一體化集成的站臺端部入侵報警系統設備設計與實現

孫芯彤

摘? 要：針對站臺端部入侵檢測應用場景需求，進行一體化集成的站臺端部入侵報警系統設備的研究開發。設備集成了激光雷達、攝像頭、超寬帶定位模塊、LED屏、語音模塊和報警燈六大模塊，通過自研的主控板進行數據采集、處理和視頻智能分析，在前端設備上實現了探測、處理和報警功能。設備可以有效識別站臺上人員的非法入侵行為，使旅客安全得到有效保障，讓站臺端部管理切實可行。

關鍵詞：站臺端部入侵；激光雷達；超寬帶定位；智能分析

中圖分類號：TP 277；TP311.5? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）15-0058-06

Design and Implementation of Intrusion Alarm System Equipment of Integrated Platform End

SUN Xintong

（Communication Information Group Co.， Ltd.， Beijing? 100070， China）

Abstract： According to the requirements of intrusion detection application scenario of platform end， this paper carries out the research and development of intrusion alarm system equipment of integrated platform end. The equipment integrates six modules， namely， laser radar， camera， ultra-wideband positioning module， LED screen， voice module and alarm light， and carries out data acquisition， processing and video intelligent analysis through the self-developed main control board， realizing the detection， processing and alarm functions on the front-end equipment. The equipment can effectively identify the illegal intrusion of personnel on the platform， ensure the safety of passengers and make the management of the platform end feasible.

Keywords： intrusion of platform end; laser radar; UWB positioning; intelligent analysis

0? 引? 言

近年來，鐵路建設高速發展，截至2022年底，全國鐵路營業里程超過15萬千米。目前仍存在部分旅客或非法人員試圖通過站臺端部逃票而闖入鐵路線路的行為，這類事件的發生極大地影響了鐵路運營秩序。交通部《高速鐵路安全防護管理辦法》、原鐵路總公司《中國鐵路總公司關于實施鐵路客運提質計劃的指導意見》和客管函37號文中都明確指出要在高鐵車站站臺端部部署防入侵報警裝置，同時給出了總體技術方案。傳統的站臺端部防護入侵通過鐵柵欄、鋼絲籬笆網等物防手段來實現，更進一步的有脈沖電子圍欄、微波陣列傳感探測、多維三鑒復合傳感探測等技防手段，此類物防和技防防護手段經常面臨被非法破壞的問題，無法對非法入侵人員進行有效防護。隨著人工智能技術的發展以及軍用微波雷達民用化的趨勢，萌發出各類站臺端部入侵檢測設備。但是單一的非智能化報警設備，容易造成誤報率高的問題，會增加更多的站臺管理工作。目前，站臺端部入侵檢測系統正不斷向集成化、多功能化、智能化方向發展，集成聲、光、電等多類傳感信息。

1? 研究現狀

目前，比較成熟的站臺端部入侵報警系統的前端設備主要可以分為三大類。

第一類是通過智能攝像機來實現站臺端部入侵檢測，采用人工智能機器深度學習技術，對人員進行精確探測與分析，實現對非法入侵人員的分析識別。此類設備存在易受環境影響的問題，光線變化很容易引起誤報，更換環境和場景需要重新訓練和學習。

第二類是微波雷達和視頻集成，有分體式和一體式兩種，采用微波雷達對一定半徑內的運動目標進行數據采集，可自行設定預警區域、報警區域等多級防區，利用攝像機對入侵人員畫面提取抓拍、報警錄像，攝像機檢測站臺區域入侵人員并進行視頻錄像以便管理人查閱取證。此類設備存在微波雷達探測精度低、誤報率高的問題。

第三類是一體式激光雷達和視頻設備，同時集成聲光報警模塊實現站臺端部入侵檢測報警。此類設備存在列車經過誤報率高的問題。

本文提出的一體化集成的站臺端部入侵報警系統設備使用激光雷達代替毫米波雷達，提高了探測精度。同時設備內嵌智能分析算法能夠很好地減少列車經過造成的誤報，超寬帶（Ultra Wide Band， UWB）定位模塊來區分旅客和工作人員，進一步減少誤報。設備采用嵌入式開發技術，前端設備即可實現探測、處理以及報警多功能一體化，減少后臺服務器數量，進一步降低整體工程成本。

