墻體型震動入侵探測技術(shù)在核電站中的應(yīng)用

鄧 麗

（三門核電有限公司，浙江 臺州 317112）

核安全在核能與核技術(shù)利用中至關(guān)重要，關(guān)系到其能否正常發(fā)展，關(guān)系到環(huán)境安全和公眾安全。核電站實物保護系統(tǒng)采用了探測、延遲及響應(yīng)的技術(shù)和措施，可以有效防止入侵者盜取或非法轉(zhuǎn)移核燃料。若核電站的保護區(qū)和要害區(qū)的某些廠房邊界無入侵探測設(shè)備，不滿足HAD501導(dǎo)則。因此，需要在墻體安裝入侵探測設(shè)備，能檢測高度為2.5m 范圍內(nèi)的墻體破壞行為。

1 墻體型震動入侵探測技術(shù)

1.1 工作原理

墻體型震動入侵探測器采用高精度MEMS 地震波探頭，可檢測到墻體上由于攀爬、敲擊、撞擊引起的微弱震動，探測靈敏度閾值可以設(shè)置。系統(tǒng)用于探測墻體破壞行為，與震動光纖或在圍欄上安裝探測器等探測技術(shù)相比，具有微弱信號識別能力強，不受天氣條件影響，易于安裝和調(diào)試等特點[1]。探測器布設(shè)在墻體上，距離地面高度1.5m，每一個的有效探測范圍為5m。

墻體型震動入侵探測器經(jīng)探測主機將報警信號傳送給核電站已有的周界入侵探測系統(tǒng)的報警控制器STARII，通過TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)與實物保護系統(tǒng)集成平臺連接，實時與其進行通信，完成系統(tǒng)指令。當(dāng)入侵發(fā)生時，它可以快速實現(xiàn)報警信號與閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)動，顯示相關(guān)報警區(qū)域的圖像，并記錄現(xiàn)場圖像供保衛(wèi)人員完成報警復(fù)核[2]。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖Fig.1 System network topology

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)由4 個部分組成，即前端探測部分、聯(lián)動控制部分、網(wǎng)絡(luò)傳輸部分和監(jiān)控中心部分（系統(tǒng)集成管理平臺），系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

1.2.1 前端探測部分

前端探測部分主要由墻體型震動入侵探測器、探測主機、支架附件等組成，通過對墻體上微弱震動信號的采集與融合分析，在控制中心報警處理功能模塊實現(xiàn)三級算法融合，最終輸出報警事件，并通過聯(lián)動控制部分完成報警聯(lián)動。

1.2.2 聯(lián)動控制部分

聯(lián)動控制部分由控制箱內(nèi)的視音頻編解碼器、I/O 控制器及墻體附近的攝像機等設(shè)備組成。現(xiàn)場報警聯(lián)動可通過聯(lián)動數(shù)據(jù)庫預(yù)設(shè)方案，結(jié)合用戶對現(xiàn)場響應(yīng)和指揮調(diào)度的要求，實現(xiàn)個性化聯(lián)動定制。

1.2.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸部分

系統(tǒng)中入侵探測設(shè)備、攝像機等設(shè)備均通過控制箱內(nèi)設(shè)備接入以太網(wǎng)交換機，交換機通過光纖組成主干通信網(wǎng)，并在中心機房完成信號匯聚。

1.2.4 監(jiān)控中心部分

監(jiān)控中心部分由控制中心服務(wù)器、報警平臺軟件組成，通過報警軟件客戶端及視頻管理客戶端，用戶可查看各防區(qū)的報警、故障及狀態(tài)事件，并設(shè)置、復(fù)核、手動控制相關(guān)的聯(lián)動設(shè)備，完成報警處置。

2 墻體型震動入侵探測技術(shù)在核電站的應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

2.1.1 前端探測部分布設(shè)方式

根據(jù)現(xiàn)場勘查結(jié)果，探測器布設(shè)間距為5m，距地高度1.5m，用支架和膨脹螺栓固定在墻體上。探測器之間用485控制線連接，線纜沿墻體水平方向使用鍍鋅鋼管敷設(shè)。探測器在遇到支撐立柱或通道門時需要特殊處理，在立柱上單獨布設(shè)探測器，或在通道門兩側(cè)安裝探測器，從通道門上方走線。探測器分左右兩路接入探測主機，探測主機安裝到控制箱內(nèi)，每層設(shè)一個控制箱，內(nèi)部安裝有電源、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。

2.1.2 聯(lián)動控制部分設(shè)計

聯(lián)動控制部分完成報警事件的聯(lián)動控制，主要包括前端聯(lián)動設(shè)備及與實物保護系統(tǒng)集成平臺的聯(lián)動部分。前端聯(lián)動設(shè)備主要由固定攝像機、視頻解碼器等，在20m ～25m 范圍內(nèi)安裝1 臺低照度固定攝像機。云臺攝像機只能用于監(jiān)控和跟蹤，不能用于視頻復(fù)核。因此，這里使用的是固定攝像機。

