光柵陣列振動入侵報警技術在高速公路收費站的應用

劉 鑫

(福建省高速公路集團有限公司莆田管理分公司 莆田 351100)

福建省高速公路集團公司在“十四五”規劃中明確提出：“要著力搶抓“交通強國”先行區、交通與新基建融合發展等新契機，更好地發揮先行官作用，高標準建設好高速公路基礎設施。其中，收費站無人值守智能管理將是高速公路基礎設施發展的重要一環。但是收費站無人化后的安全防護技術還處于探索階段，如何有效保護收費站設備的安全和阻止非法入侵，仍是現階段收費站無人化管理的難題之一。

在此種需求之下，本文提出一種基于光柵陣列振動入侵報警技術的高速公路收費站安全防護系統。該系統可以對收費站的重點區域進行實時監測，一旦發生人為入侵行為，就會向控制中心發出報警，并聯動攝像頭播放報警畫面。

1 周界預警系統國內外研究現狀

光纖周界預警系統是可以針對威脅周界安全的突發事件進行監控的先進防御體系，符合應急管理體系的建設要求。與激光防護、紅外對射、張力圍欄、靜電感應、高壓電網、電子圍欄幾種常見安防方式進行性能實施等對比，對比結果見表1。

表1 周界安防系統對比圖

在性能方面，光纖周界預警系統明顯優于其他幾種方式，尤其不會受天氣影響。

在實施方面，施工靈活、簡單，比其他幾種方式更加具有可實施性，大大縮短現場布設的工期。

從成本來看，周界光纖不僅使用壽命長、而且維護費用較低，因此，其成本低于其它方式。

相對于其它安防方式采用硬件劃分分區，光纖周界系統采用軟件對防區進行邊界布防，操作更加靈活簡便，能夠適應現場的各種復雜情況。

2 光纖周界安防系統介紹

光纖網絡通信具有頻帶寬，損耗低，重量輕，抗干擾能力強，保真度高，成本低等特點。除了將光纖用以通信外，光纖自身還可作為傳感器。當光在光纖中傳輸，遇到光纖彎曲、拉伸、高溫等事件時，會產生散射、反射現象，反射的光信號會攜帶傳感信息，然后再利用光通信將傳感信號傳輸至數據分析端，提取振動信息即可實現周界安防技術。在周界安防方案設計中，其他幾種方案除了要考慮傳感器的敷設，還要考慮傳感信號的傳輸。光纖周界安防技術可完全替代其他安防方式，在傳感器敷設的同時，其傳輸信號網絡也同時搭建完成，在擁有優秀防御能力的同時兼具了通信能力。

除此之外，光纖周界可以快速、方便地架設在圍欄、網片、磚墻等多種防御介質上，也可淺埋地下，甚至直接放置于水下和地表。這些優勢使光纖周界安防在野戰條件下優勢更明顯。以色列MAGAL、英國OptaSense(美國LUNA并購)、澳大利亞FFT、意大利吉斯等公司，已將光纖周界安防技術應用于軍事目標和國境線防入侵監控。

目前國內從事光纖周界安防產品研發及解決方案的公司主要分成三類：①國外光纖周界產品品牌公司的產品代理及服務供應商。通過這一渠道，國外公司的光纖周界產品進入中國市場。但受限于產品價格、技術壁壘限制及維保速度限制等原因，國外公司在中國市場的競爭力有限，例如，以色列邁高公司、澳大利亞FFT公司、美國BEI公司等；②具備自主研發能力及產品生產能力的國內光纖傳感行業的高新技術公司。如：武漢烽理光電技術有限公司、威海北洋光電子科技有限公司、上海波匯光電技術有限公司等；③安防產品綜合服務供應商，他們并不專注于產品研發，而是結合市場需求，進行周界安防設備選型，以工程服務集成商的名義進行光纖周界產品的集成與銷售。

3 光柵陣列測振技術介紹

3.1 技術概況

光柵陣列周界入侵系統采用的是分布式測振技術，該技術采用大容量光柵陣列傳感器實現分布式光纖振動傳感網絡，是一種高精確、高靈敏的分布式測振技術。其核心為武漢理工大學姜院士團隊研制，并獲得了國家技術發明二等獎的光纖光柵在線刻寫技術，在拉絲塔拉制光纖的同時，動態在線、連續地將傳感光柵刻寫到光纖上，形成光柵陣列[1]。光纖上的每一個光柵都可以感知外部的振動信號，通過對光柵返回的光信號進行實時采集、分析和處理，對振動入侵事件進行準確判斷。

3.2 技術原理

光柵陣列測振技術基于干涉技術實現大范圍、高靈敏度和高頻響應的振動信號探測。該技術傳感部分是由光柵陣列組成的傳感網絡，不僅可以感知光纖上任意位置的振動響應，同時解決了分布式振動傳感中的多點定位問題。通過干涉儀提高振動信號傳感的頻率響應，利用3×3耦合器相位解調算法重建時域信號，還原了振動信號的相位信息，完成振動頻率和幅度的解調，結合光時域反射儀(OTDR)技術實現多振動源的即時定位，其技術原理見圖1[2-3]。

圖1 技術原理圖

4 高速公路收費站安全防護系統

4.1 系統概述

基于光柵陣列振動入侵報警技術的高速公路收費站安全防護系統，由光柵陣列振動入侵報警系統為基礎，兼具了數據分析、模式識別、智能報警和聲光驅離、多級數據傳輸等功能。以光柵陣列和視頻攝像機作為傳感器，實時監控整個防區的安全情況。當系統判斷到外界入侵后，會向監控室推送報警信息，對報警位置進行精確定位，并動用聲光報警設備及時對入侵發生處進行聲光(廣播和喊話功能)驅逐。

