何志強

（國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司華中分公司，湖北 武漢 430000）

0 引 言

光纖傳感技術(shù)探測距離長、探測范圍廣、現(xiàn)場無電探測、報警準(zhǔn)確度高、可精確定位、易于維護，是目前公認(rèn)的針對長距離大范圍周界安全監(jiān)測的有效技術(shù)解決方案。針對光纖安防系統(tǒng)的高靈敏度與低誤報率不能同時兼顧的問題，本文采用將探測光纜在監(jiān)測周界的圍欄區(qū)域和埋地區(qū)域組合布設(shè)的方式，將圍欄探測信號和與其對應(yīng)的地埋探測信號進行同時分析判斷，可以有效抑制風(fēng)雨天氣引起的誤報輸出，使得系統(tǒng)僅對非法入侵人員的攀爬翻越等入侵行為敏感，既保證光纖周界系統(tǒng)的高靈敏度特性，又極大地降低系統(tǒng)的誤報率。并結(jié)合視頻聯(lián)動，使相關(guān)人員可以及時對報警事件進行復(fù)核，有效提升周界安防系統(tǒng)的運行效果。

1 系統(tǒng)簡介

1.1 傳感原理

將一條數(shù)公里長單模光纜布設(shè)于待測空間，利用相干光時域反射技術(shù)，將光脈沖從光纖的一端注入傳感光纖，由于所用光源線寬很窄，注入光纖中的光是高度相干的，因此該傳感系統(tǒng)的輸出就是脈沖寬度區(qū)域內(nèi)反射回來的瑞利散射光相干干涉的結(jié)果。系統(tǒng)通過探測激光在光纖介質(zhì)中傳輸時產(chǎn)生的背向瑞利散射信號，連續(xù)測量、準(zhǔn)確定位整條光纖所處空間各點的振動信息，通過光纖上的光參數(shù)的變化來檢測出光纖所處環(huán)境變化，并結(jié)合OTDR 空間定位技術(shù)確定入侵信號的振動信號以及侵入位置，系統(tǒng)的空間定位精度可達到4 m。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

光纖周界監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)可從感知傳感層、數(shù)據(jù)監(jiān)測層和遠程監(jiān)控層三個層面解析：

（1）探測感知層，位于監(jiān)測系統(tǒng)最底層，主要負(fù)責(zé)監(jiān)測光纖線路上的外部擾動信息，并將其轉(zhuǎn)化為可分辨的光學(xué)參量。包括振動探測主機和傳感光纜。

（2）數(shù)據(jù)監(jiān)測層，通過傳輸光纜將感知傳感層所獲得的入侵信息首先傳給光電探測器；再由儀表將光電信號數(shù)據(jù)通過采集卡采集，傳送到監(jiān)控計算機，以實現(xiàn)在線監(jiān)測，提取并分析信號特征，通過模式識別，可提供各種形式的告警。

（3）管理監(jiān)控層，將中間層監(jiān)測到的數(shù)據(jù)整理后打包通過網(wǎng)絡(luò)傳給管理監(jiān)控中心，實現(xiàn)遠程智能監(jiān)控。在線周界安防監(jiān)測平臺具備工程配置、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、?shù)據(jù)實時顯示、數(shù)據(jù)存儲、報警查詢、報表輸出等功能，為設(shè)防區(qū)域的安全運營管理提供決策依據(jù)。

2 系統(tǒng)實施

2.1 光纜布設(shè)

本文采用將探測光纜在監(jiān)測周界的圍欄區(qū)域和埋地區(qū)域組合布設(shè)的方式，使用一根探測光纜，先后分別在監(jiān)測周界的圍欄區(qū)域和埋地區(qū)域，各布設(shè)一周。

圍欄鋪設(shè)方式，利用圍墻現(xiàn)有網(wǎng)片，直接將探測光纜采取S 型敷設(shè)，綁扎在網(wǎng)片上，每隔約30 cm～ 50 cm 設(shè)置一個綁扎點。

地埋鋪設(shè)方式，將探測光纜采取S 型敷設(shè)直接埋入礫石之中，埋設(shè)深度在10 cm～ 20 cm，安裝時需要對地表進行適當(dāng)?shù)奶幚恚秸鼗?/p>