2? 設備實現

2.1? 總體框架

一體化集成的站臺端部入侵報警系統設備可以有效識別站臺上人員的非法入侵行為，有效地保障旅客安全，讓站臺端部管理變得切實可行。設備通過主控板進行數據采集、處理和視頻智能分析，在前端設備上實現了探測、處理以及報警功能。設備主要包括探測子單元、硬件子單元、結構子單元、軟件子單元四個子單元，其中探測子單元包括激光雷達、攝像頭、UWB定位模塊、LED顯示屏、語音模塊和報警燈；硬件子單元包括通信控制模塊、電源轉換模塊和數據處理模塊；結構子單元包括外部結構外殼和內部各個模塊安裝配件；軟件子單元通過嵌入式軟件實現數據采集、分析處理、報警等功能，通過內嵌Web實現設備配置、防區繪制、報警聯動配置等功能。設備總體組成圖如圖1所示。

2.2? 探測子單元

2.2.1? 激光雷達

激光雷達主要實現對周圍360°環境進行二維掃描探測，通過測量調制激光的發射、返回時間差來測量物體與雷達的相對距離，給出目標的位置、速度等特征量。激光雷達探測距離不小于20 m，水平探測角度不小于180°，多目標識別數量不低于40個。

2.2.2? 攝像頭

網絡攝像機可以實時進行視頻數據監控，實現視頻數據的采集功能。攝像頭分辨率為1 920×1 080，鏡頭焦距為4 mm，通信接口為10 M/100 M自適應以太網接口，連接至交換機。

2.2.3? 定位模塊

UWB定位模塊由UWB基站及UWB標簽卡構成，核心芯片為DW1000芯片。DW1000是一個完全集成的低功耗射頻收發器，遵循IEEE 802.15.4-2011超寬帶標準。它可以被用于雙向測距或者TDOA定位系統中，精度為10 cm。

2.2.4? LED屏

LED顯示屏模塊由LED顯示陣列、顯示控制板及開關電源組成，用以將預警或報警信息進行顯示，起到提醒工作人員和站臺入侵人員的作用。

2.2.5? 語音模塊

語音模塊包括揚聲器與功放板，揚聲器與功放板進行連接，實現語音播放功能。功放板將主控板中的音頻輸出信號進行放大，用以驅動揚聲器進行聲音播放。功放板音量可調，其最大聲壓級不應小于90 dB，在其播放范圍15 m位置的播放聲壓級高于背景噪聲10 dB。

2.2.6? 報警燈

報警燈模塊采用高亮度LED燈珠，亮度高、好識別，聚苯乙烯聚光罩鏡面反射實現更強警示。外殼材質為不親水防雨型ABS工程塑料。

2.3? 硬件子單元

一體化集成的站臺端部入侵報警系統設備硬件子單元由訊為RK3399開發板、網絡攝像頭、激光雷達、UWB基站及標簽、音頻功放、喇叭、LED顯示屏、防拆開關、聲光報警燈及交換機構成。設備電氣整體采用AC220 V 50 Hz交流電壓進行電源供應，電氣系統由空氣開關、防雷器、開關電源組成；設備通信分為有線通信和無線通信兩種方式，有線通信由UART串口和網口實現，UART串口波特率為115 200 bit/s，網口采用10 M/100 M自適應以太網接口；無線通信由UWB實現。硬件連接總體框圖如圖2所示。

訊為RK3399開發板采用瑞芯微六核（雙核Cortex-A72+四核Cortex-A53）64位處理器，主頻

1.8 GHz，GPU Mali-T860，支持4K H.265/H.264視頻解碼，支持OpenGL，控制性能優越。訊為RK3399開發板集成UART串口、千兆網口、USB TypeC接口、音頻接口、GPIO接口，可以滿足一體化集成的站臺端部入侵報警系統設備中的全部硬件接口需求。

