一体化集成的站台端部入侵报警系统设备设计与实现

孙芯彤

摘  要：针对站台端部入侵检测应用场景需求，进行一体化集成的站台端部入侵报警系统设备的研究开发。设备集成了激光雷达、摄像头、超宽带定位模块、LED屏、语音模块和报警灯六大模块，通过自研的主控板进行数据采集、处理和视频智能分析，在前端设备上实现了探测、处理和报警功能。设备可以有效识别站台上人员的非法入侵行为，使旅客安全得到有效保障，让站台端部管理切实可行。

关键词：站台端部入侵；激光雷达；超宽带定位；智能分析

中图分类号：TP 277；TP311.5  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）15-0058-06

Design and Implementation of Intrusion Alarm System Equipment of Integrated Platform End

SUN Xintong

（Communication Information Group Co.， Ltd.， Beijing  100070， China）

Abstract： According to the requirements of intrusion detection application scenario of platform end， this paper carries out the research and development of intrusion alarm system equipment of integrated platform end. The equipment integrates six modules， namely， laser radar， camera， ultra-wideband positioning module， LED screen， voice module and alarm light， and carries out data acquisition， processing and video intelligent analysis through the self-developed main control board， realizing the detection， processing and alarm functions on the front-end equipment. The equipment can effectively identify the illegal intrusion of personnel on the platform， ensure the safety of passengers and make the management of the platform end feasible.

Keywords： intrusion of platform end; laser radar; UWB positioning; intelligent analysis

0  引  言

近年來，铁路建设高速发展，截至2022年底，全国铁路营业里程超过15万千米。目前仍存在部分旅客或非法人员试图通过站台端部逃票而闯入铁路线路的行为，这类事件的发生极大地影响了铁路运营秩序。交通部《高速铁路安全防护管理办法》、原铁路总公司《中国铁路总公司关于实施铁路客运提质计划的指导意见》和客管函37号文中都明确指出要在高铁车站站台端部部署防入侵报警装置，同时给出了总体技术方案。传统的站台端部防护入侵通过铁栅栏、钢丝篱笆网等物防手段来实现，更进一步的有脉冲电子围栏、微波阵列传感探测、多维三鉴复合传感探测等技防手段，此类物防和技防防护手段经常面临被非法破坏的问题，无法对非法入侵人员进行有效防护。随着人工智能技术的发展以及军用微波雷达民用化的趋势，萌发出各类站台端部入侵检测设备。但是单一的非智能化报警设备，容易造成误报率高的问题，会增加更多的站台管理工作。目前，站台端部入侵检测系统正不断向集成化、多功能化、智能化方向发展，集成声、光、电等多类传感信息。

1  研究现状

目前，比较成熟的站台端部入侵报警系统的前端设备主要可以分为三大类。

第一类是通过智能摄像机来实现站台端部入侵检测，采用人工智能机器深度学习技术，对人员进行精确探测与分析，实现对非法入侵人员的分析识别。此类设备存在易受环境影响的问题，光线变化很容易引起误报，更换环境和场景需要重新训练和学习。

第二类是微波雷达和视频集成，有分体式和一体式两种，采用微波雷达对一定半径内的运动目标进行数据采集，可自行设定预警区域、报警区域等多级防区，利用摄像机对入侵人员画面提取抓拍、报警录像，摄像机检测站台区域入侵人员并进行视频录像以便管理人查阅取证。此类设备存在微波雷达探测精度低、误报率高的问题。

第三类是一体式激光雷达和视频设备，同时集成声光报警模块实现站台端部入侵检测报警。此类设备存在列车经过误报率高的问题。

本文提出的一体化集成的站台端部入侵报警系统设备使用激光雷达代替毫米波雷达，提高了探测精度。同时设备内嵌智能分析算法能够很好地减少列车经过造成的误报，超宽带（Ultra Wide Band， UWB）定位模块来区分旅客和工作人员，进一步减少误报。设备采用嵌入式开发技术，前端设备即可实现探测、处理以及报警多功能一体化，减少后台服务器数量，进一步降低整体工程成本。

2  设备实现

2.1  总体框架

一体化集成的站台端部入侵报警系统设备可以有效识别站台上人员的非法入侵行为，有效地保障旅客安全，让站台端部管理变得切实可行。设备通过主控板进行数据采集、处理和视频智能分析，在前端设备上实现了探测、处理以及报警功能。设备主要包括探测子单元、硬件子单元、结构子单元、软件子单元四个子单元，其中探测子单元包括激光雷达、摄像头、UWB定位模块、LED显示屏、语音模块和报警灯；硬件子单元包括通信控制模块、电源转换模块和数据处理模块；结构子单元包括外部结构外壳和内部各个模块安装配件；软件子单元通过嵌入式软件实现数据采集、分析处理、报警等功能，通过内嵌Web实现设备配置、防区绘制、报警联动配置等功能。设备总体组成图如图1所示。

