無人值守智能偵察電子哨兵系統

摘 要：建設強大穩固的現代邊海防，是確保國家政治安全、國土安全、軍事安全的重要舉措。為了進一步加大重點管段固防力度，提升區域或邊界管控和防范的無人化、智能化、自動化、信息化水平，降低哨兵執勤強度，設計了智能化無人化的偵察電子哨兵系統。采用多傳感融合技術，避開震動探測系統的漏報和誤報矛盾點；利用高性能處理器及智能分析算法，提供準確度較高的報警信息，完成精準布防；通過智能化的流程搭配，減少人工服務，增強智能化水平，重點針對通視條件差、觀察間隙大、情況發現難等管控薄弱部位，實現智能化威脅判別、情報收集、情況處置等。

關鍵詞：智能偵察；電子哨兵；無人值守；智能分析；多傳感融合；低功耗；自喚醒

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）05-00-04

0 引 言

電子哨兵自出現以來，因其環境適應能力強和不受天時天候影響的特點，而越來越受歡迎。然而其在實際應用過程中，仍存在因探測手段單一導致探測率不高、缺少智能化判斷導致頻繁誤報、系統功耗過大導致頻繁更換電池，以及邊境一線市電供電和有線傳輸難、部署周期長等現實問題，這都給電子哨兵的無人化智能偵察設計帶來很大困難[1-5]。因此，亟需一種集多傳感融合、設備自主喚醒、無線低功耗圖傳、超長時自主供電、智能化自主研判等技術于一體，具備低功耗、無依托、長待機、自喚醒、快部署、高可靠、利隱蔽等特點，能真正實現智能化無人化的偵察電子哨兵。

1 市場需求

目前市場上存在的電子哨兵偵察設備，均可實現晝夜遠距離高清視頻信息采集，但是結合邊境敏感區域實際情況，存在工作環境惡劣、能源與通信保障差、交通不便利等特殊情況[6-8]。從市場現狀分析結果來看，傳統的產品存在以下幾方面問題：

（1）單一傳感器獲得的信息非常有限，同時需要對采集的信息進行單獨、孤立地處理，不僅會增加信息處理的工作量，還會浪費各傳感器信息間的有機組合，造成信息資源的浪費。

（2）由于傳感器網絡拓撲結構的動態變化，簡單的靜態配置無法適應這種變化，而且在傳感器網絡的應用中，不僅無法取得網絡和相應基礎設施的支持，還要考慮能量消耗問題。

（3）由于該類場景應用的攝像機具有使用特殊性，而市面上存在的攝像機最低功耗在10 W左右，尚未存在超低功耗的晝夜監控攝像機。因此，若為功耗10 W的攝像機供應30天電量，所需電池的重量會超出單人背負所能承受的重量。

（4）安防監控市場上，視頻采集攝像機及電池無法長期在-40 ℃條件下持續工作，尤其電池在持續低溫情況下其放電能效也會大幅下降，無法滿足電池容量均衡情況下持續供電，更無法實現超長時間工作。

（5）目前，存在快速喚醒機制的攝像機，但在-40 ℃極寒條件下，系統預熱需要20 s以上，會出現該時間段可疑人員走出視頻監控區域的可能，無法滿足系統快速響應的要求，且不能保證視頻記錄的完整性。

（6）無線傳輸距離與設備功耗成正比，因此具有相斥性，不能保證系統在自主供電情況下，實現圖片或視頻的遠距離回傳，失去系統的實效性。

（7）無人值守設備在長期無人監管情況下，設計理念大多為有入侵或觸發事件時，系統才被喚醒，如果前端設備一旦出現故障或因電量不足導致系統關機等狀況，后端監控點在不知情的情況下，往往會認為前端無入侵或觸發事件發生，從而失去系統應有的監控意義。

