王 磊，吳 耀

(華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

0 引言

水電站是電力系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)兼具防洪調(diào)度、水利灌溉等功能，屬于反恐重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象。隨著中小型無(wú)人機(jī)研發(fā)與生產(chǎn)門檻大幅降低，輕小型民用無(wú)人機(jī)大量進(jìn)入市場(chǎng)，未經(jīng)允許的“黑飛”無(wú)人機(jī)在水電站重要生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)時(shí)有出現(xiàn)，一旦其具有恐怖目的或者受強(qiáng)電磁干擾失控，引發(fā)大壩、升壓站、出線平臺(tái)、輸電線路等區(qū)域發(fā)生斷電、火災(zāi)、爆炸等安全事故時(shí)，將嚴(yán)重影響電站和電網(wǎng)安全運(yùn)行，并對(duì)電站生產(chǎn)人員和大壩下游人民生命安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。為此，國(guó)家層面明確提出大型電力設(shè)施等高風(fēng)險(xiǎn)行業(yè)目標(biāo)應(yīng)部署無(wú)人機(jī)防范設(shè)備，以提高安全防范水平。

從國(guó)內(nèi)外的研究來(lái)看，無(wú)人機(jī)防御技術(shù)包括無(wú)人機(jī)偵查探測(cè)和無(wú)人機(jī)反制兩部分[1-3]，其中偵查探測(cè)技術(shù)以“雷達(dá)+光電復(fù)合”最為成熟，反制技術(shù)則以數(shù)據(jù)通信干擾、衛(wèi)星定位干擾和控制系統(tǒng)接管等為主流。針對(duì)大型水電站復(fù)雜地形、復(fù)雜電磁環(huán)境，本文借鑒相關(guān)行業(yè)研究經(jīng)驗(yàn)，提出了一種集雷達(dá)、頻譜、光電和干擾為一體的無(wú)人機(jī)防御系統(tǒng)，可對(duì)半徑3 km范圍內(nèi)低空空域進(jìn)行全天候、全方位不間斷監(jiān)測(cè)，智能識(shí)別重要生產(chǎn)區(qū)內(nèi)滯空目標(biāo)類型、身份，并自動(dòng)預(yù)警、跟蹤與處置，能夠有效防御“黑飛”無(wú)人機(jī)入侵，全面提高水電站安全反恐水平。

1 無(wú)人機(jī)防御系統(tǒng)架構(gòu)及功能設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

無(wú)人機(jī)防御系統(tǒng)應(yīng)用部署在水電廠安全I(xiàn)II區(qū)的數(shù)據(jù)平臺(tái)或?qū)Ｓ梅?wù)器上，通過(guò)統(tǒng)一數(shù)據(jù)服務(wù)總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、訪問(wèn)、監(jiān)視、分析和預(yù)警。系統(tǒng)前端數(shù)據(jù)采集與處置系統(tǒng)包括雷達(dá)、頻譜、光電、干擾等設(shè)備，如圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)防御系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topological structure of UAV defense system

1.2 設(shè)備功能

1)雷達(dá)探測(cè)。對(duì)重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域半徑3 km內(nèi)進(jìn)行有源探測(cè)，發(fā)現(xiàn)并跟蹤低空空域內(nèi)低、慢、小目標(biāo)無(wú)人機(jī)，確定目標(biāo)位置、速度、航向，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至控制中心，引導(dǎo)光電系統(tǒng)、干擾系統(tǒng)或者誘捕系統(tǒng)進(jìn)行干預(yù)。

2)頻譜探測(cè)。對(duì)重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域半徑4 km內(nèi)進(jìn)行無(wú)源探測(cè)，不間斷監(jiān)測(cè)低空空域內(nèi)無(wú)線電信號(hào)(無(wú)人機(jī)測(cè)控、圖傳及導(dǎo)航信號(hào))，對(duì)無(wú)人機(jī)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別、特征分析和比對(duì)，若信號(hào)不在設(shè)置的白名單內(nèi)，系統(tǒng)自動(dòng)預(yù)警并引導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤。

