光柵陣列振動入侵報警技術(shù)在高速公路收費站的應(yīng)用

劉 鑫

(福建省高速公路集團(tuán)有限公司莆田管理分公司 莆田 351100)

福建省高速公路集團(tuán)公司在“十四五”規(guī)劃中明確提出：“要著力搶抓“交通強(qiáng)國”先行區(qū)、交通與新基建融合發(fā)展等新契機(jī)，更好地發(fā)揮先行官作用，高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)好高速公路基礎(chǔ)設(shè)施。其中，收費站無人值守智能管理將是高速公路基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的重要一環(huán)。但是收費站無人化后的安全防護(hù)技術(shù)還處于探索階段，如何有效保護(hù)收費站設(shè)備的安全和阻止非法入侵，仍是現(xiàn)階段收費站無人化管理的難題之一。

在此種需求之下，本文提出一種基于光柵陣列振動入侵報警技術(shù)的高速公路收費站安全防護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對收費站的重點區(qū)域進(jìn)行實時監(jiān)測，一旦發(fā)生人為入侵行為，就會向控制中心發(fā)出報警，并聯(lián)動攝像頭播放報警畫面。

1 周界預(yù)警系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

光纖周界預(yù)警系統(tǒng)是可以針對威脅周界安全的突發(fā)事件進(jìn)行監(jiān)控的先進(jìn)防御體系，符合應(yīng)急管理體系的建設(shè)要求。與激光防護(hù)、紅外對射、張力圍欄、靜電感應(yīng)、高壓電網(wǎng)、電子圍欄幾種常見安防方式進(jìn)行性能實施等對比，對比結(jié)果見表1。

表1 周界安防系統(tǒng)對比圖

在性能方面，光纖周界預(yù)警系統(tǒng)明顯優(yōu)于其他幾種方式，尤其不會受天氣影響。

在實施方面，施工靈活、簡單，比其他幾種方式更加具有可實施性，大大縮短現(xiàn)場布設(shè)的工期。

從成本來看，周界光纖不僅使用壽命長、而且維護(hù)費用較低，因此，其成本低于其它方式。

相對于其它安防方式采用硬件劃分分區(qū)，光纖周界系統(tǒng)采用軟件對防區(qū)進(jìn)行邊界布防，操作更加靈活簡便，能夠適應(yīng)現(xiàn)場的各種復(fù)雜情況。

2 光纖周界安防系統(tǒng)介紹

光纖網(wǎng)絡(luò)通信具有頻帶寬，損耗低，重量輕，抗干擾能力強(qiáng)，保真度高，成本低等特點。除了將光纖用以通信外，光纖自身還可作為傳感器。當(dāng)光在光纖中傳輸，遇到光纖彎曲、拉伸、高溫等事件時，會產(chǎn)生散射、反射現(xiàn)象，反射的光信號會攜帶傳感信息，然后再利用光通信將傳感信號傳輸至數(shù)據(jù)分析端，提取振動信息即可實現(xiàn)周界安防技術(shù)。在周界安防方案設(shè)計中，其他幾種方案除了要考慮傳感器的敷設(shè)，還要考慮傳感信號的傳輸。光纖周界安防技術(shù)可完全替代其他安防方式，在傳感器敷設(shè)的同時，其傳輸信號網(wǎng)絡(luò)也同時搭建完成，在擁有優(yōu)秀防御能力的同時兼具了通信能力。

除此之外，光纖周界可以快速、方便地架設(shè)在圍欄、網(wǎng)片、磚墻等多種防御介質(zhì)上，也可淺埋地下，甚至直接放置于水下和地表。這些優(yōu)勢使光纖周界安防在野戰(zhàn)條件下優(yōu)勢更明顯。以色列MAGAL、英國OptaSense(美國LUNA并購)、澳大利亞FFT、意大利吉斯等公司，已將光纖周界安防技術(shù)應(yīng)用于軍事目標(biāo)和國境線防入侵監(jiān)控。

目前國內(nèi)從事光纖周界安防產(chǎn)品研發(fā)及解決方案的公司主要分成三類：①國外光纖周界產(chǎn)品品牌公司的產(chǎn)品代理及服務(wù)供應(yīng)商。通過這一渠道，國外公司的光纖周界產(chǎn)品進(jìn)入中國市場。但受限于產(chǎn)品價格、技術(shù)壁壘限制及維保速度限制等原因，國外公司在中國市場的競爭力有限，例如，以色列邁高公司、澳大利亞FFT公司、美國BEI公司等；②具備自主研發(fā)能力及產(chǎn)品生產(chǎn)能力的國內(nèi)光纖傳感行業(yè)的高新技術(shù)公司。如：武漢烽理光電技術(shù)有限公司、威海北洋光電子科技有限公司、上海波匯光電技術(shù)有限公司等；③安防產(chǎn)品綜合服務(wù)供應(yīng)商，他們并不專注于產(chǎn)品研發(fā)，而是結(jié)合市場需求，進(jìn)行周界安防設(shè)備選型，以工程服務(wù)集成商的名義進(jìn)行光纖周界產(chǎn)品的集成與銷售。

