南水北調中線干線工程智能安防系統(tǒng)研究與設計

諸葛梅君 陶付領

摘 要：南水北調中線干線工程是我國的重大戰(zhàn)略性基礎設施，規(guī)模大、渠線長、建筑物樣式多、交叉建筑物多，為了確保工程安全運行，依托國家重大科技專項課題，開展了協(xié)同探測、傳感器異常模式分類、統(tǒng)一運管平臺等基于物聯(lián)網的安防關鍵技術研究，開展了智能安防系統(tǒng)設計。系統(tǒng)由視頻監(jiān)控系統(tǒng)、智能電子圍欄和安防業(yè)務綜合監(jiān)控與信息平臺等部分組成，構建了中線干線工程立體化智能的“工程安全、供水安全、人身安全”技術防范體系。

關鍵詞：智能安防系統(tǒng);物聯(lián)網;視頻監(jiān)控;電子圍欄;智能聯(lián)動;南水北調中線干線工程

中圖分類號：TV672;TP277 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.12.027

Abstract：The Middle Route Project of SouthtoNorth Water Diversion is a major strategic infrastructure of China. The Project is in large scale， has a long channel route and involves a variety types of structures and a number of crossing structures. For ensuring the safe operation and management， and relying on the national scientific and technological research and development program， the research of key security technologies based on the Internet of Things had been conducted， including collaborative detection， abnormal mode classification of sensors and unified operation and management platform， and the design of intelligent security system was conducted for the project. The system was composed of video surveillance system， intelligent electronic fence system and integrated monitoring and information platform of security services. A threedimensional intelligent security system oriented on “engineering safety， water supply security and personal safety” of the project had been built.

Key words： intelligent security system; internet of things; video surveillance; electronic fence;intelligent linkage; Middle Route Project of SouthtoNorth Water Diversion

1 概 述

南水北調中線工程是緩解我國黃淮海平原水資源嚴重短缺的重大戰(zhàn)略性基礎設施工程，第一期從漢江丹江口水庫引水，多年平均年調水量95億m3，向河南、河北、北京和天津等四省（市）的19個大中城市及100多個縣（縣級市）提供生產生活用水。干線工程以明渠輸水方式為主，輸水渠線長達1 432 km，沿線河渠交叉建筑物、鐵路公路交叉建筑物、分水退水節(jié)制建筑物等各類建筑物數(shù)以千計，工程安全運行管理面臨極高的挑戰(zhàn)。

針對南水北調中線工程現(xiàn)地特點和保證工程安全、供水安全、沿線人民群眾生命財產安全（以下簡稱“三個安全”）防控要求，工業(yè)和信息化部專門設立了“新一代寬帶無線移動通信網”國家科技重大專項“面向南水北調工程安全的傳感器網絡技術研發(fā)”課題（編號：2014ZX03005001），由南水北調中線干線工程建設管理局牽頭，中科院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所、黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司等包括建設管理、科研設計、設備研發(fā)制造11家單位，立足本領域技術前沿開展新技術研發(fā)及應用研究，在多類型傳感器海量數(shù)據(jù)采集與處理、異構通信網絡協(xié)作傳輸與分布式存儲、多類型傳感器異常模式分類及數(shù)據(jù)庫構建、防入侵信息綜合處理平臺、網絡化運營管理平臺等方面取得了一系列重要成果。

2 主要技術難點

超長的防控距離、眾多的監(jiān)控節(jié)點、多類型巨量傳感器、海量監(jiān)控信息，對中線干線智能安防系統(tǒng)總體架構、信息采集、網絡傳輸、數(shù)據(jù)存儲、智能分析、異常處理、綜合決策等帶來了一系列技術挑戰(zhàn)，系統(tǒng)設計與實施在技術上面臨諸多困難。

（1）監(jiān)控環(huán)境復雜，傳感器類型多，數(shù)據(jù)融合難度大。中線干線工程規(guī)模巨大、渠線超長、建筑物類型繁多、環(huán)境復雜、安防要求高，傳感器布設量非常大，且沿線設有多個管理機構，導致系統(tǒng)架構十分復雜，數(shù)據(jù)融合難度很大。為滿足復雜條件下的“三個安全”的防控要求，在總干渠兩側不同監(jiān)控部位、重要工程節(jié)點、管理區(qū)等布設了多類型視頻監(jiān)控攝像機、一體化探測器、振動光纖、高壓脈沖圍欄等前端采集傳感器，傳感器類型多，傳輸網絡、接口技術、數(shù)據(jù)結構等不盡相同，融合難度大。

