高鐵線路防入侵預警系統(tǒng)的研究

陳 昉

高鐵承載了更多的社會與經(jīng)濟發(fā)展的重任，維護高鐵線路安全是首要任務，由于高鐵沿線安保力量缺乏，僅憑目前的防護柵欄，極易造成不法人員侵入，而人防模式投入大，若不能實時發(fā)現(xiàn)安全隱患，難以查找隱患來源。

為有效解決人防能力薄弱，盡可能減小高鐵安全隱患，嚴密防范、及時發(fā)現(xiàn)并快速處置恐怖襲擊和破壞鐵路犯罪活動，高鐵線路建設一套防入侵預警系統(tǒng)迫在眉睫。入侵預警系統(tǒng)具有現(xiàn)場高清抓拍和錄像、阻擋和報警的防護特性。一旦有人想從柵欄等處闖入高鐵線路內(nèi)，預警系統(tǒng)可立即做出反應，達到安全隔離和防范的目的。本文通過對周界報警方案的分析，提出振動光纜技術的監(jiān)測方式，以及直流遠供結合的高鐵沿線防入侵解決方案。

1 防入侵預警系統(tǒng)技術方案研究

防入侵預警系統(tǒng)由2個子系統(tǒng)構成：周界告警子系統(tǒng)和視頻監(jiān)控子系統(tǒng)。結構上分為3層：探測層、接入聯(lián)動層和管理層。其總體構成如圖1所示。

圖1 防入侵預警系統(tǒng)構成圖

周界告警子系統(tǒng)通過探測層先進的科學技術手段及時感知、檢測入侵信號，并將檢測到的告警信號上傳至接入聯(lián)動層和管理層，由接入聯(lián)動層的告警周界接入服務器與視頻監(jiān)控子系統(tǒng)的接口服務器對接聯(lián)動，調(diào)取相關位置的攝像機進行入侵位置的實時監(jiān)控，對入侵行為及時感知。

2 振動光纜防入侵的原理和應用

2．1 振動光纜的技術原理

光纖傳感器是20世紀70年代中期發(fā)展起來的一種新型傳感器，它與傳統(tǒng)的傳感器相比具有眾所周知的優(yōu)勢：靈敏度高、抗電磁干擾、耐腐蝕耐高低溫、傳感光纖本身無源本質安全、無易老化部件、壽命長易維護、可監(jiān)測距離長，無源傳感光纜可達數(shù)十公里，多個單位可以級聯(lián)組成龐大的檢測系統(tǒng)等。

當光在光纜中傳輸時，由于光子與纖芯晶格間發(fā)生作用，不斷向后傳輸瑞利散射光，當外界有振動發(fā)生時，會引起光纜中纖芯發(fā)生形變，導致纖芯長度和折射率發(fā)生變化，背向瑞利散射光的相位隨之發(fā)生變化，這些攜帶外界振動信息的信號光，反射回光纖傳感器時，經(jīng)光學系統(tǒng)處理，將微弱的相位變化轉換為光強變化，經(jīng)光電轉換和信號處理后，進入計算機進行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)分析的結果，判斷入侵事件的發(fā)生，并確認入侵地點。

2．2 振動光纜的應用方法

振動光纜探測感應方案以光纜作為振動元，持續(xù)采集外界振動信號，并將振動信號轉化為干涉信號，傳送至光纖信號處理器，經(jīng)過智能分析及模式識別，通過后臺管理中心聯(lián)動視頻采集系統(tǒng)，判斷出不同的外部入侵行為，以及對可能威脅警戒防區(qū)的破壞、機械施工等行為實現(xiàn)預警，從而達到對侵入警戒區(qū)域周界的威脅行為進行實時報警監(jiān)測的目的。信號采集系統(tǒng)由振動光纜、防區(qū)采集器、終端盒及報警主機構成。如圖2所示。

振動光纜采用普通的鎧裝光纜敷設在水泥柵欄上，作為報警傳感器，采用單芯探測技術，它能夠將防護區(qū)域內(nèi)的微小機械振動 （即侵入者帶來的微小振動）傳遞到防區(qū)采集器，進行信號收集和分析處理；采集器對振動傳感光纜的振動信號進行分析、處理后，通過通信線路傳入報警主機，實現(xiàn)報警控制。報警主機采集振動光纜采集器輸出的報警信號，并顯示報警的防區(qū)號，通過客戶端可顯示電子地圖，準確反應出某個區(qū)域的報警信息，和NVR結合使用可實現(xiàn)視頻聯(lián)動的功能。

