并基于在某基地的實(shí)際應(yīng)用情況，得出針對(duì)于場(chǎng)站復(fù)雜環(huán)境來(lái)說(shuō)，新型的基于入侵探測(cè)技術(shù)的周界安防系統(tǒng)更能夠有效的對(duì)場(chǎng)站周界進(jìn)行多維度監(jiān)控與報(bào)警[5]。

學(xué)者們對(duì)主流的周界安防手段技術(shù)原理進(jìn)行分析與論述，同時(shí)在軍用基地、機(jī)場(chǎng)、學(xué)校等領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行研究。結(jié)合各學(xué)者提出的業(yè)務(wù)上的需求、技術(shù)上的優(yōu)缺點(diǎn)，為本文研究提供良好基礎(chǔ)。高鐵沿線線路較長(zhǎng)，涉及的各類環(huán)境要比場(chǎng)站、學(xué)校、機(jī)場(chǎng)等復(fù)雜得多，并且考慮到高鐵路段管理的特殊性，目前并沒(méi)有形成統(tǒng)一的周界安防技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，仍需根據(jù)實(shí)際沿線環(huán)境和管理業(yè)務(wù)需求進(jìn)行探討。本文對(duì)高鐵周界安防現(xiàn)狀進(jìn)行全面分析，總結(jié)出具體的業(yè)務(wù)需求，并提出切實(shí)可行的解決辦法，為高鐵周界安防有效管理提供輔助支持。

2 周界安防技術(shù)水平現(xiàn)狀及問(wèn)題分析

2.1 高鐵周界技防現(xiàn)狀

周界安防手段可概括為人防、物防、技防3類，其中人防主要是利用人工加強(qiáng)巡邏，物防主要是利用地勢(shì)、圍墻、鐵絲滾網(wǎng)等物理防范手段，技防是利用信息技術(shù)對(duì)周界范圍進(jìn)行信息化管理。隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步與整個(gè)安防事業(yè)不斷發(fā)展，周界安防技術(shù)能力也在不斷革新，當(dāng)今周界防護(hù)系統(tǒng)主要包括：紅外探測(cè)、電子圍欄、振動(dòng)光纖、泄漏電纜、視頻監(jiān)控等手段。然而受制于高鐵沿線特殊復(fù)雜的周界環(huán)境，在高鐵周界安防領(lǐng)域開(kāi)展應(yīng)用示范及驗(yàn)證較多的技術(shù)手段以紅外對(duì)射、振動(dòng)光纖、視頻監(jiān)控為主。

1)紅外對(duì)射是利用始端發(fā)射脈沖紅外線，由受光器接收，防區(qū)內(nèi)有物體遮擋光波時(shí)觸發(fā)報(bào)警；紅外對(duì)射設(shè)備小巧、安裝成本低、市場(chǎng)和技術(shù)均表現(xiàn)成熟。據(jù)調(diào)研可知，高鐵周界范圍有茂密植被，并且在霧霾、雨雪等天氣時(shí)，紅外對(duì)射設(shè)備極易將產(chǎn)生誤報(bào)警信息；另一方面，由于高鐵周界地勢(shì)有起伏，且周界有拐點(diǎn)，需要安設(shè)多套設(shè)備，也造成了施工難、設(shè)備多等問(wèn)題。

2)振動(dòng)光纖是以感應(yīng)光纖、光電轉(zhuǎn)換單元為核心組件，基于光學(xué)干涉原理，當(dāng)發(fā)生振動(dòng)引起纖芯變形，導(dǎo)致光位相變化時(shí)，通過(guò)感測(cè)光的波形等變化特性，并經(jīng)過(guò)模型計(jì)算，可以識(shí)別入侵行為和侵入地點(diǎn)。在高鐵周界安防場(chǎng)景中通常被安裝在鐵絲圍欄和柵欄上，對(duì)攀爬、破壞周界行為較為敏感，但對(duì)翻越入侵行為無(wú)法實(shí)施監(jiān)測(cè)報(bào)警。振動(dòng)光纖優(yōu)勢(shì)在于不受地形起伏、周界拐點(diǎn)多等因素限制，但其敏感度通常較高，在大風(fēng)、大雨天氣以及周?chē)?chē)輛引起的振動(dòng)等場(chǎng)景下誤報(bào)情況較為嚴(yán)重，同時(shí)在長(zhǎng)距離橋梁段由于車(chē)速的影響，無(wú)法有效探測(cè)入侵情況。