（2）多類型傳感器異常模式建立難，運管平臺智能性要求高。系統(tǒng)需要對視頻、振動、傾角、高壓脈沖、振動光纖等多類型傳感器采集的前端數(shù)據(jù)進行處理、特征提取、篩選、分類，建立大量的異常模式特征數(shù)據(jù)庫，以識別判斷入侵行為類型和真?zhèn)?不同類型的傳感網絡自成系統(tǒng)，傳感聯(lián)動控制復雜，統(tǒng)一運管難度大。

3 關鍵技術研究

3.1 多模感知信號的融合協(xié)同探測技術

傳統(tǒng)的目標檢測手段是利用雷達、聲納等對監(jiān)測區(qū)域內出現(xiàn)的目標進行檢測，重點和難點是目標信號的分析和處理。多模傳感器網絡技術可以綜合利用聲音、振動、紅外、微波、圖像等多種傳感器進行大范圍監(jiān)測區(qū)域的分布式檢測，可大大提高目標檢測的精度、可靠性和實時性。在多個節(jié)點對目標協(xié)同檢測是協(xié)同檢測算法設計的核心，也是多模傳感器網絡的特點和優(yōu)點。基于可靠性、資源消耗和系統(tǒng)壽命等方面的考慮，利用傳感器網絡中的多個節(jié)點對目標進行協(xié)同檢測時，先由各節(jié)點獨立判斷是否有目標出現(xiàn)，然后將結果發(fā)送到融合節(jié)點，最后由融合節(jié)點進行決策融合。為實現(xiàn)這一融合，研發(fā)了相同模態(tài)傳感器節(jié)點的目標協(xié)同檢測模型，以及對相同模態(tài)節(jié)點進行簡單閾值判決的協(xié)同檢測算法[1]。

智能安防系統(tǒng)前端采集各類探測器經過預處理后的信息，主要包括集成振動和傾角傳感器的一體化傳感器、脈沖圍欄、振動光纖信息，通過對這類信息進行綜合分析，并結合高清復核視頻與組合氣象信息傳感器數(shù)據(jù)，進行綜合處理，從而準確獲知安防入侵事件。

在安防信息平臺監(jiān)控中心，探測融合系統(tǒng)根據(jù)組合氣象傳感器探測到的氣象狀況，由專家系統(tǒng)通過自適應閾值算法對不同類型的傳感探測方式設定不同的檢測閾值，在各種天氣狀況下均能保證各探測方式的探測性能，達到避免虛警、漏警，提高探測準確率的目的。各傳感器探測到有目標入侵時，產生報警信號并輸送至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心通過傳感器布設位置列表對報警信號進行位置關聯(lián)，對相應區(qū)域的信息進行融合計算分析，發(fā)布相應控制命令。處理結束后，報警傳感器復位。其分析處理流程如圖1所示[2]。

3.2 視頻傳感器異常模式分類技術

圍繞南水北調中線干線在水質監(jiān)控和防入侵監(jiān)控中的實際應用需求，研究采用基于背景差分法和形態(tài)學相結合的檢測技術、基于深度圖數(shù)據(jù)的目標檢測和跟蹤技術、基于稀疏三維重建的行人檢測和跟蹤技術，實現(xiàn)越界入侵檢測、攀爬檢測、滯留檢測、漂浮物檢測、拋物檢測、人群聚集檢測和徘徊檢測等異常行為檢測識別功能[3]。

漂浮物檢測和墜物檢測是基于單攝像機系統(tǒng)進行的檢測，采用背景差分法提取前景區(qū)域，對提取的前景區(qū)域進行二值化、形態(tài)學濾波、輪廓提取，篩選出不完全覆蓋的較大、較充實緊致的矩形區(qū)域。該算法可自由劃定檢測區(qū)域，檢測過程中實時更新背景圖。背景差分法流程見圖2。

人群聚集檢測采用雙目立體視覺技術，通過雙目立體圖像的處理獲取場景的三維信息，其信息為深度圖數(shù)據(jù);利用基于深度圖數(shù)據(jù)的目標檢測與跟蹤等圖像處理算法，進行實時人流量統(tǒng)計;當區(qū)域內人流量數(shù)目達到一定閾值時進行人群聚集報警。該技術解決了二維圖像處理上的誤檢問題，提高了人群聚集檢測的準確性和實時性，其流程如圖3所示。

防入侵攀爬檢測、滯留檢測和徘徊檢測是基于短基線雙目立體視覺系統(tǒng)進行的檢測，針對短基線雙目立體視覺系統(tǒng)提出了一種基于稀疏三維重建的行人檢測與跟蹤算法，該方法能夠更好地應對場景光照變化和陰影干擾等問題，其流程如圖4所示。