開發板接口介紹：

UART串口：連接設備中的UWB基站，實現UWB基站與開發板之間的定位信息交互；

千兆網口：連接設備中的攝像頭、激光雷達及LED顯示屏，實現視頻數據的采集、距離信息探測及LED顯示文字的控制；

USB Type-C接口：開發板程序下載接口，利用此接口可以對瑞芯微RK3399模塊進行刷機操作；

音頻接口：開發板上為3.5 mm音頻接口，外接功率放大模塊，實現開發板音頻信號輸出與放大；

GPIO接口：利用開發板上的GPIO接口實現外接繼電器的通斷控制，從而實現聲光報警燈的開關控制。

2.4? 結構設計

一體化集成的站臺端部入侵報警系統設備在結構上由4個獨立的模塊組成，分別為本體組件、顯示屏門組件、鉸鏈組件和銘牌組件；本體組件和顯示屏門組件兩個模塊通過鉸鏈組件相連，便于顯示屏門與本體進行物理分離；銘牌組件和本體組件采用M2.5×8的十字盤頭組合螺釘緊固，通過人工方式即可拆裝。結構設計整體圖如圖3所示。

顯示屏門組件主要用于報警的語音和文字提示等，由門框組件、LED顯示屏、LED控制板、開關電源、喇叭、門鎖、布線槽等組成；本體組件主要用于距離信息探測、視頻數據采集、入侵報警及柜門防拆等，由后殼組件、雷達組件、電源空開防雷器組件、功放板、主控板、交換機、攝像頭、警示燈、防拆開關、防水接頭、布線槽等組成。鉸鏈組件采用整體外購成品的形式，材料為不銹鋼；牌組件采用不銹鋼拋光和絲網印字的成型形式進行設計。機械接口：地腳螺栓固定，采用4個M8×60的不銹鋼六角螺栓（8.8級）固定。電氣接口：機柜底面中間甩線，如圖4所示。

2.5? 軟件設計

2.5.1? 軟件總體概述

軟件總體主控采用瑞芯微RK3399平臺，通過探測子單元復合輸入對入侵目標進行識別，這里探測器復合輸入指的是激光雷達、攝像頭以及UWB模塊，其中激光雷達實現對目標的發現，攝像頭用于對目標是人或者其他進行判斷，UWB模塊主要判斷是工作人員還是入侵人員。通過報警邏輯模塊實現對入侵目標的發現以及外設聯動報警，報警輸出主要指對報警器、語音模塊、LED顯示屏的控制，同時設備支持報警信息上報設備配置主要通過內嵌Web實現，通過IP訪問設備，實現設備信息的展示及配置。

2.5.2? 軟件總體流程

設備上電開始之后，首先進行網絡配置保證各個探測模塊數據傳輸暢通，網絡配置完成后可根據需求在管理界面對各個探測模塊進行更加詳細的系統參數配置。產品可設定預警區域、警戒區域2級防區。雷達探測模塊對防區內運動目標搜索定位，之后通過通信控制板把雷達探測模塊探測的目標方位距離信息傳輸到數據處理模塊進行分析，同時數據處理模塊針對圖像中目標進行監測識別，如果是小動物或其他非人員目標則忽略。如果是人員則啟動UWB模塊，UWB模塊對人員屬性進行對比，判別是工作人員還是旅客，工作人員則忽略，若為旅客則啟動報警。觸發報警后通信控制板調度視頻探測模塊提取抓拍、報警錄像，報警器會閃光告警，Speaker會進行語音告警，LED屏顯示相應的文字提示。軟件總體流程圖如圖5所示。

軟件主要界面圖截圖如圖6所示，設備配置示例為防區配置界面截圖，如圖7所示。

3? 設備主要功能

3.1? 用戶登錄及密碼修改功能

設備提供用戶登錄功能，授權用戶可以通過輸入正確的用戶名和密碼之后進入web界面。應提供對用戶編輯，密碼修改的功能。

3.2? 設備配置功能

設備配置功能包括時間配置（手動配置和自動獲取時間配置）、網絡配置（包括手動設置網絡和自動獲取網絡兩種）、安全配置（SSH使能配置）功能。

3.3? 設備升級與重啟功能

系統Web具備遠程升級功能，包括應用程序升級和配置文件升級，具備一鍵重啟功能。

3.4? 安全區域設定功能

支持對站臺端部安全防護區域進行劃分，可劃分為安全預警區域和安全警戒區域。區域范圍可靈活調整，安全防護區域應覆蓋站臺端部和站臺端部進出股道區域。支持在Web界面繪制任意多邊形防區，防區數量最多支持8個，可以自定義名稱。預警區默認顏色為綠色，警戒為橙色。警戒區默認為深黃色，警戒為紅色。

