地埋式光纖測振周界入侵報警系統應用研究

徐 軍 黃相輝 王秋霞

(1.溫州市鐵路與軌道交通投資集團有限公司運營分公司 溫州 325000; 2.中興(溫州)軌道通訊技術有限公司 溫州 325000; 3.武漢理工光科股份有限公司 武漢 430223)

軌道交通車輛段停車場除了承擔車輛的停放、檢修、保養任務之外,運營線路的列車編組、調度等工作也在此完成,線路的控制中心、物資總庫、變電所等重要處所也放置于車輛段停車場內[1-2]。因此,保證車輛段停車場的周界安全,防止外來人員入侵,是保障城市軌道交通安全運行的重要前提[3-4]。

為保障軌道交通車輛段停車場的安全運營,避免外來閑雜人員的無意闖入或惡意入侵,需要在車輛段停車場周界布設入侵報警系統對車輛段停車場的周界安全進行實時監控。

隨著政府、社會、企業監督越來越嚴格,對站場空間安全狀態的感知能力要求日益提高。當前站場安防監測技術手段均存在誤報、漏報等問題,以及無人站場和區域化管理的不斷實施,各種感知手段增多,導致布線繁雜、組網混亂、大量數據傳輸等問題日益突出,且站場巡檢方式也需進行相應改變[5-6]。為解決這些瓶頸問題,需要研究站場安防智能監測感知技術,完善站場空間感知技術手段,結合多場景多維度融合分析,提高站場混合組網靈活和便利性,提高站內安全事件響應及時性,提高安全事件識別準確性,保障站場空間安全防護水平。

地埋式光纖周界安防產品具有隱蔽性好、抗環境干擾能力強等技術優點,利用地埋式光纖測振周界入侵報警系統對軌道交通車輛段停車場周界進行布防,能夠連續實時地監測軌道交通車輛段停車場周邊出現的異常振動信號,光纖微振動傳感器,基于馬赫澤德干涉原理,提供了一種光纖微振動傳感器,地音監聽由于探測頻帶寬會導致誤報率較高;地埋式光纖光柵型周界入侵探測器,基于光纖光柵傳感原理,提供了一種地埋式光纖光柵型周界入侵探測器,但無法對入侵事件進行定位。

本文采用基于COTDR原理的分布式光纖測振技術進行地埋式周界入侵監測,具有反應靈敏、實時高效、定位準確等優勢。同時通過結合振動探測區域對應視頻圖像的識別結果,對周界環境進行預判,給出最優的報警策略參數。以克服光纖周界防入侵系統的高靈敏度與低誤報率不能同時兼顧的難題。

1 監測原理

1.1 傳感原理

分布式光纖振動傳感采用的相位敏感光時域反射(Φ-OTDR) 技術是一種相位干涉技術,光波長為微米量級,當外界微弱的振動信號使光纖產生形變,這種形變達到微米,甚至納米級別,都會帶來光相位的變化。光相位的變化,必然導致光信號的變化,通過檢測光信號的變化,可以還原外界的震動信號[7-8]。

Φ-OTDR分布式光纖傳感系統主要是用于探測沿光纖鏈路附近的振動或應變等動態信息。本系統采用基于相干檢測的方法,有如下優點。

1) 可以將已采集到的拍頻信號在數字信號中進行幅度和相位的解調,從而實現對外界擾動信號的定量檢測,可以獲取外界擾動信號的位置、強度及其頻率信息,從而實現對外界擾動信號多參量檢測。

2) 相干檢測可以改善系統的信噪比,系統探測到的是本地光和散射光乘積的結果,所以可以通過提高本地光功率來提高整個信號功率,從而提高系統的信噪比。

3) 采集到的數字拍頻信號可以應用目前比較成熟的數字信號處理技術來補償光纖信道中的衰減、色散、偏振模損耗,以及激光器相位噪聲對系統影響。

1.2 信息融合

光纖傳感技術應用于周界安防領域,具有入侵信號定址精確,現場無源防爆、耐候防雷、使用壽命長、靈敏度高、安全可靠等優勢。然而,光纖傳感的高靈敏度伴隨而來的高誤報率問題,降低了系統的實際使用效果。針對此問題,需要提出一種同時具備高靈敏度和低誤報率指標的光纖周界防入侵系統的報警方法。通過結合振動探測區域對應視頻圖像的識別結果,對周界環境進行預判,給出最優的報警策略參數。