3)光電干擾一體化。獲取重點(diǎn)保護(hù)區(qū)內(nèi)域低空空域無(wú)人機(jī)等空中目標(biāo)影像，并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行處置。其中，光電設(shè)備根據(jù)探測(cè)雷達(dá)提供的目標(biāo)信息智能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)、跟蹤、監(jiān)視、識(shí)別和記錄(可見(jiàn)光大于或等于2 000 m，紅外熱成像大于或等于1 000 m)；定向干擾設(shè)備根據(jù)指控系統(tǒng)命令，按照探測(cè)雷達(dá)提供的方位和角度定向發(fā)射電磁干擾信號(hào)(干擾距離大于或等于3 km)，對(duì)無(wú)人機(jī)通信鏈路進(jìn)行干擾，實(shí)現(xiàn)“黑飛”無(wú)人機(jī)驅(qū)離或迫降。

4)頻譜干擾一體化。對(duì)重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域半徑3 km低空空域進(jìn)行無(wú)源探測(cè)和目標(biāo)處置。其中，頻譜探測(cè)設(shè)備通過(guò)無(wú)源接收無(wú)人機(jī)與遙控器之間的通信信號(hào)探測(cè)、發(fā)現(xiàn)、識(shí)別入侵無(wú)人機(jī)；無(wú)線電干擾設(shè)備全向輻射與無(wú)人機(jī)遙控、圖傳、導(dǎo)航信號(hào)同頻率的電磁干擾信號(hào)，對(duì)“黑飛”無(wú)人機(jī)進(jìn)行驅(qū)離或迫降。

1.3 軟件功能

1)綜合展示。展示水電站無(wú)人機(jī)防御的總體情況，包括系統(tǒng)設(shè)備部署、防護(hù)范圍、入侵類別、入侵次數(shù)統(tǒng)計(jì)等。

2)報(bào)警、預(yù)警。實(shí)時(shí)識(shí)別入侵無(wú)人機(jī)，顯示全局的“黑飛”無(wú)人機(jī)飛行路線、狀態(tài)和預(yù)警態(tài)勢(shì)，持續(xù)地收集情報(bào)，提供直觀的指揮界面；定制多級(jí)預(yù)警區(qū)，當(dāng)無(wú)人機(jī)進(jìn)入預(yù)警區(qū)域時(shí)系統(tǒng)發(fā)出聲光警報(bào)，同時(shí)探測(cè)、跟蹤及處置目標(biāo)大于或等于1 000批；根據(jù)無(wú)人機(jī)威脅等級(jí)不同，優(yōu)先處置威脅等級(jí)高的無(wú)人機(jī)目標(biāo)。

3)防護(hù)指揮。具有基于地理位置的可視化地圖信息；通過(guò)控制干擾裝置，對(duì)入侵無(wú)人機(jī)進(jìn)行干擾打擊；與其他安全應(yīng)急指揮系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制和指揮。

4)智能識(shí)別。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)持續(xù)深度學(xué)習(xí)，不斷完善探測(cè)的無(wú)人機(jī)特征數(shù)據(jù)；在“黑飛”無(wú)人機(jī)報(bào)警的同時(shí)給出無(wú)人機(jī)的相關(guān)信息，輔助指揮人員作出處置決策。

5)設(shè)備控制及參數(shù)配置?？刂茀?shù)設(shè)置、計(jì)劃及臨時(shí)任務(wù)的下達(dá)；電源狀態(tài)、存儲(chǔ)狀態(tài)監(jiān)視等；遠(yuǎn)程控制雷達(dá)設(shè)備、頻譜探測(cè)設(shè)備、光電取證設(shè)備和反制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)多種異構(gòu)設(shè)備的一體化高效協(xié)作。

6)系統(tǒng)管理。配置和管理系統(tǒng)的用戶角色和權(quán)限；數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)平臺(tái)或?qū)俜?wù)器上長(zhǎng)時(shí)間保存，可接入第三方存儲(chǔ)；具備探測(cè)軌跡回放功能，并能進(jìn)行視頻取證存儲(chǔ)；根據(jù)時(shí)間、事件對(duì)存儲(chǔ)日志數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索，便于進(jìn)行侵入行為分析和統(tǒng)計(jì)。

