孫芯彤

摘? 要：針對站臺端部入侵檢測應(yīng)用場景需求，進行一體化集成的站臺端部入侵報警系統(tǒng)設(shè)備的研究開發(fā)。設(shè)備集成了激光雷達、攝像頭、超寬帶定位模塊、LED屏、語音模塊和報警燈六大模塊，通過自研的主控板進行數(shù)據(jù)采集、處理和視頻智能分析，在前端設(shè)備上實現(xiàn)了探測、處理和報警功能。設(shè)備可以有效識別站臺上人員的非法入侵行為，使旅客安全得到有效保障，讓站臺端部管理切實可行。

關(guān)鍵詞：站臺端部入侵；激光雷達；超寬帶定位；智能分析

中圖分類號：TP 277；TP311.5? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）15-0058-06

Design and Implementation of Intrusion Alarm System Equipment of Integrated Platform End

SUN Xintong

（Communication Information Group Co.， Ltd.， Beijing? 100070， China）

Abstract： According to the requirements of intrusion detection application scenario of platform end， this paper carries out the research and development of intrusion alarm system equipment of integrated platform end. The equipment integrates six modules， namely， laser radar， camera， ultra-wideband positioning module， LED screen， voice module and alarm light， and carries out data acquisition， processing and video intelligent analysis through the self-developed main control board， realizing the detection， processing and alarm functions on the front-end equipment. The equipment can effectively identify the illegal intrusion of personnel on the platform， ensure the safety of passengers and make the management of the platform end feasible.

Keywords： intrusion of platform end; laser radar; UWB positioning; intelligent analysis

0? 引? 言

近年來，鐵路建設(shè)高速發(fā)展，截至2022年底，全國鐵路營業(yè)里程超過15萬千米。目前仍存在部分旅客或非法人員試圖通過站臺端部逃票而闖入鐵路線路的行為，這類事件的發(fā)生極大地影響了鐵路運營秩序。交通部《高速鐵路安全防護管理辦法》、原鐵路總公司《中國鐵路總公司關(guān)于實施鐵路客運提質(zhì)計劃的指導(dǎo)意見》和客管函37號文中都明確指出要在高鐵車站站臺端部部署防入侵報警裝置，同時給出了總體技術(shù)方案。傳統(tǒng)的站臺端部防護入侵通過鐵柵欄、鋼絲籬笆網(wǎng)等物防手段來實現(xiàn)，更進一步的有脈沖電子圍欄、微波陣列傳感探測、多維三鑒復(fù)合傳感探測等技防手段，此類物防和技防防護手段經(jīng)常面臨被非法破壞的問題，無法對非法入侵人員進行有效防護。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展以及軍用微波雷達民用化的趨勢，萌發(fā)出各類站臺端部入侵檢測設(shè)備。但是單一的非智能化報警設(shè)備，容易造成誤報率高的問題，會增加更多的站臺管理工作。目前，站臺端部入侵檢測系統(tǒng)正不斷向集成化、多功能化、智能化方向發(fā)展，集成聲、光、電等多類傳感信息。

1? 研究現(xiàn)狀

目前，比較成熟的站臺端部入侵報警系統(tǒng)的前端設(shè)備主要可以分為三大類。

第一類是通過智能攝像機來實現(xiàn)站臺端部入侵檢測，采用人工智能機器深度學(xué)習技術(shù)，對人員進行精確探測與分析，實現(xiàn)對非法入侵人員的分析識別。此類設(shè)備存在易受環(huán)境影響的問題，光線變化很容易引起誤報，更換環(huán)境和場景需要重新訓(xùn)練和學(xué)習。

第二類是微波雷達和視頻集成，有分體式和一體式兩種，采用微波雷達對一定半徑內(nèi)的運動目標進行數(shù)據(jù)采集，可自行設(shè)定預(yù)警區(qū)域、報警區(qū)域等多級防區(qū)，利用攝像機對入侵人員畫面提取抓拍、報警錄像，攝像機檢測站臺區(qū)域入侵人員并進行視頻錄像以便管理人查閱取證。此類設(shè)備存在微波雷達探測精度低、誤報率高的問題。

