堯豐, 王軍鋒, 劉宏江, 溫忠凱, 徐海軍, 呂大勇, 祁曉臨
(1. 中科藍卓(北京)信息科技有限公司,北京 101399;2. 中國鐵路北京局集團有限公司 工務(wù)部,北京 100860)
隨著我國鐵路建設(shè)的持續(xù)發(fā)展,通車?yán)锍滩粩嘣黾?,極大地促進了各地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展和人員往來。由于我國地域遼闊、地形復(fù)雜、氣候差異顯著,使鐵路安全運營面臨諸多挑戰(zhàn)。另外,還存在鐵路設(shè)施遭受人為破壞、無視防護直接穿越鐵路線路等情況,嚴(yán)重威脅鐵路運輸和人民群眾生命財產(chǎn)安全。為安全、高效、便捷地維護鐵路周界,研究具有鐵路特色的周界入侵智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)[1?3],對保障鐵路安全運營、提高鐵路周界防護能力、提升入侵行為準(zhǔn)確告警效率、有效降低施工維護成本等方面,均具有重大現(xiàn)實意義和經(jīng)濟效益。
為保障鐵路運營安全,一般采取紅外對射入侵報警[4]等技術(shù)進行周界管理,但由于各類技術(shù)的局限性,實際運行中無法達到全面有效的監(jiān)管,不能及時告警和事故追責(zé)。因此,需要深入細(xì)致調(diào)研鐵路特殊運行環(huán)境,理清實際需求,結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)手段,才能更好地解決問題。保障鐵路周界安全的具體需求如下:
當(dāng)非法目標(biāo)入侵到鐵路周界區(qū)域時,系統(tǒng)能夠排除環(huán)境、列車通行等干擾因素,對入侵行為進行智能分析。經(jīng)系統(tǒng)分析,確認(rèn)目標(biāo)監(jiān)控區(qū)域有非法入侵,將報警信息實時傳遞到鐵路一線相關(guān)人員,使其第一時間掌握侵限目標(biāo)發(fā)生的地點等事件信息,進而能夠高效準(zhǔn)確地進行事件處置。
當(dāng)非法目標(biāo)侵限時,遺留在軌道上的物品及人員本身,都可能導(dǎo)致運行事故發(fā)生。針對此類事故,目前沒有有效的手段進行事故報警及事故追責(zé)。因此,需要利用信息化技術(shù)手段對事件進行回放,以明確責(zé)任并追責(zé)。
隨著信息化手段的提高,在鐵路周界關(guān)鍵位置設(shè)置監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng),識別針對設(shè)防區(qū)域的侵入、破壞、設(shè)障等行為,不僅是一種必要的防護手段,同時也能對周邊的入侵行為起到一定威懾作用,以減少非法入侵行為的發(fā)生頻次。
現(xiàn)有技防手段往往受到特殊、特定入侵行為的限制。例如,振動光纖主要用于防范破壞周界、攀爬周界、下挖周界等行為,依靠振動來判定是否有入侵行為;電子圍欄主要對翻越周界的入侵行為進行防范;光波對射主要對站臺兩端入侵行為進行防范;視頻監(jiān)控主要在天氣條件良好的前提下,對破壞、攀爬、下挖周界等入侵行為進行防范。因此,迫切需要一種新型技術(shù),解決現(xiàn)有技防手段對具體入侵行為敏感程度各有不同的應(yīng)用難題。
現(xiàn)有周界防護技術(shù),如紅外探測、張力圍欄、振動光纖、電子圍欄等[5?7],能夠?qū)﹁F路周界入侵起到一定防范作用,主要表現(xiàn)為阻擋作用。但在提前預(yù)警及威懾性、報警驅(qū)趕等方面,因各類設(shè)備的差異性,在功能表現(xiàn)上欠佳。漏報率和誤報率是評價周界防護技術(shù)的重要指標(biāo),現(xiàn)有技防手段受天氣、植被、動物、路過機動車等外界環(huán)境因素影響較大,因此在誤報率和漏報率方面的表現(xiàn)不盡理想。個別系統(tǒng)對入侵目標(biāo)的監(jiān)測仍需要與視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行聯(lián)動復(fù)核,但由于視頻監(jiān)控系統(tǒng)同樣會受到天氣條件的限制,靈活性差,因此在技術(shù)及經(jīng)濟性等方面均有待提高。
