智能周界安全防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李小光，郭彥斐，孫 海

（中國(guó)人民解放軍63726部隊(duì)，寧夏 銀川 750004）

1 概述

周界防護(hù)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各種企事業(yè)單位，比如政府辦公場(chǎng)所、學(xué)校、工廠、養(yǎng)殖場(chǎng)、部隊(duì)、監(jiān)獄等。傳統(tǒng)的周界安全防護(hù)系統(tǒng)包括物理防范的圍欄、圍墻以及電子圍欄、震動(dòng)傳感器、視頻等，容易受光學(xué)能見(jiàn)度影響，或者風(fēng)、雨、雪、霧、冰雹、沙塵等惡劣天氣影響，以及小動(dòng)物、雜草叢生、樹木等受復(fù)雜環(huán)境影響較大，導(dǎo)致安全防護(hù)系統(tǒng)漏報(bào)率高、誤報(bào)率高，無(wú)法準(zhǔn)確探測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的距離、角度、速度等信息，造成周界防護(hù)系統(tǒng)形同虛設(shè)。因此，受諸多條件限制造成周界安全防護(hù)無(wú)法依賴于某一種安全防范技術(shù)，必須選擇兩種甚至兩種以上的技術(shù)，將這些技術(shù)進(jìn)行有機(jī)的融合，才能對(duì)周界實(shí)施有效的安全防范。

傳統(tǒng)的周界安全防護(hù)系統(tǒng)只能被動(dòng)觸發(fā)，視頻傳感器只能提供大致的目標(biāo)區(qū)域，無(wú)法探測(cè)目標(biāo)的距離、角度和速度等信息，不具備在目標(biāo)進(jìn)入防區(qū)前的預(yù)警功能。采用最新相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)和激光雷達(dá)技術(shù)的探測(cè)器，能在目標(biāo)進(jìn)入防區(qū)前進(jìn)行探測(cè)預(yù)警，可通過(guò)對(duì)目標(biāo)的距離、角度和速度的測(cè)量來(lái)判斷目標(biāo)的行為和類別，能夠最大可能地減少誤報(bào)警。

2 系統(tǒng)特點(diǎn)

智能周界安全防護(hù)系統(tǒng)是針對(duì)周界安防的應(yīng)用系統(tǒng)，采用多重獨(dú)立的傳感技術(shù)相互結(jié)合的復(fù)合式防入侵方式，雷達(dá)探測(cè)器主動(dòng)探測(cè)目標(biāo)，視頻傳感器采集目標(biāo)視頻并進(jìn)行目標(biāo)解算，實(shí)現(xiàn)更低誤報(bào)率、更高識(shí)別率的多傳感器周界報(bào)警系統(tǒng)。

智能周界安全防護(hù)系統(tǒng)可以和前端報(bào)警探測(cè)設(shè)備雙向通信，報(bào)警數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)上傳，而且還可以實(shí)現(xiàn)由計(jì)算機(jī)軟件直接對(duì)智能相控陣探測(cè)雷達(dá)進(jìn)行控制操作，如布防、撤防操作、修改防區(qū)、修改系統(tǒng)配置等，方便用戶的操作和管理，一旦出現(xiàn)警情后，相控陣?yán)走_(dá)可實(shí)時(shí)回傳目標(biāo)位置信息，自動(dòng)指揮外置的PTZ攝像機(jī)自動(dòng)跟蹤目標(biāo)，使值班人員能及時(shí)了解報(bào)警點(diǎn)的信息，縮短了出警時(shí)間，同時(shí)也可提供給硬盤錄像機(jī)報(bào)警聯(lián)動(dòng)信號(hào)。

智能周界安全防護(hù)系統(tǒng)具有以下特性[1]：

（1）反應(yīng)迅速。接警時(shí)間極短，前端檢測(cè)到報(bào)警信號(hào)后在0.1 s內(nèi)即可將報(bào)警信息上報(bào)至控制中心。

（2）高安全性。對(duì)所有在系統(tǒng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密，防止數(shù)據(jù)泄密、偽造或篡改。

（3）直觀性。通過(guò)防區(qū)的總平面圖、各單元建筑、各建筑樓層的3層電子地圖形式，直觀顯示警情確切位置與報(bào)警類型。

（4）開放性。采用開放式結(jié)構(gòu)，可靈活地?cái)U(kuò)展為多級(jí)聯(lián)網(wǎng)方式，提供友好的報(bào)警查詢統(tǒng)計(jì)、警情顯示、報(bào)警內(nèi)容、解決方法等功能。

