基于入侵地波监测技术的国家大遗址地下遗产保护研究

张健（长江大学计算机科学学院 湖北 荆州 434023）

1.引言

近年来，盗墓分子为贪图暴利相继在大遗址保护区如八岭山、雨台山、马山古墓群疯狂作案二十多起，不仅使珍贵文物流落他乡，而且严重破坏了古墓葬本身所具有的文化科研价值，其损失无可估量。地下遗产保护存在管理难度大、传统防范手段落后、保护经费严重不足等问题亟待解决。

为此，该项目采用数字地波监测技术与无线传感网络相结合的手段，以八岭山古墓群为试点开展对地下文物安全保护的研究，研制基于无线ZigBee 传感技术的数字地波入侵监测无线防范系统：系统由前端数字地波探测器、无线传感网络控制节点、监控中心管理平台构成：完成入侵盗掘、爆破源的监测和定位，并通过无线GPRS 网络将报警信号实时传输至监控中心，中心通过触发地点和事件类型在GIS 电子地图上实时显示出入侵源的准确方位，并通过反向控制声光报警设备提示安保人员及时出警；该系统可实现对野外不同区域地下文物和古墓群进行有效的技术防范，大大提升大遗址保护区面向地下遗产的安全防范水平。

2.入侵防范系统集成设计

2.1 数字地波入侵检测单元设计

数字地波入侵检测单元结构主要分为3 个组成部分：感应部分、处理器部分和通信接口部分，

感应部分分别由两大单元模块构成：一是检测入侵盗掘、爆破源产生的特定频率震波的数字地波传感器、二是运算放大器单元；该放大器用来放大检测到的震波频率，并启用 Cortex-M3 中的 ADC来对震波信号进行采样；射频收发器部分通过SPI 与GDON 通信接口与处理器相联，工作频率选择26MHZ，线路供电采用以太网POE 供电（IEEE 802.3af）方式，通过标准 LAN 将数据和电源相集成[8]，完全满足数字地波入侵检测单元各部分的供电要求。

系统中的无线通信链路采用ZigBee 无线传感网络架设，由前端ZigBee 无线模块、ZigBee 中心节点、ZigBee 路由节点三部分构成：前端数字地波传感器将经过采集、分析、处理后的信号经由ZigBee无线模块发送至ZigBee 中心节点接收，ZigBee 路由节点根据各无线模块之间相邻距离的远近统一管理和配置所有前端ZigBee 无线模块的网络自组织，ZigBee 中心节点再将入侵震波信号集通过移动GPRS 网络发送至监控管理中心

2.2 中央报警管理软件设计

该系统软件根据不同防区安全防范要求与入侵地波信号数字化处理后的特性综合设计其相应功能，研究设计基于目标驱动的入侵检测算法、智能模式匹配以有效识别入侵目标；并对时间窗口内的入侵信号进行统计分析，提高对持续性入侵行为报警的准确率。

软件特性与功能指标如下所述:（1）入侵报警响应时间小于2秒（2）支持安全等级的多维度灵敏度调节（3）基于浏览器技术的图形操作界面（4）防区位置信息电子地图显示（5）支持精确的设备状态信息提示（6）波形频谱复核、声音播放复核功能（7）告警管理（8）用户管理（9）辅助调试工具包（10）报警时控制外接声光报警或视频联动（11）提供基于Web Service 的开发接口，可与第三方综合管理系统进行联动。

3.系统实地布署及测试情况分析

3.1 系统实地布署与功能调试

根据现场勘验与实际情况分析，我们对防区内的设备配置与安装布署进行了详细规划：将监测区域分为2 个防区，各个防区内以阵列排列方式分别埋设8 个入侵地波检测传感器并同时布署1 台地波探测报警器：各个传感器与探测报警器皆通过无线ZigBee 方式进行通讯；各个防区内的地波探测报警器分别通过GPRS 方式与远端中央报警控制主机进行通信；报警器可与外界声光报警单元和DVR 实现硬件联动；同时，中央报警管理软件可对系统设备进行集中管理并实现软件联动。

系统的功能调试主要包括：检查各探点是否连接正常、各探点对应的状态是否为“运行”；对于非“运行”状态的探点检测其是否出现断网、禁用等故障并加以排除；在距离探点20 米处采用5Kg 重锤自1.5 米高度进行自由落体，若产生预警提示则为正常、距离探点100 米外用350g 硝安炸药进行爆炸实验，若产生爆破报警提示则为正常。

3.2 系统测试情况分析

该系统自试运行以来，按要求进行了日常值守和现场专项考核；对系统功能、警情测报、可靠性、报警联动、供电能力等[6]诸多方面进行了严格测试。

试运行期间，系统软硬件部分运行正常；系统的各项技术指标经测试均达到技术合同要求并完全满足国家标准；但运行中也出现了个别问题如: 中心站某一时段内无法收到特定区域内各监测点传来的震波信号聚合，导致服务器端软件无法及时分析解析后的波形主频，经技术人员排查故障并调整ZigBee 通信链路后，系统恢复正常。经过考核和近一年多的运行表明：该系统运行稳定可靠；各监测点传感设备工作正常、入侵震波信号集合能及时、准确地传至中心站，入侵行为无漏报现象，误报率严格控制在系统误差范围之内；大遗址管理方通过该系统的实施能够准确掌握防区内的环境动态信息，为文保执法监测与管理提供了有力支撑。

4.结语

该系统运行至今，结合实际运行状况我们认为：系统运行正常、功能齐全、实用效果显著；并针对运行过程中出现的问题和存在的缺陷提出了若干修改意见，得到了管理方的高度重视与及时改进；同时建议今后在建设类似系统时针对防雷、无线信道雨衰等问题应引起高度重视。