軌道交通光纖周界監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信號(hào)處理方法研究

馮浩波 蘇泰華

（南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530029）

1 概述

軌道交通車輛段停車場(chǎng)除了承擔(dān)車輛的停放、檢修、保養(yǎng)任務(wù)之外，運(yùn)營(yíng)線路的列車編組、調(diào)度等工作也在此完成，線路的控制中心、物資總庫(kù)、變電所等重要處所也放置于車輛段停車場(chǎng)內(nèi)[1～3]。因此，保證車輛段停車場(chǎng)的周界安全，防止外來(lái)人員入侵，是保障城市軌道交通安全運(yùn)行的重要前提。為保障軌道交通車輛段停車場(chǎng)的安全運(yùn)營(yíng)，避免外來(lái)閑雜人員的無(wú)意闖入或惡意入侵，必須在車輛段停車場(chǎng)周界布設(shè)入侵報(bào)警系統(tǒng)，對(duì)車輛段停車場(chǎng)的周界安全進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。周界報(bào)警系統(tǒng)通常采用的技術(shù)方案有：振動(dòng)光纖、振動(dòng)電纜、紅外對(duì)射、激光對(duì)射、微波探測(cè)等，其中，光纖傳感技術(shù)與電類傳感技術(shù)相比，具有易于安裝和敷設(shè)、探測(cè)部分為光纖無(wú)需供電、不受電磁波干擾等優(yōu)勢(shì)，正成為周界安防技術(shù)方案的主流趨勢(shì)[4～5]。周界監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，環(huán)境中存在的干擾源眾多，對(duì)于軌道交通車輛段停車場(chǎng)周界場(chǎng)站而言，容易引起光纖周界監(jiān)測(cè)系統(tǒng)誤報(bào)的干擾源除了風(fēng)雨等天氣因素，還有頻繁經(jīng)過(guò)的列車產(chǎn)生的較大振動(dòng)信號(hào)。因此，如何在充分利用光纖傳感系統(tǒng)高靈敏度優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，在眾多外界因素干擾之下，對(duì)環(huán)境干擾進(jìn)行過(guò)濾，正確地識(shí)別入侵行為，降低系統(tǒng)誤報(bào)率，保證系統(tǒng)運(yùn)行效果，是實(shí)際工程中需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

2 信號(hào)分析

2.1 光纜布設(shè)

軌道交通車輛段停車場(chǎng)所處地理位置一般較為偏僻，空間面積較大，周界長(zhǎng)度大約為2～4km。探測(cè)光纜的安裝方式如圖1 所示，當(dāng)監(jiān)測(cè)區(qū)域的圍墻或圍欄上已安裝有網(wǎng)片，則利用現(xiàn)有網(wǎng)片直接將探測(cè)光纜采取S 型敷設(shè)，綁扎在網(wǎng)片上，每隔約0.3m-0.5m 設(shè)置一個(gè)綁扎點(diǎn)。如監(jiān)測(cè)區(qū)域圍墻上沒有安裝網(wǎng)片，則在圍墻頂部安裝網(wǎng)片，再將光纜采取S 型敷設(shè)綁扎在網(wǎng)片上。

圖1 探測(cè)光纜安裝示意圖

2.2 數(shù)據(jù)采集

振動(dòng)數(shù)據(jù)采集方式如下：

2.2.1 將振動(dòng)探測(cè)光纜布設(shè)于監(jiān)測(cè)區(qū)域的周界；

2.2.2 對(duì)于整個(gè)周界探測(cè)區(qū)域，將探測(cè)光纜劃分為多個(gè)等距離的探測(cè)單元；

2.2.3 系統(tǒng)采集和解調(diào)每個(gè)探測(cè)單元檢測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)；

2.2.4 對(duì)于每個(gè)探測(cè)單元檢測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)，按照每0.2 秒一段，分割為多個(gè)時(shí)間片段，統(tǒng)計(jì)每個(gè)時(shí)間片段的最大值；

2.2.5 將上一步每個(gè)探測(cè)單元得到的時(shí)間片段的最大值序列，按照探測(cè)單元的空間分布進(jìn)行排列和拼接，得到監(jiān)測(cè)區(qū)域的光纖振動(dòng)瀑布圖。

2.3 數(shù)據(jù)分析

對(duì)于軌道交通車輛段停車場(chǎng)的周界，西戎主要監(jiān)測(cè)對(duì)圍墻的各種外界沖擊振動(dòng)信號(hào)，如人員在圍墻的翻越行為，以及較大力度沖擊圍墻的行為。在軌道段線的出入口，列車頻繁出入。除了自然環(huán)境中的干擾源，如大風(fēng)、降雨等，列車經(jīng)過(guò)產(chǎn)生的振動(dòng)，也是出現(xiàn)較為頻繁的干擾源。