（5）實(shí)時(shí)性。24小時(shí)動(dòng)態(tài)顯示報(bào)警情況，以視頻圖像、聲音和警燈多重報(bào)警手段進(jìn)行控制。

（6）可靠性。通過(guò)權(quán)限設(shè)置、密碼工作，使得操作員與管理員各司其職，以保證中心系統(tǒng)運(yùn)作的安全。

（7）全中文界面?？刂浦行能浖捎萌形膱D形界面，直觀的屏幕提示，使界面友好美觀，操作方便，普通的工作人員經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可操作。

（8）報(bào)警響應(yīng)。當(dāng)發(fā)生報(bào)警時(shí)，控制中心電腦聲光報(bào)警，并顯示報(bào)警的區(qū)域，提示保安人員準(zhǔn)確及時(shí)出警。

（9）布防方式靈活多樣?？伸`活設(shè)置布撤防時(shí)間段；可通過(guò)管理中心的計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程布防。

（10）系統(tǒng)提供完整的設(shè)備接口，第三方視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以通過(guò)SOCKET接口調(diào)用雷達(dá)輸出的目標(biāo)數(shù)據(jù)目標(biāo)信息（X/Y方位坐標(biāo)/X/Y矢量速度/目標(biāo)ID/目標(biāo)分類/目標(biāo)可信度/目標(biāo)信噪比/目標(biāo)反射截面/目標(biāo)距離像/極化特性），來(lái)實(shí)現(xiàn)報(bào)警的聯(lián)動(dòng)跟蹤。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能周界安全防護(hù)系統(tǒng)主要包括前端相控陣?yán)走_(dá)、激光雷達(dá)、攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及布線、后端服務(wù)器及報(bào)警管理系統(tǒng)。安全警戒系統(tǒng)使用相控陣?yán)走_(dá)、激光雷達(dá)加智能視頻分析兩種技術(shù)手段融合，來(lái)實(shí)現(xiàn)圍墻安全防范報(bào)警。安全警戒軟件在確定警情后，觸發(fā)管理報(bào)警防區(qū)的聲光報(bào)警設(shè)備，第一時(shí)間反饋給管理平臺(tái)。

3.1 綜合布線和網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)

為提供嚴(yán)密的周界安全防護(hù)，需要在實(shí)體圍墻至內(nèi)外隔離網(wǎng)之間部署多套周界防護(hù)系統(tǒng)。如圖1所示，即在實(shí)體圍墻與內(nèi)鋼網(wǎng)之間的5 m間隔區(qū)域安裝相控陣?yán)走_(dá)智能安全防護(hù)系統(tǒng)。圍墻防護(hù)系統(tǒng)必須就近設(shè)置配線箱，預(yù)留220 V電源接口和單模光纖接口，所需電源線和光纖可以從配線箱引出，引到地面立桿上的防水箱。建議采用地埋方式進(jìn)行地面布線。光纖從配線箱到安保中心。整個(gè)系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)傳輸，必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況布置一定的室外網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)光纖傳輸連接到報(bào)警中心。

圖1 安裝設(shè)計(jì)

3.2 相控陣?yán)走_(dá)聯(lián)合定位

通過(guò)視頻智能分析功能和智能相控陣?yán)走_(dá)劃區(qū)域的聯(lián)合定位，可以規(guī)避單一設(shè)備產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差，更準(zhǔn)確地確認(rèn)有效報(bào)警區(qū)域。相控陣?yán)走_(dá)在發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，會(huì)實(shí)時(shí)將計(jì)算出的目標(biāo)數(shù)據(jù)，例如距離、角度、速度等參數(shù)與視頻聯(lián)動(dòng)，結(jié)合視頻自身視頻智能分析功能對(duì)視頻區(qū)域內(nèi)的物體進(jìn)行分析以確定目標(biāo)，雙重確認(rèn)后再傳輸給后臺(tái)服務(wù)器顯示出來(lái)。

安全警戒系統(tǒng)軟件整合視頻、相控陣?yán)走_(dá)測(cè)距測(cè)角測(cè)速數(shù)據(jù)，可以定位警情發(fā)生區(qū)域的準(zhǔn)確位置，再將警情通知用戶。

相控陣?yán)走_(dá)自帶2個(gè)攝像機(jī)（見(jiàn)圖2），通過(guò)設(shè)備自帶智能分析功能，來(lái)實(shí)現(xiàn)出現(xiàn)警情時(shí)的實(shí)時(shí)跟蹤和精確拍攝。

圖2 相控陣?yán)走_(dá)