對于地處偏僻區(qū)域的鐵路周界或重點區(qū)域,現(xiàn)場取網(wǎng)、取電不便,需利用太陽能為設(shè)備供電,因此需要考慮配備足夠的電力供應(yīng),還需考慮無線網(wǎng)絡(luò)傳輸產(chǎn)生的流量費用等問題。
基于雷達視頻協(xié)同技術(shù)的鐵路區(qū)域安防系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)大背景下,依托微型化、低功耗、高精度的雷達探測技術(shù),融合智能視頻、多源報警、移動通信等新技術(shù)手段,針對關(guān)鍵核心技術(shù)進行攻關(guān),在現(xiàn)有安防技術(shù)體制上融合多類型傳感設(shè)備,形成雷達與視頻深度融合的智能安防監(jiān)控體系,重點解決現(xiàn)有技防手段高誤報、漏報等難題,實現(xiàn)鐵路安防領(lǐng)域智能感知、智能研判等應(yīng)用的新突破,將促進鐵路新型安防技術(shù)發(fā)展,提升鐵路安防技術(shù)整體應(yīng)用水平。
系統(tǒng)主要由雷達探測裝置、視頻聯(lián)動裝置、報警喊話裝置、集成控制裝置及報警平臺組成,是軟硬件集成一體化的智能化報警系統(tǒng),系統(tǒng)通信鏈路采用第4 代移動通信技術(shù)(4G)傳輸方式。系統(tǒng)總體架構(gòu)見圖1。
圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)
面向鐵路周界重點區(qū)域的防控需求,充分結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計[8]理念,以人工智能、邊緣計算、云平臺、移動通信等先進技術(shù)為支撐,有效融合雷達探測、視頻監(jiān)控、移動通信等技術(shù)手段,構(gòu)建面向鐵路重點防護區(qū)域的智能化、立體化的安防系統(tǒng),具備全天時、全天候、高可靠、高精準(zhǔn)的鐵路沿線區(qū)域安全防護能力。其中,前端探測設(shè)備部署在現(xiàn)場,后臺部署在鐵路局集團公司互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)站群平臺,應(yīng)用端放置在值班室,報警主機與值班室值班電話相連接。當(dāng)報警主機接到報警信息推送時,通過24 h 值班電話,自動撥打報警區(qū)域責(zé)任人,實現(xiàn)從前端報警到手機端“及時達”的功能,確保一線人員及時掌握報警信息,第一時間處理現(xiàn)場入侵險情,極大提升了險情的處置效率。系統(tǒng)工作流程見圖2。
圖2 系統(tǒng)工作流程
系統(tǒng)基于新型低功耗探測雷達設(shè)備,能夠全天時、全天候地對人員、車輛、泥石流等線路入侵目標(biāo)進行有效探測,并結(jié)合人工智能算法,有效濾除小動物、植被、列車通行等干擾因素,實現(xiàn)對目標(biāo)精準(zhǔn)探測和跟蹤,提升非法入侵目標(biāo)報警的精準(zhǔn)性。系統(tǒng)探測報警界面見圖3。
圖3 系統(tǒng)探測報警界面
系統(tǒng)構(gòu)建了基于人工智能的雷達視頻數(shù)據(jù)融合方法,對雷達數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)進行動態(tài)融合,協(xié)同研判入侵目標(biāo)真實性,提高入侵目標(biāo)物體的識別精度。系統(tǒng)探測協(xié)同識別效果見圖4。
圖4 系統(tǒng)探測協(xié)同識別效果