當(dāng)發(fā)生入侵報警時，該系統(tǒng)自動調(diào)出報警防區(qū)、相鄰防區(qū)的視頻畫面，由于系統(tǒng)前端探測部分可做到精確定位。因此，通過攝像機的預(yù)置位關(guān)聯(lián)和聯(lián)動，可快速準(zhǔn)確地將視頻定位到入侵報警點，使保衛(wèi)人員能迅速、直觀地掌握現(xiàn)場的情況。報警處理完畢后，攝像機可自動恢復(fù)到守望位。在這里保衛(wèi)人員進行視頻復(fù)核的作用是判定每一個入侵探測器報警的原因，確定其是否是入侵或誤報警或噪擾報警，若是入侵則向相關(guān)響應(yīng)力量提供一個入侵發(fā)生的具體信息，如入侵人員數(shù)量、發(fā)生入侵的位置、武裝情況等，并終止探測時間。

2.1.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸部分設(shè)計

每層安裝一個低壓控制箱，控制箱內(nèi)安裝光端機（1光口2 電口100M 帶寬），通過光纖網(wǎng)絡(luò)連接到保衛(wèi)控制中心實物保護機房。前端震動信號通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綑C房服務(wù)器，服務(wù)器通過光纖網(wǎng)絡(luò)下發(fā)控制命令到前端設(shè)備實現(xiàn)報警聯(lián)動。

網(wǎng)絡(luò)傳輸部分的質(zhì)量也很關(guān)鍵，因為前端很多入侵探測器的報警信號，需要依靠網(wǎng)絡(luò)來傳輸。一旦發(fā)生報警，與實物保護系統(tǒng)集成平臺的聯(lián)動后顯示在保衛(wèi)控制中心大屏幕上的最短時間決定了視頻復(fù)核的質(zhì)量。該時間越短越好，一般在1s ～2s 是可以接受的。

2.1.4 監(jiān)控中心部分設(shè)計

監(jiān)控中心部分由應(yīng)用服務(wù)器和應(yīng)用軟件構(gòu)成，實現(xiàn)了各部分之間的聯(lián)動，一旦發(fā)生入侵事件，可以聯(lián)動查看報警發(fā)生地點、歷史視頻與實時視頻等信息，并將電子地圖或視頻信息顯示在保衛(wèi)控制中心的大屏上，保衛(wèi)人員視情況啟動應(yīng)急預(yù)案，以便實現(xiàn)警情的分析判斷和及時處置。

圖2 系統(tǒng)在實物保護集成平臺的電子地圖Fig.2 Electronic map of the system in the physical protection integration platform

2.2 功能驗證

2.2.1 探測器性能特征

實物保護系統(tǒng)的前端探測器的性能特征指標(biāo)有探測概率、噪擾報警率和誤報警率。

其中，探測概率指在一個被入侵探測器覆蓋的區(qū)域內(nèi)探測到一個入侵者的可能性。探測概率等于感應(yīng)概率乘以復(fù)核概率；噪擾報警率指與入侵企圖無關(guān)的可預(yù)期的警報發(fā)生率；誤報警率指不是由于入侵企圖造成的，并且也不能歸結(jié)為已知原因的警報發(fā)生率。

2.2.2 驗證方式

在驗證系統(tǒng)功能時，在距離任意一個探測器2.5m 范圍，用鐵質(zhì)工具如鐵錘等連續(xù)敲擊墻體，驗證系統(tǒng)是否產(chǎn)生入侵報警并聯(lián)動現(xiàn)場固定攝像機；同時，監(jiān)控中心報警軟件接收到報警信息，包括防區(qū)編號、探測器編號、報警產(chǎn)生時間等內(nèi)容[3]，在實物保護系統(tǒng)集成平臺自動彈出報警區(qū)域的視頻畫面，保衛(wèi)人員據(jù)此對報警進行視頻復(fù)核、標(biāo)記及確認(rèn)處理。系統(tǒng)記錄歷史報警，可查詢并導(dǎo)出歷史報警記錄。

2.2.3 驗證結(jié)果

圖3 系統(tǒng)視頻錄像顯示Fig.3 System video recording display

系統(tǒng)調(diào)試后，新增墻體型震動入侵探測系統(tǒng)在實物保護集成平臺顯示的電子地圖如圖2 所示。可以看到，固定攝像機和墻體型震動入侵探測器的結(jié)合，使得保護區(qū)和要害區(qū)之間的三層墻體都被有效防護。

新增該系統(tǒng)后，調(diào)取相關(guān)區(qū)域的攝像機監(jiān)控圖像如圖3 所示。

用鐵錘敲擊墻體用來模擬破壞或入侵行為，系統(tǒng)探測概率為100%，誤報警率為0，報警響應(yīng)時間小于2s，在實物保護集成平臺的報警視頻彈出時間小于2s，并可記錄報警發(fā)生前后各15s 的視頻。

3 結(jié)語

墻體型震動入侵探測技術(shù)在核電站最先應(yīng)用于立體圍欄，針對核電站保護區(qū)和要害區(qū)之間的墻體需要被識別敲擊、撞擊引起的微弱震動，增加了該種技術(shù)作為探測，能有效提升核電站的立體防護能力。該系統(tǒng)在保護區(qū)和要害區(qū)之間的墻體上安裝，至今無誤報，且探測概率達到相關(guān)要求，應(yīng)用效果良好，相信在核電站會得到越來越廣泛的應(yīng)用。