第三類是一體式激光雷達和視頻設(shè)備，同時集成聲光報警模塊實現(xiàn)站臺端部入侵檢測報警。此類設(shè)備存在列車經(jīng)過誤報率高的問題。

本文提出的一體化集成的站臺端部入侵報警系統(tǒng)設(shè)備使用激光雷達代替毫米波雷達，提高了探測精度。同時設(shè)備內(nèi)嵌智能分析算法能夠很好地減少列車經(jīng)過造成的誤報，超寬帶（Ultra Wide Band， UWB）定位模塊來區(qū)分旅客和工作人員，進一步減少誤報。設(shè)備采用嵌入式開發(fā)技術(shù)，前端設(shè)備即可實現(xiàn)探測、處理以及報警多功能一體化，減少后臺服務(wù)器數(shù)量，進一步降低整體工程成本。

2? 設(shè)備實現(xiàn)

2.1? 總體框架

一體化集成的站臺端部入侵報警系統(tǒng)設(shè)備可以有效識別站臺上人員的非法入侵行為，有效地保障旅客安全，讓站臺端部管理變得切實可行。設(shè)備通過主控板進行數(shù)據(jù)采集、處理和視頻智能分析，在前端設(shè)備上實現(xiàn)了探測、處理以及報警功能。設(shè)備主要包括探測子單元、硬件子單元、結(jié)構(gòu)子單元、軟件子單元四個子單元，其中探測子單元包括激光雷達、攝像頭、UWB定位模塊、LED顯示屏、語音模塊和報警燈；硬件子單元包括通信控制模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)據(jù)處理模塊；結(jié)構(gòu)子單元包括外部結(jié)構(gòu)外殼和內(nèi)部各個模塊安裝配件；軟件子單元通過嵌入式軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析處理、報警等功能，通過內(nèi)嵌Web實現(xiàn)設(shè)備配置、防區(qū)繪制、報警聯(lián)動配置等功能。設(shè)備總體組成圖如圖1所示。

2.2? 探測子單元

2.2.1? 激光雷達

激光雷達主要實現(xiàn)對周圍360°環(huán)境進行二維掃描探測，通過測量調(diào)制激光的發(fā)射、返回時間差來測量物體與雷達的相對距離，給出目標的位置、速度等特征量。激光雷達探測距離不小于20 m，水平探測角度不小于180°，多目標識別數(shù)量不低于40個。

2.2.2? 攝像頭

網(wǎng)絡(luò)攝像機可以實時進行視頻數(shù)據(jù)監(jiān)控，實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的采集功能。攝像頭分辨率為1 920×1 080，鏡頭焦距為4 mm，通信接口為10 M/100 M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口，連接至交換機。

2.2.3? 定位模塊

UWB定位模塊由UWB基站及UWB標簽卡構(gòu)成，核心芯片為DW1000芯片。DW1000是一個完全集成的低功耗射頻收發(fā)器，遵循IEEE 802.15.4-2011超寬帶標準。它可以被用于雙向測距或者TDOA定位系統(tǒng)中，精度為10 cm。

2.2.4? LED屏

LED顯示屏模塊由LED顯示陣列、顯示控制板及開關(guān)電源組成，用以將預(yù)警或報警信息進行顯示，起到提醒工作人員和站臺入侵人員的作用。

2.2.5? 語音模塊

語音模塊包括揚聲器與功放板，揚聲器與功放板進行連接，實現(xiàn)語音播放功能。功放板將主控板中的音頻輸出信號進行放大，用以驅(qū)動揚聲器進行聲音播放。功放板音量可調(diào)，其最大聲壓級不應(yīng)小于90 dB，在其播放范圍15 m位置的播放聲壓級高于背景噪聲10 dB。