為了克服光纖周界防入侵系統的高靈敏度與低誤報率不能同時兼顧的難題,本文提出利用振動探測區域對應視頻圖像的識別結果,對周界環境進行預判,可以屏蔽非人為活動引發的誤報輸出,同時,當視頻圖像分析結果識別出人體時,通過自動調節參數提高系統的報警靈敏度,使得系統僅對非法入侵人員的攀爬翻越等惡意入侵行為敏感,既保證了光纖周界系統的高靈敏度特性,又極大地降低了系統的誤報率,提升光纖周界安防技術的準確性。

2 系統架構

2.1 安裝實施

在某軌道交通車輛段停車場,安裝布設地埋式光纖測振周界入侵報警系統,監測長度約6.3 km,監測系統架構及探測光纜鋪設方式如圖1所示。將探測光纜沿布防區域邊界進行敷設,在布防區域的邊界開挖倒梯形的溝渠,在溝渠底部鋪設一層石子層,再在石子層上方覆蓋一層原土,將探測光纜埋設在石子層的中心位置。探測光纜一端連接監測主機,監測主機放置于中控室。監測主機的采樣頻率為500 Hz,最大探測距離為50 km,分辨單元為10 m。溝渠寬度為4～6 m,深度為0.8～1.2 m。

圖1 監測系統架構及探測光纜鋪設方式示意圖

如圖1所示,在軌道交通車輛段停車場區域四周挖一條溝渠,在溝渠中填充石子,傳感光纜敷設于石子之中,以增強振動傳導。在溝渠上部回填一層較薄的原土,以增加隱蔽性。當有振動波作用于傳感光纜時,系統監測到異常信號,經過分析判斷,發出報警信息,報警信息包含識別類型和入侵定位。

2.2 信號處理

信號處理計算步驟如下。

1) 在系統中,預設值系統的信號特征報警閾值,一般分為:常規和靈敏2個等級。

2) 每隔特定周期,系統讀取探測光纜鏈路全段數據,進行差分處理,按照差分閾值T尋找擾動點,對超過差分閾值T的擾動點進行下一步分析。讀入全段的n秒數據,根據監測主機的采樣頻率P,最大探測距離S和分辨率單元長度L,得到全段矩陣;全段矩陣為P×n行,S/L列;將全段矩陣的每一行與前一行做差分運算,得到一個P×n-1行,S/L列的矩陣;再找到這個矩陣每一列的最大值,即得到一個1行,S/L列的矩陣,即全段的差分數據;比較差分數據和差分閾值的差值判斷擾動發生的位置。

3) 對超過差分閾值T的擾動點進行濾波,濾除低頻噪聲。在無外界擾動的狀態下,觀察一段時間的差分信號,差分閾值應高于常態差分信號的數值范圍。當發生外界擾動時,這個位置的差分信號會出現較大的跳變,超過差分閾值。系統開始讀取這個位置監測點在一段時間內的的時域信號。

4) 對濾波后的信號計算信號特征。信號特征包括:

時域信噪比:將一段濾波后數據取絕對值后,找到每個超過設定閾值(數值可改變)的位置,計算此位置后n秒數值之和與前n秒數值之和的比值,再找到這些比值中的最大值,即為這段信號的時域信噪比。

時域能量:即濾波時域信號絕對值的平方和。

頻段能量:數據經過快速傅里葉變換后,將一個頻段內(如:90～100 Hz)的幅值累加得到。

幅值最大頻率:快速傅里葉變換計算頻譜,找到幅值最大的頻率。

沖擊間隔時間:劃分一段信號中的各個沖擊事件的起始時刻。找到各次沖擊事件之間的時間間隔的中值。

5) 根據計算的信號特征進行特征判斷和模式識別。對應當前系統自動判斷的報警靈敏度,獲取當前的信號特征閾值,閾值類別包括:時域信噪比、時域能量、頻段能量、幅值最大頻率、沖擊間隔時間。

