基于阻抗变化分析的刺绳围栏周界警戒与隔离技术研究

胡祥超，朱宝良，鲁 辉

（西北核技术研究所 陕西 西安 710024）

基于阻抗变化分析的刺绳围栏周界警戒与隔离技术研究

胡祥超，朱宝良，鲁 辉

（西北核技术研究所 陕西 西安 710024）

提出了一种基于阻抗变化分析的刺绳围栏入侵行为探测方法，直接利用现有隔离围栏的刺绳纬线为探测传感器探测外部入侵破坏行为，并通过分析栅栏纬线在一定观察周期内的阻抗变化来实现外部入侵行为的定性与分类识别，实现了传统周界物理隔离与现代周界警戒技术的完美结合。通过前期验证性实验证明了该技术的有效性与可行性，在关键区域的周界警戒与周界隔离等安防需求领域具有广阔的应用前景。

阻抗变化分析；刺绳纬线环传感器；周界警戒与隔离技术；入侵行为探测与分类识别

随着社会进步与科技发展，传统的“人防+物防、人物联动”的周界警戒与周界隔离模式已经无法满足关键区域（军事基地、监狱、核电反应堆、关键电力设施等）的周界安防需求。将周界警戒技术与传统物理隔离技术有机结合，从而实现“人、物、技合一，技物防御为主，人防为辅”的综合安防技术对于推动周界安防技术的发展具有十分重要的意义[1-5]。其中，传统的物理隔离方法与现代科技安防措施的有机结合与实际应用是研究的关键点。基于刺绳的周界围栏是目前应用最为成功也是最为广泛的周界物理隔离方法，能够对入侵行为形成非常有效的威慑与阻吓作用。刺绳于19世纪70年代发明成功，其基本结构一直延续至今天，围绕刺绳已经产生超过570项的专利发明，因此刺绳也被称为“改变世界面貌”的发明之一。由于刺绳造型独特，不易触摸，因此能够达到极佳的震慑及阻吓效果，且产品运输简捷，安装施工便利，目前已经广泛应用与于园林防护、高速公路、厂区、矿区、监狱、军事禁区等周界隔离防护场合[6-8]。然而在一些人烟稀少的关键区域（变电站、监狱、军事设施等），单一的刺绳围栏确无法实现对强行突入、破坏等入侵行为的及时探测与警戒联动，导致人防处置行为滞后，带来不可估量的损失。

基于现有的刺绳围栏提出了一种全新的基于刺绳纬线环的周界警戒与隔离方法，利用周界围栏上的刺绳纬线为探测传感器探测外部入侵破坏行为，并通过分析刺绳纬线在一定观察周期内的阻抗变化实现对外部入侵行为的定性与分类识别。该技术方法不仅可实现传统刺绳围栏的物理隔离及对入侵行为的威慑阻吓功能，亦可实现现代电子围栏技术对入侵行为的探测警戒探测功能，并且具有入侵行为探测与分类识别的功能，是周界物理隔离与周界警戒技术的完美结合。基于阻抗变化分析与刺绳纬线传感器实现的的周界警戒与隔离技术，具有实施简便，应用前景广阔，成本相对低廉，易于实现对入侵行为的定性与分类识别等优点。

1 基本原理

周界物理隔离设施以基于金属丝网的隔离栅栏为主，具有有效的阻隔延缓外部入侵行为的功能。传统的隔离栅栏以铁丝作为纬线，而目前采用刺绳（刺铁丝）作为纬线的隔离栅栏应用越来越广泛。为应用方便、可靠且抗腐蚀，纬线表面还经常做电镀处理。然而，无论哪种材质，都改变不了纬线为金属导体的实质。基于阻抗变化分析的电栅栏周界警戒与隔离技术就是以传统隔离栅栏为基础，利用其纬线作为探测器，通过实时分析纬线的阻抗变化来实现对外部入侵行为的定性与分类识别，使其在保留传统栅栏网的物理隔离功能的同时实现了周界警戒功能，二者有机结合，技物合一。简言之，本文提出的周界警戒与隔离技术就是利用刺绳纬线的导体特征，以其为传感器探测外界入侵行为，通过对纬线环在一定观察周期内的阻抗变化进行研究分析，从而判断出周界是否遭受到外界入侵。单根纬线的阻抗可由下式表示：

其中，ZS为纬线阻抗，XS为纬线电阻，XLS为纬线电抗，为纬线感抗，XCS为纬线容抗，LS为纬线电感量，CS为纬线电容量，ω为纬线激励信号角频率，f为纬线激励信号频率。

由公式（1）可知，单根纬线的阻抗与纬线自身的电阻量、电感量以及电容量直接相关，在任一固定时刻，纬线阻抗可表征为阻抗复数图谱中的一个点。为便于开展实验研究，本文的研究工作中采用纬线环的阻抗幅值Za为研究对象，其计算公式为：

