基于雷達(dá)視頻協(xié)同技術(shù)的鐵路區(qū)域安防系統(tǒng)

堯豐， 王軍鋒， 劉宏江， 溫忠凱， 徐海軍， 呂大勇， 祁曉臨

（1. 中科藍(lán)卓（北京）信息科技有限公司，北京 101399；2. 中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司 工務(wù)部，北京 100860）

0 引言

隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的持續(xù)發(fā)展，通車?yán)锍滩粩嘣黾樱瑯O大地促進(jìn)了各地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人員往來。由于我國(guó)地域遼闊、地形復(fù)雜、氣候差異顯著，使鐵路安全運(yùn)營(yíng)面臨諸多挑戰(zhàn)。另外，還存在鐵路設(shè)施遭受人為破壞、無視防護(hù)直接穿越鐵路線路等情況，嚴(yán)重威脅鐵路運(yùn)輸和人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。為安全、高效、便捷地維護(hù)鐵路周界，研究具有鐵路特色的周界入侵智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)［1?3］，對(duì)保障鐵路安全運(yùn)營(yíng)、提高鐵路周界防護(hù)能力、提升入侵行為準(zhǔn)確告警效率、有效降低施工維護(hù)成本等方面，均具有重大現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)效益。

1 需求分析

為保障鐵路運(yùn)營(yíng)安全，一般采取紅外對(duì)射入侵報(bào)警［4］等技術(shù)進(jìn)行周界管理，但由于各類技術(shù)的局限性，實(shí)際運(yùn)行中無法達(dá)到全面有效的監(jiān)管，不能及時(shí)告警和事故追責(zé)。因此，需要深入細(xì)致調(diào)研鐵路特殊運(yùn)行環(huán)境，理清實(shí)際需求，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)手段，才能更好地解決問題。保障鐵路周界安全的具體需求如下：

1.1 對(duì)非法侵限目標(biāo)及時(shí)精準(zhǔn)掌控

當(dāng)非法目標(biāo)入侵到鐵路周界區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)能夠排除環(huán)境、列車通行等干擾因素，對(duì)入侵行為進(jìn)行智能分析。經(jīng)系統(tǒng)分析，確認(rèn)目標(biāo)監(jiān)控區(qū)域有非法入侵，將報(bào)警信息實(shí)時(shí)傳遞到鐵路一線相關(guān)人員，使其第一時(shí)間掌握侵限目標(biāo)發(fā)生的地點(diǎn)等事件信息，進(jìn)而能夠高效準(zhǔn)確地進(jìn)行事件處置。

1.2 通過技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)事件追責(zé)

當(dāng)非法目標(biāo)侵限時(shí)，遺留在軌道上的物品及人員本身，都可能導(dǎo)致運(yùn)行事故發(fā)生。針對(duì)此類事故，目前沒有有效的手段進(jìn)行事故報(bào)警及事故追責(zé)。因此，需要利用信息化技術(shù)手段對(duì)事件進(jìn)行回放，以明確責(zé)任并追責(zé)。

1.3 對(duì)非法入侵起到威懾作用

隨著信息化手段的提高，在鐵路周界關(guān)鍵位置設(shè)置監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，識(shí)別針對(duì)設(shè)防區(qū)域的侵入、破壞、設(shè)障等行為，不僅是一種必要的防護(hù)手段，同時(shí)也能對(duì)周邊的入侵行為起到一定威懾作用，以減少非法入侵行為的發(fā)生頻次。

1.4 降低現(xiàn)有技防手段對(duì)入侵行為的敏感性

現(xiàn)有技防手段往往受到特殊、特定入侵行為的限制。例如，振動(dòng)光纖主要用于防范破壞周界、攀爬周界、下挖周界等行為，依靠振動(dòng)來判定是否有入侵行為；電子圍欄主要對(duì)翻越周界的入侵行為進(jìn)行防范；光波對(duì)射主要對(duì)站臺(tái)兩端入侵行為進(jìn)行防范；視頻監(jiān)控主要在天氣條件良好的前提下，對(duì)破壞、攀爬、下挖周界等入侵行為進(jìn)行防范。因此，迫切需要一種新型技術(shù)，解決現(xiàn)有技防手段對(duì)具體入侵行為敏感程度各有不同的應(yīng)用難題。

