南水北调中线干线工程智能安防系统研究与设计

诸葛梅君 陶付领

摘 要：南水北调中线干线工程是我国的重大战略性基础设施，规模大、渠线长、建筑物样式多、交叉建筑物多，为了确保工程安全运行，依托国家重大科技专项课题，开展了协同探测、传感器异常模式分类、统一运管平台等基于物联网的安防关键技术研究，开展了智能安防系统设计。系统由视频监控系统、智能电子围栏和安防业务综合监控与信息平台等部分组成，构建了中线干线工程立体化智能的“工程安全、供水安全、人身安全”技术防范体系。

关键词：智能安防系统;物联网;视频监控;电子围栏;智能联动;南水北调中线干线工程

中图分类号：TV672;TP277 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.12.027

Abstract：The Middle Route Project of SouthtoNorth Water Diversion is a major strategic infrastructure of China. The Project is in large scale， has a long channel route and involves a variety types of structures and a number of crossing structures. For ensuring the safe operation and management， and relying on the national scientific and technological research and development program， the research of key security technologies based on the Internet of Things had been conducted， including collaborative detection， abnormal mode classification of sensors and unified operation and management platform， and the design of intelligent security system was conducted for the project. The system was composed of video surveillance system， intelligent electronic fence system and integrated monitoring and information platform of security services. A threedimensional intelligent security system oriented on “engineering safety， water supply security and personal safety” of the project had been built.

Key words： intelligent security system; internet of things; video surveillance; electronic fence;intelligent linkage; Middle Route Project of SouthtoNorth Water Diversion

1 概 述

南水北调中线工程是缓解我国黄淮海平原水资源严重短缺的重大战略性基础设施工程，第一期从汉江丹江口水库引水，多年平均年调水量95亿m3，向河南、河北、北京和天津等四省（市）的19个大中城市及100多个县（县级市）提供生产生活用水。干线工程以明渠输水方式为主，输水渠线长达1 432 km，沿线河渠交叉建筑物、铁路公路交叉建筑物、分水退水节制建筑物等各类建筑物数以千计，工程安全运行管理面临极高的挑战。

针对南水北调中线工程现地特点和保证工程安全、供水安全、沿线人民群众生命财产安全（以下简称“三个安全”）防控要求，工业和信息化部专门设立了“新一代宽带无线移动通信网”国家科技重大专项“面向南水北调工程安全的传感器网络技术研发”课题（编号：2014ZX03005001），由南水北调中线干线工程建设管理局牵头，中科院上海微系统与信息技术研究所、黄河勘测规划设计研究院有限公司等包括建设管理、科研设计、设备研发制造11家单位，立足本领域技术前沿开展新技术研发及应用研究，在多类型传感器海量数据采集与处理、异构通信网络协作传输与分布式存储、多类型传感器异常模式分类及数据库构建、防入侵信息综合处理平台、网络化运营管理平台等方面取得了一系列重要成果。

2 主要技术难点

超长的防控距离、众多的監控节点、多类型巨量传感器、海量监控信息，对中线干线智能安防系统总体架构、信息采集、网络传输、数据存储、智能分析、异常处理、综合决策等带来了一系列技术挑战，系统设计与实施在技术上面临诸多困难。

（1）监控环境复杂，传感器类型多，数据融合难度大。中线干线工程规模巨大、渠线超长、建筑物类型繁多、环境复杂、安防要求高，传感器布设量非常大，且沿线设有多个管理机构，导致系统架构十分复杂，数据融合难度很大。为满足复杂条件下的“三个安全”的防控要求，在总干渠两侧不同监控部位、重要工程节点、管理区等布设了多类型视频监控摄像机、一体化探测器、振动光纤、高压脉冲围栏等前端采集传感器，传感器类型多，传输网络、接口技术、数据结构等不尽相同，融合难度大。