2 設計原則

（1）擴展性

無人值守電子哨兵作為邊海防監控站補充監控手段，具有較強的擴展和升級能力，有一定的超前意識[9-10]。系統采取模塊化設計，提供多種擴展接口并預留設備安裝空間，作為設備升級和擴展的基礎，方便軟件應用，便于后期維護、升級和擴充；系統預留有線引出接口，在條件允許情況下，可接入監控站系統。

（2）安全保密能力

系統設計充分考慮系統的安全性，包括人員生命安全、設備安全、信息安全。系統具有完整的、統一的用戶權限管理機制，防止非法訪問、越級訪問和非法操作，同時提供安全日志的功能；系統提供可靠、完備的數據備份和數據恢復解決方案，確保數據的安全和完整；系統在供電和環境監控方面采取有效措施以提供較好的物理安全和電氣安全；無線傳輸視頻圖像接入監控站顯控終端時，通過數模/模數轉換，保證監控站信息網絡安全。

（3）可靠性

在無人值守的偏遠特殊環境中，系統保證具有較強的穩定性和可靠性，設備選用先進、成熟、可靠的產品，并已在類似工程中使用過、證明能適應室外環境的硬件，在系統故障或事故造成中斷后，能確保數據的準確性、完整性和一致性，并具備迅速恢復的功能；系統能提供較完善的狀態監控功能，能對網絡狀態、主要設備和軟件運行狀態進行監視，能對故障自動定位、告警，并自動進行檢測和切換控制。

（4）維修性

系統設計提供簡單、直觀、方便的維護和管理手段，盡量減少維護和管理環節。主要設備能完成故障的檢測和告警，能適應分級修理要求，可更換單元平均維修時間MTTR不超過20 min；系統壽命不小于10年。系統采用模塊化設計，以接插件的方式組裝和拆卸，方便換件維修，提高維修效率。

3 系統組成

系統主要由前端探測設備、聚合設備、移動終端（含APP軟件）組成，如圖1所示。主要用于采集邊海防一線入侵信息，實時掌握邊境爭議地區地面人員活動情況。

前端探測設備包括震動/聲音傳感器模塊、紅外熱成像模塊、可見光攝像模塊、智能分析模塊、北斗定位模塊和無線自組網通信模塊。

其中震動/聲音傳感器模塊包含震動探測模塊、聲音探測模塊，用于探測前端入侵目標產生的任何震動/聲音。紅外熱成像模塊包含紅外探測器和定制鏡頭，在夜晚光照度低時可用于圖像采集，彌補可見光攝像機低照度下的成像缺陷，另外可利用紅外對熱源探測的能力，輔助攝像設備進行入侵目標探測。可見光攝像機模塊主要包含Sensor及ISP驅動板、MCU單元和特制鏡頭，用于記錄目標的入侵全過程，同時通過智能分析模塊對報警信息進行目標二次智能分析，減少誤報率，實現對布防區域的全天時無縫偵測監視。智能分析模塊主要對震動/聲音探測設備和攝像機采集的信息進行特征提取、信息融合、分類識別、報警設置、休眠策略等。北斗定位模塊可將設備準確位置信息發送至移動終端。無線自組網模塊主要用于傳輸前端入侵事件報警信息和實時有效的圖像，以及系統待機情況下定時傳輸系統設備運行狀態。供電單元主要用于給前端探測設備供電。

聚合設備主要包括智能融合單元、無線自組網傳輸模塊、存儲單元、電源轉換分配單元。主要用于對前端設備采集的圖像的智能分析和報警信息的存儲，同時完成前端探測設備和移動終端間的數據交互。

移動終端主要包括移動終端設備和APP軟件，完成系統調試及前端設備狀態、點位、入侵報警、現場視頻等信息的查看。

4 工作原理

系統的工作原理如圖2所示。系統開啟后，北斗定位模塊和震動/聲音探測模塊同時開啟，由北斗定位模塊將前端設備位置信息回傳至移動終端，之后進入休眠狀態；震動/聲音探測模塊用于全天時感知布防區域目標入侵情況，并喚醒智能AI攝像模塊對入侵目標進行圖像抓拍，記錄發生入侵目標活動的全過程。

