基于入侵地波監(jiān)測技術(shù)的國家大遺址地下遺產(chǎn)保護(hù)研究

張健（長江大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院 湖北 荊州 434023）

1.引言

近年來，盜墓分子為貪圖暴利相繼在大遺址保護(hù)區(qū)如八嶺山、雨臺山、馬山古墓群瘋狂作案二十多起，不僅使珍貴文物流落他鄉(xiāng)，而且嚴(yán)重破壞了古墓葬本身所具有的文化科研價(jià)值，其損失無可估量。地下遺產(chǎn)保護(hù)存在管理難度大、傳統(tǒng)防范手段落后、保護(hù)經(jīng)費(fèi)嚴(yán)重不足等問題亟待解決。

為此，該項(xiàng)目采用數(shù)字地波監(jiān)測技術(shù)與無線傳感網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的手段，以八嶺山古墓群為試點(diǎn)開展對地下文物安全保護(hù)的研究，研制基于無線ZigBee 傳感技術(shù)的數(shù)字地波入侵監(jiān)測無線防范系統(tǒng)：系統(tǒng)由前端數(shù)字地波探測器、無線傳感網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點(diǎn)、監(jiān)控中心管理平臺構(gòu)成：完成入侵盜掘、爆破源的監(jiān)測和定位，并通過無線GPRS 網(wǎng)絡(luò)將報(bào)警信號實(shí)時(shí)傳輸至監(jiān)控中心，中心通過觸發(fā)地點(diǎn)和事件類型在GIS 電子地圖上實(shí)時(shí)顯示出入侵源的準(zhǔn)確方位，并通過反向控制聲光報(bào)警設(shè)備提示安保人員及時(shí)出警；該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對野外不同區(qū)域地下文物和古墓群進(jìn)行有效的技術(shù)防范，大大提升大遺址保護(hù)區(qū)面向地下遺產(chǎn)的安全防范水平。

2.入侵防范系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)字地波入侵檢測單元設(shè)計(jì)

數(shù)字地波入侵檢測單元結(jié)構(gòu)主要分為3 個(gè)組成部分：感應(yīng)部分、處理器部分和通信接口部分，

感應(yīng)部分分別由兩大單元模塊構(gòu)成：一是檢測入侵盜掘、爆破源產(chǎn)生的特定頻率震波的數(shù)字地波傳感器、二是運(yùn)算放大器單元；該放大器用來放大檢測到的震波頻率，并啟用 Cortex-M3 中的 ADC來對震波信號進(jìn)行采樣；射頻收發(fā)器部分通過SPI 與GDON 通信接口與處理器相聯(lián)，工作頻率選擇26MHZ，線路供電采用以太網(wǎng)POE 供電（IEEE 802.3af）方式，通過標(biāo)準(zhǔn) LAN 將數(shù)據(jù)和電源相集成[8]，完全滿足數(shù)字地波入侵檢測單元各部分的供電要求。

系統(tǒng)中的無線通信鏈路采用ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)架設(shè)，由前端ZigBee 無線模塊、ZigBee 中心節(jié)點(diǎn)、ZigBee 路由節(jié)點(diǎn)三部分構(gòu)成：前端數(shù)字地波傳感器將經(jīng)過采集、分析、處理后的信號經(jīng)由ZigBee無線模塊發(fā)送至ZigBee 中心節(jié)點(diǎn)接收，ZigBee 路由節(jié)點(diǎn)根據(jù)各無線模塊之間相鄰距離的遠(yuǎn)近統(tǒng)一管理和配置所有前端ZigBee 無線模塊的網(wǎng)絡(luò)自組織，ZigBee 中心節(jié)點(diǎn)再將入侵震波信號集通過移動(dòng)GPRS 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控管理中心

2.2 中央報(bào)警管理軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件根據(jù)不同防區(qū)安全防范要求與入侵地波信號數(shù)字化處理后的特性綜合設(shè)計(jì)其相應(yīng)功能，研究設(shè)計(jì)基于目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的入侵檢測算法、智能模式匹配以有效識別入侵目標(biāo)；并對時(shí)間窗口內(nèi)的入侵信號進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，提高對持續(xù)性入侵行為報(bào)警的準(zhǔn)確率。

