无人值守智能侦察电子哨兵系统

摘 要：建设强大稳固的现代边海防，是确保国家政治安全、国土安全、军事安全的重要举措。为了进一步加大重点管段固防力度，提升区域或边界管控和防范的无人化、智能化、自动化、信息化水平，降低哨兵执勤强度，设计了智能化无人化的侦察电子哨兵系统。采用多传感融合技术，避开震动探测系统的漏报和误报矛盾点；利用高性能处理器及智能分析算法，提供准确度较高的报警信息，完成精准布防；通过智能化的流程搭配，减少人工服务，增强智能化水平，重点针对通视条件差、观察间隙大、情况发现难等管控薄弱部位，实现智能化威胁判别、情报收集、情况处置等。

关键词：智能侦察；电子哨兵；无人值守；智能分析；多传感融合；低功耗；自唤醒

中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2024）05-00-04

0 引 言

电子哨兵自出现以来，因其环境适应能力强和不受天时天候影响的特点，而越来越受欢迎。然而其在实际应用过程中，仍存在因探测手段单一导致探测率不高、缺少智能化判断导致频繁误报、系统功耗过大导致频繁更换电池，以及边境一线市电供电和有线传输难、部署周期长等现实问题，这都给电子哨兵的无人化智能侦察设计带来很大困难[1-5]。因此，亟需一种集多传感融合、设备自主唤醒、无线低功耗图传、超长时自主供电、智能化自主研判等技术于一体，具备低功耗、无依托、长待机、自唤醒、快部署、高可靠、利隐蔽等特点，能真正实现智能化无人化的侦察电子哨兵。

1 市场需求

目前市场上存在的电子哨兵侦察设备，均可实现昼夜远距离高清视频信息采集，但是结合边境敏感区域实际情况，存在工作环境恶劣、能源与通信保障差、交通不便利等特殊情况[6-8]。从市场现状分析结果来看，传统的产品存在以下几方面问题：

（1）单一传感器获得的信息非常有限，同时需要对采集的信息进行单独、孤立地处理，不仅会增加信息处理的工作量，还会浪费各传感器信息间的有机组合，造成信息资源的浪费。

（2）由于传感器网络拓扑结构的动态变化，简单的静态配置无法适应这种变化，而且在传感器网络的应用中，不仅无法取得网络和相应基础设施的支持，还要考虑能量消耗问题。

（3）由于该类场景应用的摄像机具有使用特殊性，而市面上存在的摄像机最低功耗在10 W左右，尚未存在超低功耗的昼夜监控摄像机。因此，若为功耗10 W的摄像机供应30天电量，所需电池的重量会超出单人背负所能承受的重量。

（4）安防监控市场上，视频采集摄像机及电池无法长期在-40 ℃条件下持续工作，尤其电池在持续低温情况下其放电能效也会大幅下降，无法满足电池容量均衡情况下持续供电，更无法实现超长时间工作。

（5）目前，存在快速唤醒机制的摄像机，但在-40 ℃极寒条件下，系统预热需要20 s以上，会出现该时间段可疑人员走出视频监控区域的可能，无法满足系统快速响应的要求，且不能保证视频记录的完整性。

（6）无线传输距离与设备功耗成正比，因此具有相斥性，不能保证系统在自主供电情况下，实现图片或视频的远距离回传，失去系统的实效性。

（7）无人值守设备在长期无人监管情况下，设计理念大多为有入侵或触发事件时，系统才被唤醒，如果前端设备一旦出现故障或因电量不足导致系统关机等状况，后端监控点在不知情的情况下，往往会认为前端无入侵或触发事件发生，从而失去系统应有的监控意义。

2 设计原则

（1）扩展性

无人值守电子哨兵作为边海防监控站补充监控手段，具有较强的扩展和升级能力，有一定的超前意识[9-10]。系统采取模块化设计，提供多种扩展接口并预留设备安装空间，作为设备升级和扩展的基础，方便软件应用，便于后期维护、升级和扩充；系统预留有线引出接口，在条件允许情况下，可接入监控站系统。

（2）安全保密能力

系统设计充分考虑系统的安全性，包括人员生命安全、设备安全、信息安全。系统具有完整的、统一的用户权限管理机制，防止非法访问、越级访问和非法操作，同时提供安全日志的功能；系统提供可靠、完备的数据备份和数据恢复解决方案，确保数据的安全和完整；系统在供电和环境监控方面采取有效措施以提供较好的物理安全和电气安全；无线传输视频图像接入监控站显控终端时，通过数模/模数转换，保证监控站信息网络安全。

（3）可靠性

在无人值守的偏远特殊环境中，系统保证具有较强的稳定性和可靠性，设备选用先进、成熟、可靠的产品，并已在类似工程中使用过、证明能适应室外环境的硬件，在系统故障或事故造成中断后，能确保数据的准确性、完整性和一致性，并具备迅速恢复的功能；系统能提供较完善的状态监控功能，能对网络状态、主要设备和软件运行状态进行监视，能对故障自动定位、告警，并自动进行检测和切换控制。

（4）维修性

系统设计提供简单、直观、方便的维护和管理手段，尽量减少维护和管理环节。主要设备能完成故障的检测和告警，能适应分级修理要求，可更换单元平均维修时间MTTR不超过20 min；系统寿命不小于10年。系统采用模块化设计，以接插件的方式组装和拆卸，方便换件维修，提高维修效率。