1.5 降低誤報(bào)率與漏報(bào)率

現(xiàn)有周界防護(hù)技術(shù)，如紅外探測(cè)、張力圍欄、振動(dòng)光纖、電子圍欄等［5?7］，能夠?qū)﹁F路周界入侵起到一定防范作用，主要表現(xiàn)為阻擋作用。但在提前預(yù)警及威懾性、報(bào)警驅(qū)趕等方面，因各類設(shè)備的差異性，在功能表現(xiàn)上欠佳。漏報(bào)率和誤報(bào)率是評(píng)價(jià)周界防護(hù)技術(shù)的重要指標(biāo)，現(xiàn)有技防手段受天氣、植被、動(dòng)物、路過機(jī)動(dòng)車等外界環(huán)境因素影響較大，因此在誤報(bào)率和漏報(bào)率方面的表現(xiàn)不盡理想。個(gè)別系統(tǒng)對(duì)入侵目標(biāo)的監(jiān)測(cè)仍需要與視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)復(fù)核，但由于視頻監(jiān)控系統(tǒng)同樣會(huì)受到天氣條件的限制，靈活性差，因此在技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性等方面均有待提高。

1.6 適應(yīng)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境

對(duì)于地處偏僻區(qū)域的鐵路周界或重點(diǎn)區(qū)域，現(xiàn)場(chǎng)取網(wǎng)、取電不便，需利用太陽能為設(shè)備供電，因此需要考慮配備足夠的電力供應(yīng)，還需考慮無線網(wǎng)絡(luò)傳輸產(chǎn)生的流量費(fèi)用等問題。

2 設(shè)計(jì)思路與總體架構(gòu)

2.1 設(shè)計(jì)思路

基于雷達(dá)視頻協(xié)同技術(shù)的鐵路區(qū)域安防系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)大背景下，依托微型化、低功耗、高精度的雷達(dá)探測(cè)技術(shù)，融合智能視頻、多源報(bào)警、移動(dòng)通信等新技術(shù)手段，針對(duì)關(guān)鍵核心技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，在現(xiàn)有安防技術(shù)體制上融合多類型傳感設(shè)備，形成雷達(dá)與視頻深度融合的智能安防監(jiān)控體系，重點(diǎn)解決現(xiàn)有技防手段高誤報(bào)、漏報(bào)等難題，實(shí)現(xiàn)鐵路安防領(lǐng)域智能感知、智能研判等應(yīng)用的新突破，將促進(jìn)鐵路新型安防技術(shù)發(fā)展，提升鐵路安防技術(shù)整體應(yīng)用水平。

2.2 總體架構(gòu)

系統(tǒng)主要由雷達(dá)探測(cè)裝置、視頻聯(lián)動(dòng)裝置、報(bào)警喊話裝置、集成控制裝置及報(bào)警平臺(tái)組成，是軟硬件集成一體化的智能化報(bào)警系統(tǒng)，系統(tǒng)通信鏈路采用第4 代移動(dòng)通信技術(shù)（4G）傳輸方式。系統(tǒng)總體架構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.3 工作流程

面向鐵路周界重點(diǎn)區(qū)域的防控需求，充分結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)［8］理念，以人工智能、邊緣計(jì)算、云平臺(tái)、移動(dòng)通信等先進(jìn)技術(shù)為支撐，有效融合雷達(dá)探測(cè)、視頻監(jiān)控、移動(dòng)通信等技術(shù)手段，構(gòu)建面向鐵路重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域的智能化、立體化的安防系統(tǒng)，具備全天時(shí)、全天候、高可靠、高精準(zhǔn)的鐵路沿線區(qū)域安全防護(hù)能力。其中，前端探測(cè)設(shè)備部署在現(xiàn)場(chǎng)，后臺(tái)部署在鐵路局集團(tuán)公司互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)站群平臺(tái)，應(yīng)用端放置在值班室，報(bào)警主機(jī)與值班室值班電話相連接。當(dāng)報(bào)警主機(jī)接到報(bào)警信息推送時(shí)，通過24 h 值班電話，自動(dòng)撥打報(bào)警區(qū)域責(zé)任人，實(shí)現(xiàn)從前端報(bào)警到手機(jī)端“及時(shí)達(dá)”的功能，確保一線人員及時(shí)掌握?qǐng)?bào)警信息，第一時(shí)間處理現(xiàn)場(chǎng)入侵險(xiǎn)情，極大提升了險(xiǎn)情的處置效率。系統(tǒng)工作流程見圖2。