系統工作流程主要分為五大模塊，具體如下：

（1）入侵檢測：系統內各設備安裝調試正常，系統開啟，震動/聲音探測傳感器全天時探測入侵信息，當探測到有入侵信號時，喚醒攝像機進行圖像采集記錄。

（2）入侵判斷：當攝像機被喚醒后，依次開啟錄像和智能分析模塊，一方面便于后期取證分析；另一方面將可見光和紅外圖像進行算法分析和目標甄別，并發送相關警報信息。當警報解除后，攝像機進入休眠。

（3）警報發送：當入侵目標被判斷為標定的可疑對象時，設備喚醒無線傳輸模塊，并向移動終端發送警報信息。

（4）視頻傳輸：移動終端接收到報警信息，可根據系統預設的警報威脅級別進行自動識別，并根據威脅級別自主開啟無線傳輸模塊。

（5）待機輪詢：設備在待機情況下可設定定期發送或由后端發送請求獲取前端設備狀態信息，對設備工作狀態、運行情況、故障信息、電池狀態、環境狀態、物理位置等信息進行上報或查詢，并能對故障情況進行報警提醒。

5 系統功能

無人值守智能偵察電子哨兵是集探測、感知、處置于一體的智能化管控設施，部署在山口、通道、無人島嶼等重點管段部位，用于防止非法越界、走私、滲透等破壞活動。

根據安裝部署條件，系統主要實現以下功能：

（1）多傳感融合

采用層次結構，進行邏輯分級，實現整個網絡節點的時間同步，融合震動、聲音、圖像信號探測，完成同一入侵目標的不同入侵信號的智能融合處理，在保證無漏報的情況下，有效降低系統誤報率；系統兼容北斗定位模塊，可精準查找設備部署地理位置信息，可在電子地圖上精準反饋設備部署網絡。

（2）自主喚醒

在目標未入侵時，系統部分模塊可進行選擇性待機，降低能源損耗，一旦有入侵目標觸發前端探測傳感器或后端有使用需求時，能隨時快速喚醒進入工作狀態。

（3）全天時全天候監視

隱蔽部署前端探測單元，兼顧夜間和惡劣氣候情況下的監視，采集運動目標活動情況的視頻信息，負責檢測范圍內的視頻拍攝、錄像存儲等工作。

（4）視頻結構化智能分析

作為取證記錄設備，內部增加視頻結構化分析，對采集到的視頻進行人、車、動物等目標智能化分析，有效提升識別精度。

（5）超長時自主供電

整套系統設備采用低功耗設計和自喚醒處理機制，確保在無供給補償的情況下，可持續自主對區域入侵情況無縫偵測30天。

（6）超強環境適應性

系統可面向高原高海拔和極寒地區，系統內設備在采用寬溫度范圍的軍品級元器件的同時，設計上采取小單元、模塊化，縮小腔體空間，縮短啟動升溫時間，達到快速響應的要求。

系統部署示意圖如圖3所示。

6 結 語

本系統采用多傳感融合技術，避開震動探測系統的漏報和誤報矛盾點；利用高性能處理器及智能分析算法，提供準確度較高的報警信息，完成精準布防；通過智能化的流程搭配，減少人工服務，提高智能化水平。系統的設計有效地將哨兵從繁重的站崗、巡邏任務中解放出來，對企圖穿越邊界線的違法人員、車輛的活動情況等進行全天時、全天候的智能化、無人化自動監視和報警，加快構建偵測信息化、值守無人化、分析智能化的管控體系。可廣泛應用于前突部署機動執勤、應急部署遠程管控、觸發喚醒定期取證、長期值守北斗報警等場景，也能為重大裝備提供可靠的偵察手段，便于指揮員決策部署。

參考文獻

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作者簡介：杜 娟（1984—），女，河南社旗人，本科，工程師，研究方向為安防技術及應用。

收稿日期：2023-04-21 修回日期：2023-05-18