3 光柵陣列測振技術(shù)介紹

3.1 技術(shù)概況

光柵陣列周界入侵系統(tǒng)采用的是分布式測振技術(shù)，該技術(shù)采用大容量光柵陣列傳感器實現(xiàn)分布式光纖振動傳感網(wǎng)絡(luò)，是一種高精確、高靈敏的分布式測振技術(shù)。其核心為武漢理工大學(xué)姜院士團(tuán)隊研制，并獲得了國家技術(shù)發(fā)明二等獎的光纖光柵在線刻寫技術(shù)，在拉絲塔拉制光纖的同時，動態(tài)在線、連續(xù)地將傳感光柵刻寫到光纖上，形成光柵陣列[1]。光纖上的每一個光柵都可以感知外部的振動信號，通過對光柵返回的光信號進(jìn)行實時采集、分析和處理，對振動入侵事件進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。

3.2 技術(shù)原理

光柵陣列測振技術(shù)基于干涉技術(shù)實現(xiàn)大范圍、高靈敏度和高頻響應(yīng)的振動信號探測。該技術(shù)傳感部分是由光柵陣列組成的傳感網(wǎng)絡(luò)，不僅可以感知光纖上任意位置的振動響應(yīng)，同時解決了分布式振動傳感中的多點定位問題。通過干涉儀提高振動信號傳感的頻率響應(yīng)，利用3×3耦合器相位解調(diào)算法重建時域信號，還原了振動信號的相位信息，完成振動頻率和幅度的解調(diào)，結(jié)合光時域反射儀(OTDR)技術(shù)實現(xiàn)多振動源的即時定位，其技術(shù)原理見圖1[2-3]。

圖1 技術(shù)原理圖

4 高速公路收費站安全防護(hù)系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)概述

基于光柵陣列振動入侵報警技術(shù)的高速公路收費站安全防護(hù)系統(tǒng)，由光柵陣列振動入侵報警系統(tǒng)為基礎(chǔ)，兼具了數(shù)據(jù)分析、模式識別、智能報警和聲光驅(qū)離、多級數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋Ｒ怨鈻抨嚵泻鸵曨l攝像機(jī)作為傳感器，實時監(jiān)控整個防區(qū)的安全情況。當(dāng)系統(tǒng)判斷到外界入侵后，會向監(jiān)控室推送報警信息，對報警位置進(jìn)行精確定位，并動用聲光報警設(shè)備及時對入侵發(fā)生處進(jìn)行聲光(廣播和喊話功能)驅(qū)逐。

4.2 系統(tǒng)架構(gòu)

安全防護(hù)系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)由三部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖2，分為探測感知系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)、聯(lián)動控制系統(tǒng)。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.2.1探測感知系統(tǒng)

探測感知系統(tǒng)主要包括振動傳感光纜及末端器，實時感知探測區(qū)域的振動信號，并將該振動信號反饋回光纖信號處理器。其光纜采用埋地和掛網(wǎng)2種光纜結(jié)合的方式敷設(shè)在收費站的圍墻和重點區(qū)域(配電房、水泵房等)。埋地與掛網(wǎng)的光纜組成時間連續(xù)、空間立體的傳感網(wǎng)，一旦有人闖入傳感網(wǎng)，便會將闖入信號發(fā)送到數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，輸出報警信號。

4.2.2數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)主要包括振動入侵解調(diào)儀、系統(tǒng)分析服務(wù)器。振動入侵解調(diào)儀為振動傳感光纜提供光源，并將振動傳感光纜反饋回的攜帶振動信息的光信號進(jìn)行解調(diào)，再將解調(diào)的信號通過網(wǎng)絡(luò)上傳至系統(tǒng)分析服務(wù)器。系統(tǒng)分析服務(wù)器獲取到解調(diào)后的振動信息以后，通過振動入侵模式識別算法，對振動信息進(jìn)行實時分析，經(jīng)過判斷后輸出相應(yīng)信號。

4.2.3聯(lián)動控制系統(tǒng)

聯(lián)動控制系統(tǒng)主要包括中控顯示大屏，監(jiān)控攝像機(jī)、聲光報警器等可擴(kuò)展設(shè)備。中控顯示大屏對防區(qū)狀態(tài)進(jìn)行實時顯示與調(diào)控，監(jiān)控攝像機(jī)以輔助形式感知外界信息，與振動傳感光纜協(xié)同探測，增加安防系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

4.3 系統(tǒng)創(chuàng)新點

本系統(tǒng)以光纖傳感技術(shù)為依托，結(jié)合基于過程的模式識別算法，搭建物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺，最終形成一套完整的實時監(jiān)控系統(tǒng)。

4.3.1分布式振動立體傳感網(wǎng)絡(luò)

