基于雷达视频协同技术的铁路区域安防系统

2022-05-19尧丰王军锋刘宏江温忠凯徐海军吕大勇祁晓临

中国铁路 2022年4期

尧丰，王军锋，刘宏江，温忠凯，徐海军，吕大勇，祁晓临

（1. 中科蓝卓（北京）信息科技有限公司，北京 101399；2. 中国铁路北京局集团有限公司工务部，北京 100860）

0 引言

随着我国铁路建设的持续发展，通车里程不断增加，极大地促进了各地区的经济发展和人员往来。由于我国地域辽阔、地形复杂、气候差异显著，使铁路安全运营面临诸多挑战。另外，还存在铁路设施遭受人为破坏、无视防护直接穿越铁路线路等情况，严重威胁铁路运输和人民群众生命财产安全。为安全、高效、便捷地维护铁路周界，研究具有铁路特色的周界入侵智能监测预警系统［1−3］，对保障铁路安全运营、提高铁路周界防护能力、提升入侵行为准确告警效率、有效降低施工维护成本等方面，均具有重大现实意义和经济效益。

1 需求分析

为保障铁路运营安全，一般采取红外对射入侵报警［4］等技术进行周界管理，但由于各类技术的局限性，实际运行中无法达到全面有效的监管，不能及时告警和事故追责。因此，需要深入细致调研铁路特殊运行环境，理清实际需求，结合物联网技术手段，才能更好地解决问题。保障铁路周界安全的具体需求如下：

1.1 对非法侵限目标及时精准掌控

当非法目标入侵到铁路周界区域时，系统能够排除环境、列车通行等干扰因素，对入侵行为进行智能分析。经系统分析，确认目标监控区域有非法入侵，将报警信息实时传递到铁路一线相关人员，使其第一时间掌握侵限目标发生的地点等事件信息，进而能够高效准确地进行事件处置。

1.2 通过技术手段实现事件追责

当非法目标侵限时，遗留在轨道上的物品及人员本身，都可能导致运行事故发生。针对此类事故，目前没有有效的手段进行事故报警及事故追责。因此，需要利用信息化技术手段对事件进行回放，以明确责任并追责。

1.3 对非法入侵起到威慑作用

随着信息化手段的提高，在铁路周界关键位置设置监控预警系统，识别针对设防区域的侵入、破坏、设障等行为，不仅是一种必要的防护手段，同时也能对周边的入侵行为起到一定威慑作用，以减少非法入侵行为的发生频次。

1.4 降低现有技防手段对入侵行为的敏感性

现有技防手段往往受到特殊、特定入侵行为的限制。例如，振动光纤主要用于防范破坏周界、攀爬周界、下挖周界等行为，依靠振动来判定是否有入侵行为；电子围栏主要对翻越周界的入侵行为进行防范；光波对射主要对站台两端入侵行为进行防范；视频监控主要在天气条件良好的前提下，对破坏、攀爬、下挖周界等入侵行为进行防范。因此，迫切需要一种新型技术，解决现有技防手段对具体入侵行为敏感程度各有不同的应用难题。

1.5 降低误报率与漏报率

现有周界防护技术，如红外探测、张力围栏、振动光纤、电子围栏等［5−7］，能够对铁路周界入侵起到一定防范作用，主要表现为阻挡作用。但在提前预警及威慑性、报警驱赶等方面，因各类设备的差异性，在功能表现上欠佳。漏报率和误报率是评价周界防护技术的重要指标，现有技防手段受天气、植被、动物、路过机动车等外界环境因素影响较大，因此在误报率和漏报率方面的表现不尽理想。个别系统对入侵目标的监测仍需要与视频监控系统进行联动复核，但由于视频监控系统同样会受到天气条件的限制，灵活性差，因此在技术及经济性等方面均有待提高。

1.6 适应设备运行环境

对于地处偏僻区域的铁路周界或重点区域，现场取网、取电不便，需利用太阳能为设备供电，因此需要考虑配备足够的电力供应，还需考虑无线网络传输产生的流量费用等问题。

2 设计思路与总体架构

2.1 设计思路

基于雷达视频协同技术的铁路区域安防系统在物联网大背景下，依托微型化、低功耗、高精度的雷达探测技术，融合智能视频、多源报警、移动通信等新技术手段，针对关键核心技术进行攻关，在现有安防技术体制上融合多类型传感设备，形成雷达与视频深度融合的智能安防监控体系，重点解决现有技防手段高误报、漏报等难题，实现铁路安防领域智能感知、智能研判等应用的新突破，将促进铁路新型安防技术发展，提升铁路安防技术整体应用水平。

2.2 总体架构

系统主要由雷达探测装置、视频联动装置、报警喊话装置、集成控制装置及报警平台组成，是软硬件集成一体化的智能化报警系统，系统通信链路采用第4 代移动通信技术（4G）传输方式。系统总体架构见图1。