在視頻軟件報(bào)警中，視頻分析主要使用目標(biāo)偵測(cè)和大小檢測(cè)過(guò)濾功能，還包括對(duì)樹葉、草等搖擺的過(guò)濾。具體方式是在相控陣?yán)走_(dá)觸發(fā)報(bào)警后，視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)會(huì)分析視頻監(jiān)管區(qū)域，如有異常物體移動(dòng)，視頻將產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，然后通過(guò)算法過(guò)濾功能確定是否是人的運(yùn)動(dòng)。

通過(guò)視頻分析功能，能夠更精確地保證系統(tǒng)準(zhǔn)確性，彌補(bǔ)單一探測(cè)器的固有缺陷[2]。

3.3 智能周界安全防護(hù)系統(tǒng)

系統(tǒng)采用統(tǒng)一綜合管理平臺(tái)管理，通過(guò)多種方式主動(dòng)探測(cè)各種入侵或逃越行為，聯(lián)動(dòng)安防指揮中心、分控中心報(bào)警，并統(tǒng)計(jì)記錄各種警情和錄像。安全警戒軟件在收到報(bào)警后，會(huì)在平面上顯示多種報(bào)警信息，通過(guò)語(yǔ)音、圖標(biāo)等提示值班人員。安全警戒軟件在確定警情后，還可以和原有安防綜合管理平臺(tái)聯(lián)動(dòng)，將警情及相關(guān)信息傳輸?shù)接脩粢延械陌卜榔脚_(tái)，實(shí)現(xiàn)安防指揮中心對(duì)警情的處理。并且將警情傳送到分控中心，協(xié)同分控中心值班人員處理警情。智能周界安全防護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

系統(tǒng)由前端探測(cè)設(shè)備、信號(hào)采集與處理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸與分析控制系統(tǒng)等組成，具備雷達(dá)視頻信息與視頻圖像聯(lián)動(dòng)識(shí)別、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤監(jiān)視、坐標(biāo)方位地圖標(biāo)定、網(wǎng)絡(luò)化傳輸、信息融合、主動(dòng)預(yù)警等多功能的信息綜合系統(tǒng)，解決了視頻搜索速度慢、精度差、手工操控繁瑣等問(wèn)題，提高了遠(yuǎn)距離視頻監(jiān)控系統(tǒng)的使用效率，提高了目標(biāo)搜索和跟蹤的速度和精度，降低了執(zhí)勤人員的工作強(qiáng)度，提高了系統(tǒng)的使用價(jià)值。智能周界安全防護(hù)系統(tǒng)如圖4所示。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 相控陣?yán)走_(dá)

相控陣?yán)走_(dá)利用納秒級(jí)電磁微波進(jìn)行目標(biāo)特征檢測(cè)，具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、抗干擾能力高、檢測(cè)速度快、檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性高、操作簡(jiǎn)單直觀、安裝方便、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[3]。

圖3 智能周界安全防護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4 智能周界安全防護(hù)系統(tǒng)

4.1.1 相控陣?yán)走_(dá)報(bào)警原理

相控陣?yán)走_(dá)采用收發(fā)一體化技術(shù)，多天線相控陣復(fù)合結(jié)構(gòu)，線性調(diào)頻連續(xù)波體制。通過(guò)24G頻段的電磁波對(duì)周界防區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描，基于被測(cè)目標(biāo)的距離域時(shí)延效應(yīng)，速度域的多普勒效應(yīng)，并結(jié)合多天線的相差，運(yùn)用2FFT、目標(biāo)聚類跟蹤等多項(xiàng)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，對(duì)防區(qū)內(nèi)目標(biāo)的距離、速度、角度進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量，從而在周界防區(qū)內(nèi)識(shí)別有效報(bào)警目標(biāo)，并且將相關(guān)數(shù)據(jù)及警情信息上傳到服務(wù)器。相控陣?yán)走_(dá)的優(yōu)勢(shì)是不但能夠發(fā)現(xiàn)防區(qū)內(nèi)的目標(biāo)，還能夠精確給出目標(biāo)的距離、角度、速度等參數(shù)，探測(cè)距離0～160 m。相控陣?yán)走_(dá)原理如圖5所示。

圖5 相控陣?yán)走_(dá)原理

相控陣電磁微波掃描是一定張角的區(qū)域，在應(yīng)用到周界報(bào)警，需要控制報(bào)警信號(hào)在一定的區(qū)域。由于相控陣探測(cè)器能夠測(cè)算距離和角度，所有可以建立以相控陣?yán)走_(dá)為原點(diǎn)的極坐標(biāo)系，在此基礎(chǔ)上，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，規(guī)劃需要報(bào)警的防區(qū)，對(duì)規(guī)定區(qū)域外的信號(hào)不進(jìn)行處理，防區(qū)以外的入侵目標(biāo)，不會(huì)報(bào)警。