（2）多类型传感器异常模式建立难，运管平台智能性要求高。系统需要对视频、振动、倾角、高压脉冲、振动光纤等多类型传感器采集的前端数据进行处理、特征提取、筛选、分类，建立大量的异常模式特征数据库，以识别判断入侵行为类型和真伪;不同类型的传感网络自成系统，传感联动控制复杂，统一运管难度大。

3 关键技术研究

3.1 多模感知信号的融合协同探测技术

传统的目标检测手段是利用雷达、声纳等对监测区域内出现的目标进行检测，重点和难点是目标信号的分析和处理。多模传感器网络技术可以综合利用声音、振动、红外、微波、图像等多种传感器进行大范围监测区域的分布式检测，可大大提高目标检测的精度、可靠性和实时性。在多个节点对目标协同检测是协同检测算法设计的核心，也是多模传感器网络的特点和优点。基于可靠性、资源消耗和系统寿命等方面的考虑，利用传感器网络中的多个节点对目标进行协同检测时，先由各节点独立判断是否有目标出现，然后将结果发送到融合节点，最后由融合节点进行决策融合。为实现这一融合，研发了相同模态传感器节点的目标协同检测模型，以及对相同模态节点进行简单阈值判决的协同检测算法[1]。

智能安防系统前端采集各类探测器经过预处理后的信息，主要包括集成振动和倾角传感器的一体化传感器、脉冲围栏、振动光纤信息，通过对这类信息进行综合分析，并结合高清复核视频与组合气象信息传感器数据，进行综合处理，从而准确获知安防入侵事件。

在安防信息平台监控中心，探测融合系统根据组合气象传感器探测到的气象状况，由专家系统通过自适应阈值算法对不同类型的传感探测方式设定不同的检测阈值，在各种天气状况下均能保证各探测方式的探测性能，达到避免虚警、漏警，提高探测准确率的目的。各传感器探测到有目标入侵时，产生报警信号并输送至监控中心，监控中心通过传感器布设位置列表对报警信号进行位置关联，对相应区域的信息进行融合计算分析，发布相应控制命令。处理结束后，报警传感器复位。其分析处理流程如图1所示[2]。

3.2 视频传感器异常模式分类技术

围绕南水北调中线干线在水质监控和防入侵监控中的实际应用需求，研究采用基于背景差分法和形态学相结合的检测技术、基于深度图数据的目标检测和跟踪技术、基于稀疏三维重建的行人检测和跟踪技术，实现越界入侵检测、攀爬检测、滞留检测、漂浮物检测、抛物检测、人群聚集检测和徘徊检测等异常行为检测识别功能[3]。

漂浮物检测和坠物检测是基于单摄像机系统进行的检测，采用背景差分法提取前景区域，对提取的前景区域进行二值化、形态学滤波、轮廓提取，筛选出不完全覆盖的较大、较充实紧致的矩形区域。该算法可自由划定检测区域，检测过程中实时更新背景图。背景差分法流程见图2。

人群聚集检测采用双目立体视觉技术，通过双目立体图像的处理获取场景的三维信息，其信息为深度图数据;利用基于深度图数据的目标检测与跟踪等图像处理算法，进行实时人流量统计;当区域内人流量数目达到一定阈值時进行人群聚集报警。该技术解决了二维图像处理上的误检问题，提高了人群聚集检测的准确性和实时性，其流程如图3所示。

防入侵攀爬检测、滞留检测和徘徊检测是基于短基线双目立体视觉系统进行的检测，针对短基线双目立体视觉系统提出了一种基于稀疏三维重建的行人检测与跟踪算法，该方法能够更好地应对场景光照变化和阴影干扰等问题，其流程如图4所示。