当刺绳围栏遭遇外部破坏、碾压、攀爬、短路搭接等入侵行为时，纬线环的电阻、电感及电容量将发生改变，从而导致阻抗发生变化，通过定量监测研究相关纬线环传感器的阻抗变化可实现对外界入侵行为的实时预警（定性监测）。并且通过研究不同的入侵行为导致的纬线环传感器在一定观测周期内阻抗变化模式的差异（例如，破坏行为导致纬线环传感器阻抗的突变断路并不可恢复，而攀爬行为导致纬线环传感器阻抗一定时间段内的波动且在一定程度上可恢复等），可以实现对不同入侵行为的分类识别。由于对外界入侵行为定性与分类识别是基于阻抗变化模式的判断，为便于直观快速反应纬线传感器的阻抗信息变化，以安全区基准阻抗为基底归一化阻抗信息作为最终研究对象，其数学表达式为：

其中，Zai(t)为归一化阻抗信息随时间变化函数，Za(t)为阻抗信息随时间变化函数，Z0为安全区基准阻抗。通过研究纬线传感器归一化阻抗信息随时间变化模式来对外部入侵行为进行定性与分类识别。归一化阻抗信息变化示意图如图1所示，其分布曲线包含前安全区、后安全区及入侵扰动区三部分，未有入侵行为发生时，曲线位于前安全区，当发生外部入侵行为时，传感器的阻抗信息发生变化，归一化阻抗信息曲线进入入侵区，入侵结束后，曲线进入后安全区，结合整个曲线变化过程可得到阻抗变化模式，从而形成对外部入侵行为的定性探测与分类识别。需要注意的是，由于刺铁丝的非完全弹性材质特性，当纬线遭受来自外部入侵行为激励后，其自身物理特性将不能100%完全恢复，例如，受到拉伸后，刺铁丝的受力部位将有一定程度的拉伸延长，从而导致其电气阻抗特性发生永久性改变，而在外部入侵激励结束后其电气特性不能完全恢复。因此，在判断利用阻抗信息变化分析判断外部入侵行为时，增加一滑动观察窗（固定的观测周期），窗体宽度根据实际经验外部设定，一般应至少包含入侵区以及一部分前安全区。

图1 归一化阻抗信息分布随时间分布曲线Fig. 1 Normalized impedance distribution curve with time

2 围栏单元与纬线选择

为增强纬线传感器性能，对传统的刺绳围栏纬线结构进行了一定的修改（包含基本结构及纬线选型），形成基本的围栏单元，从而使其更加便于对纬线进行阻抗分析和最大对外部入侵行为的探测性能，而实际的周界隔离与警戒围栏由一定数量的围栏单元串联组合而成，从而可形成多防区联防应用。

2.1 围栏单元结构

设计的隔离围栏基本单元的物理结构如图2所示，由支柱、纬线环与其他辅助配件等组成。支柱实现围栏垂直地面方向的物理支撑以及纬线环与地面水平方向的拉伸绷紧。多个纬线环水平分布构成隔离网，纬线环数量及相互间距由现场实际设计需求确定，每根纬线环由单根纬线在两根栅栏支柱之间实现单圈缠绕（依据实际应用情况也可多圈缠绕），在一侧留出两个探测端点用于连接外部电气系统实现纬线环的实时阻抗变化分析。其他辅助配件用于实现栅栏支柱与纬线环的有效固联形成完整的栅栏单元，包含绝缘子、固联件等。

图2 栅栏单元物理结构示意图Fig. 2 The physical structure of the fence unit

2.2 纬线选择

传统的周界隔离围栏纬线可采用金属丝（一般为铁丝）、刀片刺绳以及刺铁丝（通常将刀片刺绳与刺铁丝都称之为刺绳）等材料构成，均为金属材质，均可作为周界警戒纬线环传感器。这3种材料基本性能参数比较参表1。综合考量不同纬线类型的优缺点，结合本次研究工作的便易性，选择刺铁丝作为纬线环基本构成材料。刺铁丝包含主线丝和刺丝两部分组成。主线丝有单股、双股以及三股之分，刺丝一般均为四刺。刺铁丝种类较多，按照材质不同可分成低碳钢丝、电镀锌丝热、镀锌丝、PVC包塑丝、喷塑丝等；按照编制方式的不同可分成单拧法刺铁丝、双拧法刺铁丝和传统拧法刺铁丝等；按表面处理材质可分成镀锌处理刺铁丝、PVC包塑处理刺铁丝、铝合金处理刺铁丝等；按表面处理工艺可分成电镀（冷镀）刺铁丝、热镀锌刺铁丝、浸塑刺铁丝等。做表面处理的原因是加强防腐强度[9-11]。普通金属材质刺铁丝裸露在空气中会发生腐蚀从而导致纬线环的阻抗值发生变化，影响周界警戒效果。因此最终选择PVC包塑刺铁丝为纬线基本材质。