用戶可通過網(wǎng)絡(luò)端(Web 端)平臺、移動端平臺、客戶桌面端(PC 端)軟件遠(yuǎn)程查看本地歷史視頻,也可通過時間維度查詢或篩選對應(yīng)視頻,并同步將所需的歷史視頻進行下載保存。另外,可以查詢及下載設(shè)備心跳數(shù)據(jù)、設(shè)備日志信息等相關(guān)信息。
系統(tǒng)提供鐵路周界安防數(shù)據(jù)的接入與管理,融合數(shù)據(jù)智能分析與可視化模型,實現(xiàn)鐵路周界安全管控的宏觀決策??芍С蛛娮拥貓D展示,匯聚業(yè)務(wù)數(shù)據(jù);統(tǒng)計分析各類數(shù)據(jù),輔助決策指揮;實時掌握多線路、多地區(qū)運行情況。系統(tǒng)管控報警平臺界面見圖5。
圖5 系統(tǒng)管控報警平臺界面
系統(tǒng)采用雷達空間感知與視頻協(xié)同技術(shù),有效融合雷達空間感知與視頻感知結(jié)果,構(gòu)建從雷達探測到視頻復(fù)核的雙重研判機制;通過抽取雷達定位信息與視頻視場角度,建立二者之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,形成雷達空間感知信息與視頻感知圖像的跟蹤協(xié)同與系統(tǒng)聯(lián)動,實時跟蹤確認(rèn)目標(biāo)移動位置。在此過程中,通過對比雷達坐標(biāo)與視頻視場角,自動校對二者感知目標(biāo)偏差,自動調(diào)整匹配關(guān)聯(lián)偏差,從而提升目標(biāo)協(xié)同跟蹤的準(zhǔn)確性,降低系統(tǒng)誤報率。
系統(tǒng)充分結(jié)合雷達主動探測優(yōu)勢,具備在強雜波環(huán)境下對人體目標(biāo)信號的識別。同時,利用智能視頻分析技術(shù),通過對視頻圖像的處理與分析,有效規(guī)避植被、天氣等干擾因素,實現(xiàn)不同設(shè)備目標(biāo)感知的雙重研判,有效提升系統(tǒng)報警的準(zhǔn)確性,有效解決單一感知手段導(dǎo)致復(fù)雜環(huán)境下難以實現(xiàn)對入侵目標(biāo)精準(zhǔn)識別與信息提取的難題。
系統(tǒng)前端探測設(shè)備采用低功耗設(shè)計理念,重點對邊緣計算設(shè)備、探測雷達功率、視頻圖像采集等方面進行優(yōu)化。高速數(shù)據(jù)傳輸通信模塊在不影響性能的情況下降低設(shè)備功耗,支持太陽能供電方式。同時,研發(fā)了輕量化數(shù)據(jù)處理引擎,形成對冗余數(shù)據(jù)的處理與釋放,重點針對視頻數(shù)據(jù)有效目標(biāo)信息進行抽取,優(yōu)化視頻壓縮算法,建立目標(biāo)識別視頻信息回傳模式,大大降低傳輸流量,采用4G 無線傳輸方式實現(xiàn)入侵告警信息推送。
系統(tǒng)在雷達與視頻設(shè)備的基礎(chǔ)上,集成語音報警、遠(yuǎn)程喊話、光電設(shè)備提示等功能,在實現(xiàn)對遠(yuǎn)程入侵目標(biāo)自動語音警告的同時,還可對頑固的入侵目標(biāo)遠(yuǎn)程喊話驅(qū)離,對入侵人員的穿行行為進行有效威懾阻止。通過研制平臺監(jiān)控軟件,覆蓋桌面端、移動端設(shè)備,使用人員可隨時接收和查看報警信息,提升了事件處置的效率,克服了現(xiàn)有安防系統(tǒng)過于注重報警準(zhǔn)確性而忽略了系統(tǒng)本身的功能性,導(dǎo)致安防系統(tǒng)功能單一,只能滿足單一方面的應(yīng)用需求,在緊急事件下難以第一時間處置事件。
該系統(tǒng)在中國鐵路北京局集團有限公司轄區(qū)內(nèi)的重點典型鐵路安防地段(京張高鐵東北環(huán)K62.7、西北環(huán)K33、京沈高鐵東星K3.4)部署使用,根據(jù)不同監(jiān)測范圍和應(yīng)用需求安裝部署。