2.2  探测子单元

2.2.1  激光雷达

激光雷达主要实现对周围360°环境进行二维扫描探测，通过测量调制激光的发射、返回时间差来测量物体与雷达的相对距离，给出目标的位置、速度等特征量。激光雷达探测距离不小于20 m，水平探测角度不小于180°，多目标识别数量不低于40个。

2.2.2  摄像头

网络摄像机可以实时进行视频数据监控，实现视频数据的采集功能。摄像头分辨率为1 920×1 080，镜头焦距为4 mm，通信接口为10 M/100 M自适应以太网接口，连接至交换机。

2.2.3  定位模块

UWB定位模块由UWB基站及UWB标签卡构成，核心芯片为DW1000芯片。DW1000是一个完全集成的低功耗射频收发器，遵循IEEE 802.15.4-2011超宽带标准。它可以被用于双向测距或者TDOA定位系统中，精度为10 cm。

2.2.4  LED屏

LED显示屏模块由LED显示阵列、显示控制板及开关电源组成，用以将预警或报警信息进行显示，起到提醒工作人员和站台入侵人员的作用。

2.2.5  语音模块

语音模块包括扬声器与功放板，扬声器与功放板进行连接，实现语音播放功能。功放板将主控板中的音频输出信号进行放大，用以驱动扬声器进行声音播放。功放板音量可调，其最大声压级不应小于90 dB，在其播放范围15 m位置的播放声压级高于背景噪声10 dB。

2.2.6  报警灯

报警灯模块采用高亮度LED灯珠，亮度高、好识别，聚苯乙烯聚光罩镜面反射实现更强警示。外壳材质为不亲水防雨型ABS工程塑料。

2.3  硬件子单元

一体化集成的站台端部入侵报警系统设备硬件子单元由讯为RK3399开发板、网络摄像头、激光雷达、UWB基站及标签、音频功放、喇叭、LED显示屏、防拆开关、声光报警灯及交换机构成。设备电气整体采用AC220 V 50 Hz交流电压进行电源供应，电气系统由空气开关、防雷器、开关电源组成；设备通信分为有线通信和无线通信两种方式，有线通信由UART串口和网口实现，UART串口波特率为115 200 bit/s，网口采用10 M/100 M自适应以太网接口；无线通信由UWB实现。硬件连接总体框图如图2所示。

讯为RK3399开发板采用瑞芯微六核（双核Cortex-A72+四核Cortex-A53）64位处理器，主频

1.8 GHz，GPU Mali-T860，支持4K H.265/H.264视频解码，支持OpenGL，控制性能优越。讯为RK3399开发板集成UART串口、千兆网口、USB TypeC接口、音频接口、GPIO接口，可以满足一体化集成的站台端部入侵报警系统设备中的全部硬件接口需求。

开发板接口介绍：

UART串口：连接设备中的UWB基站，实现UWB基站与开发板之间的定位信息交互；

千兆网口：连接设备中的摄像头、激光雷达及LED显示屏，实现视频数据的采集、距离信息探测及LED显示文字的控制；

USB Type-C接口：开发板程序下载接口，利用此接口可以对瑞芯微RK3399模块进行刷机操作；

音频接口：开发板上为3.5 mm音频接口，外接功率放大模块，实现开发板音频信号输出与放大；

GPIO接口：利用开发板上的GPIO接口实现外接继电器的通断控制，从而实现声光报警灯的开关控制。

2.4  结构设计

一体化集成的站台端部入侵报警系统设备在结构上由4个独立的模块组成，分别为本体组件、显示屏门组件、铰链组件和铭牌组件；本体组件和显示屏门组件两个模块通过铰链组件相连，便于显示屏门与本体进行物理分离；铭牌组件和本体组件采用M2.5×8的十字盘头组合螺钉紧固，通过人工方式即可拆装。结构设计整体图如图3所示。