图1 系统总体架构

2.3 工作流程

面向铁路周界重点区域的防控需求，充分结合物联网设计［8］理念，以人工智能、边缘计算、云平台、移动通信等先进技术为支撑，有效融合雷达探测、视频监控、移动通信等技术手段，构建面向铁路重点防护区域的智能化、立体化的安防系统，具备全天时、全天候、高可靠、高精准的铁路沿线区域安全防护能力。其中，前端探测设备部署在现场，后台部署在铁路局集团公司互联网网站群平台，应用端放置在值班室，报警主机与值班室值班电话相连接。当报警主机接到报警信息推送时，通过24 h 值班电话，自动拨打报警区域责任人，实现从前端报警到手机端“及时达”的功能，确保一线人员及时掌握报警信息，第一时间处理现场入侵险情，极大提升了险情的处置效率。系统工作流程见图2。

图2 系统工作流程

3 主要功能

3.1 侵限报警

系统基于新型低功耗探测雷达设备，能够全天时、全天候地对人员、车辆、泥石流等线路入侵目标进行有效探测，并结合人工智能算法，有效滤除小动物、植被、列车通行等干扰因素，实现对目标精准探测和跟踪，提升非法入侵目标报警的精准性。系统探测报警界面见图3。

图3 系统探测报警界面

3.2 协同研判

系统构建了基于人工智能的雷达视频数据融合方法，对雷达数据和视频数据进行动态融合，协同研判入侵目标真实性，提高入侵目标物体的识别精度。系统探测协同识别效果见图4。

图4 系统探测协同识别效果

3.3 视频本地存储

用户可通过网络端（Web 端）平台、移动端平台、客户桌面端（PC 端）软件远程查看本地历史视频，也可通过时间维度查询或筛选对应视频，并同步将所需的历史视频进行下载保存。另外，可以查询及下载设备心跳数据、设备日志信息等相关信息。

3.4 管控报警平台

系统提供铁路周界安防数据的接入与管理，融合数据智能分析与可视化模型，实现铁路周界安全管控的宏观决策。可支持电子地图展示，汇聚业务数据；统计分析各类数据，辅助决策指挥；实时掌握多线路、多地区运行情况。系统管控报警平台界面见图5。

图5 系统管控报警平台界面

4 技术优势

4.1 雷达与视频协同研判[9-10]

系统采用雷达空间感知与视频协同技术，有效融合雷达空间感知与视频感知结果，构建从雷达探测到视频复核的双重研判机制；通过抽取雷达定位信息与视频视场角度，建立二者之间的关联关系，形成雷达空间感知信息与视频感知图像的跟踪协同与系统联动，实时跟踪确认目标移动位置。在此过程中，通过对比雷达坐标与视频视场角，自动校对二者感知目标偏差，自动调整匹配关联偏差，从而提升目标协同跟踪的准确性，降低系统误报率。

4.2 复杂环境下的目标特征识别与提取

系统充分结合雷达主动探测优势，具备在强杂波环境下对人体目标信号的识别。同时，利用智能视频分析技术，通过对视频图像的处理与分析，有效规避植被、天气等干扰因素，实现不同设备目标感知的双重研判，有效提升系统报警的准确性，有效解决单一感知手段导致复杂环境下难以实现对入侵目标精准识别与信息提取的难题。

4.3 低功耗、自组网的工程化设计

系统前端探测设备采用低功耗设计理念，重点对边缘计算设备、探测雷达功率、视频图像采集等方面进行优化。高速数据传输通信模块在不影响性能的情况下降低设备功耗，支持太阳能供电方式。同时，研发了轻量化数据处理引擎，形成对冗余数据的处理与释放，重点针对视频数据有效目标信息进行抽取，优化视频压缩算法，建立目标识别视频信息回传模式，大大降低传输流量，采用4G 无线传输方式实现入侵告警信息推送。

4.4 跨领域设备集成与多样化应用技术

系统在雷达与视频设备的基础上，集成语音报警、远程喊话、光电设备提示等功能，在实现对远程入侵目标自动语音警告的同时，还可对顽固的入侵目标远程喊话驱离，对入侵人员的穿行行为进行有效威慑阻止。通过研制平台监控软件，覆盖桌面端、移动端设备，使用人员可随时接收和查看报警信息，提升了事件处置的效率，克服了现有安防系统过于注重报警准确性而忽略了系统本身的功能性，导致安防系统功能单一，只能满足单一方面的应用需求，在紧急事件下难以第一时间处置事件。

5 应用测试

该系统在中国铁路北京局集团有限公司辖区内的重点典型铁路安防地段（京张高铁东北环K62.7、西北环K33、京沈高铁东星K3.4）部署使用，根据不同监测范围和应用需求安装部署。

5.1 安装部署

系统主要应用在铁路沿线重点防护区域，例如铁路隧道口、车站站台、重点区间线路等，具备无人值守、实时报警、语音驱离、动态跟踪等功能。系统前端设备采用立杆安装方式，立杆高度设计为4 m，相关设备按指定高度固定安装，具体位置根据现场环境灵活布设，要求立杆处到线路中心距离大于7.5 m。系统安装部署示意见图6，现场部署见图7。