圖2 系統(tǒng)工作流程

3 主要功能

3.1 侵限報(bào)警

系統(tǒng)基于新型低功耗探測(cè)雷達(dá)設(shè)備，能夠全天時(shí)、全天候地對(duì)人員、車輛、泥石流等線路入侵目標(biāo)進(jìn)行有效探測(cè)，并結(jié)合人工智能算法，有效濾除小動(dòng)物、植被、列車通行等干擾因素，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)精準(zhǔn)探測(cè)和跟蹤，提升非法入侵目標(biāo)報(bào)警的精準(zhǔn)性。系統(tǒng)探測(cè)報(bào)警界面見圖3。

圖3 系統(tǒng)探測(cè)報(bào)警界面

3.2 協(xié)同研判

系統(tǒng)構(gòu)建了基于人工智能的雷達(dá)視頻數(shù)據(jù)融合方法，對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)融合，協(xié)同研判入侵目標(biāo)真實(shí)性，提高入侵目標(biāo)物體的識(shí)別精度。系統(tǒng)探測(cè)協(xié)同識(shí)別效果見圖4。

圖4 系統(tǒng)探測(cè)協(xié)同識(shí)別效果

3.3 視頻本地存儲(chǔ)

用戶可通過網(wǎng)絡(luò)端（Web 端）平臺(tái)、移動(dòng)端平臺(tái)、客戶桌面端（PC 端）軟件遠(yuǎn)程查看本地歷史視頻，也可通過時(shí)間維度查詢或篩選對(duì)應(yīng)視頻，并同步將所需的歷史視頻進(jìn)行下載保存。另外，可以查詢及下載設(shè)備心跳數(shù)據(jù)、設(shè)備日志信息等相關(guān)信息。

3.4 管控報(bào)警平臺(tái)

系統(tǒng)提供鐵路周界安防數(shù)據(jù)的接入與管理，融合數(shù)據(jù)智能分析與可視化模型，實(shí)現(xiàn)鐵路周界安全管控的宏觀決策?？芍С蛛娮拥貓D展示，匯聚業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；統(tǒng)計(jì)分析各類數(shù)據(jù)，輔助決策指揮；實(shí)時(shí)掌握多線路、多地區(qū)運(yùn)行情況。系統(tǒng)管控報(bào)警平臺(tái)界面見圖5。

圖5 系統(tǒng)管控報(bào)警平臺(tái)界面

4 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

4.1 雷達(dá)與視頻協(xié)同研判[9-10]

系統(tǒng)采用雷達(dá)空間感知與視頻協(xié)同技術(shù)，有效融合雷達(dá)空間感知與視頻感知結(jié)果，構(gòu)建從雷達(dá)探測(cè)到視頻復(fù)核的雙重研判機(jī)制；通過抽取雷達(dá)定位信息與視頻視場(chǎng)角度，建立二者之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，形成雷達(dá)空間感知信息與視頻感知圖像的跟蹤協(xié)同與系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，實(shí)時(shí)跟蹤確認(rèn)目標(biāo)移動(dòng)位置。在此過程中，通過對(duì)比雷達(dá)坐標(biāo)與視頻視場(chǎng)角，自動(dòng)校對(duì)二者感知目標(biāo)偏差，自動(dòng)調(diào)整匹配關(guān)聯(lián)偏差，從而提升目標(biāo)協(xié)同跟蹤的準(zhǔn)確性，降低系統(tǒng)誤報(bào)率。