3.3 基于WoT技术的统一运管试验平台

WoT（Web of Things）利用Web的设计理念和技术，将传感器网络/物联网环境中的设备抽象为资源和服务能力连接到Web空间，搭建基于异构网络和分布式终端的泛在应用开发环境，使得传感器网络上的嵌入式设备和业务更容易接入与访问。从技术实现的角度来描述物联网/传感器网络，其具有一些典型的特点：①不用Web Services，而用CoAP（或HTTP）作为应用层协议;②用REST接口将智能设备的同步能力开放出来，并且适用于整个面向资源架构（Resource Oriented Architectures）;③利用Web标准（Atom）或者服务器推送机制（Comet）将智能设备的异步能力开放出来。利用这些特点，使得智能设备的服务耦合性降低，同时也提供了一个统一的接口让开发者更加容易运用。WoT可以真正释放设备联网的潜能，其目标是为所有被束缚在智能设备内部的信息提供统一资源标识符（URIs），使用标准的MIME来编码这些信息，并且通过HTTP来传输这些信息[4]。

本研究通过WoT技术构建统一的运营管理平台，根据用户需求和传感器管理功能不同，平台分为应用平台与管理平台两部分，两者有机协同实现对WoT业务网关和感知层设备进行管理。平台架构如图5所示。

4 系统设计

南水北调中线干线智能安防系统由视频监控系统、智能电子围栏系统、安防业务综合监控与信息服务系统及与之配套的数据存储与管理、通信和计算机网络等组成[5-7]。

（1）视频监控系统。视频监控系统由前端视频采集、语音告警、音视频传输光纤网络、后台视频数据存储、显示控制和音视频管理等软硬件组成，系统采用多媒体信息解压缩技术、智能视频分析以及网络通信等技术实现实时高清数字图像监控。中线干线安防各监控点采集的视频数据通过光纤网络实时传输至各现地站，汇聚存储至NVR视频存储平台，管理处、分公司、总公司各级管理机构通过业务内网实时视频监控工程各区域或调取历史视频数据。

视频监控系统覆盖范围为中线干线工程输水线路全线沿渠及重要设施区域，按渠道、闸站、左排、桥梁、渡槽、倒虹吸、居民区、工矿企业等各类工程建筑物及其安全风险等级，分类布设不同性能的高清视频监控摄像机，形成输水线路全线视频监控全覆盖;高填方渠段、半挖半填与全挖方渠段摄像机根据地势、渠道走向、视线遮挡情况等单侧或双侧交叉布设，全明渠段1 197 km平均每500 m左右布设一个，重点部位加密安装，对有闸站、左排、渡槽、倒虹吸、桥梁、渠道大门、居民区、工矿企业的位置，就近布设摄像机。全线共设计安装各种类型的高清视频摄像机2 800多套，实现了干渠全线及重要设施区域高清晰、无死角、全天候智能远程监控。

（2）智能电子围栏系统。智能电子围栏系统是为保障中线干线的工程、供水及人身安全，利用先进的物联网技术结合监视区域的物理围界，在输水线路沿渠及重要设施区域建立针对其安全监控的防入侵周界围栏，形成输水线路沿线外部入侵自动感知、预警、阻挡，防止人员非法进入，与视频监控、语音告警系统联合，对翻越、破坏、偷盗、占压等非法行为进行威慑、阻挡和取证，做到事前发现、延缓入侵、事后取证。主要由传感探测分系统、信息传输分系统、监控处理分系统和供电保障分系统等组成，如图6所示。

据现地安防对象的性质、等级、范围和投入不同，前端采用不同的探测手段，主要包括振动光纤、一体化探测、脉冲电子围栏等先进传感技术，不同工作原理的多种探测器组成协同感知的防入侵监测系统，能实时发现入侵或异常事件，及时向安防监控中心发出报警并准确定位目标，记录存储报警时间、入侵位置等信息。

根据中线工程需求实际，智能电子围栏系统覆盖中线干线工程重要明渠段、重要工程节点管理区、暗渠段独立通信站园区等区域，敷设振动光纤1 800 km、部署一体化传感器2 500多套，与视频监控、语音告警系统联动，形成了对周界入侵自动感知、告警、预警、阻挡等完整的防控体系。

