光栅阵列振动入侵报警技术在高速公路收费站的应用

刘 鑫

(福建省高速公路集团有限公司莆田管理分公司 莆田 351100)

福建省高速公路集团公司在“十四五”规划中明确提出：“要着力抢抓“交通强国”先行区、交通与新基建融合发展等新契机，更好地发挥先行官作用，高标准建设好高速公路基础设施。其中，收费站无人值守智能管理将是高速公路基础设施发展的重要一环。但是收费站无人化后的安全防护技术还处于探索阶段，如何有效保护收费站设备的安全和阻止非法入侵，仍是现阶段收费站无人化管理的难题之一。

在此种需求之下，本文提出一种基于光栅阵列振动入侵报警技术的高速公路收费站安全防护系统。该系统可以对收费站的重点区域进行实时监测，一旦发生人为入侵行为，就会向控制中心发出报警，并联动摄像头播放报警画面。

1 周界预警系统国内外研究现状

光纤周界预警系统是可以针对威胁周界安全的突发事件进行监控的先进防御体系，符合应急管理体系的建设要求。与激光防护、红外对射、张力围栏、静电感应、高压电网、电子围栏几种常见安防方式进行性能实施等对比，对比结果见表1。

表1 周界安防系统对比图

在性能方面，光纤周界预警系统明显优于其他几种方式，尤其不会受天气影响。

在实施方面，施工灵活、简单，比其他几种方式更加具有可实施性，大大缩短现场布设的工期。

从成本来看，周界光纤不仅使用寿命长、而且维护费用较低，因此，其成本低于其它方式。

相对于其它安防方式采用硬件划分分区，光纤周界系统采用软件对防区进行边界布防，操作更加灵活简便，能够适应现场的各种复杂情况。

2 光纤周界安防系统介绍

光纤网络通信具有频带宽，损耗低，重量轻，抗干扰能力强，保真度高，成本低等特点。除了将光纤用以通信外，光纤自身还可作为传感器。当光在光纤中传输，遇到光纤弯曲、拉伸、高温等事件时，会产生散射、反射现象，反射的光信号会携带传感信息，然后再利用光通信将传感信号传输至数据分析端，提取振动信息即可实现周界安防技术。在周界安防方案设计中，其他几种方案除了要考虑传感器的敷设，还要考虑传感信号的传输。光纤周界安防技术可完全替代其他安防方式，在传感器敷设的同时，其传输信号网络也同时搭建完成，在拥有优秀防御能力的同时兼具了通信能力。

除此之外，光纤周界可以快速、方便地架设在围栏、网片、砖墙等多种防御介质上，也可浅埋地下，甚至直接放置于水下和地表。这些优势使光纤周界安防在野战条件下优势更明显。以色列MAGAL、英国OptaSense(美国LUNA并购)、澳大利亚FFT、意大利吉斯等公司，已将光纤周界安防技术应用于军事目标和国境线防入侵监控。

目前国内从事光纤周界安防产品研发及解决方案的公司主要分成三类：①国外光纤周界产品品牌公司的产品代理及服务供应商。通过这一渠道，国外公司的光纤周界产品进入中国市场。但受限于产品价格、技术壁垒限制及维保速度限制等原因，国外公司在中国市场的竞争力有限，例如，以色列迈高公司、澳大利亚FFT公司、美国BEI公司等；②具备自主研发能力及产品生产能力的国内光纤传感行业的高新技术公司。如：武汉烽理光电技术有限公司、威海北洋光电子科技有限公司、上海波汇光电技术有限公司等；③安防产品综合服务供应商，他们并不专注于产品研发，而是结合市场需求，进行周界安防设备选型，以工程服务集成商的名义进行光纤周界产品的集成与销售。

3 光栅阵列测振技术介绍

3.1 技术概况

光栅阵列周界入侵系统采用的是分布式测振技术，该技术采用大容量光栅阵列传感器实现分布式光纤振动传感网络，是一种高精确、高灵敏的分布式测振技术。其核心为武汉理工大学姜院士团队研制，并获得了国家技术发明二等奖的光纤光栅在线刻写技术，在拉丝塔拉制光纤的同时，动态在线、连续地将传感光栅刻写到光纤上，形成光栅阵列[1]。光纤上的每一个光栅都可以感知外部的振动信号，通过对光栅返回的光信号进行实时采集、分析和处理，对振动入侵事件进行准确判断。

3.2 技术原理

光栅阵列测振技术基于干涉技术实现大范围、高灵敏度和高频响应的振动信号探测。该技术传感部分是由光栅阵列组成的传感网络，不仅可以感知光纤上任意位置的振动响应，同时解决了分布式振动传感中的多点定位问题。通过干涉仪提高振动信号传感的频率响应，利用3×3耦合器相位解调算法重建时域信号，还原了振动信号的相位信息，完成振动频率和幅度的解调，结合光时域反射仪(OTDR)技术实现多振动源的即时定位，其技术原理见图1[2-3]。

图1 技术原理图

4 高速公路收费站安全防护系统

4.1 系统概述

基于光栅阵列振动入侵报警技术的高速公路收费站安全防护系统，由光栅阵列振动入侵报警系统为基础，兼具了数据分析、模式识别、智能报警和声光驱离、多级数据传输等功能。以光栅阵列和视频摄像机作为传感器，实时监控整个防区的安全情况。当系统判断到外界入侵后，会向监控室推送报警信息，对报警位置进行精确定位，并动用声光报警设备及时对入侵发生处进行声光(广播和喊话功能)驱逐。

