智能光纤周界安防系统研究与应用

2018-06-28耿帅

机电信息 2018年18期

耿帅

（内蒙古师范大学附属中学，内蒙古呼和浩特010020）

0 引言

随着经济的发展，我国的企业园区无论是从数量上还是规模上都有显著的提升，园区安全监测与防范问题越来越受到人们的重视。针对大型企业园区和重要区域周界，必须实施全天候、实时在线的安全监测，实现园区的智慧安防管理。然而，近年来，各种入侵手段日益升级，面对的防范对象广泛而复杂，且受到地形、气象等方面的制约，防范要求更高，难度也更大[1]。因此，智慧园区对性价比高、稳定可靠的新一代周界安防系统有着迫切的需求[2]。

周界安防系统采用各种传感探测器，对特定区域的边界进行动态的安全监控、监测，判断各种进出周界的威胁行为，并发出报警[3]。传统的安防技术主要有红外对射、激光探测、静电感应等[4]，这些技术都存在着系统稳定性差、安装受环境限制、误报和虚报较多的缺点[5]。利用光纤传感器进行入侵探测是一种创新型安防手段，具有全程无源、抗电磁干扰、电绝缘性好、后端易升级、附加伤害小等特点，特别适用于易燃易爆场所[6]；此外，其具有定位能力强、灵敏度高、隐藏性好以及可实现大范围监测等诸多优点[7]。

目前已有多种光纤传感技术，主要包括：（1）利用光纤Sagnac、Michelson、M-Z（马赫-曾德）干涉技术对入侵行为进行监测；（2）利用光纤布拉格光栅（FBG）反射波长对入侵进行监测和定位；（3）利用布里渊散射的B-OTDR技术、相位敏感的Φ-OTDR技术和偏振光时域反射的P-OTDR技术[8]。与其他技术相比，OTDR技术只需采用单根单模光纤，在同一端进行测量，监测距离长，一般为几公里到几十公里，不存在盲区，并具有可实现入侵位置定位等优点[9-10]，因此本文基于分布式Φ-OTDR技术，搭建了智能光纤周界安防系统。

由于光纤传感器只能感知入侵，缺乏对入侵信息的监控和取证能力，本文在光纤入侵探测系统的基础上提出并实现了一种新型的融合视频监控的智能光纤周界安防系统。当发生人员入侵时，光纤振动传感器不仅可以在第一时间感知和定位入侵事件，与之联动的监控系统还可对入侵行为进行监视，对不同的入侵对象进行准确辨识，同时存储现场入侵视频录像进行备案。本系统在北京大兴智慧园区实施了试点工程，进一步提高了园区的安全防范能力和智能化水平[11]。

1 系统原理

本文研究了一种基于相位敏感光时域反射技术（Φ-OTDR）的智能光纤周界安防系统，对大兴智慧园区周界进行全天候、多技术的立体防护。系统利用布设于围墙上及墙内侧地下的一根单模光纤内不同部位的背向散射光的干涉效应，由光相位变化致光功率变化，通过入侵前后功率谱曲线的比较获取入侵点的位置信息；根据位置信息判断入侵点所处防区，并联动控制视频监控系统对入侵行为进行摄录取证，同时通知相关管理人员进行应急处置。其工作原理框图如图1所示。

图1 工作原理框图

2 系统组成

智能光纤周界安防系统主要由光纤周界入侵探测子系统和视频监控子系统组成。其中，光纤周界入侵探测子系统由传感光缆和光纤振动传感主机组成，实现对人员地面及翻越入侵行为的探测、信号采集与分析工作，准确定位入侵位置并发送报警信息至视频监控子系统；视频监控子系统由信号处理、录像存储、媒体转换和中心管理等平台设备、交换机、高速球机和用户终端组成，将入侵报警信息转换为联动控制指令，控制高速球机监视入侵防区，同时完成视频存储、回放和搜索，并通过网络通知管理人员进行应急处置，如图2（a）、（b）所示。

3 试点工程

本系统选择在北京大兴某智慧园区开展试点工程，对其工业生产区进行周界安防监控。如图3所示，系统通过在围墙上内嵌滚笼刺丝网的Y型支架顶部挂装环形光缆以及在墙内侧地埋S形光缆的布设方式，实现人员翻越和地面入侵的感知探测。当发生人员入侵时，系统检测到入侵行为并准确定位防区，将防区位置信息发送至视频监控系统，系统发出联动控制指令至工业区西南角高速球机对事发区域进行摄录取证，并将视频图像回传至监控中心，通知工业区管理人员进行应急处理。高速球机及监控中心设备组屏分别如图4（a）、（b）所示。

图2 系统组成

图3 光缆布设方式

图4 球机及设备组屏

4 试运行结果

该智能光纤周界安防系统自2018年1月试运行至今，4个月以来，运行稳定可靠，视频联动准确，共报警12次，如表1所示，其中11次是人员入侵光缆区域行为，包括1次人员攀爬围墙，10次人员地面入侵光缆区域；另外1次是汽车过路引起的系统误报。调取报警时间的监控录像，发现是环卫工人清理园区、工人施工和汽车过路等行为，如图5（a）、（b）、（c）和（d）所示，属正常报警现象。经询问园区工作人员及排查园区视频监控录像，4个月以来并未发生实际的入侵事件。可见，系统能够有效监测到人员扰动行为，系统无漏报、虚报现象。