劉 鑫

(福建省高速公路集團(tuán)有限公司莆田管理分公司 莆田 351100)

福建省高速公路集團(tuán)公司在“十四五”規(guī)劃中明確提出：“要著力搶抓“交通強(qiáng)國(guó)”先行區(qū)、交通與新基建融合發(fā)展等新契機(jī)，更好地發(fā)揮先行官作用，高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)好高速公路基礎(chǔ)設(shè)施。其中，收費(fèi)站無人值守智能管理將是高速公路基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的重要一環(huán)。但是收費(fèi)站無人化后的安全防護(hù)技術(shù)還處于探索階段，如何有效保護(hù)收費(fèi)站設(shè)備的安全和阻止非法入侵，仍是現(xiàn)階段收費(fèi)站無人化管理的難題之一。

在此種需求之下，本文提出一種基于光柵陣列振動(dòng)入侵報(bào)警技術(shù)的高速公路收費(fèi)站安全防護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對(duì)收費(fèi)站的重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)生人為入侵行為，就會(huì)向控制中心發(fā)出報(bào)警，并聯(lián)動(dòng)攝像頭播放報(bào)警畫面。

1 周界預(yù)警系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

光纖周界預(yù)警系統(tǒng)是可以針對(duì)威脅周界安全的突發(fā)事件進(jìn)行監(jiān)控的先進(jìn)防御體系，符合應(yīng)急管理體系的建設(shè)要求。與激光防護(hù)、紅外對(duì)射、張力圍欄、靜電感應(yīng)、高壓電網(wǎng)、電子圍欄幾種常見安防方式進(jìn)行性能實(shí)施等對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見表1。

表1 周界安防系統(tǒng)對(duì)比圖

在性能方面，光纖周界預(yù)警系統(tǒng)明顯優(yōu)于其他幾種方式，尤其不會(huì)受天氣影響。

在實(shí)施方面，施工靈活、簡(jiǎn)單，比其他幾種方式更加具有可實(shí)施性，大大縮短現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)的工期。

從成本來看，周界光纖不僅使用壽命長(zhǎng)、而且維護(hù)費(fèi)用較低，因此，其成本低于其它方式。

相對(duì)于其它安防方式采用硬件劃分分區(qū)，光纖周界系統(tǒng)采用軟件對(duì)防區(qū)進(jìn)行邊界布防，操作更加靈活簡(jiǎn)便，能夠適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的各種復(fù)雜情況。

2 光纖周界安防系統(tǒng)介紹

光纖網(wǎng)絡(luò)通信具有頻帶寬，損耗低，重量輕，抗干擾能力強(qiáng)，保真度高，成本低等特點(diǎn)。除了將光纖用以通信外，光纖自身還可作為傳感器。當(dāng)光在光纖中傳輸，遇到光纖彎曲、拉伸、高溫等事件時(shí)，會(huì)產(chǎn)生散射、反射現(xiàn)象，反射的光信號(hào)會(huì)攜帶傳感信息，然后再利用光通信將傳感信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)分析端，提取振動(dòng)信息即可實(shí)現(xiàn)周界安防技術(shù)。在周界安防方案設(shè)計(jì)中，其他幾種方案除了要考慮傳感器的敷設(shè)，還要考慮傳感信號(hào)的傳輸。光纖周界安防技術(shù)可完全替代其他安防方式，在傳感器敷設(shè)的同時(shí)，其傳輸信號(hào)網(wǎng)絡(luò)也同時(shí)搭建完成，在擁有優(yōu)秀防御能力的同時(shí)兼具了通信能力。

除此之外，光纖周界可以快速、方便地架設(shè)在圍欄、網(wǎng)片、磚墻等多種防御介質(zhì)上，也可淺埋地下，甚至直接放置于水下和地表。這些優(yōu)勢(shì)使光纖周界安防在野戰(zhàn)條件下優(yōu)勢(shì)更明顯。以色列MAGAL、英國(guó)OptaSense(美國(guó)LUNA并購(gòu))、澳大利亞FFT、意大利吉斯等公司，已將光纖周界安防技術(shù)應(yīng)用于軍事目標(biāo)和國(guó)境線防入侵監(jiān)控。

