1国家铁路局安全技术中心2中国铁路北京局集团有限公司北京通信段
0 引言
随着我国铁路营业里程的日益增长，铁路车站、线路、接触网及沿线铁路设备组成的铁路运输环境与外界环境的接触范围不断扩大，铁路周界安全风险的涌现形式呈现突发性、隐蔽性、社会性、复杂性。具体表现有阻碍列车发车、在线路上放置异物、非法破坏或穿越铁路栅栏、道路车辆或沿线材料侵入铁路线路、恐怖袭击等等，这些恶意行为或潜在危险给铁路运输带来严重事故隐患。
安全防范包括：人防（组织专业人员进行的行为防范）、物防（采用建筑物、防护设施、警示标志等实体的物理防范）和技防（运用科学技术和系统防护功能的技术防范）。周界安防系统属于系统工程范畴，是技防、物防、人防相结合的系统。本文从周界安防技术特点入手，结合高铁周界入侵报警系统现状进行安全性和可靠性分析。
1 周界安防技术
周界安防系统一般由探测（传感）设备、传输网络和报警（监控）终端组成。目前市场上的主流系统一般是由探测技术来区分的，其核心技术大致可以分为四种类型：对射遮挡、依附探测、物理感应和智能视频监控。周界安防技术与探测（传感）、监控、视频与多媒体、计算机网络、系统集成等技术的发展极为密切，技术更迭较快。
1.1 对射遮挡型技术
1）红外对射。利用经LED红外光发射二极体发射的脉冲红外线，再经光学镜面做聚焦处理到受光器接受，防区内有物体遮挡光波时触发报警。红外对射设备小巧、价格低、技术成熟，安装及维护方便，但是误报率高，在不规则周界环境中设置有难度，适用于短距离安装。
2）激光对射。激光发射机可向远端接收机发射出定向单束或多束不可见激光光束，接收机在接收到激光信号后就与发射机形成了一个完整的光通路，在防区内形成一个激光警戒线或围栏，当有入侵者入侵时，就会阻断光通路内的激光接收，从而实现终端报警。激光能量集中，能耗低，比红外光穿透力强，能适应雨、雾、霜、雪、沙尘等恶劣天气，误报率低，但安装价格高，且只能用于规则边界。
3）微波探测。利用场干扰原理、波束阻断式原理，当微波发射和接收设备之间有物体造成微波信号减弱，接收设备接收不到正常的传播信号，随及报警。微波墙也称为微波栅栏，是利用微波电磁场建立数百米长，数米宽、高的立体防区。微波墙误报率低，可实现立体区域防护，但易受电磁干扰，且安装要求高。
1.2 依附探测型技术
1）振动电缆。它的核心是专用传感电缆和探测器，传感电缆具有感测形变和压力的特点，直接安装在铁艺等金属材质的栏网上，攀爬、切割或打破围墙的行为都将会激活报警器。传感电缆长度约400米，可按直线或曲线安装，具有耐高温、耐低温、抗干扰等特点。
2）泄露电缆。这种电缆地表浅埋式的侵入探测器，高频电磁波在泄露电缆中传送，在敷设的两个平行泄漏电缆之间，形成了一个电磁场防护区域，当人体或金属进入电磁感应区域时[5]，电磁场受到扰动，收到的电磁波能量发生变化，产生报警信号。泄露电缆施工安装复杂，电磁影响大，误报率较高。
3）振动光纤。它以感应光纤、光电转换单元为核心组件，基于光学干涉原理，当发生振动引起的纤芯形变，导致光相位变化，通过感测光的波形等变化特性，经过模型计算，可以识别入侵行为和侵入地点。可安装在各种铁艺围栏、栅栏、围墙上，具有对攀爬、破坏栅栏、暴力入侵和下穿施工的报警功能。振动光纤安装简单，无供电及通信要求，不受地形限制，适合长距离敷设，但是灵敏度高，为减少风、车辆震动等正常活动对系统造成的误报，需要进行一段时间的数据学习。
1.3 物理感应型技术
1）张力电子围栏。主要由拉力探测器、控制杆、承力杆及线缆等组成[7]。围栏将砍剪、拽拉、攀爬线缆等主观行为造成的线缆张力变化转变为电信号，继而发出报警。因热胀冷缩和鸟类停留引起围栏张力值变化，容易产生误报，因此需要随季节设定初始张力值，并且定期进行检查。