圍欄和地埋區(qū)域的光纜，均采用S 型敷設(shè)的方式，是為了增大振動感測長度，提升對外界振動信號的有效采集率。

2.2 數(shù)據(jù)分析

對于輸油場站的周界，需要監(jiān)測的入侵行為主要有：翻越圍墻、沖擊圍墻。輸油場站一般地處偏僻，引起振動探測系統(tǒng)發(fā)生誤報的干擾源，主要為來自于自然環(huán)境中的干擾源，如大風(fēng)、降雨、鳥類活動、樹枝拍打等。風(fēng)雨和動植物產(chǎn)生的振動主要作用于圍欄網(wǎng)片，而對于埋設(shè)于土壤中的光纜，由于土壤介質(zhì)的屏蔽作用，風(fēng)雨和動植物產(chǎn)生的振動無法傳導(dǎo)到埋地部分的光纜，而對于直接作用于地表的振動源，如人員行走，車輛經(jīng)過等等，此類振動源均會產(chǎn)生直接作用于地表的振動，由于土壤介質(zhì)的傳導(dǎo)作用，此類直接作用于地表的振動源則可以被埋地光纜清晰的感知。

當(dāng)真正的入侵行為發(fā)生時，由于入侵主體一般是人員或車輛，必然會對埋地區(qū)域光纜和圍欄區(qū)域光纜在鄰近的時間范圍內(nèi)都存在有激勵振動作用，而風(fēng)雨干擾則不會對埋地區(qū)域光纜形成激勵，其振動激勵只作用于圍欄區(qū)域光纜。因此，我們設(shè)計了對埋地區(qū)域光纜和圍欄區(qū)域光纜信號進行同步分析的方法，當(dāng)圍欄區(qū)域光纜探測到符合圍欄入侵特征的外界振動激勵時，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)同時調(diào)取其對應(yīng)地埋區(qū)域光纜的振動探測信號，只有在鄰近時間范圍內(nèi)，其對應(yīng)地埋區(qū)域光纜也探測到符合地埋入侵特征的振動激勵，系統(tǒng)才會發(fā)出對應(yīng)位置的入侵報警信息，同時進行視頻聯(lián)動，以幫助現(xiàn)場值班人員及時地了解周界安全狀況，可以有效提高光纖周界監(jiān)測系統(tǒng)的報警準(zhǔn)確率。

2.3 計算步驟

圍欄和地埋區(qū)域的光纜，均是采用S 型敷設(shè)的方式，由于施工鋪設(shè)操作是由人工進行，不可避免的存在一定的隨機性，所以，圍欄區(qū)域和地埋區(qū)域所鋪設(shè)的光纜長度，并不是嚴(yán)格一致的，因而通過光纜距離來進行圍欄區(qū)域和地埋區(qū)域的對應(yīng)定位是不合適的，會導(dǎo)致圍欄區(qū)域和地埋區(qū)域?qū)?yīng)不準(zhǔn)確的情況。因此，當(dāng)圍欄區(qū)域和地埋區(qū)域的振動探測光纜敷設(shè)施工完成后，必須在監(jiān)測周界的沿線區(qū)域，進行人工敲擊定位，記錄監(jiān)測周界各處的圍欄光纜和地埋光纜對應(yīng)點位信息并導(dǎo)入系統(tǒng)，以進行后續(xù)的計算判斷步驟。通過圖像處理方法，對所有作用于探測光纜的振動激勵進行提取，以圖像團塊的形式進行標(biāo)識，再判斷提取到的振動激勵團塊是否符合預(yù)設(shè)的圍欄/地埋入侵特征。之后，通過圍欄區(qū)域和地埋區(qū)域的聯(lián)合判斷，當(dāng)某處位置在鄰近時間范圍內(nèi)同時存在圍欄入侵激勵信號和地埋入侵激勵信號時，系統(tǒng)發(fā)出對應(yīng)位置的報警信息。

實施和計算步驟為：

（1）在整條光纖鏈路上將光纖劃分為多個長度4 m 的小段，每個小段作為一個監(jiān)測單元；

（2）監(jiān)測區(qū)域每隔一定距離進行敲擊定位，記錄圍欄和地埋區(qū)域的探測單元對應(yīng)關(guān)系；

（3）讀取各個監(jiān)測單元的振動探測信號，將每秒原始信號矩陣劃分為個時間片段，每個時間片段的行數(shù)相同，對每個時間片段求每列的最大值，得到×的矩陣；

（4）將各個時刻得到的數(shù)據(jù)矩陣進行拼接，得到一段時間內(nèi)的全段振動信號矩陣，根據(jù)該全段振動信號矩陣?yán)L制光纖振動數(shù)據(jù)圖像；

（5）使用OTSU 算法計算分割閾值，將全段振動信號矩陣進行二值化，得到二值化矩陣；

（6）對二值化矩陣中的明亮像素點聚類分析，提取圖像中的每一個激勵信號團塊；

（7）圍欄區(qū)段信號，判斷某信號團塊的激勵時長和影響范圍是否達到圍欄策略門限值；

（8）若圍欄區(qū)段信號的某激勵信號團塊達到圍欄策略預(yù)設(shè)門限值，則根據(jù)圍欄區(qū)域和地埋區(qū)域的探測單元對應(yīng)記錄，提取其對應(yīng)的地埋區(qū)段信號數(shù)據(jù)，判斷此段地埋信號數(shù)據(jù)是否存在激勵信號團塊，是否達到地埋策略預(yù)設(shè)門限值；