目前國(guó)內(nèi)從事光纖周界安防產(chǎn)品研發(fā)及解決方案的公司主要分成三類：①國(guó)外光纖周界產(chǎn)品品牌公司的產(chǎn)品代理及服務(wù)供應(yīng)商。通過這一渠道，國(guó)外公司的光纖周界產(chǎn)品進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)。但受限于產(chǎn)品價(jià)格、技術(shù)壁壘限制及維保速度限制等原因，國(guó)外公司在中國(guó)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力有限，例如，以色列邁高公司、澳大利亞FFT公司、美國(guó)BEI公司等；②具備自主研發(fā)能力及產(chǎn)品生產(chǎn)能力的國(guó)內(nèi)光纖傳感行業(yè)的高新技術(shù)公司。如：武漢烽理光電技術(shù)有限公司、威海北洋光電子科技有限公司、上海波匯光電技術(shù)有限公司等；③安防產(chǎn)品綜合服務(wù)供應(yīng)商，他們并不專注于產(chǎn)品研發(fā)，而是結(jié)合市場(chǎng)需求，進(jìn)行周界安防設(shè)備選型，以工程服務(wù)集成商的名義進(jìn)行光纖周界產(chǎn)品的集成與銷售。

3 光柵陣列測(cè)振技術(shù)介紹

3.1 技術(shù)概況

光柵陣列周界入侵系統(tǒng)采用的是分布式測(cè)振技術(shù)，該技術(shù)采用大容量光柵陣列傳感器實(shí)現(xiàn)分布式光纖振動(dòng)傳感網(wǎng)絡(luò)，是一種高精確、高靈敏的分布式測(cè)振技術(shù)。其核心為武漢理工大學(xué)姜院士團(tuán)隊(duì)研制，并獲得了國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)的光纖光柵在線刻寫技術(shù)，在拉絲塔拉制光纖的同時(shí)，動(dòng)態(tài)在線、連續(xù)地將傳感光柵刻寫到光纖上，形成光柵陣列[1]。光纖上的每一個(gè)光柵都可以感知外部的振動(dòng)信號(hào)，通過對(duì)光柵返回的光信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、分析和處理，對(duì)振動(dòng)入侵事件進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。

3.2 技術(shù)原理

光柵陣列測(cè)振技術(shù)基于干涉技術(shù)實(shí)現(xiàn)大范圍、高靈敏度和高頻響應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)探測(cè)。該技術(shù)傳感部分是由光柵陣列組成的傳感網(wǎng)絡(luò)，不僅可以感知光纖上任意位置的振動(dòng)響應(yīng)，同時(shí)解決了分布式振動(dòng)傳感中的多點(diǎn)定位問題。通過干涉儀提高振動(dòng)信號(hào)傳感的頻率響應(yīng)，利用3×3耦合器相位解調(diào)算法重建時(shí)域信號(hào)，還原了振動(dòng)信號(hào)的相位信息，完成振動(dòng)頻率和幅度的解調(diào)，結(jié)合光時(shí)域反射儀(OTDR)技術(shù)實(shí)現(xiàn)多振動(dòng)源的即時(shí)定位，其技術(shù)原理見圖1[2-3]。

圖1 技術(shù)原理圖

4 高速公路收費(fèi)站安全防護(hù)系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)概述

基于光柵陣列振動(dòng)入侵報(bào)警技術(shù)的高速公路收費(fèi)站安全防護(hù)系統(tǒng)，由光柵陣列振動(dòng)入侵報(bào)警系統(tǒng)為基礎(chǔ)，兼具了數(shù)據(jù)分析、模式識(shí)別、智能報(bào)警和聲光驅(qū)離、多級(jí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。以光柵陣列和視頻攝像機(jī)作為傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)防區(qū)的安全情況。當(dāng)系統(tǒng)判斷到外界入侵后，會(huì)向監(jiān)控室推送報(bào)警信息，對(duì)報(bào)警位置進(jìn)行精確定位，并動(dòng)用聲光報(bào)警設(shè)備及時(shí)對(duì)入侵發(fā)生處進(jìn)行聲光(廣播和喊話功能)驅(qū)逐。