3)視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)逐漸從傳統(tǒng)的模擬視頻監(jiān)控、數(shù)字視頻監(jiān)控手段轉(zhuǎn)為智能視頻系統(tǒng)，通過(guò)圖像識(shí)別、行為識(shí)別相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)入侵的報(bào)警。另一方面的主要作用為實(shí)時(shí)錄像、事后核查、事故追責(zé)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)在周界安防應(yīng)用中往往與其他周界安防系統(tǒng)共同配合使用，但并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的融合與聯(lián)動(dòng)。且由于高鐵周界通常有茂密植被，對(duì)視頻監(jiān)控設(shè)備易造成遮擋，因此為視頻監(jiān)控系統(tǒng)帶來(lái)了較大的監(jiān)控挑戰(zhàn)。

2.2 高鐵周界安防問(wèn)題分析

1)各周界安防系統(tǒng)之間相對(duì)獨(dú)立，針對(duì)非法入侵事件沒(méi)有形成聯(lián)動(dòng)報(bào)警

近年來(lái)，智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)逐漸在高鐵安防中廣泛應(yīng)用與部署，但目前僅限于個(gè)別重點(diǎn)區(qū)域部署，并沒(méi)有形成全線部署。在智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，采用振動(dòng)光纖、紅外對(duì)射等周界技防手段沒(méi)有與已經(jīng)形成規(guī)?；渴鸬闹悄芤曨l監(jiān)控系統(tǒng)形成聯(lián)動(dòng)與深度融合，不能對(duì)入侵事件進(jìn)行一體化查看，需要借助空間維度和時(shí)間維護(hù)進(jìn)行查詢，為安防管理帶來(lái)難度。

2)對(duì)于執(zhí)勤巡邏、維修人員不能識(shí)別

高鐵線路施工工程較多，且根據(jù)周界實(shí)際需求也會(huì)有日常巡邏人員?，F(xiàn)有的周界安防系統(tǒng)對(duì)于合法施工維修人員和日常合法巡邏人員在靠近、穿越周界開(kāi)展合法施工時(shí)不能有效識(shí)別，仍會(huì)按照非法入侵處理，造成誤報(bào)警事件，同時(shí)也會(huì)引起安防管理人員恐慌。

3)由于小動(dòng)物、植被、天氣情況造成誤報(bào)現(xiàn)象較為嚴(yán)重

基于高鐵周界范圍環(huán)境特殊性，路基段多有茂密植被生長(zhǎng)，嚴(yán)重影響現(xiàn)有周界安防技術(shù)手段報(bào)警的有效性。同時(shí)現(xiàn)有手段受到天氣狀況影響較為嚴(yán)重，甚至霧霾、大霧天氣也會(huì)對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)造成嚴(yán)重?cái)_動(dòng)而產(chǎn)生誤報(bào)警現(xiàn)象。

3 高鐵周界安防需求分析

隨著我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程日益增加，車(chē)站、線路、接觸網(wǎng)及沿線設(shè)備組成的鐵路運(yùn)輸環(huán)境與環(huán)境接觸范圍不斷擴(kuò)大。尤其高速鐵路的周界安全風(fēng)險(xiǎn)，具體表現(xiàn)出阻礙列車(chē)發(fā)出、在線路上放置異物、非法破壞或穿越鐵路柵欄、道路車(chē)輛或沿線材料侵入鐵路線路等行為，這些惡意行為或潛在危險(xiǎn)給鐵路運(yùn)輸帶來(lái)嚴(yán)重事故隱患。因此，高鐵周界安防顯得尤為重要。以尚賓賓為代表的學(xué)者提出，綜合考慮線路總體設(shè)施及線路情況，將整個(gè)線路進(jìn)行詳細(xì)劃分為重要設(shè)備房屋、重要機(jī)構(gòu)設(shè)施、安全運(yùn)行線路、車(chē)站、站臺(tái)、上跨鐵路立交橋、特殊運(yùn)輸站段等場(chǎng)景。這一類學(xué)者們認(rèn)為單一的周界安防報(bào)警技術(shù)不能良好滿足用戶對(duì)于周界安全的實(shí)際需求，并提議采用多種技術(shù)相結(jié)合的方式，對(duì)高鐵周界安防進(jìn)行全面管理。經(jīng)過(guò)分析可知，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，但是由于技術(shù)手段眾多、又受限于各類安防系統(tǒng)技術(shù)接口與架構(gòu)的差異性，很難實(shí)現(xiàn)通過(guò)統(tǒng)一平臺(tái)的管理，因此需要每采用一種手段即需建立一套后臺(tái)管理系統(tǒng)，為路段安防管理人員帶來(lái)極大的工作量與工作難度，在全面推廣實(shí)用角度存在極大難度。高鐵周界安防具體如下。

1)需要支持不規(guī)則地形、圍網(wǎng)部署

受到地勢(shì)起伏、路橋結(jié)合處、長(zhǎng)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(guò)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，能夠在不規(guī)則的周界范圍統(tǒng)一、一體化部署，能夠在圍網(wǎng)、圍墻、柵欄等處統(tǒng)一安裝部署。

