基于微波阵列技术的高铁周界安防系统应用研究

刘子畅 王军锋 吕大勇

(中科蓝卓（北京）信息科技有限公司，北京 101399)

1 概述

近年来，随着高速铁路的快速发展，因周界安防手段技术能力不足、巡逻人员监管能力有限等原因，人为闯入、故意干扰行车事件屡次发生，造成了大量的财产损失，甚至威胁到生命安全，因此高速铁路周界安防已经逐渐引起广泛关注[1]。随着科学技术的迅猛发展，周界安防领域的技术及应用也在不断的更新。尚宾宾学者在2018年对铁路周界入侵报警中应用到的红外对射、振动电缆、视频监控等9个技术手段进行了论述及对比，并提出在长距离、复杂环境下的铁路沿线周界合理布放安防手段的建议[2]。2018年徐梦姝学者提出了一种新型高速铁路周界入侵报警系统，是基于智能分析技术对摄像图像进行智能识别，进而起到提起预警作用，并通过长期系统运行积累数据，进而利用大数据分析技术优化系统算法库，实现报警准确率的提升[3]。在其他领域，各学者也对周界安防做了研究与工程部署。2017年文灵学者对多传感器融合技术进行研究，提出以时间和空间两个维度将多种传感器报警信息进行融合，并将技术成果在周界安防中的应用进行了探讨与研究[4]。2018年高宁和陈振鸣学者提出了新一代基于智能入侵探测技术的周界安防系统应用于某指挥部周界安防中，对比提出了8种周界安防产品的各类指标和性能的对比，并基于在某基地的实际应用情况，得出针对于场站复杂环境来说，新型的基于入侵探测技术的周界安防系统更能够有效的对场站周界进行多维度监控与报警[5]。

学者们对主流的周界安防手段技术原理进行分析与论述，同时在军用基地、机场、学校等领域的应用进行研究。结合各学者提出的业务上的需求、技术上的优缺点，为本文研究提供良好基础。高铁沿线线路较长，涉及的各类环境要比场站、学校、机场等复杂得多，并且考虑到高铁路段管理的特殊性，目前并没有形成统一的周界安防技术标准，仍需根据实际沿线环境和管理业务需求进行探讨。本文对高铁周界安防现状进行全面分析，总结出具体的业务需求，并提出切实可行的解决办法，为高铁周界安防有效管理提供辅助支持。

2 周界安防技术水平现状及问题分析

2.1 高铁周界技防现状

周界安防手段可概括为人防、物防、技防3类，其中人防主要是利用人工加强巡逻，物防主要是利用地势、围墙、铁丝滚网等物理防范手段，技防是利用信息技术对周界范围进行信息化管理。随着科学技术进步与整个安防事业不断发展，周界安防技术能力也在不断革新，当今周界防护系统主要包括：红外探测、电子围栏、振动光纤、泄漏电缆、视频监控等手段。然而受制于高铁沿线特殊复杂的周界环境，在高铁周界安防领域开展应用示范及验证较多的技术手段以红外对射、振动光纤、视频监控为主。

1)红外对射是利用始端发射脉冲红外线，由受光器接收，防区内有物体遮挡光波时触发报警；红外对射设备小巧、安装成本低、市场和技术均表现成熟。据调研可知，高铁周界范围有茂密植被，并且在雾霾、雨雪等天气时，红外对射设备极易将产生误报警信息；另一方面，由于高铁周界地势有起伏，且周界有拐点，需要安设多套设备，也造成了施工难、设备多等问题。

2)振动光纤是以感应光纤、光电转换单元为核心组件，基于光学干涉原理，当发生振动引起纤芯变形，导致光位相变化时，通过感测光的波形等变化特性，并经过模型计算，可以识别入侵行为和侵入地点。在高铁周界安防场景中通常被安装在铁丝围栏和栅栏上，对攀爬、破坏周界行为较为敏感，但对翻越入侵行为无法实施监测报警。振动光纤优势在于不受地形起伏、周界拐点多等因素限制，但其敏感度通常较高，在大风、大雨天气以及周围车辆引起的振动等场景下误报情况较为严重，同时在长距离桥梁段由于车速的影响，无法有效探测入侵情况。

3)视频监控系统已经逐渐从传统的模拟视频监控、数字视频监控手段转为智能视频系统，通过图像识别、行为识别相关技术实现对入侵的报警。另一方面的主要作用为实时录像、事后核查、事故追责。视频监控系统在周界安防应用中往往与其他周界安防系统共同配合使用，但并没有实现系统间的融合与联动。且由于高铁周界通常有茂密植被，对视频监控设备易造成遮挡，因此为视频监控系统带来了较大的监控挑战。