4.2 系統(tǒng)架構(gòu)

安全防護(hù)系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)由三部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖2，分為探測(cè)感知系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)、聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.2.1探測(cè)感知系統(tǒng)

探測(cè)感知系統(tǒng)主要包括振動(dòng)傳感光纜及末端器，實(shí)時(shí)感知探測(cè)區(qū)域的振動(dòng)信號(hào)，并將該振動(dòng)信號(hào)反饋回光纖信號(hào)處理器。其光纜采用埋地和掛網(wǎng)2種光纜結(jié)合的方式敷設(shè)在收費(fèi)站的圍墻和重點(diǎn)區(qū)域(配電房、水泵房等)。埋地與掛網(wǎng)的光纜組成時(shí)間連續(xù)、空間立體的傳感網(wǎng)，一旦有人闖入傳感網(wǎng)，便會(huì)將闖入信號(hào)發(fā)送到數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，輸出報(bào)警信號(hào)。

4.2.2數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)主要包括振動(dòng)入侵解調(diào)儀、系統(tǒng)分析服務(wù)器。振動(dòng)入侵解調(diào)儀為振動(dòng)傳感光纜提供光源，并將振動(dòng)傳感光纜反饋回的攜帶振動(dòng)信息的光信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，再將解調(diào)的信號(hào)通過網(wǎng)絡(luò)上傳至系統(tǒng)分析服務(wù)器。系統(tǒng)分析服務(wù)器獲取到解調(diào)后的振動(dòng)信息以后，通過振動(dòng)入侵模式識(shí)別算法，對(duì)振動(dòng)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，經(jīng)過判斷后輸出相應(yīng)信號(hào)。

4.2.3聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)

聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括中控顯示大屏，監(jiān)控?cái)z像機(jī)、聲光報(bào)警器等可擴(kuò)展設(shè)備。中控顯示大屏對(duì)防區(qū)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與調(diào)控，監(jiān)控?cái)z像機(jī)以輔助形式感知外界信息，與振動(dòng)傳感光纜協(xié)同探測(cè)，增加安防系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

4.3 系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)

本系統(tǒng)以光纖傳感技術(shù)為依托，結(jié)合基于過程的模式識(shí)別算法，搭建物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺(tái)，最終形成一套完整的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。

4.3.1分布式振動(dòng)立體傳感網(wǎng)絡(luò)

系統(tǒng)使用超大容量的陣列光柵作為振動(dòng)傳感器，可對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域平面進(jìn)行定位。本系統(tǒng)在該基礎(chǔ)上，對(duì)光纜進(jìn)行埋地和掛網(wǎng)并行敷設(shè)，將原本二維的探測(cè)平面轉(zhuǎn)化為三維立體模型，在水平面和垂直面同時(shí)進(jìn)行感知，形成光柵陣列立體傳感網(wǎng)絡(luò),傳感網(wǎng)絡(luò)圖見圖3。

圖3 光柵陣列立體傳感網(wǎng)絡(luò)圖

比起其他的點(diǎn)式傳感器，本系統(tǒng)的傳感單元的優(yōu)勢(shì)除了分布式傳感以外，還有立體感知空間，增加了探測(cè)范圍，振動(dòng)信號(hào)更能還原實(shí)際的振動(dòng)事件[4]。

4.3.2基于過程的模式識(shí)別算法

本系統(tǒng)采用基于過程的模式識(shí)別算法。當(dāng)發(fā)生振動(dòng)入侵時(shí)，通過對(duì)埋地光纜和掛網(wǎng)光纜的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，可極大地增加入侵行為的識(shí)別率，從而降低誤報(bào)率。

其算法分為2個(gè)過程，第一階段系統(tǒng)首先采集埋地光纜發(fā)出的振動(dòng)信號(hào)，通過時(shí)分復(fù)用方法定位后，利用機(jī)器學(xué)習(xí)模型區(qū)分人類行為和動(dòng)物行為；第二階段采集掛網(wǎng)光纜發(fā)出的振動(dòng)信號(hào)通過振動(dòng)入侵模式識(shí)別算法，將采集到的信號(hào)識(shí)別為風(fēng)激振動(dòng)、人為搖晃、人為攀爬等信號(hào)，最終輸出報(bào)警信息[5-6]。模式識(shí)別流程圖見圖4。