2.2.6? 報警燈

報警燈模塊采用高亮度LED燈珠，亮度高、好識別，聚苯乙烯聚光罩鏡面反射實現(xiàn)更強警示。外殼材質(zhì)為不親水防雨型ABS工程塑料。

2.3? 硬件子單元

一體化集成的站臺端部入侵報警系統(tǒng)設(shè)備硬件子單元由訊為RK3399開發(fā)板、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、激光雷達、UWB基站及標簽、音頻功放、喇叭、LED顯示屏、防拆開關(guān)、聲光報警燈及交換機構(gòu)成。設(shè)備電氣整體采用AC220 V 50 Hz交流電壓進行電源供應(yīng)，電氣系統(tǒng)由空氣開關(guān)、防雷器、開關(guān)電源組成；設(shè)備通信分為有線通信和無線通信兩種方式，有線通信由UART串口和網(wǎng)口實現(xiàn)，UART串口波特率為115 200 bit/s，網(wǎng)口采用10 M/100 M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口；無線通信由UWB實現(xiàn)。硬件連接總體框圖如圖2所示。

訊為RK3399開發(fā)板采用瑞芯微六核（雙核Cortex-A72+四核Cortex-A53）64位處理器，主頻

1.8 GHz，GPU Mali-T860，支持4K H.265/H.264視頻解碼，支持OpenGL，控制性能優(yōu)越。訊為RK3399開發(fā)板集成UART串口、千兆網(wǎng)口、USB TypeC接口、音頻接口、GPIO接口，可以滿足一體化集成的站臺端部入侵報警系統(tǒng)設(shè)備中的全部硬件接口需求。

開發(fā)板接口介紹：

UART串口：連接設(shè)備中的UWB基站，實現(xiàn)UWB基站與開發(fā)板之間的定位信息交互；

千兆網(wǎng)口：連接設(shè)備中的攝像頭、激光雷達及LED顯示屏，實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的采集、距離信息探測及LED顯示文字的控制；

USB Type-C接口：開發(fā)板程序下載接口，利用此接口可以對瑞芯微RK3399模塊進行刷機操作；

音頻接口：開發(fā)板上為3.5 mm音頻接口，外接功率放大模塊，實現(xiàn)開發(fā)板音頻信號輸出與放大；

GPIO接口：利用開發(fā)板上的GPIO接口實現(xiàn)外接繼電器的通斷控制，從而實現(xiàn)聲光報警燈的開關(guān)控制。

2.4? 結(jié)構(gòu)設(shè)計

一體化集成的站臺端部入侵報警系統(tǒng)設(shè)備在結(jié)構(gòu)上由4個獨立的模塊組成，分別為本體組件、顯示屏門組件、鉸鏈組件和銘牌組件；本體組件和顯示屏門組件兩個模塊通過鉸鏈組件相連，便于顯示屏門與本體進行物理分離；銘牌組件和本體組件采用M2.5×8的十字盤頭組合螺釘緊固，通過人工方式即可拆裝。結(jié)構(gòu)設(shè)計整體圖如圖3所示。

顯示屏門組件主要用于報警的語音和文字提示等，由門框組件、LED顯示屏、LED控制板、開關(guān)電源、喇叭、門鎖、布線槽等組成；本體組件主要用于距離信息探測、視頻數(shù)據(jù)采集、入侵報警及柜門防拆等，由后殼組件、雷達組件、電源空開防雷器組件、功放板、主控板、交換機、攝像頭、警示燈、防拆開關(guān)、防水接頭、布線槽等組成。鉸鏈組件采用整體外購成品的形式，材料為不銹鋼；牌組件采用不銹鋼拋光和絲網(wǎng)印字的成型形式進行設(shè)計。機械接口：地腳螺栓固定，采用4個M8×60的不銹鋼六角螺栓（8.8級）固定。電氣接口：機柜底面中間甩線，如圖4所示。