圖2 振動光纜探測感應方式原理圖

終端盒用于保護振動光纜末端接口和實現(xiàn)光信號轉化，以保證設備在各種惡劣的自然環(huán)境下正常工作。由于探測源采用光纜，其強度高、韌性好、耐寒、耐磨、耐油、耐高溫、耐水、耐老化、耐惡劣氣候等特性，使它具有高防水性、透濕性、防寒、抗紫外線等優(yōu)異功能。

2．3 周界報警的分類和比較

目前，周界報警主要有3種監(jiān)測方式：振動光纖、脈沖電子圍欄及紅外對射。3種方案均為目前安防市場主流報警信號采集方案，各方案適用于不同場合，主要優(yōu)劣比較如表1。

從表1中可看出3種報警信號采集系統(tǒng)各有特點。方案二智能脈沖感應 （脈沖電子圍欄）方式在高鐵線路環(huán)境中，抗干擾性不高，安裝難度大，防護安全性能和可靠性下降，尤其需全線供電，解決難度大；方案三遠紅外觸發(fā)感應（紅外對射）方式在高鐵線路環(huán)境中，誤報率極高，安裝難度高，極易造成探測漏點，防護安全性能和可靠性下降，不建議采用；方案一振動光纜探測感應方式在高鐵線路環(huán)境中，抗擾能力最高，防區(qū)整合簡單，整體安裝簡單，對人身無傷害，防護安全性能和可靠性高。

3 直流遠供的原理和應用方法

報警信號的監(jiān)測需要與視頻攝像頭進行聯(lián)動。沿途的視頻攝像頭眾多，且離基站 （直放站）機房均有較遠距離。采用常規(guī)辦法對攝像頭進行供電的電力電纜的線纜截面計算公式

其中：S為線纜截面；L為線纜長度；I為供電電流；A為導電率 （銅為57，鋁為34）；U 為受電設備允許壓降。由于各報警聯(lián)動攝像頭離基站 （直放站）機房的平均距離在1km以上，那么由公式（1）可知，為保證攝像頭的穩(wěn)定工作，需要大量粗線徑電力電纜。

3．1 直流遠供的原理

將－48V基礎電源在局端設備處經(jīng)過直流／直流變換，升壓為280V／380VDC輸出；經(jīng)遠供電力電纜傳輸?shù)竭h端設備；遠端設備將遠端獲得 （經(jīng)傳輸降壓）的電壓提升到穩(wěn)定的400VDC（不隨輸入電壓的波動而變化）；遠端設備的開關電源將400VDC變換到所需的工作電壓 （－48V），從而完成遠程供電，如圖3所示。

圖3 遠程供電模塊的實現(xiàn)框圖

3．2 直流遠供的應用方法

直流遠供系統(tǒng)由局端設備、遠供電纜和遠端設備組成，如圖4所示。在沿線的基站 （直放站）機房布設局端設備，將直流電壓提高，這樣，在受電功率不變的情況下，電流降低，線纜線徑可以大大降低，同時通過遠端設備的穩(wěn)壓降壓處理，將壓降保證在允許范圍內(nèi)。

針對高鐵的設備沿線布放的情況，設備采用鏈式結構布放方式，保證防區(qū)的攝像頭正常供電。

圖4 遠程供電組網(wǎng)圖

3．3 供電方式的比較

基于高鐵沿線的供電情況，沿途的弱電設備不宜從地方取電。遠端設備的供電主要有幾種：機房直供，太陽能 （風力）供電和直流遠供。供電方式比較見表2。

從表2中可見，直流遠供在電源的穩(wěn)定性、施工難度、維護便利方面均有優(yōu)勢，特別是在設備投資方面，由于降低了電纜的線徑，鏈式組網(wǎng)只需一根較細的線纜加上局端和受端設備，就能有效保證電力的正常。當然，如受電設備離機房距離很近，由機房直供，投資也較低。

表2 供電方式比較

4 結論

高鐵沿線設置防入侵預警系統(tǒng)，可提前發(fā)現(xiàn)意外情況發(fā)生的位置，及時投入力量終止犯罪。該系統(tǒng)可為高鐵系統(tǒng)實現(xiàn)現(xiàn)代化管理打下堅實基礎，對威脅安全的事件進行實時監(jiān)測，及時控制威脅事件的發(fā)生，對今后的安全管理效率有著重要的現(xiàn)實意義。

［1］ 史天運，張惟皎，李樊等．TJ／QT003－2015．高速鐵路周界入侵報警系統(tǒng)總體技術方案（暫行）［S］．2015．

［2］ 史天運，張惟皎，李樊等．TJ／QT005－2015．高速鐵路周界入侵報警系統(tǒng)振動光纖監(jiān)測設備技術條件（暫行）［S］．2015．