由于電磁微波的傳播特性，相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射的電磁微波在近距離也能無(wú)死角地覆蓋，從而相控陣?yán)走_(dá)能夠無(wú)死角地探測(cè)最近距離的目標(biāo)。同時(shí)多個(gè)相控陣?yán)走_(dá)首尾相接，互相之間有一部分重疊區(qū)域，從而保證周界防區(qū)無(wú)漏洞。

當(dāng)相控陣?yán)走_(dá)探測(cè)到目標(biāo)后，輸出目標(biāo)相關(guān)信息給到控制模塊，控制模塊則啟動(dòng)視頻分析模塊，抽取視頻進(jìn)行分析。視頻分析主要使用目標(biāo)偵測(cè)和大小檢測(cè)過(guò)濾功能，還包括對(duì)樹葉、草等搖擺的過(guò)濾。具體方式是在相控陣?yán)走_(dá)觸發(fā)報(bào)警后，視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)會(huì)分析視頻監(jiān)管區(qū)域，如有異常物體移動(dòng)，視頻將產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，然后通過(guò)算法過(guò)濾功能確定是否是人的運(yùn)動(dòng)。

4.1.2 相控陣?yán)走_(dá)特點(diǎn)

（1）探測(cè)距離遠(yuǎn)。使用SiGe工藝的集成MMIC設(shè)計(jì)，在有效降低產(chǎn)品功耗的同時(shí)大大提高了靈敏度，有效動(dòng)態(tài)范圍≥60 dB。相較傳統(tǒng)的分立式元件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)一致性大大提高?？諘绛h(huán)境下探測(cè)距離不小于160 m。

（2）抗干擾能力高。多天線相控陣復(fù)合結(jié)構(gòu)，電磁微波實(shí)時(shí)覆蓋監(jiān)測(cè)區(qū)域，信號(hào)處理算法會(huì)不停記錄、更新地面背景雜波。采用背景對(duì)消原理，可以真正實(shí)現(xiàn)全天候工作，適應(yīng)大風(fēng)、大雨、大雪、大霧、沙塵等惡劣天氣情況。適用于復(fù)雜地面環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測(cè)。相控陣?yán)走_(dá)抗干擾能力比對(duì)如圖6所示。

相控陣?yán)走_(dá)采用先進(jìn)的同頻異步信號(hào)過(guò)濾技術(shù)。即使相鄰設(shè)備或附近24 GHz交通測(cè)速雷達(dá)有同頻道干擾，也不會(huì)影響雷達(dá)正常工作。

（3）檢測(cè)速度快。采用最先進(jìn)的FPGA+雙核ARM異構(gòu)處理器，計(jì)算能力大幅領(lǐng)先市面同類產(chǎn)品。每秒對(duì)監(jiān)視環(huán)境掃描不小于10次，支持對(duì)最多32個(gè)目標(biāo)同時(shí)探測(cè)跟蹤的能力，同時(shí)雷達(dá)支持≥10個(gè)目標(biāo)同步輸出，在最短時(shí)間內(nèi)給出最精確的探測(cè)結(jié)果。

（4）準(zhǔn)確性高。使用2FFT、目標(biāo)聚類跟蹤等多項(xiàng)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，最低探測(cè)速度≤0.05 m/s，不論目標(biāo)以何種姿勢(shì)、任意位置闖入防區(qū)，都能被快速定位。同時(shí)具有模式識(shí)別技術(shù)，對(duì)飛鳥、貓等小動(dòng)物進(jìn)行識(shí)別，進(jìn)一步降低虛警、漏警的概率。

圖6 相控陣?yán)走_(dá)抗干擾能力比對(duì)

（5）安裝方便、操作簡(jiǎn)單。整機(jī)尺寸小、重量輕，定位安裝便捷?？煽焖俅罱?，不需要特殊的安裝結(jié)構(gòu)，并可以任意設(shè)定防區(qū)區(qū)域，即便覆蓋了如大門、安全通道等無(wú)需檢測(cè)的區(qū)域，也能夠?qū)崿F(xiàn)分段報(bào)警，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)和安裝要求。