3.5? 身份識別功能

對進入安全防護區域的人員進行身份識別，自動判斷是否持有授權的身份識別卡，有則不觸發預警及警戒，此功能開關可通過操作終端設置。設備應提供卡片配置功能，包含增加和刪除。根據序列號添加卡片，可定義名稱，點擊啟用。

3.6? 入侵行為報警功能

設備支持實時探測入侵事件，并支持將探測到的入侵事件的報警信息上傳至監控中心，報警信息由防區號及報警事件類型組成。

3.7? 預警區聯動功能

系統支持目標進入預警區可以聯動LED顯示屏顯示旅客止步（可自定義）。支持目標進入預警區可以聯動Speaker播放旅客止步語音提示（可自定義）。支持預警區警報解除的消警功能。系統支持用戶自定義聯動LED和Speaker功能。

3.8? 警戒區聯動功能

系統支持目標進入警戒區可以聯動LED顯示屏顯示禁止通行（可自定義）。支持目標進入警戒區可以聯動Speaker播放禁止通行語音提示（可自定義）。支持目標進入警戒區可以聯動報警燈閃爍。支持聯動視頻錄像取證功能。支持警戒區警報解除的消警功能。系統支持用戶自定義聯動LED、揚聲器、報警燈功能。

3.9? 布撤防消警功能

支持在Web界面顯示布防與否標記，布防顯示標志，撤防刪除標志。消警為對布防狀態下報警消除所有防區。系統支持對預警區和警戒區時間自定義布防設置，同時支持一鍵布防，一鍵布防默認24小時均布防。

3.10? 語音報警及報警信息編輯功能

設備具備報警音配置，支持wav格式。預警區默認“您已進入預警區請立即離開”，警戒區默認“您已進入警戒區請立即離開”。支持音量硬件調節功能。默認在報警未恢復狀態下循環播放，不限時不限次。

3.11? 文字報警及信息編輯功能

設備可根據不同規則配置顯示屏文字內容。預警區默認旅客止步，警戒區默認禁止通行，報警恢復默認顯示請勿靠近。

3.12? 智能分析功能

系統支持人形識別算法的運行，系統對視頻圖像進行智能分析，檢測出人形。針對劃定區域進行區域入侵檢測，消除列車經過造成的誤報。智能分析功能具有是否啟用操作。

3.13? 日志查詢功能

系統Web具備日志查詢功能，包含報警日志以及操作日志。主類型是報警的，對應預警區報警或者警戒區報警，查詢結果帶防區號。主類型是操作的，子類型為布防、撤防和消警三個類型。

3.14? 運行模式功能

支持聯機和脫機運行，脫機運行時各監測及報警設備能正常進行預警和警戒。

4? 設備創新性

4.1? 數據處理嵌入式開發

設備數據處理主要實現對不同探測模塊采集的數據進行信息融合的作用。數據處理模塊的嵌入式開發與多達6種模塊進行對接，同時要將其嵌入到設備內部，需要嵌入的設備尺寸盡可能小。因此我們按照需求進行設計以節省電路空間，同時集成千兆以太網接口、USB接口等于一體，設計為通用接口，以適用于不同的設備接入。設備整體集成多傳感器，通過主控板核心控制實現聯動報警。整體采用工業化的設計，關鍵部件防護達到軍品級，完全適用于不同地區的室外環境，實現全天候的使用要求，設備可靠性高。