2)需要提供統(tǒng)一的周界安防監(jiān)控平臺(tái)

高鐵周界環(huán)境復(fù)雜，需要利用多種周界安防監(jiān)控手段實(shí)施周界入侵報(bào)警。但出于管理便捷性、報(bào)警準(zhǔn)確性、多手段聯(lián)動(dòng)性等多方面考慮，需要具有統(tǒng)一的監(jiān)控平臺(tái)對(duì)報(bào)警事件進(jìn)行查看、處理、核查，進(jìn)而有效提升事件處置效率。

3)需要能夠與視頻安防系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)監(jiān)控

由于視頻監(jiān)控將逐步在高鐵周界范圍安裝部署，并同時(shí)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依據(jù)。

4)需要能克服周邊植被環(huán)境干擾，降低誤報(bào)率

茂密植被是高鐵周界安防系統(tǒng)有效性的重要挑戰(zhàn)，針對(duì)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(guò)濾，提升報(bào)警有效性，降低誤報(bào)率。同時(shí)由于周界系統(tǒng)安裝部署在室外，需要充分考慮室外暴曬、雨雪等天氣條件。

5)需要能夠準(zhǔn)確定位入侵行為

周界范圍距離較長(zhǎng)且拐點(diǎn)較多，周界安防系統(tǒng)需要能夠準(zhǔn)確的定位入侵行為發(fā)生的地點(diǎn)，需要對(duì)多個(gè)點(diǎn)進(jìn)入監(jiān)控范圍行為進(jìn)行記錄，并且記錄于統(tǒng)一軟件平臺(tái)界面，可通過(guò)可視化方式進(jìn)行管理查看。

6)需要識(shí)別日常巡邏、維修人員并記錄軌跡

針對(duì)高鐵周界日常巡邏人員以及維護(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，對(duì)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)行記錄。

4 微波陣列技術(shù)在高鐵周界安防中的應(yīng)用研究

4.1 基于微波陣列技術(shù)的周界安防系統(tǒng)概述

基于微波陣列技術(shù)構(gòu)建的周界安防系統(tǒng)以線纜形態(tài)展現(xiàn)，當(dāng)物體靠近其探測(cè)范圍時(shí)即可產(chǎn)生報(bào)警信息，可滿足在不規(guī)則范圍、高低起伏地勢(shì)條件下的部署。同時(shí)可滿足實(shí)體墻、圍欄、圍網(wǎng)等多種環(huán)境下的部署。該系統(tǒng)后臺(tái)軟件采用了深度學(xué)習(xí)算法，可有效對(duì)小動(dòng)物、植被、天氣等干擾進(jìn)行識(shí)別，從而降低誤報(bào)事件發(fā)生概率。該系統(tǒng)同時(shí)打通了與主流視頻監(jiān)控設(shè)備的鏈路，能夠與視頻監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行深度融合，實(shí)現(xiàn)報(bào)警驅(qū)動(dòng)與實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)，即由探測(cè)線纜對(duì)入侵事件進(jìn)行探測(cè)，再由報(bào)警信息驅(qū)動(dòng)視頻設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)入侵行為的跟蹤，從而實(shí)現(xiàn)事件跟蹤與取證。

系統(tǒng)主要由微波探測(cè)與信息收集系統(tǒng)、事件管理軟件、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)識(shí)別終端組成。其中，微波探測(cè)與信息收集系統(tǒng)是由探測(cè)線纜和數(shù)據(jù)收集分站組成，是部署在周界范圍用來(lái)進(jìn)行周界安防監(jiān)測(cè)的設(shè)備；事件管理軟件是基于深度學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)入侵目標(biāo)的類型識(shí)別，是通過(guò)可視化的高鐵周界環(huán)境進(jìn)行入侵事件精確定位與管理；視頻監(jiān)控系統(tǒng)用來(lái)進(jìn)行入侵行為跟蹤與核查，可以利用現(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的合法人員佩戴的設(shè)備，通過(guò)它可以識(shí)別進(jìn)入探測(cè)場(chǎng)內(nèi)人員的合法性,如圖1所示。

圖1 微波陣列技術(shù)在周界安防中的工作原理Fig.1 Working principle of microwave array technology in perimeter security

4.2 系統(tǒng)原理

提出了一種基于微波陣列技術(shù)的周界安防系統(tǒng)，其優(yōu)勢(shì)在于當(dāng)有效非法目標(biāo)靠近監(jiān)控區(qū)域時(shí)即產(chǎn)生報(bào)警信息，同時(shí)可觸發(fā)視頻系統(tǒng)對(duì)非法目標(biāo)進(jìn)行追蹤取證。提升了周界安防的管理手段和管理能力。系統(tǒng)的整體工作原理如圖2所示。