4.2 系統架構

安全防護系統的系統架構由三部分組成。系統結構圖見圖2，分為探測感知系統、數據采集與分析系統、聯動控制系統。

圖2 系統結構圖

4.2.1探測感知系統

探測感知系統主要包括振動傳感光纜及末端器，實時感知探測區域的振動信號，并將該振動信號反饋回光纖信號處理器。其光纜采用埋地和掛網2種光纜結合的方式敷設在收費站的圍墻和重點區域(配電房、水泵房等)。埋地與掛網的光纜組成時間連續、空間立體的傳感網，一旦有人闖入傳感網，便會將闖入信號發送到數據采集與分析系統，輸出報警信號。

4.2.2數據采集與分析系統

數據采集與分析系統主要包括振動入侵解調儀、系統分析服務器。振動入侵解調儀為振動傳感光纜提供光源，并將振動傳感光纜反饋回的攜帶振動信息的光信號進行解調，再將解調的信號通過網絡上傳至系統分析服務器。系統分析服務器獲取到解調后的振動信息以后，通過振動入侵模式識別算法，對振動信息進行實時分析，經過判斷后輸出相應信號。

4.2.3聯動控制系統

聯動控制系統主要包括中控顯示大屏，監控攝像機、聲光報警器等可擴展設備。中控顯示大屏對防區狀態進行實時顯示與調控，監控攝像機以輔助形式感知外界信息，與振動傳感光纜協同探測，增加安防系統的準確性。

4.3 系統創新點

本系統以光纖傳感技術為依托，結合基于過程的模式識別算法，搭建物聯網監控平臺，最終形成一套完整的實時監控系統。

4.3.1分布式振動立體傳感網絡

系統使用超大容量的陣列光柵作為振動傳感器，可對監測區域平面進行定位。本系統在該基礎上，對光纜進行埋地和掛網并行敷設，將原本二維的探測平面轉化為三維立體模型，在水平面和垂直面同時進行感知，形成光柵陣列立體傳感網絡,傳感網絡圖見圖3。

圖3 光柵陣列立體傳感網絡圖

比起其他的點式傳感器，本系統的傳感單元的優勢除了分布式傳感以外，還有立體感知空間，增加了探測范圍，振動信號更能還原實際的振動事件[4]。

4.3.2基于過程的模式識別算法

本系統采用基于過程的模式識別算法。當發生振動入侵時，通過對埋地光纜和掛網光纜的振動數據進行解析，可極大地增加入侵行為的識別率，從而降低誤報率。

其算法分為2個過程，第一階段系統首先采集埋地光纜發出的振動信號，通過時分復用方法定位后，利用機器學習模型區分人類行為和動物行為；第二階段采集掛網光纜發出的振動信號通過振動入侵模式識別算法，將采集到的信號識別為風激振動、人為搖晃、人為攀爬等信號，最終輸出報警信息[5-6]。模式識別流程圖見圖4。

圖4 模式識別流程圖

5 系統應用案例

5.1 設計方案

在某收費站管理處周界圍墻處選用光柵陣列埋地和掛網2種光纜結合的方式實現收費站的圍墻和重點區域(配電房、水泵房等)入侵監測和報警，同時設置智能視頻攝像機用于抓拍和取證；在收費站出入口采用了2根埋地光纜和智能視頻探測器集合實現收費站出入口和車道出入口的入侵和模式識別(人、自行車、摩托車、車牌識別等)；在院區和車道上安裝了聲光驅離設備用于驅離入侵人員[7]。平面布置圖見圖5。

圖5 收費站平面布置圖

5.2 安裝

根據上節4.1的設計方案，對管理處圍墻、收入站，出入口等處進行光纜的安裝敷設，其中院區圍墻約600 m，收費站出入口長度約50 m。

本方案實施需要光柵陣列信號處理器主機1臺，振動探測光纜2 km，傳輸光纜500 m，采用掛網與埋地并行的方式實現管理處周界圍墻的入侵探測功能，收費站出入口采用2根表貼振動探測光纜和智能視頻探測器結合的方式實現收費站出入口的入侵探測及智能識別功能。光柵陣列信號處理器、管理終端等安裝在管理處控制室的機柜中。掛網與埋地并行方式安裝見圖6 ，表貼光纜安裝見圖7，安裝在入口減速帶的下方。

圖6 光纜在重點區域的圍墻安裝方式

圖7 光纜在收費站車道上的安裝方式

5.3 平臺軟件

平臺軟件對系統狀態實時監測，可以手動布撤防，入侵報警等功能。系統通過軟件算法，實現對前端振動信號的分析和識別，對入侵擾動實現3 m的高精度定位。可對風、雨、雷電、其它環境振動及小型動物的干擾進行有效的識別和過濾。

系統支持資源分級用戶權限管理功能，可以滿足200組個人操作密碼與30種可編程防區功能。

系統同時可以兼容多種視頻平臺與報警器在軟件平臺進行聯動，當發生報警時，攝像頭接收到報警信號實時播放入侵畫面，同時報警主機接收到報警信號并上傳到報警網絡，現場人員及時趕到制止入侵行為。

6 結語

隨著ETC電子收費、智能化全自助收費系統和在線式智能聯網收費系統的逐步推廣應用，人工使用率將大幅降低。本系統的開發應用，實現車流量較小的收費站在減少管理人員或采用無人化管理情況下，保障收費站站區安全管理和收費票道行人非機動車闖入高速公路的管控。該系統能夠有效地減少誤報率引起的虛報影響，達到檢測精準、判斷準確、針對性強等需求。