地埋式光纤测振周界入侵报警系统应用研究

徐 军 黄相辉 王秋霞

(1.温州市铁路与轨道交通投资集团有限公司运营分公司 温州 325000; 2.中兴(温州)轨道通讯技术有限公司 温州 325000; 3.武汉理工光科股份有限公司 武汉 430223)

轨道交通车辆段停车场除了承担车辆的停放、检修、保养任务之外,运营线路的列车编组、调度等工作也在此完成,线路的控制中心、物资总库、变电所等重要处所也放置于车辆段停车场内[1-2]。因此,保证车辆段停车场的周界安全,防止外来人员入侵,是保障城市轨道交通安全运行的重要前提[3-4]。

为保障轨道交通车辆段停车场的安全运营,避免外来闲杂人员的无意闯入或恶意入侵,需要在车辆段停车场周界布设入侵报警系统对车辆段停车场的周界安全进行实时监控。

随着政府、社会、企业监督越来越严格,对站场空间安全状态的感知能力要求日益提高。当前站场安防监测技术手段均存在误报、漏报等问题,以及无人站场和区域化管理的不断实施,各种感知手段增多,导致布线繁杂、组网混乱、大量数据传输等问题日益突出,且站场巡检方式也需进行相应改变[5-6]。为解决这些瓶颈问题,需要研究站场安防智能监测感知技术,完善站场空间感知技术手段,结合多场景多维度融合分析,提高站场混合组网灵活和便利性,提高站内安全事件响应及时性,提高安全事件识别准确性,保障站场空间安全防护水平。

地埋式光纤周界安防产品具有隐蔽性好、抗环境干扰能力强等技术优点,利用地埋式光纤测振周界入侵报警系统对轨道交通车辆段停车场周界进行布防,能够连续实时地监测轨道交通车辆段停车场周边出现的异常振动信号,光纤微振动传感器,基于马赫泽德干涉原理,提供了一种光纤微振动传感器,地音监听由于探测频带宽会导致误报率较高;地埋式光纤光栅型周界入侵探测器,基于光纤光栅传感原理,提供了一种地埋式光纤光栅型周界入侵探测器,但无法对入侵事件进行定位。

本文采用基于COTDR原理的分布式光纤测振技术进行地埋式周界入侵监测,具有反应灵敏、实时高效、定位准确等优势。同时通过结合振动探测区域对应视频图像的识别结果,对周界环境进行预判,给出最优的报警策略参数。以克服光纤周界防入侵系统的高灵敏度与低误报率不能同时兼顾的难题。

1 监测原理

1.1 传感原理

分布式光纤振动传感采用的相位敏感光时域反射(Φ-OTDR) 技术是一种相位干涉技术,光波长为微米量级,当外界微弱的振动信号使光纤产生形变,这种形变达到微米,甚至纳米级别,都会带来光相位的变化。光相位的变化,必然导致光信号的变化,通过检测光信号的变化,可以还原外界的震动信号[7-8]。

Φ-OTDR分布式光纤传感系统主要是用于探测沿光纤链路附近的振动或应变等动态信息。本系统采用基于相干检测的方法,有如下优点。

1) 可以将已采集到的拍频信号在数字信号中进行幅度和相位的解调,从而实现对外界扰动信号的定量检测,可以获取外界扰动信号的位置、强度及其频率信息,从而实现对外界扰动信号多参量检测。

2) 相干检测可以改善系统的信噪比,系统探测到的是本地光和散射光乘积的结果,所以可以通过提高本地光功率来提高整个信号功率,从而提高系统的信噪比。

3) 采集到的数字拍频信号可以应用目前比较成熟的数字信号处理技术来补偿光纤信道中的衰减、色散、偏振模损耗,以及激光器相位噪声对系统影响。

1.2 信息融合

光纤传感技术应用于周界安防领域,具有入侵信号定址精确,现场无源防爆、耐候防雷、使用寿命长、灵敏度高、安全可靠等优势。然而,光纤传感的高灵敏度伴随而来的高误报率问题,降低了系统的实际使用效果。针对此问题,需要提出一种同时具备高灵敏度和低误报率指标的光纤周界防入侵系统的报警方法。通过结合振动探测区域对应视频图像的识别结果,对周界环境进行预判,给出最优的报警策略参数。