2.2 高铁周界安防问题分析

1)各周界安防系统之间相对独立，针对非法入侵事件没有形成联动报警

近年来，智能视频监控系统逐渐在高铁安防中广泛应用与部署，但目前仅限于个别重点区域部署，并没有形成全线部署。在智能视频监控系统基础上，采用振动光纤、红外对射等周界技防手段没有与已经形成规模化部署的智能视频监控系统形成联动与深度融合，不能对入侵事件进行一体化查看，需要借助空间维度和时间维护进行查询，为安防管理带来难度。

2)对于执勤巡逻、维修人员不能识别

高铁线路施工工程较多，且根据周界实际需求也会有日常巡逻人员。现有的周界安防系统对于合法施工维修人员和日常合法巡逻人员在靠近、穿越周界开展合法施工时不能有效识别，仍会按照非法入侵处理，造成误报警事件，同时也会引起安防管理人员恐慌。

3)由于小动物、植被、天气情况造成误报现象较为严重

基于高铁周界范围环境特殊性，路基段多有茂密植被生长，严重影响现有周界安防技术手段报警的有效性。同时现有手段受到天气状况影响较为严重，甚至雾霾、大雾天气也会对现有系统造成严重扰动而产生误报警现象。

3 高铁周界安防需求分析

随着我国高速铁路运营里程日益增加，车站、线路、接触网及沿线设备组成的铁路运输环境与环境接触范围不断扩大。尤其高速铁路的周界安全风险，具体表现出阻碍列车发出、在线路上放置异物、非法破坏或穿越铁路栅栏、道路车辆或沿线材料侵入铁路线路等行为，这些恶意行为或潜在危险给铁路运输带来严重事故隐患。因此，高铁周界安防显得尤为重要。以尚宾宾为代表的学者提出，综合考虑线路总体设施及线路情况，将整个线路进行详细划分为重要设备房屋、重要机构设施、安全运行线路、车站、站台、上跨铁路立交桥、特殊运输站段等场景。这一类学者们认为单一的周界安防报警技术不能良好满足用户对于周界安全的实际需求，并提议采用多种技术相结合的方式，对高铁周界安防进行全面管理。经过分析可知，虽然在一定程度上能够实现入侵报警与必要的周界安防管理，但是由于技术手段众多、又受限于各类安防系统技术接口与架构的差异性，很难实现通过统一平台的管理，因此需要每采用一种手段即需建立一套后台管理系统，为路段安防管理人员带来极大的工作量与工作难度，在全面推广实用角度存在极大难度。高铁周界安防具体如下。

1)需要支持不规则地形、围网部署

受到地势起伏、路桥结合处、长距离周界等环境限制，为能实现周界安防系统的一体化部署，避免过多设备安装，需要周界安防系统能够有效应对地形的起伏，能够在不规则的周界范围统一、一体化部署，能够在围网、围墙、栅栏等处统一安装部署。

2)需要提供统一的周界安防监控平台

高铁周界环境复杂，需要利用多种周界安防监控手段实施周界入侵报警。但出于管理便捷性、报警准确性、多手段联动性等多方面考虑，需要具有统一的监控平台对报警事件进行查看、处理、核查，进而有效提升事件处置效率。

3)需要能够与视频安防系统联动监控

由于视频监控将逐步在高铁周界范围安装部署，并同时考虑到视频系统对事件可视化管理的优势，需要周界安防报警系统与视频监控系统进行深度融合，实现基于报警事件的联动。进而从报警信息和视频全事件跟踪方面取证，为高铁周界安防管理提供依据。

4)需要能克服周边植被环境干扰，降低误报率

茂密植被是高铁周界安防系统有效性的重要挑战，针对茂密植被的严重干扰，需要周界安防系统能够有效进行合理过滤，提升报警有效性，降低误报率。同时由于周界系统安装部署在室外，需要充分考虑室外暴晒、雨雪等天气条件。

5)需要能够准确定位入侵行为

周界范围距离较长且拐点较多，周界安防系统需要能够准确的定位入侵行为发生的地点，需要对多个点进入监控范围行为进行记录，并且记录于统一软件平台界面，可通过可视化方式进行管理查看。

6)需要识别日常巡逻、维修人员并记录轨迹

针对高铁周界日常巡逻人员以及维护维修人员，系统需要对该类合法的工作人员进行有效识别，对其进入防范周界范围时不产生报警信息，仅对其运动轨迹及进入人员详细信息进行记录。