（3）安防业务综合监控与信息服务系统。安防业务综合监控与信息服务系统是南水北调中线干线工程安防系统服务功能的最高层次应用，系统由电子围栏、视频监控、综合监控平台、传感设备分级管理、访问权限管理、报警信息管理、安防信息服务、数字安防等子系统组成。系统综合运用信息门户、GIS、智能分析等技术，集成视频监控、电子围栏等海量监控信息，以统一的数据库和应用支撑平台为基础，通过多类型传感器海量数据分析处理、多节点映射协同探测、智能视频分析、多类型异常模式分类、异构网络协同等诸多物联网、大数据技术，构建了面向中线总公司、分公司和管理处的三级应用平台。实现了现地安防事件自动识别、自动报警、实时分析、智能联动、远程智能精准监管与控制，构建了中线干线工程立体化、可视化、智能化的“三个安全”技术防范体系。

5 建设运行

南水北调中线干线智能安防系统于2014年8月开工建设，全线分为7个标段同步实施，2017年4月完工投入使用，全天候运行，状态良好，系统便捷、灵敏、可靠、智能。系统运行以来，中线干线工程各类建筑物巡查强度和密度大幅增加，周邊环境得到密切监视，工程安全、供水安全得到有效保障;及时阻止了大量人员非法进入渠道，对翻越、破坏等行为形成了有效威慑和阻挡，强化了监管力度，显著降低了事故发生率;安防视频监控系统

在汛情监测、预警预报、工程抗洪抢险、社会治安事件证据追溯、新冠疫情防控期间保障运管人员健康安全等多方面发挥了重要作用，已成为中线干线工程的“千里眼”“顺风耳”，成为工程各级管理者不可或缺的管理利器，为南水北调中线干线工程安全运行提供了坚实保障。

6 结 语

南水北调中线干线智能安防系统依托国家重大专项研发，具有多项创新成果，是目前国内外应用距离最长、建筑物类型最多、运行条件最复杂、技术要求最高的水利工程智能安防系统，是集物联网、大数据、GIS、数字视频、智能分析、光纤通信、计算机网络等诸多技术于一体的综合高科技集成。其融合了海量传感数据采集处理、异构传感网络信息传输、数据存储融合、入侵模式识别和系统间联动、智能视频分析处理、预警预报、综合信息平台等基于物联网的安防关键技术，可有效支持对复杂地质、气象、水文、水利、水质、违规入侵等状态的监控，异常情况模式库构建，异构传感器网络协作传输等。基于WoT技术的统一运营管理平台实现了对“工程安全、供水安全、人身安全”等三类信息的综合监控与管理。系统设计与建设成果对国内外长距离输调水等类似超长线性工程安全防护系统的设计与建设具有重要借鉴意义。

参考文献：

[1] 陶付领，诸葛梅君，杨宏杰，等.南水北调中线干线安防系统专题设计报告[R].郑州：黄河勘测规划设计研究院有限公司，2014：1.

[2] 罗炬锋，胡育昱，何为，等.多类型传感器海量数据采集与处理关键技术研究报告[R].上海：中科院上海微系统与信息技术研究所，2015：32-40.

[3] 贺文，许晖，周振飞，等.异构通信网络协作传输与分布式存储研究报告[R].上海：上海无线通信研究中心，2016：1.

[4] 陈明，胡育昱，谷宇章，等.多类型传感器异常模式分类及数据库构建关键技术研究报告[R].上海：中科院上海微系统与信息技术研究所，2016：36-71.

[5] 张武雄，侯召成，黄伟锋，等.基于WoT技术的统一运营管理试验平台研究报告[R].上海：上海无线通信研究中心，2014：1-2.

[6] 陈晖，罗炬锋，冯晓波，等.南水北调中线干线工程安防系统关键技术研究[R].北京：南水北调中线干线工程建设管理局，2014：39-40.

[7] 邓遂，邓瀚林，梁庆伟，等.周界监测中的阈值优化和多模态节点协同检测算法[R].无锡：无锡物联网产业研究院，2013：1.

【责任编辑 张华岩】