为了克服光纤周界防入侵系统的高灵敏度与低误报率不能同时兼顾的难题,本文提出利用振动探测区域对应视频图像的识别结果,对周界环境进行预判,可以屏蔽非人为活动引发的误报输出,同时,当视频图像分析结果识别出人体时,通过自动调节参数提高系统的报警灵敏度,使得系统仅对非法入侵人员的攀爬翻越等恶意入侵行为敏感,既保证了光纤周界系统的高灵敏度特性,又极大地降低了系统的误报率,提升光纤周界安防技术的准确性。

2 系统架构

2.1 安装实施

在某轨道交通车辆段停车场,安装布设地埋式光纤测振周界入侵报警系统,监测长度约6.3 km,监测系统架构及探测光缆铺设方式如图1所示。将探测光缆沿布防区域边界进行敷设,在布防区域的边界开挖倒梯形的沟渠,在沟渠底部铺设一层石子层,再在石子层上方覆盖一层原土,将探测光缆埋设在石子层的中心位置。探测光缆一端连接监测主机,监测主机放置于中控室。监测主机的采样频率为500 Hz,最大探测距离为50 km,分辨单元为10 m。沟渠宽度为4～6 m,深度为0.8～1.2 m。

图1 监测系统架构及探测光缆铺设方式示意图

如图1所示,在轨道交通车辆段停车场区域四周挖一条沟渠,在沟渠中填充石子,传感光缆敷设于石子之中,以增强振动传导。在沟渠上部回填一层较薄的原土,以增加隐蔽性。当有振动波作用于传感光缆时,系统监测到异常信号,经过分析判断,发出报警信息,报警信息包含识别类型和入侵定位。

2.2 信号处理

信号处理计算步骤如下。

1) 在系统中,预设值系统的信号特征报警阈值,一般分为:常规和灵敏2个等级。

2) 每隔特定周期,系统读取探测光缆链路全段数据,进行差分处理,按照差分阈值T寻找扰动点,对超过差分阈值T的扰动点进行下一步分析。读入全段的n秒数据,根据监测主机的采样频率P,最大探测距离S和分辨率单元长度L,得到全段矩阵;全段矩阵为P×n行,S/L列;将全段矩阵的每一行与前一行做差分运算,得到一个P×n-1行,S/L列的矩阵;再找到这个矩阵每一列的最大值,即得到一个1行,S/L列的矩阵,即全段的差分数据;比较差分数据和差分阈值的差值判断扰动发生的位置。

3) 对超过差分阈值T的扰动点进行滤波,滤除低频噪声。在无外界扰动的状态下,观察一段时间的差分信号,差分阈值应高于常态差分信号的数值范围。当发生外界扰动时,这个位置的差分信号会出现较大的跳变,超过差分阈值。系统开始读取这个位置监测点在一段时间内的的时域信号。

4) 对滤波后的信号计算信号特征。信号特征包括:

时域信噪比:将一段滤波后数据取绝对值后,找到每个超过设定阈值(数值可改变)的位置,计算此位置后n秒数值之和与前n秒数值之和的比值,再找到这些比值中的最大值,即为这段信号的时域信噪比。

时域能量:即滤波时域信号绝对值的平方和。

频段能量:数据经过快速傅里叶变换后,将一个频段内(如:90～100 Hz)的幅值累加得到。

幅值最大频率:快速傅里叶变换计算频谱,找到幅值最大的频率。

冲击间隔时间:划分一段信号中的各个冲击事件的起始时刻。找到各次冲击事件之间的时间间隔的中值。

5) 根据计算的信号特征进行特征判断和模式识别。对应当前系统自动判断的报警灵敏度,获取当前的信号特征阈值,阈值类别包括:时域信噪比、时域能量、频段能量、幅值最大频率、冲击间隔时间。