圖4 模式識(shí)別流程圖

5 系統(tǒng)應(yīng)用案例

5.1 設(shè)計(jì)方案

在某收費(fèi)站管理處周界圍墻處選用光柵陣列埋地和掛網(wǎng)2種光纜結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)收費(fèi)站的圍墻和重點(diǎn)區(qū)域(配電房、水泵房等)入侵監(jiān)測(cè)和報(bào)警，同時(shí)設(shè)置智能視頻攝像機(jī)用于抓拍和取證；在收費(fèi)站出入口采用了2根埋地光纜和智能視頻探測(cè)器集合實(shí)現(xiàn)收費(fèi)站出入口和車道出入口的入侵和模式識(shí)別(人、自行車、摩托車、車牌識(shí)別等)；在院區(qū)和車道上安裝了聲光驅(qū)離設(shè)備用于驅(qū)離入侵人員[7]。平面布置圖見圖5。

圖5 收費(fèi)站平面布置圖

5.2 安裝

根據(jù)上節(jié)4.1的設(shè)計(jì)方案，對(duì)管理處圍墻、收入站，出入口等處進(jìn)行光纜的安裝敷設(shè)，其中院區(qū)圍墻約600 m，收費(fèi)站出入口長(zhǎng)度約50 m。

本方案實(shí)施需要光柵陣列信號(hào)處理器主機(jī)1臺(tái)，振動(dòng)探測(cè)光纜2 km，傳輸光纜500 m，采用掛網(wǎng)與埋地并行的方式實(shí)現(xiàn)管理處周界圍墻的入侵探測(cè)功能，收費(fèi)站出入口采用2根表貼振動(dòng)探測(cè)光纜和智能視頻探測(cè)器結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)收費(fèi)站出入口的入侵探測(cè)及智能識(shí)別功能。光柵陣列信號(hào)處理器、管理終端等安裝在管理處控制室的機(jī)柜中。掛網(wǎng)與埋地并行方式安裝見圖6 ，表貼光纜安裝見圖7，安裝在入口減速帶的下方。

圖6 光纜在重點(diǎn)區(qū)域的圍墻安裝方式

圖7 光纜在收費(fèi)站車道上的安裝方式

5.3 平臺(tái)軟件

平臺(tái)軟件對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以手動(dòng)布撤防，入侵報(bào)警等功能。系統(tǒng)通過軟件算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)前端振動(dòng)信號(hào)的分析和識(shí)別，對(duì)入侵?jǐn)_動(dòng)實(shí)現(xiàn)3 m的高精度定位。可對(duì)風(fēng)、雨、雷電、其它環(huán)境振動(dòng)及小型動(dòng)物的干擾進(jìn)行有效的識(shí)別和過濾。

系統(tǒng)支持資源分級(jí)用戶權(quán)限管理功能，可以滿足200組個(gè)人操作密碼與30種可編程防區(qū)功能。

系統(tǒng)同時(shí)可以兼容多種視頻平臺(tái)與報(bào)警器在軟件平臺(tái)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，當(dāng)發(fā)生報(bào)警時(shí)，攝像頭接收到報(bào)警信號(hào)實(shí)時(shí)播放入侵畫面，同時(shí)報(bào)警主機(jī)接收到報(bào)警信號(hào)并上傳到報(bào)警網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場(chǎng)人員及時(shí)趕到制止入侵行為。

6 結(jié)語

隨著ETC電子收費(fèi)、智能化全自助收費(fèi)系統(tǒng)和在線式智能聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)的逐步推廣應(yīng)用，人工使用率將大幅降低。本系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)車流量較小的收費(fèi)站在減少管理人員或采用無人化管理情況下，保障收費(fèi)站站區(qū)安全管理和收費(fèi)票道行人非機(jī)動(dòng)車闖入高速公路的管控。該系統(tǒng)能夠有效地減少誤報(bào)率引起的虛報(bào)影響，達(dá)到檢測(cè)精準(zhǔn)、判斷準(zhǔn)確、針對(duì)性強(qiáng)等需求。