3.3 基于WoT技術的統(tǒng)一運管試驗平臺

WoT（Web of Things）利用Web的設計理念和技術，將傳感器網絡/物聯(lián)網環(huán)境中的設備抽象為資源和服務能力連接到Web空間，搭建基于異構網絡和分布式終端的泛在應用開發(fā)環(huán)境，使得傳感器網絡上的嵌入式設備和業(yè)務更容易接入與訪問。從技術實現(xiàn)的角度來描述物聯(lián)網/傳感器網絡，其具有一些典型的特點：①不用Web Services，而用CoAP（或HTTP）作為應用層協(xié)議;②用REST接口將智能設備的同步能力開放出來，并且適用于整個面向資源架構（Resource Oriented Architectures）;③利用Web標準（Atom）或者服務器推送機制（Comet）將智能設備的異步能力開放出來。利用這些特點，使得智能設備的服務耦合性降低，同時也提供了一個統(tǒng)一的接口讓開發(fā)者更加容易運用。WoT可以真正釋放設備聯(lián)網的潛能，其目標是為所有被束縛在智能設備內部的信息提供統(tǒng)一資源標識符（URIs），使用標準的MIME來編碼這些信息，并且通過HTTP來傳輸這些信息[4]。

本研究通過WoT技術構建統(tǒng)一的運營管理平臺，根據(jù)用戶需求和傳感器管理功能不同，平臺分為應用平臺與管理平臺兩部分，兩者有機協(xié)同實現(xiàn)對WoT業(yè)務網關和感知層設備進行管理。平臺架構如圖5所示。

4 系統(tǒng)設計

南水北調中線干線智能安防系統(tǒng)由視頻監(jiān)控系統(tǒng)、智能電子圍欄系統(tǒng)、安防業(yè)務綜合監(jiān)控與信息服務系統(tǒng)及與之配套的數(shù)據(jù)存儲與管理、通信和計算機網絡等組成[5-7]。

（1）視頻監(jiān)控系統(tǒng)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)由前端視頻采集、語音告警、音視頻傳輸光纖網絡、后臺視頻數(shù)據(jù)存儲、顯示控制和音視頻管理等軟硬件組成，系統(tǒng)采用多媒體信息解壓縮技術、智能視頻分析以及網絡通信等技術實現(xiàn)實時高清數(shù)字圖像監(jiān)控。中線干線安防各監(jiān)控點采集的視頻數(shù)據(jù)通過光纖網絡實時傳輸至各現(xiàn)地站，匯聚存儲至NVR視頻存儲平臺，管理處、分公司、總公司各級管理機構通過業(yè)務內網實時視頻監(jiān)控工程各區(qū)域或調取歷史視頻數(shù)據(jù)。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)覆蓋范圍為中線干線工程輸水線路全線沿渠及重要設施區(qū)域，按渠道、閘站、左排、橋梁、渡槽、倒虹吸、居民區(qū)、工礦企業(yè)等各類工程建筑物及其安全風險等級，分類布設不同性能的高清視頻監(jiān)控攝像機，形成輸水線路全線視頻監(jiān)控全覆蓋;高填方渠段、半挖半填與全挖方渠段攝像機根據(jù)地勢、渠道走向、視線遮擋情況等單側或雙側交叉布設，全明渠段1 197 km平均每500 m左右布設一個，重點部位加密安裝，對有閘站、左排、渡槽、倒虹吸、橋梁、渠道大門、居民區(qū)、工礦企業(yè)的位置，就近布設攝像機。全線共設計安裝各種類型的高清視頻攝像機2 800多套，實現(xiàn)了干渠全線及重要設施區(qū)域高清晰、無死角、全天候智能遠程監(jiān)控。

（2）智能電子圍欄系統(tǒng)。智能電子圍欄系統(tǒng)是為保障中線干線的工程、供水及人身安全，利用先進的物聯(lián)網技術結合監(jiān)視區(qū)域的物理圍界，在輸水線路沿渠及重要設施區(qū)域建立針對其安全監(jiān)控的防入侵周界圍欄，形成輸水線路沿線外部入侵自動感知、預警、阻擋，防止人員非法進入，與視頻監(jiān)控、語音告警系統(tǒng)聯(lián)合，對翻越、破壞、偷盜、占壓等非法行為進行威懾、阻擋和取證，做到事前發(fā)現(xiàn)、延緩入侵、事后取證。主要由傳感探測分系統(tǒng)、信息傳輸分系統(tǒng)、監(jiān)控處理分系統(tǒng)和供電保障分系統(tǒng)等組成，如圖6所示。