3 系统组成

系统主要由前端探测设备、聚合设备、移动终端（含APP软件）组成，如图1所示。主要用于采集边海防一线入侵信息，实时掌握边境争议地区地面人员活动情况。

前端探测设备包括震动/声音传感器模块、红外热成像模块、可见光摄像模块、智能分析模块、北斗定位模块和无线自组网通信模块。

其中震动/声音传感器模块包含震动探测模块、声音探测模块，用于探测前端入侵目标产生的任何震动/声音。红外热成像模块包含红外探测器和定制镜头，在夜晚光照度低时可用于图像采集，弥补可见光摄像机低照度下的成像缺陷，另外可利用红外对热源探测的能力，辅助摄像设备进行入侵目标探测。可见光摄像机模块主要包含Sensor及ISP驱动板、MCU单元和特制镜头，用于记录目标的入侵全过程，同时通过智能分析模块对报警信息进行目标二次智能分析，减少误报率，实现对布防区域的全天时无缝侦测监视。智能分析模块主要对震动/声音探测设备和摄像机采集的信息进行特征提取、信息融合、分类识别、报警设置、休眠策略等。北斗定位模块可将设备准确位置信息发送至移动终端。无线自组网模块主要用于传输前端入侵事件报警信息和实时有效的图像，以及系统待机情况下定时传输系统设备运行状态。供电单元主要用于给前端探测设备供电。

聚合设备主要包括智能融合单元、无线自组网传输模块、存储单元、电源转换分配单元。主要用于对前端设备采集的图像的智能分析和报警信息的存储，同时完成前端探测设备和移动终端间的数据交互。

移动终端主要包括移动终端设备和APP软件，完成系统调试及前端设备状态、点位、入侵报警、现场视频等信息的查看。

4 工作原理

系统的工作原理如图2所示。系统开启后，北斗定位模块和震动/声音探测模块同时开启，由北斗定位模块将前端设备位置信息回传至移动终端，之后进入休眠状态；震动/声音探测模块用于全天时感知布防区域目标入侵情况，并唤醒智能AI摄像模块对入侵目标进行图像抓拍，记录发生入侵目标活动的全过程。

系统工作流程主要分为五大模块，具体如下：

（1）入侵检测：系统内各设备安装调试正常，系统开启，震动/声音探测传感器全天时探测入侵信息，当探测到有入侵信号时，唤醒摄像机进行图像采集记录。

（2）入侵判断：当摄像机被唤醒后，依次开启录像和智能分析模块，一方面便于后期取证分析；另一方面将可见光和红外图像进行算法分析和目标甄别，并发送相关警报信息。当警报解除后，摄像机进入休眠。

（3）警报发送：当入侵目标被判断为标定的可疑对象时，设备唤醒无线传输模块，并向移动终端发送警报信息。

（4）视频传输：移动终端接收到报警信息，可根据系统预设的警报威胁级别进行自动识别，并根据威胁级别自主开启无线传输模块。

（5）待机轮询：设备在待机情况下可设定定期发送或由后端发送请求获取前端设备状态信息，对设备工作状态、运行情况、故障信息、电池状态、环境状态、物理位置等信息进行上报或查询，并能对故障情况进行报警提醒。

5 系统功能

无人值守智能侦察电子哨兵是集探测、感知、处置于一体的智能化管控设施，部署在山口、通道、无人岛屿等重点管段部位，用于防止非法越界、走私、渗透等破坏活动。

根据安装部署条件，系统主要实现以下功能：

（1）多传感融合

采用层次结构，进行逻辑分级，实现整个网络节点的时间同步，融合震动、声音、图像信号探测，完成同一入侵目标的不同入侵信号的智能融合处理，在保证无漏报的情况下，有效降低系统误报率；系统兼容北斗定位模块，可精准查找设备部署地理位置信息，可在电子地图上精准反馈设备部署网络。

（2）自主唤醒

在目标未入侵时，系统部分模块可进行选择性待机，降低能源损耗，一旦有入侵目标触发前端探测传感器或后端有使用需求时，能随时快速唤醒进入工作状态。

（3）全天时全天候监视

隐蔽部署前端探测单元，兼顾夜间和恶劣气候情况下的监视，采集运动目标活动情况的视频信息，负责检测范围内的视频拍摄、录像存储等工作。

（4）视频结构化智能分析

作为取证记录设备，内部增加视频结构化分析，对采集到的视频进行人、车、动物等目标智能化分析，有效提升识别精度。

（5）超长时自主供电

整套系统设备采用低功耗设计和自唤醒处理机制，确保在无供给补偿的情况下，可持续自主对区域入侵情况无缝侦测30天。

（6）超强环境适应性

系统可面向高原高海拔和极寒地区，系统内设备在采用宽温度范围的军品级元器件的同时，设计上采取小单元、模块化，缩小腔体空间，缩短启动升温时间，达到快速响应的要求。

系统部署示意图如图3所示。

6 结 语

本系统采用多传感融合技术，避开震动探测系统的漏报和误报矛盾点；利用高性能处理器及智能分析算法，提供准确度较高的报警信息，完成精准布防；通过智能化的流程搭配，减少人工服务，提高智能化水平。系统的设计有效地将哨兵从繁重的站岗、巡逻任务中解放出来，对企图穿越边界线的违法人员、车辆的活动情况等进行全天时、全天候的智能化、无人化自动监视和报警，加快构建侦测信息化、值守无人化、分析智能化的管控体系。可广泛应用于前突部署机动执勤、应急部署远程管控、触发唤醒定期取证、长期值守北斗报警等场景，也能为重大装备提供可靠的侦察手段，便于指挥员决策部署。

参考文献

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作者简介：杜 娟（1984—），女，河南社旗人，本科，工程师，研究方向为安防技术及应用。

收稿日期：2023-04-21 修回日期：2023-05-18