系統(tǒng)主要應(yīng)用在鐵路沿線重點防護區(qū)域,例如鐵路隧道口、車站站臺、重點區(qū)間線路等,具備無人值守、實時報警、語音驅(qū)離、動態(tài)跟蹤等功能。系統(tǒng)前端設(shè)備采用立桿安裝方式,立桿高度設(shè)計為4 m,相關(guān)設(shè)備按指定高度固定安裝,具體位置根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境靈活布設(shè),要求立桿處到線路中心距離大于7.5 m。系統(tǒng)安裝部署示意見圖6,現(xiàn)場部署見圖7。
圖6 系統(tǒng)安裝部署示意圖
圖7 系統(tǒng)現(xiàn)場部署
依照切實可行、安全可靠的原則,制定詳細(xì)的系統(tǒng)測試計劃,根據(jù)應(yīng)用需求和指標(biāo)要求,開展基礎(chǔ)測試、入侵測試、試運行及牢固性檢查、環(huán)境適應(yīng)性測試,以確保系統(tǒng)滿足實際運行需求,達到預(yù)期效果。系統(tǒng)測試流程見圖8,測試項目與方法見表1。
表1 測試項目與方法
圖8 系統(tǒng)測試流程
該系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)體現(xiàn)為漏報率和誤報率。對系統(tǒng)功能、性能、入侵測試及運行期間結(jié)果進行分析,在目前基于有限樣本數(shù)據(jù)的條件下,具有零漏報、零誤報的性能。具體結(jié)果如下:
(1)漏報率。分別在京張高鐵東北環(huán)K62.7、西北環(huán)K33,京沈高鐵東星K3.4 處開展系統(tǒng)測試共計5 次,每次試驗進行目標(biāo)入侵測試20 次、投擲鐵桶5 次,未發(fā)生漏報現(xiàn)象,漏報率為0。
(2)誤報率。分別在京張高鐵東北環(huán)K62.7、西北環(huán)K33,京沈高鐵東星K3.4 處開展系統(tǒng)測試共計5 次,每次試驗投擲紙箱5次,并結(jié)合系統(tǒng)安裝部署后的現(xiàn)場試用情況,均未發(fā)生誤報現(xiàn)象,誤報率為0。
(3)環(huán)境適應(yīng)性。系統(tǒng)自2021 年部署以來運行安全穩(wěn)定,未發(fā)現(xiàn)對現(xiàn)有列車運行造成任何干擾和影響。
(4)安全性。系統(tǒng)自2021 年部署以來,經(jīng)歷了夏季高溫及暴雨大風(fēng)、冬季低溫等情況,并在夜間下雨條件下也有效發(fā)揮了作用。系統(tǒng)安裝牢固,工作穩(wěn)定正常,安全可靠。
基于鐵路一線實際需求,結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和深度學(xué)習(xí)等新型技術(shù),研發(fā)了基于雷達視頻協(xié)同技術(shù)的鐵路區(qū)域安防系統(tǒng),實現(xiàn)了鐵路周界防護從傳統(tǒng)技防手段到智能化管理階段的跨越,進一步保證了鐵路安全。
(1)該系統(tǒng)填補了對偏遠(yuǎn)區(qū)域鐵路周界和重點區(qū)域的管理盲區(qū),并推動了鐵路周界安防由傳統(tǒng)防護到智能管理的轉(zhuǎn)變。
(2)系統(tǒng)性能和技術(shù)優(yōu)勢突出,零漏報、極低誤報,自組網(wǎng)、自供電,硬件設(shè)備運行穩(wěn)定、維護便捷,系統(tǒng)平臺具備在線巡視功能,可有效降低鐵路基層管理部門的工作負(fù)荷,提升管理效率。
(3)經(jīng)基礎(chǔ)測試、入侵測試以及自然環(huán)境下的現(xiàn)場運行測試,表明系統(tǒng)能在事件發(fā)生的第一時間發(fā)出報警信息,并提供現(xiàn)場相關(guān)視頻證據(jù),提升了鐵路一線管理部門的處置能力和決策效率。
(4)系統(tǒng)平臺選擇鐵路侵限事件易發(fā)、高發(fā)、頻發(fā)區(qū)域部署實施。系統(tǒng)部署后,侵限事件發(fā)生概率顯著降低,具備一定威懾作用和應(yīng)用價值。