軟件特性與功能指標(biāo)如下所述:（1）入侵報(bào)警響應(yīng)時(shí)間小于2秒（2）支持安全等級的多維度靈敏度調(diào)節(jié)（3）基于瀏覽器技術(shù)的圖形操作界面（4）防區(qū)位置信息電子地圖顯示（5）支持精確的設(shè)備狀態(tài)信息提示（6）波形頻譜復(fù)核、聲音播放復(fù)核功能（7）告警管理（8）用戶管理（9）輔助調(diào)試工具包（10）報(bào)警時(shí)控制外接聲光報(bào)警或視頻聯(lián)動(dòng)（11）提供基于Web Service 的開發(fā)接口，可與第三方綜合管理系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。

3.系統(tǒng)實(shí)地布署及測試情況分析

3.1 系統(tǒng)實(shí)地布署與功能調(diào)試

根據(jù)現(xiàn)場勘驗(yàn)與實(shí)際情況分析，我們對防區(qū)內(nèi)的設(shè)備配置與安裝布署進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)劃：將監(jiān)測區(qū)域分為2 個(gè)防區(qū)，各個(gè)防區(qū)內(nèi)以陣列排列方式分別埋設(shè)8 個(gè)入侵地波檢測傳感器并同時(shí)布署1 臺地波探測報(bào)警器：各個(gè)傳感器與探測報(bào)警器皆通過無線ZigBee 方式進(jìn)行通訊；各個(gè)防區(qū)內(nèi)的地波探測報(bào)警器分別通過GPRS 方式與遠(yuǎn)端中央報(bào)警控制主機(jī)進(jìn)行通信；報(bào)警器可與外界聲光報(bào)警單元和DVR 實(shí)現(xiàn)硬件聯(lián)動(dòng)；同時(shí)，中央報(bào)警管理軟件可對系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行集中管理并實(shí)現(xiàn)軟件聯(lián)動(dòng)。

系統(tǒng)的功能調(diào)試主要包括：檢查各探點(diǎn)是否連接正常、各探點(diǎn)對應(yīng)的狀態(tài)是否為“運(yùn)行”；對于非“運(yùn)行”狀態(tài)的探點(diǎn)檢測其是否出現(xiàn)斷網(wǎng)、禁用等故障并加以排除；在距離探點(diǎn)20 米處采用5Kg 重錘自1.5 米高度進(jìn)行自由落體，若產(chǎn)生預(yù)警提示則為正常、距離探點(diǎn)100 米外用350g 硝安炸藥進(jìn)行爆炸實(shí)驗(yàn)，若產(chǎn)生爆破報(bào)警提示則為正常。

3.2 系統(tǒng)測試情況分析

該系統(tǒng)自試運(yùn)行以來，按要求進(jìn)行了日常值守和現(xiàn)場專項(xiàng)考核；對系統(tǒng)功能、警情測報(bào)、可靠性、報(bào)警聯(lián)動(dòng)、供電能力等[6]諸多方面進(jìn)行了嚴(yán)格測試。

試運(yùn)行期間，系統(tǒng)軟硬件部分運(yùn)行正常；系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)經(jīng)測試均達(dá)到技術(shù)合同要求并完全滿足國家標(biāo)準(zhǔn)；但運(yùn)行中也出現(xiàn)了個(gè)別問題如: 中心站某一時(shí)段內(nèi)無法收到特定區(qū)域內(nèi)各監(jiān)測點(diǎn)傳來的震波信號聚合，導(dǎo)致服務(wù)器端軟件無法及時(shí)分析解析后的波形主頻，經(jīng)技術(shù)人員排查故障并調(diào)整ZigBee 通信鏈路后，系統(tǒng)恢復(fù)正常。經(jīng)過考核和近一年多的運(yùn)行表明：該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠；各監(jiān)測點(diǎn)傳感設(shè)備工作正常、入侵震波信號集合能及時(shí)、準(zhǔn)確地傳至中心站，入侵行為無漏報(bào)現(xiàn)象，誤報(bào)率嚴(yán)格控制在系統(tǒng)誤差范圍之內(nèi)；大遺址管理方通過該系統(tǒng)的實(shí)施能夠準(zhǔn)確掌握防區(qū)內(nèi)的環(huán)境動(dòng)態(tài)信息，為文保執(zhí)法監(jiān)測與管理提供了有力支撐。

4.結(jié)語

該系統(tǒng)運(yùn)行至今，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行狀況我們認(rèn)為：系統(tǒng)運(yùn)行正常、功能齊全、實(shí)用效果顯著；并針對運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題和存在的缺陷提出了若干修改意見，得到了管理方的高度重視與及時(shí)改進(jìn)；同時(shí)建議今后在建設(shè)類似系統(tǒng)時(shí)針對防雷、無線信道雨衰等問題應(yīng)引起高度重視。