2.5? 軟件設(shè)計

2.5.1? 軟件總體概述

軟件總體主控采用瑞芯微RK3399平臺，通過探測子單元復(fù)合輸入對入侵目標進行識別，這里探測器復(fù)合輸入指的是激光雷達、攝像頭以及UWB模塊，其中激光雷達實現(xiàn)對目標的發(fā)現(xiàn)，攝像頭用于對目標是人或者其他進行判斷，UWB模塊主要判斷是工作人員還是入侵人員。通過報警邏輯模塊實現(xiàn)對入侵目標的發(fā)現(xiàn)以及外設(shè)聯(lián)動報警，報警輸出主要指對報警器、語音模塊、LED顯示屏的控制，同時設(shè)備支持報警信息上報設(shè)備配置主要通過內(nèi)嵌Web實現(xiàn)，通過IP訪問設(shè)備，實現(xiàn)設(shè)備信息的展示及配置。

2.5.2? 軟件總體流程

設(shè)備上電開始之后，首先進行網(wǎng)絡(luò)配置保證各個探測模塊數(shù)據(jù)傳輸暢通，網(wǎng)絡(luò)配置完成后可根據(jù)需求在管理界面對各個探測模塊進行更加詳細的系統(tǒng)參數(shù)配置。產(chǎn)品可設(shè)定預(yù)警區(qū)域、警戒區(qū)域2級防區(qū)。雷達探測模塊對防區(qū)內(nèi)運動目標搜索定位，之后通過通信控制板把雷達探測模塊探測的目標方位距離信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理模塊進行分析，同時數(shù)據(jù)處理模塊針對圖像中目標進行監(jiān)測識別，如果是小動物或其他非人員目標則忽略。如果是人員則啟動UWB模塊，UWB模塊對人員屬性進行對比，判別是工作人員還是旅客，工作人員則忽略，若為旅客則啟動報警。觸發(fā)報警后通信控制板調(diào)度視頻探測模塊提取抓拍、報警錄像，報警器會閃光告警，Speaker會進行語音告警，LED屏顯示相應(yīng)的文字提示。軟件總體流程圖如圖5所示。

軟件主要界面圖截圖如圖6所示，設(shè)備配置示例為防區(qū)配置界面截圖，如圖7所示。

3? 設(shè)備主要功能

3.1? 用戶登錄及密碼修改功能

設(shè)備提供用戶登錄功能，授權(quán)用戶可以通過輸入正確的用戶名和密碼之后進入web界面。應(yīng)提供對用戶編輯，密碼修改的功能。

3.2? 設(shè)備配置功能

設(shè)備配置功能包括時間配置（手動配置和自動獲取時間配置）、網(wǎng)絡(luò)配置（包括手動設(shè)置網(wǎng)絡(luò)和自動獲取網(wǎng)絡(luò)兩種）、安全配置（SSH使能配置）功能。

3.3? 設(shè)備升級與重啟功能

系統(tǒng)Web具備遠程升級功能，包括應(yīng)用程序升級和配置文件升級，具備一鍵重啟功能。

3.4? 安全區(qū)域設(shè)定功能

支持對站臺端部安全防護區(qū)域進行劃分，可劃分為安全預(yù)警區(qū)域和安全警戒區(qū)域。區(qū)域范圍可靈活調(diào)整，安全防護區(qū)域應(yīng)覆蓋站臺端部和站臺端部進出股道區(qū)域。支持在Web界面繪制任意多邊形防區(qū)，防區(qū)數(shù)量最多支持8個，可以自定義名稱。預(yù)警區(qū)默認顏色為綠色，警戒為橙色。警戒區(qū)默認為深黃色，警戒為紅色。

3.5? 身份識別功能

對進入安全防護區(qū)域的人員進行身份識別，自動判斷是否持有授權(quán)的身份識別卡，有則不觸發(fā)預(yù)警及警戒，此功能開關(guān)可通過操作終端設(shè)置。設(shè)備應(yīng)提供卡片配置功能，包含增加和刪除。根據(jù)序列號添加卡片，可定義名稱，點擊啟用。