4.2 系统架构

安全防护系统的系统架构由三部分组成。系统结构图见图2，分为探测感知系统、数据采集与分析系统、联动控制系统。

图2 系统结构图

4.2.1探测感知系统

探测感知系统主要包括振动传感光缆及末端器，实时感知探测区域的振动信号，并将该振动信号反馈回光纤信号处理器。其光缆采用埋地和挂网2种光缆结合的方式敷设在收费站的围墙和重点区域(配电房、水泵房等)。埋地与挂网的光缆组成时间连续、空间立体的传感网，一旦有人闯入传感网，便会将闯入信号发送到数据采集与分析系统，输出报警信号。

4.2.2数据采集与分析系统

数据采集与分析系统主要包括振动入侵解调仪、系统分析服务器。振动入侵解调仪为振动传感光缆提供光源，并将振动传感光缆反馈回的携带振动信息的光信号进行解调，再将解调的信号通过网络上传至系统分析服务器。系统分析服务器获取到解调后的振动信息以后，通过振动入侵模式识别算法，对振动信息进行实时分析，经过判断后输出相应信号。

4.2.3联动控制系统

联动控制系统主要包括中控显示大屏，监控摄像机、声光报警器等可扩展设备。中控显示大屏对防区状态进行实时显示与调控，监控摄像机以辅助形式感知外界信息，与振动传感光缆协同探测，增加安防系统的准确性。

4.3 系统创新点

本系统以光纤传感技术为依托，结合基于过程的模式识别算法，搭建物联网监控平台，最终形成一套完整的实时监控系统。

4.3.1分布式振动立体传感网络

系统使用超大容量的阵列光栅作为振动传感器，可对监测区域平面进行定位。本系统在该基础上，对光缆进行埋地和挂网并行敷设，将原本二维的探测平面转化为三维立体模型，在水平面和垂直面同时进行感知，形成光栅阵列立体传感网络,传感网络图见图3。

图3 光栅阵列立体传感网络图

比起其他的点式传感器，本系统的传感单元的优势除了分布式传感以外，还有立体感知空间，增加了探测范围，振动信号更能还原实际的振动事件[4]。

4.3.2基于过程的模式识别算法

本系统采用基于过程的模式识别算法。当发生振动入侵时，通过对埋地光缆和挂网光缆的振动数据进行解析，可极大地增加入侵行为的识别率，从而降低误报率。

其算法分为2个过程，第一阶段系统首先采集埋地光缆发出的振动信号，通过时分复用方法定位后，利用机器学习模型区分人类行为和动物行为；第二阶段采集挂网光缆发出的振动信号通过振动入侵模式识别算法，将采集到的信号识别为风激振动、人为摇晃、人为攀爬等信号，最终输出报警信息[5-6]。模式识别流程图见图4。

图4 模式识别流程图

5 系统应用案例

5.1 设计方案

在某收费站管理处周界围墙处选用光栅阵列埋地和挂网2种光缆结合的方式实现收费站的围墙和重点区域(配电房、水泵房等)入侵监测和报警，同时设置智能视频摄像机用于抓拍和取证；在收费站出入口采用了2根埋地光缆和智能视频探测器集合实现收费站出入口和车道出入口的入侵和模式识别(人、自行车、摩托车、车牌识别等)；在院区和车道上安装了声光驱离设备用于驱离入侵人员[7]。平面布置图见图5。

图5 收费站平面布置图

5.2 安装

根据上节4.1的设计方案，对管理处围墙、收入站，出入口等处进行光缆的安装敷设，其中院区围墙约600 m，收费站出入口长度约50 m。

本方案实施需要光栅阵列信号处理器主机1台，振动探测光缆2 km，传输光缆500 m，采用挂网与埋地并行的方式实现管理处周界围墙的入侵探测功能，收费站出入口采用2根表贴振动探测光缆和智能视频探测器结合的方式实现收费站出入口的入侵探测及智能识别功能。光栅阵列信号处理器、管理终端等安装在管理处控制室的机柜中。挂网与埋地并行方式安装见图6 ，表贴光缆安装见图7，安装在入口减速带的下方。

图6 光缆在重点区域的围墙安装方式

图7 光缆在收费站车道上的安装方式

5.3 平台软件

平台软件对系统状态实时监测，可以手动布撤防，入侵报警等功能。系统通过软件算法，实现对前端振动信号的分析和识别，对入侵扰动实现3 m的高精度定位。可对风、雨、雷电、其它环境振动及小型动物的干扰进行有效的识别和过滤。

系统支持资源分级用户权限管理功能，可以满足200组个人操作密码与30种可编程防区功能。

系统同时可以兼容多种视频平台与报警器在软件平台进行联动，当发生报警时，摄像头接收到报警信号实时播放入侵画面，同时报警主机接收到报警信号并上传到报警网络，现场人员及时赶到制止入侵行为。

6 结语

随着ETC电子收费、智能化全自助收费系统和在线式智能联网收费系统的逐步推广应用，人工使用率将大幅降低。本系统的开发应用，实现车流量较小的收费站在减少管理人员或采用无人化管理情况下，保障收费站站区安全管理和收费票道行人非机动车闯入高速公路的管控。该系统能够有效地减少误报率引起的虚报影响，达到检测精准、判断准确、针对性强等需求。