4.2 復(fù)雜環(huán)境下的目標(biāo)特征識(shí)別與提取

系統(tǒng)充分結(jié)合雷達(dá)主動(dòng)探測(cè)優(yōu)勢(shì)，具備在強(qiáng)雜波環(huán)境下對(duì)人體目標(biāo)信號(hào)的識(shí)別。同時(shí)，利用智能視頻分析技術(shù)，通過對(duì)視頻圖像的處理與分析，有效規(guī)避植被、天氣等干擾因素，實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備目標(biāo)感知的雙重研判，有效提升系統(tǒng)報(bào)警的準(zhǔn)確性，有效解決單一感知手段導(dǎo)致復(fù)雜環(huán)境下難以實(shí)現(xiàn)對(duì)入侵目標(biāo)精準(zhǔn)識(shí)別與信息提取的難題。

4.3 低功耗、自組網(wǎng)的工程化設(shè)計(jì)

系統(tǒng)前端探測(cè)設(shè)備采用低功耗設(shè)計(jì)理念，重點(diǎn)對(duì)邊緣計(jì)算設(shè)備、探測(cè)雷達(dá)功率、視頻圖像采集等方面進(jìn)行優(yōu)化。高速數(shù)據(jù)傳輸通信模塊在不影響性能的情況下降低設(shè)備功耗，支持太陽能供電方式。同時(shí)，研發(fā)了輕量化數(shù)據(jù)處理引擎，形成對(duì)冗余數(shù)據(jù)的處理與釋放，重點(diǎn)針對(duì)視頻數(shù)據(jù)有效目標(biāo)信息進(jìn)行抽取，優(yōu)化視頻壓縮算法，建立目標(biāo)識(shí)別視頻信息回傳模式，大大降低傳輸流量，采用4G 無線傳輸方式實(shí)現(xiàn)入侵告警信息推送。

4.4 跨領(lǐng)域設(shè)備集成與多樣化應(yīng)用技術(shù)

系統(tǒng)在雷達(dá)與視頻設(shè)備的基礎(chǔ)上，集成語音報(bào)警、遠(yuǎn)程喊話、光電設(shè)備提示等功能，在實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程入侵目標(biāo)自動(dòng)語音警告的同時(shí)，還可對(duì)頑固的入侵目標(biāo)遠(yuǎn)程喊話驅(qū)離，對(duì)入侵人員的穿行行為進(jìn)行有效威懾阻止。通過研制平臺(tái)監(jiān)控軟件，覆蓋桌面端、移動(dòng)端設(shè)備，使用人員可隨時(shí)接收和查看報(bào)警信息，提升了事件處置的效率，克服了現(xiàn)有安防系統(tǒng)過于注重報(bào)警準(zhǔn)確性而忽略了系統(tǒng)本身的功能性，導(dǎo)致安防系統(tǒng)功能單一，只能滿足單一方面的應(yīng)用需求，在緊急事件下難以第一時(shí)間處置事件。

5 應(yīng)用測(cè)試

該系統(tǒng)在中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司轄區(qū)內(nèi)的重點(diǎn)典型鐵路安防地段（京張高鐵東北環(huán)K62.7、西北環(huán)K33、京沈高鐵東星K3.4）部署使用，根據(jù)不同監(jiān)測(cè)范圍和應(yīng)用需求安裝部署。

5.1 安裝部署

系統(tǒng)主要應(yīng)用在鐵路沿線重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域，例如鐵路隧道口、車站站臺(tái)、重點(diǎn)區(qū)間線路等，具備無人值守、實(shí)時(shí)報(bào)警、語音驅(qū)離、動(dòng)態(tài)跟蹤等功能。系統(tǒng)前端設(shè)備采用立桿安裝方式，立桿高度設(shè)計(jì)為4 m，相關(guān)設(shè)備按指定高度固定安裝，具體位置根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境靈活布設(shè)，要求立桿處到線路中心距離大于7.5 m。系統(tǒng)安裝部署示意見圖6，現(xiàn)場(chǎng)部署見圖7。