3.6? 入侵行為報警功能

設(shè)備支持實時探測入侵事件，并支持將探測到的入侵事件的報警信息上傳至監(jiān)控中心，報警信息由防區(qū)號及報警事件類型組成。

3.7? 預(yù)警區(qū)聯(lián)動功能

系統(tǒng)支持目標進入預(yù)警區(qū)可以聯(lián)動LED顯示屏顯示旅客止步（可自定義）。支持目標進入預(yù)警區(qū)可以聯(lián)動Speaker播放旅客止步語音提示（可自定義）。支持預(yù)警區(qū)警報解除的消警功能。系統(tǒng)支持用戶自定義聯(lián)動LED和Speaker功能。

3.8? 警戒區(qū)聯(lián)動功能

系統(tǒng)支持目標進入警戒區(qū)可以聯(lián)動LED顯示屏顯示禁止通行（可自定義）。支持目標進入警戒區(qū)可以聯(lián)動Speaker播放禁止通行語音提示（可自定義）。支持目標進入警戒區(qū)可以聯(lián)動報警燈閃爍。支持聯(lián)動視頻錄像取證功能。支持警戒區(qū)警報解除的消警功能。系統(tǒng)支持用戶自定義聯(lián)動LED、揚聲器、報警燈功能。

3.9? 布撤防消警功能

支持在Web界面顯示布防與否標記，布防顯示標志，撤防刪除標志。消警為對布防狀態(tài)下報警消除所有防區(qū)。系統(tǒng)支持對預(yù)警區(qū)和警戒區(qū)時間自定義布防設(shè)置，同時支持一鍵布防，一鍵布防默認24小時均布防。

3.10? 語音報警及報警信息編輯功能

設(shè)備具備報警音配置，支持wav格式。預(yù)警區(qū)默認“您已進入預(yù)警區(qū)請立即離開”，警戒區(qū)默認“您已進入警戒區(qū)請立即離開”。支持音量硬件調(diào)節(jié)功能。默認在報警未恢復(fù)狀態(tài)下循環(huán)播放，不限時不限次。

3.11? 文字報警及信息編輯功能

設(shè)備可根據(jù)不同規(guī)則配置顯示屏文字內(nèi)容。預(yù)警區(qū)默認旅客止步，警戒區(qū)默認禁止通行，報警恢復(fù)默認顯示請勿靠近。

3.12? 智能分析功能

系統(tǒng)支持人形識別算法的運行，系統(tǒng)對視頻圖像進行智能分析，檢測出人形。針對劃定區(qū)域進行區(qū)域入侵檢測，消除列車經(jīng)過造成的誤報。智能分析功能具有是否啟用操作。

3.13? 日志查詢功能

系統(tǒng)Web具備日志查詢功能，包含報警日志以及操作日志。主類型是報警的，對應(yīng)預(yù)警區(qū)報警或者警戒區(qū)報警，查詢結(jié)果帶防區(qū)號。主類型是操作的，子類型為布防、撤防和消警三個類型。

3.14? 運行模式功能

支持聯(lián)機和脫機運行，脫機運行時各監(jiān)測及報警設(shè)備能正常進行預(yù)警和警戒。

4? 設(shè)備創(chuàng)新性

4.1? 數(shù)據(jù)處理嵌入式開發(fā)

設(shè)備數(shù)據(jù)處理主要實現(xiàn)對不同探測模塊采集的數(shù)據(jù)進行信息融合的作用。數(shù)據(jù)處理模塊的嵌入式開發(fā)與多達6種模塊進行對接，同時要將其嵌入到設(shè)備內(nèi)部，需要嵌入的設(shè)備尺寸盡可能小。因此我們按照需求進行設(shè)計以節(jié)省電路空間，同時集成千兆以太網(wǎng)接口、USB接口等于一體，設(shè)計為通用接口，以適用于不同的設(shè)備接入。設(shè)備整體集成多傳感器，通過主控板核心控制實現(xiàn)聯(lián)動報警。整體采用工業(yè)化的設(shè)計，關(guān)鍵部件防護達到軍品級，完全適用于不同地區(qū)的室外環(huán)境，實現(xiàn)全天候的使用要求，設(shè)備可靠性高。