6) 事件区域判断。在空间距离上,对于输出相同判断结果的探测点,按照探测点间距划定是否为同一事件。在时间上,对于判断结果和影响位置相同的事件,认为是同一事件。

7) 报警事件输出,包含入侵事件类型,入侵事件位置等信息。

2.3 融合算法

光纤探测和智能视频监控通过网络进行信息交互,采用的视频信息融合算法包括:

1) 在通常情况下,当智能视频监控主机未识别到异常行为时,振动判断灵敏度默认为“常规”等级,当光纤入侵探测器探测到异常振动时,主动通知智能视频监控主机优先处理对应视频并进行更详细的分析,确定是否存在人为入侵行为。

2) 当智能视频监控主机识别到区域入侵、越界行为时,主动通知光纤入侵探测器,开启与视频关联的报警模式,振动判断灵敏度调整为“灵敏”

等级,提高报警灵敏度。

3) 当智能视频监控主机识别到攀爬行为时,主动通知光纤入侵探测器,立即输出报警。

3 测试及实际运用

3.1 模拟测试

地埋式光纤测振周界入侵报警系统,主要探测的入侵行为有车碾压和人行走。在轨道交通车辆段停车场周界布放区域进行了多组模拟入侵行为的测试信号采集。使用已采集的样本库训练支持向量机分类器,将训练好的分类器用于新产生的入侵信号的模式识别判断。

在约4.93 km位置,进行车辆碾压测试,系统能准确识别车辆碾压行为并输出对应报警信息。图2所示为4.93 km位置进行车辆碾压测试时的激励振动信号。

图2 车辆碾压测试信号

在约4.61 km位置,进行人行走测试,系统也能准确识别到人行走行为并输出对应报警信息。图3所示为4.61 km位置进行人行走测试时的激励振动信号。

图3 人行走测试信号

在地埋式光纤测振周界入侵报警系统的运行期间,进行了多次模拟入侵行为测试,测试结果统计见表1。

表1 测试统计

由表1可见,在地埋式光纤测振周界入侵报警系统的运行初期,由于采集的样本数据库相对较少,根据原先特征阈值参数判断的报警正确率约在80%左右,2022年7月,根据前期的所有测试采集数据,丰富了信号样本库,优化了特征阈值判断参数,报警正确率提高到90%左右,2022年10月,再次对样本库进行了扩充和筛选,对部分离散度较大的样本进行了滤除,同时优化了判断逻辑,再次优化的特征阈值判断参数,报警正确率可达到98%～99%。

3.2 运行统计

在常规运行状态下,统计每月的误报数量,系统经过近一年运行,误报次数统计如图4所示,误报频次≤3次/月。

图4 系统误报次数统计

经过以上模拟测试统计和长期运行观察可得:地埋式光纤测振周界入侵报警系统,对车辆碾压和人行走的情形均能有效报警并准确定位。地埋式光纤测振周界入侵报警系统,能够及时准确地探测到入侵事件的发生,为轨道交通车辆段停车场的周界安全提供有力保障。

4 结语

针对光纤传感的高灵敏度伴随而来的高误报率问题,本文通过结合振动探测区域对应视频图像的识别结果,对周界环境进行预判,给出最优的报警策略参数,可以有效抑制非人为活动引发的误报输出,从而实现同时具备高灵敏度和低误报率指标的光纤周界防入侵系统的报警效果。及时地对诸如车辆碾压、人行走等入侵行为进行识别和定位,结合多场景多维度融合分析,提高站场混合组网灵活和便利性,提高站内安全事件响应及时性,提高安全事件识别准确性,保障站场空间安全防护水平。有利于轨道交通车辆段停车场的管理人员及时知晓并查看停车场的周界安全情况,为轨道交通车辆段停车场的周界安全提供有力保障。