圖6 系統(tǒng)安裝部署示意圖

圖7 系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)部署

5.2 系統(tǒng)測(cè)試

依照切實(shí)可行、安全可靠的原則，制定詳細(xì)的系統(tǒng)測(cè)試計(jì)劃，根據(jù)應(yīng)用需求和指標(biāo)要求，開展基礎(chǔ)測(cè)試、入侵測(cè)試、試運(yùn)行及牢固性檢查、環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試，以確保系統(tǒng)滿足實(shí)際運(yùn)行需求，達(dá)到預(yù)期效果。系統(tǒng)測(cè)試流程見圖8，測(cè)試項(xiàng)目與方法見表1。

表1 測(cè)試項(xiàng)目與方法

圖8 系統(tǒng)測(cè)試流程

5.3 測(cè)試結(jié)果分析

該系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)體現(xiàn)為漏報(bào)率和誤報(bào)率。對(duì)系統(tǒng)功能、性能、入侵測(cè)試及運(yùn)行期間結(jié)果進(jìn)行分析，在目前基于有限樣本數(shù)據(jù)的條件下，具有零漏報(bào)、零誤報(bào)的性能。具體結(jié)果如下：

（1）漏報(bào)率。分別在京張高鐵東北環(huán)K62.7、西北環(huán)K33，京沈高鐵東星K3.4 處開展系統(tǒng)測(cè)試共計(jì)5 次，每次試驗(yàn)進(jìn)行目標(biāo)入侵測(cè)試20 次、投擲鐵桶5 次，未發(fā)生漏報(bào)現(xiàn)象，漏報(bào)率為0。

（2）誤報(bào)率。分別在京張高鐵東北環(huán)K62.7、西北環(huán)K33，京沈高鐵東星K3.4 處開展系統(tǒng)測(cè)試共計(jì)5 次，每次試驗(yàn)投擲紙箱5次，并結(jié)合系統(tǒng)安裝部署后的現(xiàn)場(chǎng)試用情況，均未發(fā)生誤報(bào)現(xiàn)象，誤報(bào)率為0。

（3）環(huán)境適應(yīng)性。系統(tǒng)自2021 年部署以來運(yùn)行安全穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有列車運(yùn)行造成任何干擾和影響。

（4）安全性。系統(tǒng)自2021 年部署以來，經(jīng)歷了夏季高溫及暴雨大風(fēng)、冬季低溫等情況，并在夜間下雨條件下也有效發(fā)揮了作用。系統(tǒng)安裝牢固，工作穩(wěn)定正常，安全可靠。

6 結(jié)論

基于鐵路一線實(shí)際需求，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和深度學(xué)習(xí)等新型技術(shù)，研發(fā)了基于雷達(dá)視頻協(xié)同技術(shù)的鐵路區(qū)域安防系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了鐵路周界防護(hù)從傳統(tǒng)技防手段到智能化管理階段的跨越，進(jìn)一步保證了鐵路安全。

（1）該系統(tǒng)填補(bǔ)了對(duì)偏遠(yuǎn)區(qū)域鐵路周界和重點(diǎn)區(qū)域的管理盲區(qū)，并推動(dòng)了鐵路周界安防由傳統(tǒng)防護(hù)到智能管理的轉(zhuǎn)變。

（2）系統(tǒng)性能和技術(shù)優(yōu)勢(shì)突出，零漏報(bào)、極低誤報(bào)，自組網(wǎng)、自供電，硬件設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、維護(hù)便捷，系統(tǒng)平臺(tái)具備在線巡視功能，可有效降低鐵路基層管理部門的工作負(fù)荷，提升管理效率。

（3）經(jīng)基礎(chǔ)測(cè)試、入侵測(cè)試以及自然環(huán)境下的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行測(cè)試，表明系統(tǒng)能在事件發(fā)生的第一時(shí)間發(fā)出報(bào)警信息，并提供現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)視頻證據(jù)，提升了鐵路一線管理部門的處置能力和決策效率。

（4）系統(tǒng)平臺(tái)選擇鐵路侵限事件易發(fā)、高發(fā)、頻發(fā)區(qū)域部署實(shí)施。系統(tǒng)部署后，侵限事件發(fā)生概率顯著降低，具備一定威懾作用和應(yīng)用價(jià)值。