6) 事件區域判斷。在空間距離上,對于輸出相同判斷結果的探測點,按照探測點間距劃定是否為同一事件。在時間上,對于判斷結果和影響位置相同的事件,認為是同一事件。

7) 報警事件輸出,包含入侵事件類型,入侵事件位置等信息。

2.3 融合算法

光纖探測和智能視頻監控通過網絡進行信息交互,采用的視頻信息融合算法包括:

1) 在通常情況下,當智能視頻監控主機未識別到異常行為時,振動判斷靈敏度默認為“常規”等級,當光纖入侵探測器探測到異常振動時,主動通知智能視頻監控主機優先處理對應視頻并進行更詳細的分析,確定是否存在人為入侵行為。

2) 當智能視頻監控主機識別到區域入侵、越界行為時,主動通知光纖入侵探測器,開啟與視頻關聯的報警模式,振動判斷靈敏度調整為“靈敏”

等級,提高報警靈敏度。

3) 當智能視頻監控主機識別到攀爬行為時,主動通知光纖入侵探測器,立即輸出報警。

3 測試及實際運用

3.1 模擬測試

地埋式光纖測振周界入侵報警系統,主要探測的入侵行為有車碾壓和人行走。在軌道交通車輛段停車場周界布放區域進行了多組模擬入侵行為的測試信號采集。使用已采集的樣本庫訓練支持向量機分類器,將訓練好的分類器用于新產生的入侵信號的模式識別判斷。

在約4.93 km位置,進行車輛碾壓測試,系統能準確識別車輛碾壓行為并輸出對應報警信息。圖2所示為4.93 km位置進行車輛碾壓測試時的激勵振動信號。

圖2 車輛碾壓測試信號

在約4.61 km位置,進行人行走測試,系統也能準確識別到人行走行為并輸出對應報警信息。圖3所示為4.61 km位置進行人行走測試時的激勵振動信號。

圖3 人行走測試信號

在地埋式光纖測振周界入侵報警系統的運行期間,進行了多次模擬入侵行為測試,測試結果統計見表1。

表1 測試統計

由表1可見,在地埋式光纖測振周界入侵報警系統的運行初期,由于采集的樣本數據庫相對較少,根據原先特征閾值參數判斷的報警正確率約在80%左右,2022年7月,根據前期的所有測試采集數據,豐富了信號樣本庫,優化了特征閾值判斷參數,報警正確率提高到90%左右,2022年10月,再次對樣本庫進行了擴充和篩選,對部分離散度較大的樣本進行了濾除,同時優化了判斷邏輯,再次優化的特征閾值判斷參數,報警正確率可達到98%～99%。

3.2 運行統計

在常規運行狀態下,統計每月的誤報數量,系統經過近一年運行,誤報次數統計如圖4所示,誤報頻次≤3次/月。

圖4 系統誤報次數統計

經過以上模擬測試統計和長期運行觀察可得:地埋式光纖測振周界入侵報警系統,對車輛碾壓和人行走的情形均能有效報警并準確定位。地埋式光纖測振周界入侵報警系統,能夠及時準確地探測到入侵事件的發生,為軌道交通車輛段停車場的周界安全提供有力保障。

4 結語

針對光纖傳感的高靈敏度伴隨而來的高誤報率問題,本文通過結合振動探測區域對應視頻圖像的識別結果,對周界環境進行預判,給出最優的報警策略參數,可以有效抑制非人為活動引發的誤報輸出,從而實現同時具備高靈敏度和低誤報率指標的光纖周界防入侵系統的報警效果。及時地對諸如車輛碾壓、人行走等入侵行為進行識別和定位,結合多場景多維度融合分析,提高站場混合組網靈活和便利性,提高站內安全事件響應及時性,提高安全事件識別準確性,保障站場空間安全防護水平。有利于軌道交通車輛段停車場的管理人員及時知曉并查看停車場的周界安全情況,為軌道交通車輛段停車場的周界安全提供有力保障。