據(jù)現(xiàn)地安防對象的性質、等級、范圍和投入不同，前端采用不同的探測手段，主要包括振動光纖、一體化探測、脈沖電子圍欄等先進傳感技術，不同工作原理的多種探測器組成協(xié)同感知的防入侵監(jiān)測系統(tǒng)，能實時發(fā)現(xiàn)入侵或異常事件，及時向安防監(jiān)控中心發(fā)出報警并準確定位目標，記錄存儲報警時間、入侵位置等信息。

根據(jù)中線工程需求實際，智能電子圍欄系統(tǒng)覆蓋中線干線工程重要明渠段、重要工程節(jié)點管理區(qū)、暗渠段獨立通信站園區(qū)等區(qū)域，敷設振動光纖1 800 km、部署一體化傳感器2 500多套，與視頻監(jiān)控、語音告警系統(tǒng)聯(lián)動，形成了對周界入侵自動感知、告警、預警、阻擋等完整的防控體系。

（3）安防業(yè)務綜合監(jiān)控與信息服務系統(tǒng)。安防業(yè)務綜合監(jiān)控與信息服務系統(tǒng)是南水北調中線干線工程安防系統(tǒng)服務功能的最高層次應用，系統(tǒng)由電子圍欄、視頻監(jiān)控、綜合監(jiān)控平臺、傳感設備分級管理、訪問權限管理、報警信息管理、安防信息服務、數(shù)字安防等子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)綜合運用信息門戶、GIS、智能分析等技術，集成視頻監(jiān)控、電子圍欄等海量監(jiān)控信息，以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫和應用支撐平臺為基礎，通過多類型傳感器海量數(shù)據(jù)分析處理、多節(jié)點映射協(xié)同探測、智能視頻分析、多類型異常模式分類、異構網絡協(xié)同等諸多物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)技術，構建了面向中線總公司、分公司和管理處的三級應用平臺。實現(xiàn)了現(xiàn)地安防事件自動識別、自動報警、實時分析、智能聯(lián)動、遠程智能精準監(jiān)管與控制，構建了中線干線工程立體化、可視化、智能化的“三個安全”技術防范體系。

5 建設運行

南水北調中線干線智能安防系統(tǒng)于2014年8月開工建設，全線分為7個標段同步實施，2017年4月完工投入使用，全天候運行，狀態(tài)良好，系統(tǒng)便捷、靈敏、可靠、智能。系統(tǒng)運行以來，中線干線工程各類建筑物巡查強度和密度大幅增加，周邊環(huán)境得到密切監(jiān)視，工程安全、供水安全得到有效保障;及時阻止了大量人員非法進入渠道，對翻越、破壞等行為形成了有效威懾和阻擋，強化了監(jiān)管力度，顯著降低了事故發(fā)生率;安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)

在汛情監(jiān)測、預警預報、工程抗洪搶險、社會治安事件證據(jù)追溯、新冠疫情防控期間保障運管人員健康安全等多方面發(fā)揮了重要作用，已成為中線干線工程的“千里眼”“順風耳”，成為工程各級管理者不可或缺的管理利器，為南水北調中線干線工程安全運行提供了堅實保障。

6 結 語

南水北調中線干線智能安防系統(tǒng)依托國家重大專項研發(fā)，具有多項創(chuàng)新成果，是目前國內外應用距離最長、建筑物類型最多、運行條件最復雜、技術要求最高的水利工程智能安防系統(tǒng)，是集物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)、GIS、數(shù)字視頻、智能分析、光纖通信、計算機網絡等諸多技術于一體的綜合高科技集成。其融合了海量傳感數(shù)據(jù)采集處理、異構傳感網絡信息傳輸、數(shù)據(jù)存儲融合、入侵模式識別和系統(tǒng)間聯(lián)動、智能視頻分析處理、預警預報、綜合信息平臺等基于物聯(lián)網的安防關鍵技術，可有效支持對復雜地質、氣象、水文、水利、水質、違規(guī)入侵等狀態(tài)的監(jiān)控，異常情況模式庫構建，異構傳感器網絡協(xié)作傳輸?shù)取；赪oT技術的統(tǒng)一運營管理平臺實現(xiàn)了對“工程安全、供水安全、人身安全”等三類信息的綜合監(jiān)控與管理。系統(tǒng)設計與建設成果對國內外長距離輸調水等類似超長線性工程安全防護系統(tǒng)的設計與建設具有重要借鑒意義。

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【責任編輯 張華巖】