显示屏门组件主要用于报警的语音和文字提示等，由门框组件、LED显示屏、LED控制板、开关电源、喇叭、门锁、布线槽等组成；本体组件主要用于距离信息探测、视频数据采集、入侵报警及柜门防拆等，由后壳组件、雷达组件、电源空开防雷器组件、功放板、主控板、交换机、摄像头、警示灯、防拆开关、防水接头、布线槽等组成。铰链组件采用整体外购成品的形式，材料为不锈钢；牌组件采用不锈钢抛光和丝网印字的成型形式进行设计。机械接口：地脚螺栓固定，采用4个M8×60的不锈钢六角螺栓（8.8级）固定。电气接口：机柜底面中间甩线，如图4所示。

2.5  软件设计

2.5.1  软件总体概述

软件总体主控采用瑞芯微RK3399平台，通过探测子单元复合输入对入侵目标进行识别，这里探测器复合输入指的是激光雷达、摄像头以及UWB模块，其中激光雷达实现对目标的发现，摄像头用于对目标是人或者其他进行判断，UWB模块主要判断是工作人员还是入侵人员。通过报警逻辑模块实现对入侵目标的发现以及外设联动报警，报警输出主要指对报警器、语音模块、LED显示屏的控制，同时设备支持报警信息上报设备配置主要通过内嵌Web實现，通过IP访问设备，实现设备信息的展示及配置。

2.5.2  软件总体流程

设备上电开始之后，首先进行网络配置保证各个探测模块数据传输畅通，网络配置完成后可根据需求在管理界面对各个探测模块进行更加详细的系统参数配置。产品可设定预警区域、警戒区域2级防区。雷达探测模块对防区内运动目标搜索定位，之后通过通信控制板把雷达探测模块探测的目标方位距离信息传输到数据处理模块进行分析，同时数据处理模块针对图像中目标进行监测识别，如果是小动物或其他非人员目标则忽略。如果是人员则启动UWB模块，UWB模块对人员属性进行对比，判别是工作人员还是旅客，工作人员则忽略，若为旅客则启动报警。触发报警后通信控制板调度视频探测模块提取抓拍、报警录像，报警器会闪光告警，Speaker会进行语音告警，LED屏显示相应的文字提示。软件总体流程图如图5所示。

软件主要界面图截图如图6所示，设备配置示例为防区配置界面截图，如图7所示。

3  设备主要功能

3.1  用户登录及密码修改功能

设备提供用户登录功能，授权用户可以通过输入正确的用户名和密码之后进入web界面。应提供对用户编辑，密码修改的功能。

3.2  设备配置功能

设备配置功能包括时间配置（手动配置和自动获取时间配置）、网络配置（包括手动设置网络和自动获取网络两种）、安全配置（SSH使能配置）功能。

3.3  设备升级与重启功能

系统Web具备远程升级功能，包括应用程序升级和配置文件升级，具备一键重启功能。

3.4  安全区域设定功能

支持对站台端部安全防护区域进行划分，可划分为安全预警区域和安全警戒区域。区域范围可灵活调整，安全防护区域应覆盖站台端部和站台端部进出股道区域。支持在Web界面绘制任意多边形防区，防区数量最多支持8个，可以自定义名称。预警区默认颜色为绿色，警戒为橙色。警戒区默认为深黄色，警戒为红色。

3.5  身份识别功能

对进入安全防护区域的人员进行身份识别，自动判断是否持有授权的身份识别卡，有则不触发预警及警戒，此功能开关可通过操作终端设置。设备应提供卡片配置功能，包含增加和删除。根据序列号添加卡片，可定义名称，点击启用。

3.6  入侵行为报警功能

设备支持实时探测入侵事件，并支持将探测到的入侵事件的报警信息上传至监控中心，报警信息由防区号及报警事件类型组成。

3.7  预警区联动功能

系统支持目标进入预警区可以联动LED显示屏显示旅客止步（可自定义）。支持目标进入预警区可以联动Speaker播放旅客止步语音提示（可自定义）。支持预警区警报解除的消警功能。系统支持用户自定义联动LED和Speaker功能。

3.8  警戒区联动功能

系统支持目标进入警戒区可以联动LED显示屏显示禁止通行（可自定义）。支持目标进入警戒区可以联动Speaker播放禁止通行语音提示（可自定义）。支持目标进入警戒区可以联动报警灯闪烁。支持联动视频录像取证功能。支持警戒区警报解除的消警功能。系统支持用户自定义联动LED、扬声器、报警灯功能。

3.9  布撤防消警功能

支持在Web界面显示布防与否标记，布防显示标志，撤防删除标志。消警为对布防状态下报警消除所有防区。系统支持对预警区和警戒区时间自定义布防设置，同时支持一键布防，一键布防默认24小时均布防。