經(jīng)過(guò)對(duì)大量模擬攀爬測(cè)試時(shí)錄制數(shù)據(jù)，以及風(fēng)雨天氣和列車經(jīng)過(guò)時(shí)錄制數(shù)據(jù)的歸類分析，我們發(fā)現(xiàn)入侵攀爬、風(fēng)雨干擾和列車經(jīng)過(guò)這三類振動(dòng)信號(hào)，在空域圖像上存在有一定區(qū)別。風(fēng)雨干擾和列車經(jīng)過(guò)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，在時(shí)間和空間的影響范圍均較為廣泛，在空域圖像中，呈緩變趨勢(shì)；而入侵攀爬信號(hào)，所呈現(xiàn)的激勵(lì)影響較為集中，其時(shí)間和空間的影響范圍相對(duì)于風(fēng)雨干擾和列車經(jīng)過(guò)振動(dòng)而言，其影響范圍相對(duì)較小。并且在存在風(fēng)雨干擾或列車經(jīng)過(guò)等背景環(huán)境干擾的情形下，入侵攀爬產(chǎn)生的激勵(lì)會(huì)與背景干擾振動(dòng)進(jìn)行疊加，在干擾背景下，仍呈現(xiàn)較為明顯的突變趨勢(shì)。

由于入侵攀爬產(chǎn)生的激勵(lì)會(huì)與背景干擾振動(dòng)相疊加，因此系統(tǒng)在進(jìn)行報(bào)警判斷時(shí)，不宜使用采集信號(hào)振動(dòng)幅度達(dá)到閾值即發(fā)出報(bào)警的方式，否則，會(huì)因風(fēng)雨干擾和列車經(jīng)過(guò)等因素產(chǎn)生大量的誤報(bào)警。考慮到入侵攀爬振動(dòng)和風(fēng)雨干擾、列車經(jīng)過(guò)等干擾振動(dòng)在空域圖像上所存在的差異性。因此，我們提出利用圖像處理算法，將風(fēng)雨干擾、列車經(jīng)過(guò)等干擾振動(dòng)信號(hào)作為不均勻背景進(jìn)行提取，并消除空域圖像中的這種不均勻性，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)雨干擾、列車經(jīng)過(guò)等干擾振動(dòng)信號(hào)的過(guò)濾，同時(shí)保留并增強(qiáng)入侵攀爬振動(dòng)激勵(lì)。通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)空域圖像進(jìn)行預(yù)處理，在入侵攀爬振動(dòng)激勵(lì)增強(qiáng)后的空域圖像中再進(jìn)行判斷分析，可以有效提高光纖周界監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的報(bào)警準(zhǔn)確率。

2.4 信號(hào)預(yù)處理

為了減弱或消除振動(dòng)信號(hào)空域圖像中，由于風(fēng)雨干擾、列車經(jīng)過(guò)等大范圍背景噪聲干擾所引入的不均勻性，其不均勻性，類似于光學(xué)圖像中不均勻光照的影響，因此本文采用頂帽變換，來(lái)校正振動(dòng)信號(hào)空域圖像中的不均勻性。

頂帽變換算法主要用于提取出圖像的不均勻背景，再將原始圖像和不均勻背景圖像進(jìn)行相減，即實(shí)現(xiàn)保留和增強(qiáng)前景圖像的效果。

經(jīng)過(guò)對(duì)大量模擬攀爬測(cè)試時(shí)錄制數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)攀爬振動(dòng)激勵(lì)的形態(tài)學(xué)特點(diǎn)，我們采用20×5 的模板，對(duì)振動(dòng)信號(hào)空域圖像進(jìn)行頂帽變換。所用模板的尺度，需大于攀爬振動(dòng)激勵(lì)信號(hào)圖塊的尺度，同時(shí)小于風(fēng)雨干擾、列車經(jīng)過(guò)等背景噪聲影響范圍的尺度。

如圖2 所示，為某次人工攀爬圍墻激勵(lì)測(cè)試，所采集到的原始信號(hào)，從數(shù)據(jù)中可以看到4 次人工激勵(lì)，同時(shí)，由于風(fēng)吹圍欄產(chǎn)生晃動(dòng)的干擾，其背景也存在有一定的波動(dòng)。

圖2 原始信號(hào)

采用20×5 的模板，對(duì)原始振動(dòng)信號(hào)空域圖像進(jìn)行開運(yùn)算。如圖3 所示，可以提取到原始振動(dòng)信號(hào)空域圖像中背景的緩變趨勢(shì)，即提取到底面背景。

圖3 底面提取

將原始振動(dòng)信號(hào)空域圖像與提取到的底面進(jìn)行相減，即進(jìn)行頂帽變換，如圖4 所示，可見信號(hào)底面的緩變波動(dòng)被明顯消除。由于風(fēng)吹圍欄產(chǎn)生晃動(dòng)的干擾被有效消除，同時(shí)，攀爬產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)，得到了有效地保留。