7)可視化要求。提供數(shù)據(jù)可視化效果庫(kù)，包括二維、地理信息組件、圖表組件、展示組件等；提供簡(jiǎn)單易操作的方式，通過(guò)使用數(shù)據(jù)可視化效果庫(kù)，快速配置生成數(shù)據(jù)可視化圖表；可根據(jù)要求定制復(fù)雜的可視化圖表。

2 無(wú)人機(jī)防御系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)部署

某水電站主廠房、主變洞、調(diào)壓室等位于地下洞室群內(nèi)，大壩、開(kāi)關(guān)站、廠房入口、航道等重要生產(chǎn)建筑物及設(shè)備、設(shè)施分布于狹窄的河谷之間，地形、地質(zhì)條件復(fù)雜。經(jīng)踏勘分析，“黑飛”無(wú)人機(jī)可能來(lái)襲方向?yàn)榇髩紊舷掠?、航道東北以及開(kāi)關(guān)站東南等方向，其中開(kāi)關(guān)站受壩肩山體遮擋影響，形成孤立的可視低空空域。本著“經(jīng)濟(jì)高效，全局防御”的原則，選取大壩某表孔泵站為前端設(shè)備主部署點(diǎn)，覆蓋大壩上下游、廠房入口、航道東北等“黑飛”無(wú)人機(jī)可能來(lái)襲方向；在開(kāi)關(guān)站樓頂增設(shè)一套頻譜干擾一體化設(shè)備，對(duì)開(kāi)關(guān)站東南方向進(jìn)行補(bǔ)盲，與前端設(shè)備主部署點(diǎn)形成互補(bǔ)(見(jiàn)圖2)；利用光纖通信實(shí)現(xiàn)前端設(shè)備與中控室無(wú)人機(jī)防御指控系統(tǒng)數(shù)據(jù)互通。

圖2 無(wú)人機(jī)防御系統(tǒng)組成Fig.2 Composition of UAV defense system

2.2 應(yīng)用成效

該水電站無(wú)人機(jī)防御系統(tǒng)以多點(diǎn)部署的形式，實(shí)現(xiàn)了重要生產(chǎn)建筑物及設(shè)備設(shè)施全覆蓋，形成了低空空域全天候、全天時(shí)、全方位的不間斷監(jiān)測(cè)，以及全自動(dòng)的“黑飛”無(wú)人機(jī)預(yù)警、跟蹤和打擊能力。無(wú)人機(jī)防御系統(tǒng)上線后運(yùn)行穩(wěn)定(見(jiàn)圖3)，能夠在地形復(fù)雜、氣候多變等不利因素下，對(duì)半徑3 km范圍內(nèi)低空空域滯空目標(biāo)類型、身份進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，實(shí)時(shí)跟蹤和展示距離、方位、高度、速度等目標(biāo)信息，智能分析“黑飛”無(wú)人機(jī)對(duì)重要生產(chǎn)建筑物及設(shè)備設(shè)施安全威脅程度，并發(fā)出入侵報(bào)警，根據(jù)打擊方式的設(shè)置對(duì)入侵目標(biāo)進(jìn)行手動(dòng)或全自動(dòng)驅(qū)離、迫降處置。

圖3 無(wú)人機(jī)防御系統(tǒng)功能界面Fig.3 Function interface of UAV defense system

3 結(jié)語(yǔ)

水電站事關(guān)人民生命財(cái)產(chǎn)安全，針對(duì)新形勢(shì)下“黑飛”無(wú)人機(jī)的安全威脅，本文研究提出的適應(yīng)復(fù)雜地形、電磁環(huán)境的全方位、立體的無(wú)人機(jī)防御系統(tǒng)，在水電站進(jìn)行了成功應(yīng)用，能夠?qū)Α昂陲w”無(wú)人機(jī)進(jìn)行有效預(yù)警、驅(qū)離或迫降，全面提升了水電站安全防御等級(jí)，也為重要電力設(shè)施的安全防御、防恐怖襲擊提供了技術(shù)參考。