4 微波阵列技术在高铁周界安防中的应用研究

4.1 基于微波阵列技术的周界安防系统概述

基于微波阵列技术构建的周界安防系统以线缆形态展现，当物体靠近其探测范围时即可产生报警信息，可满足在不规则范围、高低起伏地势条件下的部署。同时可满足实体墙、围栏、围网等多种环境下的部署。该系统后台软件采用了深度学习算法，可有效对小动物、植被、天气等干扰进行识别，从而降低误报事件发生概率。该系统同时打通了与主流视频监控设备的链路，能够与视频监控设备进行深度融合，实现报警驱动与实时联动，即由探测线缆对入侵事件进行探测，再由报警信息驱动视频设备实现对入侵行为的跟踪，从而实现事件跟踪与取证。

系统主要由微波探测与信息收集系统、事件管理软件、视频监控系统、自动识别终端组成。其中，微波探测与信息收集系统是由探测线缆和数据收集分站组成，是部署在周界范围用来进行周界安防监测的设备；事件管理软件是基于深度学习算法实现入侵目标的类型识别，是通过可视化的高铁周界环境进行入侵事件精确定位与管理；视频监控系统用来进行入侵行为跟踪与核查，可以利用现有视频安防监控设备；自动识别终端是提供给巡逻检查的合法人员佩戴的设备，通过它可以识别进入探测场内人员的合法性,如图1所示。

图1 微波阵列技术在周界安防中的工作原理Fig.1 Working principle of microwave array technology in perimeter security

4.2 系统原理

提出了一种基于微波阵列技术的周界安防系统，其优势在于当有效非法目标靠近监控区域时即产生报警信息，同时可触发视频系统对非法目标进行追踪取证。提升了周界安防的管理手段和管理能力。系统的整体工作原理如图2所示。

4.3 微波阵列技术在高铁周界安防中的应用

图2 系统工作原理图Fig.2 System working principle diagram

系统利用密集的智能微波收发芯片形成阵列式入侵探测装置，并以线缆形式均匀排布。每个微波收发芯片以ms级的极短周期发射传感探测信号。两条平行部署的探测线缆，形成密度极高、相互交叠、立体空间的自适应微波阵列，通过微波信号收发在空间构成传感探测场，智能传感非法入侵行为并定位入侵点。同时基于微波阵列技术，对智能入侵探测和数据通信模块进行拓展。由于系统采用密集的微波芯片作为探测单元，系统对每个芯片进行唯一编码，进而实现对入侵事件的相对位置定位，通过与空间地理信息位置的匹配实现精确定位。

微波阵列技术在周界安防中的应用优势主要表现在：第一，以线缆形式展现，针对地形起伏、拐点多、有围墙和栅栏墙的多规范周界具有很好的环境适应性；第二，密集微波探测芯片的部署能够对入侵目标进行精确定位；第三，低频微波信号不会对高铁运行产生任何干扰与影响；第四，基于微波信号的特性，结合后台对微波信号的识别解析算法，并基于信号知识库可对入侵目标类型进行识别。因此，基于上述优势，在环境复杂的高铁周界利用微波阵列技术，能够有效的解决现有安防系统中误报率高问题。

4.4 数据通讯与智能识别技术在高铁周界安防中的应用

数据通信模块的扩展是基于合法人员识别的需求，通过微波芯片发出的信号与智能识别卡之间形成信号通信，进而识别其合法性。合法人员可通过佩戴智能识别卡实现与探测线缆芯片之间的信息通信，进而实现信息交互与数据连接，从而识别入侵目标的合法性。针对合法侵入行为，系统对其运动轨迹进行记录，以供巡逻任务核查与监督。

4.5 多传感融合技术在高铁周界安防中的应用

基于微波阵列技术的周界安防系统所用传感为基于微波芯片构成的入侵探测设备以及视频监控系统。整套系统中将入侵探测设备和视频监控系统通过后台报警机制进行深度融合。由入侵探测设备探测到报警信号时通过消息机制传送至视频监控系统，以ms级的速度调度视频监控系统进行入侵目标识别与跟踪。进而从空间、时间两个维度形成紧耦合关系，提供多维度的入侵报警信息。

5 结论

对基于微波阵列技术构建的周界安防系统在高铁周界安防中的应用进行了研究，具体研究结果如下。

1）主流的多种周界安防产品在一定的高铁周界范围内适用性强，能够对入侵行为进行有效识别，但仍需以业务需求为核心，需要考虑在同一管理路段范围内各系统的统一化管理。

2）基于微波阵列技术的周界安防系统是高铁周界安防系统的一项重大突破，能够很好的应对地形起伏、能够在茂密植被中准确实施入侵报警、能够有效的与视频系统融合联动、能够通过统一的管理平台进行报警信息和事件全流程回放、能够有效的对合法人员进行识别与行为记录，满足高铁周界安防管理的业务需求。