3.10  语音报警及报警信息编辑功能

设备具备报警音配置，支持wav格式。预警区默认“您已进入预警区请立即离开”，警戒区默认“您已进入警戒区请立即离开”。支持音量硬件调节功能。默认在报警未恢复状态下循环播放，不限时不限次。

3.11  文字报警及信息编辑功能

设备可根据不同规则配置显示屏文字内容。预警区默认旅客止步，警戒区默认禁止通行，报警恢复默认显示请勿靠近。

3.12  智能分析功能

系统支持人形识别算法的运行，系统对视频图像进行智能分析，检测出人形。针对划定区域进行区域入侵检测，消除列车经过造成的误报。智能分析功能具有是否启用操作。

3.13  日志查询功能

系统Web具备日志查询功能，包含报警日志以及操作日志。主类型是报警的，对应预警区报警或者警戒区报警，查询结果带防区号。主类型是操作的，子类型为布防、撤防和消警三个类型。

3.14  运行模式功能

支持联机和脱机运行，脱机运行时各监测及报警设备能正常进行预警和警戒。

4  設备创新性

4.1  数据处理嵌入式开发

设备数据处理主要实现对不同探测模块采集的数据进行信息融合的作用。数据处理模块的嵌入式开发与多达6种模块进行对接，同时要将其嵌入到设备内部，需要嵌入的设备尺寸尽可能小。因此我们按照需求进行设计以节省电路空间，同时集成千兆以太网接口、USB接口等于一体，设计为通用接口，以适用于不同的设备接入。设备整体集成多传感器，通过主控板核心控制实现联动报警。整体采用工业化的设计，关键部件防护达到军品级，完全适用于不同地区的室外环境，实现全天候的使用要求，设备可靠性高。

4.2  激光雷达内嵌智能算法

采用激光雷达进行目标检测，雷达可以对多目标探测、支持环境学习。由激光雷达原始产生的目标数据，可以获取每一束激光打在障碍物上的激光点距的绝对距离值和角度值。雷达内置预处理算法，允许通过识别去除点云的静态背景，从而只进行动态运动检测。设备上这种强大数据分析能够快速和直接地实现许多用例，同时也大大减少了数据量。通过环境学习，实现将背景静态目标过滤，从而实现对动态移动的目标人物进行多目标探测。

4.3  复杂场景下人形检测

本设备主要是对人员进行识别，通过对人形的识别减少雷达探测到的小动物等其他运动目标的误报。由于可见光场景复杂、目标类别繁多以及目标形态多变，传统的基于手工特征的目标识别算法的性能已达不到实际需求。在该项目中采用了基于深度学习的目标识别算法——YOLOv3。该算法是一种端对端的目标识别算法，可直接将整张图像作为网络的输入，并仅通过一次前向传播直接得到目标框的位置和目标的类别。与其他基于深度学习的目标识别算法相比，YOLOv3的特点是实现快速识别的同时还能达到较高的准确率。

4.4  定制化设计主控板

系统控制载板卡进行自主研发，解决了市场上现存的控制载板在结构尺寸、功能模块及接口特性等方面存在的问题；自研控制载板卡以系统整体控制及功能要求为切入点，以稳定的控制及接口电路为依托进行功能实现，PCB板上信号连线严格按照高速信号走线进行，全面优化并降低了PCB板上信号线之间的干扰。

4.5  创新性防水设计

由于用户使用环境多样，因此通过对结构防水的深入研究，设计了显示屏+亚克力板、喇叭+防水透声窗的形式，结构设计创新性地解决了以往设备防水和透光、透声相互干涉的问题，实现了对各种使用环境的支持，保证了设备的稳定性及通用性。

4.6  安全性结构设计

设备布置在站台端部，根据设备使用环境的特殊性，设计了将铰链安装在设备内部进行联结的结构形式；结构设计的创新性，不仅解决了以往设备铰链长时间遇水生锈从而导致设备柜门卡死的弊病，而且解决了未经允许从设备外部通过拆卸打开设备柜门的情况，保证了设备的使用寿命及安全性需求。

5  结  论

站台端部入侵事件的发生，存在极高的人身安全风险，也将极大地影响铁路运营秩序。设备的安装将有效解决站台端部的管理问题，基于激光雷达探测技术、视频监控技术、智能分析技术与超宽带定位技术，研发雷达、视频、电磁多传感器融合的站台端部入侵报警系统设备，实现站台端部非法入侵目标的精确探测和识别功能。设备安装之后可以对站台端部进行智能化的监测和入侵报警，实现24小时无人化监测，减少人力巡查成本，可以带来直接的经济效益。

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