4.2? 激光雷達內嵌智能算法

采用激光雷達進行目標檢測，雷達可以對多目標探測、支持環境學習。由激光雷達原始產生的目標數據，可以獲取每一束激光打在障礙物上的激光點距的絕對距離值和角度值。雷達內置預處理算法，允許通過識別去除點云的靜態背景，從而只進行動態運動檢測。設備上這種強大數據分析能夠快速和直接地實現許多用例，同時也大大減少了數據量。通過環境學習，實現將背景靜態目標過濾，從而實現對動態移動的目標人物進行多目標探測。

4.3? 復雜場景下人形檢測

本設備主要是對人員進行識別，通過對人形的識別減少雷達探測到的小動物等其他運動目標的誤報。由于可見光場景復雜、目標類別繁多以及目標形態多變，傳統的基于手工特征的目標識別算法的性能已達不到實際需求。在該項目中采用了基于深度學習的目標識別算法——YOLOv3。該算法是一種端對端的目標識別算法，可直接將整張圖像作為網絡的輸入，并僅通過一次前向傳播直接得到目標框的位置和目標的類別。與其他基于深度學習的目標識別算法相比，YOLOv3的特點是實現快速識別的同時還能達到較高的準確率。

4.4? 定制化設計主控板

系統控制載板卡進行自主研發，解決了市場上現存的控制載板在結構尺寸、功能模塊及接口特性等方面存在的問題；自研控制載板卡以系統整體控制及功能要求為切入點，以穩定的控制及接口電路為依托進行功能實現，PCB板上信號連線嚴格按照高速信號走線進行，全面優化并降低了PCB板上信號線之間的干擾。

4.5? 創新性防水設計

由于用戶使用環境多樣，因此通過對結構防水的深入研究，設計了顯示屏+亞克力板、喇叭+防水透聲窗的形式，結構設計創新性地解決了以往設備防水和透光、透聲相互干涉的問題，實現了對各種使用環境的支持，保證了設備的穩定性及通用性。

4.6? 安全性結構設計

設備布置在站臺端部，根據設備使用環境的特殊性，設計了將鉸鏈安裝在設備內部進行聯結的結構形式；結構設計的創新性，不僅解決了以往設備鉸鏈長時間遇水生銹從而導致設備柜門卡死的弊病，而且解決了未經允許從設備外部通過拆卸打開設備柜門的情況，保證了設備的使用壽命及安全性需求。

5? 結? 論

站臺端部入侵事件的發生，存在極高的人身安全風險，也將極大地影響鐵路運營秩序。設備的安裝將有效解決站臺端部的管理問題，基于激光雷達探測技術、視頻監控技術、智能分析技術與超寬帶定位技術，研發雷達、視頻、電磁多傳感器融合的站臺端部入侵報警系統設備，實現站臺端部非法入侵目標的精確探測和識別功能。設備安裝之后可以對站臺端部進行智能化的監測和入侵報警，實現24小時無人化監測，減少人力巡查成本，可以帶來直接的經濟效益。

參考文獻：

[1] 徐成偉，張德強，張昊，等.基于雷達與視頻分析技術的鐵路崩塌落石自動監測報警系統設計與實現 [J].鐵路計算機應用，2017，26（11）：22-27.

[2] 鄭利滎.雷達與視頻相結合，低誤報的周界守護者 [J].中國公共安全，2019（9）：144-145.

[3] 張菁.站臺端頭入侵報警系統在高鐵站的應用 [J].科技視界，2019（1）：206-208.

[4] 楊天驕，袁振江.基于微波雷達的站臺端部防穿越入侵報警系統應用 [J].科技創新與應用，2020（26）：172-173.

[5] 姬東飛，丁學明.基于特定區域去相關的行人檢測算法 [J].信息與控制，2020，49（4）：404-413.

[6] 周家梁.基于激光雷達及視頻分析的站臺端部防入侵告警系統 [J].鐵道通信信號，2020，56（10）：46-51.

[7] 彭良勇.基于雷達探測技術的客運車站站臺端部防入侵報警系統設計 [J].鐵道通信信號，2020，56（6）：52-56.

[8] 梁帥，鄧勝江，戴建強，等.站臺端部入侵防護系統的研究 [J].鐵路計算機應用，2022，31（6）：57-61.