表1 纬线材料特性比较Tab.1 Comparison of material properties

3 实验系统

研究工作中构建了一个基于阻抗分析的刺绳围栏周界警戒与隔离技术实验研究系统。如图3所示，系统包含围栏单元、阻抗分析仪、数控模拟信号切换器、计算机处理平台以及其他辅助设备构成。其中，围栏单元中纬线环选用型号为“14#×14#”的PVC包塑刺铁丝构成，单圈缠绕；围栏长度为20 m，围栏高度为1.8 m，纬线环间隔相邻间隔30 cm，共计6根纬线环；栅栏立柱采用U型不锈钢方管（表面绝缘处理），高度为2.5 m，地下桩基埋深为60 cm，伸出地面部分高度为1.9 m。所有纬线环端线连接至数控模拟信号切换器，并依据计算机控制信息分时连接至阻抗分析仪。阻抗分析仪用于获取纬线环传感器的实时阻抗信息。计算机平台为系统信息处理及控制核心，采用VC++与Matlab混合编程实现系统软件处理平台，实时处理、显示相关数据信息以及入侵行为的模式判断（定性与分类识别等）。

图3 实验系统组成Fig. 3 The experimental system setup

4 验证实验

基于搭建的实验研究系统，选取第1至第4根纬线环为测试对象，施加以外部激励模拟入侵破坏行为，外部激励包含破坏（剪断）、搭接（相邻短路及自身短路）、攀爬、拉伸等。由于刺绳纬线环传感器受外部激励后期不可100%恢复的特性，因此分别在4根纬线环上施加不同的外部激励。实验系统的采样时间间隔为1 s，即每隔1 s记录保存一条纬线环传感器的阻抗信息，阻抗分析仪的激励频率选择为3 MHz。分别得到不同激励条件下刺绳传感器的归一化阻抗幅值随时间的分布曲线（如图4所示）。

图4 纬线环传感器的归一化阻抗信息分布实验结果Fig. 4 Experimental results of normalized impedance information distribution of woof loop sensor

由图可知，不同的外部入侵行为（拉伸、剪断、攀爬以及搭接）激励条件下，纬线环传感器的归一化阻抗信息分布曲线呈现出不同的变化模式。在施加不同的外部激励条件下，纬线环传感器的归一化阻抗幅值变化曲线均呈现较为剧烈（相对于前安全区）的波动（进入入侵区），因此能够可靠的实现外部入侵行为的定性探测。在入侵区，拉伸激励条件下，归一化阻抗幅值分布曲线呈现先升后降的变化模式，并在后安全区逐渐趋于稳定；剪断激励条件下归一化阻抗幅值分布曲线呈现突变为无穷大的变化模式，并且无后安全区；攀爬激励条件下归一化阻抗幅值分布曲线呈现持续波动的变化模式，并且在后安全区逐渐趋于稳定；短路搭接激励条件下归一化阻抗幅值分布曲线呈现突变为某一稳定值的变化模式，并无后安全区。可见不同的外部入侵行为带来不同的传感器输出变化模式，因此可根据不同的入侵区变化模式来实现入侵行为的分类识别。

5 结束语

基于传统刺绳围栏与阻抗变化分析方法的的周界警戒与隔离技术是通过优化设计纬线结构形成入侵行为探测传感器，来分析在一定观察周期内的传感器阻抗变化，从而实现对外部入侵行为的定性探测与分类识别。不仅具有传统刺绳围栏物理隔离与威慑功能，同时具有现代电子围栏技术的周界警戒能力，真正实现了“物技合一”的周界安防功能。验证性实验研究发现，通过不同的入侵行为激励，纬线环传感器阻抗呈现不同的变化模式，因此可基于此实现外部入侵行为探测与分类识别，证明了该方法的技术可行性，应用前景广阔。目前，该技术方法在西北戈壁滩某重点区域得到了初步成功应用，取得了良好运行效果。然而作为一种新提出的技术手段，必然需要通过深入研究不断完善，在系统精度的提高，准确性与稳定性提升，入侵行为模型库建立以及自动判别，长周期运行条件下对系统精度的影响等方面都需要开展更进一步的深入研究。

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[10]Wikipedia.Barbed Wire[EB/OL].(2013-07-14).http://en.wikipedia.org/wiki/Barbed_wire.

[11]百度百科.刺绳[EB/OL]. (2013_07-14)http://baike.baidu.com/view/1840554.htm.

Study on perimeter surveillance and isolation technique based on impedance variation analysis of electric fence

HU Xiang-chao, ZHU Bao-liang, LU Hui
（Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi’an710024,China）

A novel technique of intrusion detection based on impedance variation analysis and woof loop sensor with barbed wire is proposed, which uses the woof loop of barbed wire fence as the senor to detect intrusions directly. Detection and classification of intrusions could be implemented by observations of the impedance variation analysis of woof loop sensor within a period of time. The technique has all the advantages as the traditional barbed-wire fence and modern electric fence. The effectiveness and feasibility of the technique were verified through a series of experiments. There would be broad application prospects for the technique in the perimeter surveillance and isolation fields in the future.

impedance variation analysis; woof loop sensor with barbed wire; perimeter surveillance and isolation techniques; detection and lassification of intrusions

TN707

A

1674-6236(2014)07-0088-04

2013-08-26稿件编号201308170

胡祥超(1981—)，男，黑龙江佳木斯人，博士。研究方向：测控技术与智能仪器，数字系统集成，信息与信号处理等。