圖4 頂帽變換

對(duì)圖像的頂帽變換結(jié)果，進(jìn)再行指數(shù)增強(qiáng)運(yùn)算，指數(shù)因子設(shè)置為3，如圖5 所示，可見增強(qiáng)了圖像中較為明亮的區(qū)域，人工激勵(lì)的信號(hào)得到了進(jìn)一步的增強(qiáng)，同時(shí)，背景噪聲干擾被有效抑制。

圖5 激勵(lì)增強(qiáng)

2.5 算法設(shè)計(jì)

光纖周界監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的報(bào)警算法步驟設(shè)計(jì)如下：

2.5.1 對(duì)于整個(gè)周界探測(cè)區(qū)域，將探測(cè)光纜劃分為多個(gè)等距離的探測(cè)單元；

2.5.2 在監(jiān)測(cè)周界區(qū)域，每隔一定距離，進(jìn)行敲擊定位，記錄圍欄區(qū)域探測(cè)單元和實(shí)際的監(jiān)測(cè)防區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系；

2.5.3 系統(tǒng)采集和解調(diào)每個(gè)探測(cè)單元檢測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)，對(duì)于每個(gè)探測(cè)單元檢測(cè)到的振動(dòng)信號(hào)，按照每0.2秒一段，分割為多個(gè)時(shí)間片段，統(tǒng)計(jì)每個(gè)時(shí)間片段的最大值；

2.5.4 將上一步每個(gè)探測(cè)單元得到的時(shí)間片段的最大值序列，按照探測(cè)單元的空間分布進(jìn)行排列和拼接，得到監(jiān)測(cè)區(qū)域的光纖振動(dòng)瀑布圖；

2.5.5 對(duì)光纖振動(dòng)數(shù)據(jù)圖像進(jìn)行頂帽變換，消除空域圖像背景中的緩變趨勢(shì)，即消除風(fēng)雨、列車經(jīng)過(guò)等大范圍背景噪聲影響，再進(jìn)行指數(shù)增強(qiáng)運(yùn)算，指數(shù)因子設(shè)置為3；

2.5.6 對(duì)于預(yù)處理后的光纖振動(dòng)瀑布圖，設(shè)置二值化分割閾值，對(duì)瀑布圖做二值化處理；

2.5.7 對(duì)二值化矩陣中的明亮像素點(diǎn)進(jìn)行聚類分析，以提取光纖振動(dòng)數(shù)據(jù)圖像中的每一個(gè)激勵(lì)信號(hào)團(tuán)塊；

2.5.8 判斷某激勵(lì)信號(hào)團(tuán)塊的激勵(lì)時(shí)長(zhǎng)和影響范圍是否達(dá)到圍欄策略預(yù)設(shè)門限值；

2.5.9 當(dāng)某激勵(lì)信號(hào)團(tuán)塊達(dá)到圍欄策略預(yù)設(shè)門限值，則系統(tǒng)發(fā)出入侵報(bào)警，報(bào)警信息包含時(shí)間、位置等內(nèi)容。

3 測(cè)試運(yùn)行

某軌道交通車輛段停車場(chǎng)周界長(zhǎng)度約3.6km，墻體上方安裝有硬質(zhì)網(wǎng)片，光纖振動(dòng)探測(cè)光纜采用“S 型”敷設(shè)，在監(jiān)測(cè)周界墻體上方的網(wǎng)片上，進(jìn)行綁扎安裝。

分別選擇無(wú)風(fēng)、微風(fēng)、大風(fēng)、下雨的天氣，進(jìn)行模擬攀爬激勵(lì)測(cè)試，統(tǒng)計(jì)報(bào)警率如表1 所示，報(bào)警正確率達(dá)到100%。

表1 模擬攀爬測(cè)試報(bào)警率統(tǒng)計(jì)

在常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)下，統(tǒng)計(jì)每月的誤報(bào)數(shù)量，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一年運(yùn)行，誤報(bào)次數(shù)統(tǒng)計(jì)如圖6 所示，誤報(bào)頻次≤3 次/月。

圖6 系統(tǒng)誤報(bào)次數(shù)統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

系統(tǒng)經(jīng)過(guò)1 運(yùn)行，誤報(bào)頻次≤3 次/月。進(jìn)行了多次模擬攀爬激勵(lì)測(cè)試，報(bào)警正確率達(dá)到100%。系統(tǒng)在充分發(fā)揮光纖傳感技術(shù)高靈敏度優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，在大風(fēng)、降雨、車輛經(jīng)過(guò)等眾多的外界因素干擾之下，能夠正確地識(shí)別和區(qū)分入侵行為和環(huán)境干擾，有效降低系統(tǒng)的誤報(bào)率，保證系統(tǒng)的報(bào)警正確率，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值，為城市軌道交通車輛段停車場(chǎng)的周界安全提供了可靠保障。