（9）當(dāng)圍欄區(qū)段信號的某激勵信號團塊達到圍欄策略預(yù)設(shè)門限值，并且其對應(yīng)的地埋區(qū)段信號在此一定時間范圍內(nèi)也存在激勵信號團塊達到地埋策略預(yù)設(shè)門限值，則系統(tǒng)發(fā)出入侵報警，報警包含時間、位置等信息。

2.4 視頻聯(lián)動

采用軟件聯(lián)動方式實現(xiàn)周界報警與視頻監(jiān)控的聯(lián)動功能，流程如下：

（1）將攝像機預(yù)置位與周界監(jiān)測區(qū)域進行一一對應(yīng)。

（2）當(dāng)安裝有光纖周界防護系統(tǒng)的圍欄或墻體發(fā)生破壞或攀爬等入侵行為發(fā)生時，光纖周界報警系統(tǒng)將快速響應(yīng)并識別、定位入侵行為。

（3）光纖周界報警系統(tǒng)發(fā)出報警信號后，將聯(lián)動附近攝像機快速調(diào)整至預(yù)置位，對入侵事件進行視頻取證和復(fù)查。

3 測試運行

在某輸油場站周界布設(shè)光纖預(yù)警系統(tǒng)，周界監(jiān)測區(qū)域全長約2 km，圍欄光纜和埋地光纜均采用S 型敷設(shè)，先在監(jiān)測周界的地埋區(qū)域布設(shè)一周，再在監(jiān)測周界的圍欄區(qū)域布設(shè)一周。

測試統(tǒng)計方法：在監(jiān)測區(qū)域，隨機選擇位置，每次以常規(guī)力度敲擊圍欄3 下模擬入侵行為，重復(fù)多次。統(tǒng)計每次測試的報警輸出結(jié)果。

運行統(tǒng)計方法：統(tǒng)計沒有測試時段的報警輸出，經(jīng)視頻確認(rèn)無異常情況，認(rèn)為是誤報。

3.1 測試統(tǒng)計

測試統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測試統(tǒng)計

第一天測試出現(xiàn)過1 次漏報，經(jīng)過數(shù)據(jù)回放分析，對報警門限值進行了更新優(yōu)化。在之后的測試過程中，系統(tǒng)對于每一次敲擊激勵，都能有效報警，并且定位正確，其余時間和位置無誤報。部分測試信號如圖1所示。

圖1 部分測試信號

在圖1中標(biāo)注紅框的區(qū)域，為識別探測到外界激勵信號的區(qū)域，可見，系統(tǒng)對于地埋區(qū)域的激勵信號和圍欄區(qū)域的激勵信號，均能夠有效識別判斷，并且能正確定位。當(dāng)圍欄某區(qū)段識別到達到圍欄策略報警門限值的激勵信號，并且其對應(yīng)的地埋區(qū)段在此一定時間范圍內(nèi)也識別到達到地埋策略報警門限值的激勵信號，則系統(tǒng)發(fā)出入侵報警，報警包含時間、位置等信息。

3.2 運行統(tǒng)計

對系統(tǒng)運行的誤報情況進行統(tǒng)計，整理如圖2所示。

圖2 月度誤報次數(shù)統(tǒng)計

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出報警信息，工作人員通過視頻聯(lián)動和現(xiàn)場巡視，對系統(tǒng)輸出的每一條報警事件進行核對，并及時反饋。在試運行初期，某次大風(fēng)天氣曾觸發(fā)系統(tǒng)誤報，經(jīng)過報警參數(shù)優(yōu)化，大風(fēng)天氣引起的誤報被有效抑制。再次進行激勵測試，系統(tǒng)對每一次敲擊激勵都能夠有效報警。

4 結(jié) 論

為克服光纖安防系統(tǒng)的高靈敏度與低誤報率不能同時兼顧的難題，本文采用將探測光纜在監(jiān)測周界的圍欄區(qū)域和埋地區(qū)域組合布設(shè)和聯(lián)合判斷的方式，將圍欄探測信號和與其對應(yīng)的地埋探測信號進行同時分析判斷，可以有效抑制非人為活動引發(fā)的誤報輸出，使得系統(tǒng)僅對非法入侵人員的攀爬翻越等惡意入侵行為敏感，充分的發(fā)揮了光纖預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢，既保證了光纖周界系統(tǒng)的高靈敏度特性，又極大地降低了系統(tǒng)的誤報率，并且結(jié)合視頻聯(lián)動，使得相關(guān)人員可以及時對報警事件進行復(fù)核，有效提升了光纖周界安防系統(tǒng)的監(jiān)測效果。