4.3 微波陣列技術(shù)在高鐵周界安防中的應(yīng)用

圖2 系統(tǒng)工作原理圖Fig.2 System working principle diagram

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(cè)裝置，并以線纜形式均勻排布。每個(gè)微波收發(fā)芯片以ms級(jí)的極短周期發(fā)射傳感探測(cè)信號(hào)。兩條平行部署的探測(cè)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(guò)微波信號(hào)收發(fā)在空間構(gòu)成傳感探測(cè)場(chǎng)，智能傳感非法入侵行為并定位入侵點(diǎn)。同時(shí)基于微波陣列技術(shù)，對(duì)智能入侵探測(cè)和數(shù)據(jù)通信模塊進(jìn)行拓展。由于系統(tǒng)采用密集的微波芯片作為探測(cè)單元，系統(tǒng)對(duì)每個(gè)芯片進(jìn)行唯一編碼，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)入侵事件的相對(duì)位置定位，通過(guò)與空間地理信息位置的匹配實(shí)現(xiàn)精確定位。

微波陣列技術(shù)在周界安防中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在：第一，以線纜形式展現(xiàn)，針對(duì)地形起伏、拐點(diǎn)多、有圍墻和柵欄墻的多規(guī)范周界具有很好的環(huán)境適應(yīng)性；第二，密集微波探測(cè)芯片的部署能夠?qū)θ肭帜繕?biāo)進(jìn)行精確定位；第三，低頻微波信號(hào)不會(huì)對(duì)高鐵運(yùn)行產(chǎn)生任何干擾與影響；第四，基于微波信號(hào)的特性，結(jié)合后臺(tái)對(duì)微波信號(hào)的識(shí)別解析算法，并基于信號(hào)知識(shí)庫(kù)可對(duì)入侵目標(biāo)類型進(jìn)行識(shí)別。因此，基于上述優(yōu)勢(shì)，在環(huán)境復(fù)雜的高鐵周界利用微波陣列技術(shù)，能夠有效的解決現(xiàn)有安防系統(tǒng)中誤報(bào)率高問(wèn)題。

4.4 數(shù)據(jù)通訊與智能識(shí)別技術(shù)在高鐵周界安防中的應(yīng)用

數(shù)據(jù)通信模塊的擴(kuò)展是基于合法人員識(shí)別的需求，通過(guò)微波芯片發(fā)出的信號(hào)與智能識(shí)別卡之間形成信號(hào)通信，進(jìn)而識(shí)別其合法性。合法人員可通過(guò)佩戴智能識(shí)別卡實(shí)現(xiàn)與探測(cè)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)合法侵入行為，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。

4.5 多傳感融合技術(shù)在高鐵周界安防中的應(yīng)用

基于微波陣列技術(shù)的周界安防系統(tǒng)所用傳感為基于微波芯片構(gòu)成的入侵探測(cè)設(shè)備以及視頻監(jiān)控系統(tǒng)。整套系統(tǒng)中將入侵探測(cè)設(shè)備和視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)后臺(tái)報(bào)警機(jī)制進(jìn)行深度融合。由入侵探測(cè)設(shè)備探測(cè)到報(bào)警信號(hào)時(shí)通過(guò)消息機(jī)制傳送至視頻監(jiān)控系統(tǒng)，以ms級(jí)的速度調(diào)度視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行入侵目標(biāo)識(shí)別與跟蹤。進(jìn)而從空間、時(shí)間兩個(gè)維度形成緊耦合關(guān)系，提供多維度的入侵報(bào)警信息。

5 結(jié)論

對(duì)基于微波陣列技術(shù)構(gòu)建的周界安防系統(tǒng)在高鐵周界安防中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，具體研究結(jié)果如下。

1）主流的多種周界安防產(chǎn)品在一定的高鐵周界范圍內(nèi)適用性強(qiáng)，能夠?qū)θ肭中袨檫M(jìn)行有效識(shí)別，但仍需以業(yè)務(wù)需求為核心，需要考慮在同一管理路段范圍內(nèi)各系統(tǒng)的統(tǒng)一化管理。

2）基于微波陣列技術(shù)的周界安防系統(tǒng)是高鐵周界安防系統(tǒng)的一項(xiàng)重大突破，能夠很好的應(yīng)對(duì)地形起伏、能夠在茂密植被中準(zhǔn)確實(shí)施入侵報(bào)警、能夠有效的與視頻系統(tǒng)融合聯(lián)動(dòng)、能夠通過(guò)統(tǒng)一的管理平臺(tái)進(jìn)行報(bào)警信息和事件全流程回放、能夠有效的對(duì)合法人員進(jìn)行識(shí)別與行為記錄，滿足高鐵周界安防管理的業(yè)務(wù)需求。