系統(tǒng)使用超大容量的陣列光柵作為振動傳感器，可對監(jiān)測區(qū)域平面進(jìn)行定位。本系統(tǒng)在該基礎(chǔ)上，對光纜進(jìn)行埋地和掛網(wǎng)并行敷設(shè)，將原本二維的探測平面轉(zhuǎn)化為三維立體模型，在水平面和垂直面同時進(jìn)行感知，形成光柵陣列立體傳感網(wǎng)絡(luò),傳感網(wǎng)絡(luò)圖見圖3。

圖3 光柵陣列立體傳感網(wǎng)絡(luò)圖

比起其他的點式傳感器，本系統(tǒng)的傳感單元的優(yōu)勢除了分布式傳感以外，還有立體感知空間，增加了探測范圍，振動信號更能還原實際的振動事件[4]。

4.3.2基于過程的模式識別算法

本系統(tǒng)采用基于過程的模式識別算法。當(dāng)發(fā)生振動入侵時，通過對埋地光纜和掛網(wǎng)光纜的振動數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，可極大地增加入侵行為的識別率，從而降低誤報率。

其算法分為2個過程，第一階段系統(tǒng)首先采集埋地光纜發(fā)出的振動信號，通過時分復(fù)用方法定位后，利用機(jī)器學(xué)習(xí)模型區(qū)分人類行為和動物行為；第二階段采集掛網(wǎng)光纜發(fā)出的振動信號通過振動入侵模式識別算法，將采集到的信號識別為風(fēng)激振動、人為搖晃、人為攀爬等信號，最終輸出報警信息[5-6]。模式識別流程圖見圖4。

圖4 模式識別流程圖

5 系統(tǒng)應(yīng)用案例

5.1 設(shè)計方案

在某收費站管理處周界圍墻處選用光柵陣列埋地和掛網(wǎng)2種光纜結(jié)合的方式實現(xiàn)收費站的圍墻和重點區(qū)域(配電房、水泵房等)入侵監(jiān)測和報警，同時設(shè)置智能視頻攝像機(jī)用于抓拍和取證；在收費站出入口采用了2根埋地光纜和智能視頻探測器集合實現(xiàn)收費站出入口和車道出入口的入侵和模式識別(人、自行車、摩托車、車牌識別等)；在院區(qū)和車道上安裝了聲光驅(qū)離設(shè)備用于驅(qū)離入侵人員[7]。平面布置圖見圖5。

圖5 收費站平面布置圖

5.2 安裝

根據(jù)上節(jié)4.1的設(shè)計方案，對管理處圍墻、收入站，出入口等處進(jìn)行光纜的安裝敷設(shè)，其中院區(qū)圍墻約600 m，收費站出入口長度約50 m。

本方案實施需要光柵陣列信號處理器主機(jī)1臺，振動探測光纜2 km，傳輸光纜500 m，采用掛網(wǎng)與埋地并行的方式實現(xiàn)管理處周界圍墻的入侵探測功能，收費站出入口采用2根表貼振動探測光纜和智能視頻探測器結(jié)合的方式實現(xiàn)收費站出入口的入侵探測及智能識別功能。光柵陣列信號處理器、管理終端等安裝在管理處控制室的機(jī)柜中。掛網(wǎng)與埋地并行方式安裝見圖6 ，表貼光纜安裝見圖7，安裝在入口減速帶的下方。

圖6 光纜在重點區(qū)域的圍墻安裝方式

圖7 光纜在收費站車道上的安裝方式

5.3 平臺軟件

平臺軟件對系統(tǒng)狀態(tài)實時監(jiān)測，可以手動布撤防，入侵報警等功能。系統(tǒng)通過軟件算法，實現(xiàn)對前端振動信號的分析和識別，對入侵?jǐn)_動實現(xiàn)3 m的高精度定位?？蓪︼L(fēng)、雨、雷電、其它環(huán)境振動及小型動物的干擾進(jìn)行有效的識別和過濾。

系統(tǒng)支持資源分級用戶權(quán)限管理功能，可以滿足200組個人操作密碼與30種可編程防區(qū)功能。

系統(tǒng)同時可以兼容多種視頻平臺與報警器在軟件平臺進(jìn)行聯(lián)動，當(dāng)發(fā)生報警時，攝像頭接收到報警信號實時播放入侵畫面，同時報警主機(jī)接收到報警信號并上傳到報警網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場人員及時趕到制止入侵行為。

6 結(jié)語

隨著ETC電子收費、智能化全自助收費系統(tǒng)和在線式智能聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)的逐步推廣應(yīng)用，人工使用率將大幅降低。本系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，實現(xiàn)車流量較小的收費站在減少管理人員或采用無人化管理情況下，保障收費站站區(qū)安全管理和收費票道行人非機(jī)動車闖入高速公路的管控。該系統(tǒng)能夠有效地減少誤報率引起的虛報影響，達(dá)到檢測精準(zhǔn)、判斷準(zhǔn)確、針對性強(qiáng)等需求。