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 工務部，北京 100860）

0 引言

隨著我國鐵路建設的持續(xù)發(fā)展，通車里程不斷增加，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，還存在鐵路設施遭受人為破壞、無視防護直接穿越鐵路線路等情況，嚴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。

1 需求分析

為保障鐵路運營安全，一般采取紅外對射入侵報警［4］等技術進行周界管理，但由于各類技術的局限性，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。因此，需要深入細致調研鐵路特殊運行環(huán)境，理清實際需求，結合物聯(lián)網(wǎng)技術手段，才能更好地解決問題。保障鐵路周界安全的具體需求如下：

1.1 對非法侵限目標及時精準掌控

當非法目標入侵到鐵路周界區(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，確認目標監(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人員，使其第一時間掌握侵限目標發(fā)生的地點等事件信息，進而能夠高效準確地進行事件處置。

1.2 通過技術手段實現(xiàn)事件追責

當非法目標侵限時，遺留在軌道上的物品及人員本身，都可能導致運行事故發(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。因此，需要利用信息化技術手段對事件進行回放，以明確責任并追責。

1.3 對非法入侵起到威懾作用

隨著信息化手段的提高，在鐵路周界關鍵位置設置監(jiān)控預警系統(tǒng)，識別針對設防區(qū)域的侵入、破壞、設障等行為，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。

1.4 降低現(xiàn)有技防手段對入侵行為的敏感性

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，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用難題。

1.5 降低誤報率與漏報率

現(xiàn)有周界防護技術，如紅外探測、張力圍欄、振動光纖、電子圍欄等［5?7］，能夠對鐵路周界入侵起到一定防范作用，主要表現(xiàn)為阻擋作用。但在提前預警及威懾性、報警驅趕等方面，因各類設備的差異性，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的重要指標，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)對入侵目標的監(jiān)測仍需要與視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行聯(lián)動復核，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，因此在技術及經(jīng)濟性等方面均有待提高。

1.6 適應設備運行環(huán)境

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，需利用太陽能為設備供電，因此需要考慮配備足夠的電力供應，還需考慮無線網(wǎng)絡傳輸產(chǎn)生的流量費用等問題。

2 設計思路與總體架構

2.1 設計思路

基于雷達視頻協(xié)同技術的鐵路區(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，融合智能視頻、多源報警、移動通信等新技術手段，針對關鍵核心技術進行攻關，在現(xiàn)有安防技術體制上融合多類型傳感設備，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)鐵路安防領域智能感知、智能研判等應用的新突破，將促進鐵路新型安防技術發(fā)展，提升鐵路安防技術整體應用水平。

2.2 總體架構

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（4G）傳輸方式。系統(tǒng)總體架構見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體架構

2.3 工作流程

面向鐵路周界重點區(qū)域的防控需求，充分結合物聯(lián)網(wǎng)設計［8］理念，以人工智能、邊緣計算、云平臺、移動通信等先進技術為支撐，有效融合雷達探測、視頻監(jiān)控、移動通信等技術手段，構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、高精準的鐵路沿線區(qū)域安全防護能力。其中，前端探測設備部署在現(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，應用端放置在值班室，報警主機與值班室值班電話相連接。當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

3 主要功能

3.1 侵限報警

系統(tǒng)基于新型低功耗探測雷達設備，能夠全天時、全天候地對人員、車輛、泥石流等線路入侵目標進行有效探測，并結合人工智能算法，有效濾除小動物、植被、列車通行等干擾因素，實現(xiàn)對目標精準探測和跟蹤，提升非法入侵目標報警的精準性。系統(tǒng)探測報警界面見圖3。

圖3 系統(tǒng)探測報警界面

3.2 協(xié)同研判

系統(tǒng)構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)同研判入侵目標真實性，提高入侵目標物體的識別精度。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

3.3 視頻本地存儲

用戶可通過網(wǎng)絡端（Web 端）平臺、移動端平臺、客戶桌面端（PC 端）軟件遠程查看本地歷史視頻，也可通過時間維度查詢或篩選對應視頻，并同步將所需的歷史視頻進行下載保存。另外，可以查詢及下載設備心跳數(shù)據(jù)、設備日志信息等相關信息。

3.4 管控報警平臺

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

4 技術優(yōu)勢

4.1 雷達與視頻協(xié)同研判[9-10]

系統(tǒng)采用雷達空間感知與視頻協(xié)同技術，有效融合雷達空間感知與視頻感知結果，構建從雷達探測到視頻復核的雙重研判機制；通過抽取雷達定位信息與視頻視場角度，建立二者之間的關聯(lián)關系，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，實時跟蹤確認目標移動位置。在此過程中，通過對比雷達坐標與視頻視場角，自動校對二者感知目標偏差，自動調整匹配關聯(lián)偏差，從而提升目標協(xié)同跟蹤的準確性，降低系統(tǒng)誤報率。

4.2 復雜環(huán)境下的目標特征識別與提取

系統(tǒng)充分結合雷達主動探測優(yōu)勢，具備在強雜波環(huán)境下對人體目標信號的識別。同時，利用智能視頻分析技術，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)不同設備目標感知的雙重研判，有效提升系統(tǒng)報警的準確性，有效解決單一感知手段導致復雜環(huán)境下難以實現(xiàn)對入侵目標精準識別與信息提取的難題。

4.3 低功耗、自組網(wǎng)的工程化設計

系統(tǒng)前端探測設備采用低功耗設計理念，重點對邊緣計算設備、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)有效目標信息進行抽取，優(yōu)化視頻壓縮算法，建立目標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。

4.4 跨領域設備集成與多樣化應用技術

系統(tǒng)在雷達與視頻設備的基礎上，集成語音報警、遠程喊話、光電設備提示等功能，在實現(xiàn)對遠程入侵目標自動語音警告的同時，還可對頑固的入侵目標遠程喊話驅離，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)過于注重報警準確性而忽略了系統(tǒng)本身的功能性，導致安防系統(tǒng)功能單一，只能滿足單一方面的應用需求，在緊急事件下難以第一時間處置事件。

5 應用測試

該系統(tǒng)在中國鐵路北京局集團有限公司轄區(qū)內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)測范圍和應用需求安裝部署。

5.1 安裝部署

系統(tǒng)主要應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、語音驅離、動態(tài)跟蹤等功能。系統(tǒng)前端設備采用立桿安裝方式，立桿高度設計為4 m，相關設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，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

5.2 系統(tǒng)測試

依照切實可行、安全可靠的原則，制定詳細的系統(tǒng)測試計劃，根據(jù)應用需求和指標要求，開展基礎測試、入侵測試、試運行及牢固性檢查、環(huán)境適應性測試，以確保系統(tǒng)滿足實際運行需求，達到預期效果。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

5.3 測試結果分析

該系統(tǒng)的主要技術指標體現(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、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。

6 結論

基于鐵路一線實際需求，結合物聯(lián)網(wǎng)和深度學習等新型技術，研發(fā)了基于雷達視頻協(xié)同技術的鐵路區(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變。

（2）系統(tǒng)性能和技術優(yōu)勢突出，零漏報、極低誤報，自組網(wǎng)、自供電，硬件設備運行穩(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荷，提升管理效率。

（3）經(jīng)基礎測試、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用價值。