4.2? 激光雷達內(nèi)嵌智能算法

采用激光雷達進行目標檢測，雷達可以對多目標探測、支持環(huán)境學(xué)習。由激光雷達原始產(chǎn)生的目標數(shù)據(jù)，可以獲取每一束激光打在障礙物上的激光點距的絕對距離值和角度值。雷達內(nèi)置預(yù)處理算法，允許通過識別去除點云的靜態(tài)背景，從而只進行動態(tài)運動檢測。設(shè)備上這種強大數(shù)據(jù)分析能夠快速和直接地實現(xiàn)許多用例，同時也大大減少了數(shù)據(jù)量。通過環(huán)境學(xué)習，實現(xiàn)將背景靜態(tài)目標過濾，從而實現(xiàn)對動態(tài)移動的目標人物進行多目標探測。

4.3? 復(fù)雜場景下人形檢測

本設(shè)備主要是對人員進行識別，通過對人形的識別減少雷達探測到的小動物等其他運動目標的誤報。由于可見光場景復(fù)雜、目標類別繁多以及目標形態(tài)多變，傳統(tǒng)的基于手工特征的目標識別算法的性能已達不到實際需求。在該項目中采用了基于深度學(xué)習的目標識別算法——YOLOv3。該算法是一種端對端的目標識別算法，可直接將整張圖像作為網(wǎng)絡(luò)的輸入，并僅通過一次前向傳播直接得到目標框的位置和目標的類別。與其他基于深度學(xué)習的目標識別算法相比，YOLOv3的特點是實現(xiàn)快速識別的同時還能達到較高的準確率。

4.4? 定制化設(shè)計主控板

系統(tǒng)控制載板卡進行自主研發(fā)，解決了市場上現(xiàn)存的控制載板在結(jié)構(gòu)尺寸、功能模塊及接口特性等方面存在的問題；自研控制載板卡以系統(tǒng)整體控制及功能要求為切入點，以穩(wěn)定的控制及接口電路為依托進行功能實現(xiàn)，PCB板上信號連線嚴格按照高速信號走線進行，全面優(yōu)化并降低了PCB板上信號線之間的干擾。

4.5? 創(chuàng)新性防水設(shè)計

由于用戶使用環(huán)境多樣，因此通過對結(jié)構(gòu)防水的深入研究，設(shè)計了顯示屏+亞克力板、喇叭+防水透聲窗的形式，結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新性地解決了以往設(shè)備防水和透光、透聲相互干涉的問題，實現(xiàn)了對各種使用環(huán)境的支持，保證了設(shè)備的穩(wěn)定性及通用性。

4.6? 安全性結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)備布置在站臺端部，根據(jù)設(shè)備使用環(huán)境的特殊性，設(shè)計了將鉸鏈安裝在設(shè)備內(nèi)部進行聯(lián)結(jié)的結(jié)構(gòu)形式；結(jié)構(gòu)設(shè)計的創(chuàng)新性，不僅解決了以往設(shè)備鉸鏈長時間遇水生銹從而導(dǎo)致設(shè)備柜門卡死的弊病，而且解決了未經(jīng)允許從設(shè)備外部通過拆卸打開設(shè)備柜門的情況，保證了設(shè)備的使用壽命及安全性需求。

5? 結(jié)? 論

站臺端部入侵事件的發(fā)生，存在極高的人身安全風險，也將極大地影響鐵路運營秩序。設(shè)備的安裝將有效解決站臺端部的管理問題，基于激光雷達探測技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)、智能分析技術(shù)與超寬帶定位技術(shù)，研發(fā)雷達、視頻、電磁多傳感器融合的站臺端部入侵報警系統(tǒng)設(shè)備，實現(xiàn)站臺端部非法入侵目標的精確探測和識別功能。設(shè)備安裝之后可以對站臺端部進行智能化的監(jiān)測和入侵報警，實現(xiàn)24小時無人化監(jiān)測，減少人力巡查成本，可以帶來直接的經(jīng)濟效益。

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