（6）兼容性好、便于系統(tǒng)集成。支持以太網(wǎng)口（TCP/UDP）、串口數(shù)據(jù)傳輸，后臺(tái)集成方便，支持與其他安全報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接，輕松實(shí)現(xiàn)整套安防解決方案。

4.2 智能周界安全系統(tǒng)

智能周界安全防護(hù)系統(tǒng)可以和前端報(bào)警探測(cè)設(shè)備雙向通信，報(bào)警數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)上傳，而且還可以實(shí)現(xiàn)由計(jì)算機(jī)軟件直接對(duì)智能相控陣探測(cè)雷達(dá)進(jìn)行控制操作，如布防、撤防操作、修改防區(qū)、修改系統(tǒng)配置等，方便用戶的操作和管理，一旦出現(xiàn)警情后，相控陣?yán)走_(dá)可實(shí)時(shí)回傳目標(biāo)位置信息，自動(dòng)指揮外置的PTZ攝像機(jī)自動(dòng)跟蹤目標(biāo)，使值班人員能及時(shí)了解報(bào)警點(diǎn)的信息，縮短了出警時(shí)間，同時(shí)也可提供給硬盤錄像機(jī)報(bào)警聯(lián)動(dòng)信號(hào)。

智能周界安全防護(hù)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）靈活簡(jiǎn)便智能的設(shè)置，包括防區(qū)設(shè)置、電子地圖設(shè)置、用戶設(shè)置、布撤防設(shè)置和系統(tǒng)設(shè)置。

（2）防區(qū)列表。當(dāng)某個(gè)防區(qū)觸發(fā)報(bào)警時(shí)，防區(qū)列表中對(duì)應(yīng)的防區(qū)圖標(biāo)，有閃爍提示（見(jiàn)圖7）。

（3）電子地圖。當(dāng)某個(gè)防區(qū)觸發(fā)報(bào)警時(shí)，電子地圖上報(bào)警防區(qū)的位置處，會(huì)出現(xiàn)報(bào)警提示動(dòng)畫（見(jiàn)圖8）。

（4）報(bào)警列表。主界面右側(cè)的報(bào)警列表中，會(huì)顯示每個(gè)報(bào)警防區(qū)最新的報(bào)警信息（見(jiàn)圖9）。

圖7 防區(qū)觸發(fā)報(bào)警

圖8 報(bào)警提示動(dòng)畫

圖9 最新報(bào)警信息

（5）報(bào)警處理。雙擊報(bào)警列表中的報(bào)警記錄，會(huì)彈出報(bào)警處理界面。選擇報(bào)警處理方式之后，點(diǎn)擊確定會(huì)刪除列表中的實(shí)時(shí)報(bào)警記錄，此記錄可在歷史記錄中查詢（見(jiàn)圖10）。

圖10 報(bào)警處理相

（6）記錄查詢。

報(bào)警記錄查詢。可以通過(guò)設(shè)置時(shí)間和防區(qū)來(lái)篩選報(bào)警記錄，點(diǎn)擊導(dǎo)出Excel可以把記錄生成Excel文件保存到本地計(jì)算機(jī)磁盤上。雙擊報(bào)警記錄可以在監(jiān)控視頻中看到該報(bào)警記錄的回放視頻和實(shí)時(shí)視頻（見(jiàn)圖11）。

撤布防記錄查詢?？梢酝ㄟ^(guò)設(shè)置時(shí)間和防區(qū)來(lái)篩選撤布防記錄，點(diǎn)擊導(dǎo)出Excel可以把記錄生成Excel文件保存到本地計(jì)算機(jī)磁盤上（見(jiàn)圖12）。

操作記錄。通過(guò)設(shè)置時(shí)間篩選記錄。點(diǎn)擊導(dǎo)出Excel可以把記錄生成Excel文件保存到本地計(jì)算機(jī)磁盤上（見(jiàn)圖13）。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)的周界安全防護(hù)系統(tǒng)容易受復(fù)雜環(huán)境影響較大，導(dǎo)致安全防護(hù)系統(tǒng)漏報(bào)率高、誤報(bào)率高等情況，采用相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)和激光雷達(dá)技術(shù)的探測(cè)器，能在目標(biāo)進(jìn)入防區(qū)前進(jìn)行探測(cè)預(yù)警，通過(guò)對(duì)目標(biāo)的距離、角度和速度的測(cè)量來(lái)判斷目標(biāo)的行為和類別，能夠最大可能地減少誤報(bào)警，進(jìn)一步提升了安全防護(hù)效果。

圖11 報(bào)警記錄查詢

圖12 撤布防記錄查詢

圖13 操作記錄