2）脉冲电子围栏。系统包括前端围栏和脉冲主机，当入侵行为触碰到围栏合金线时，引发高压放电并触发报警，适宜在实体围墙和栅栏上进行安装。脉冲电子围栏误报率较低，集探测报警和阻止入侵功能为一身，具有较强的威慑作用，但安装较复杂，不易维护，采用的低脉冲高电压可能造成人身伤害。
1.4 智能视频监控技术
视频监控技术由过去模拟视频监控、数字视频监控已经发展到了现在智能视频监控阶段，智能视频监控技术是通过在熟悉场景下预先设计报警规则，追踪分析场景内的目标，判断是否违反报警规则发出报警，系统可实现行为侦测、异物侦测、入侵报警、设备破坏报警等功能，在光线不足的情况下需采用补光措施。智能视频监控系统可在日常场景管理基础上，不断发现、分析入侵行为，对于误报行为及时更正，如恶劣天气环境下适应能力，需要通过进行视频监控系统的自我学习升级，降低误报率。
2 高铁周界入侵报警系统现状
2.1系统概况
对2017年某铁路集团公司路外安全问题进行统计发现，全年221起路外环境问题中，因行人进入铁路线路封闭区内和线路上人为摆障占25件，其中发生在高铁线路的占11件。若发生相撞事故，后果不堪设想。为减少非作业人员进入高速铁路线路封闭区，有必要构建有效的预警系统。高速铁路周界入侵报警系统，是由铁路集团公司监测平台、监控中心、现场设备(包含前端探测设备、前端处理设备和前端声光报警设备)三级架构组成，通过部署在不同特点铁路沿线（车站）防区的前端探测设备，实时探测入侵行为的一种技术设备。中国铁路总公司自2014年6月起，通过逐步采集特殊环境数据，建立并分析特征量以及模型，已在京广高铁、广深线、兰新二线等高铁线路上进行试验，试验证明，该系统具备一定安防能力。
2.2 常见前端探测技术
高速铁路周界入侵报警系统中前端探测设备主要技术手段有光波对射探测技术、脉冲电子围栏探测技术、振动电缆探测技术、振动光纤探测技术、张力围栏探测技术、多维三鉴振动探测技术和视频智能分析探测技术等。前期中国铁路总公司组织设计单位、多家厂家在兰新二线上对使用较为广泛的振动光纤、电子围栏、对射探测等系统技术进行了比选，实验结果表明，振动光纤技术更成熟，更适合高速铁路长距离周界防护的特点，实际应用时可根据具体情况使用一种或多种前端探测技术。
2.3 系统预警联动流程
本文主要对前端探测设备中的振动光纤探测设备进行分析。振动光纤探测设备是在高铁沿线栅栏、刺丝滚笼和检修通道门上安装振动传感光缆和防区模块，当诸如攀爬、剪切、挖掘、触碰等入侵行为作用在感应光缆上，会引起安装于各监控点设备箱的光纤报警器和接入的防区引导光缆产生光波变动，不同类别的行为产生不同形状的波动形状，从而触动报警系统。报警系统会将报警信息发送至铁路综合视频监控系统，利用接触网支柱4米高处的高清视频摄像机对入侵对象进行追踪、分析、初步判断后，将复示报警信息推送至监控中心。监控人员核对后，再进行联动处理。
2.4 系统人工智能化
高速铁路周界入侵预警系统利用人工智能技术，进行深度计算和深度学习。深度计算主要是采用神经元算法，模仿动物神经网络行为特征, 进行分布式并行信息处理，分析并掌握给定的样本数据之间潜在的规律，然后根据这些规律来预测新的输入数据的结果。再结合图像处理、模式识别和计算机视觉等多学科研究技术，利用背景减除、帧间差分、光流方法建立了运动背景模型算法，同时建立入侵多特征模板，在有效抑制噪声和光影突变的同时，通过动态多阈值和数学形态学运算，快速检测识别图像中的入侵目标，实现报警[10]。深度学习能力是在模型库内进行自学习，并对海量数据进行分析，使得系统能够自动的跟踪和识别监控区域可能发生的危险事件，从而做出提前预警。各厂家之间的核心竞争就是系统深度计算和深度学习能力。
3 安全性和可靠性分析
周界安防是系统工程，要考虑适用性、可靠性和安全性。就周界安防系统来讲，可靠性是系统自身决定的，与系统的故障、失效、误报、能耗有关，安全性是系统在生命周期内对人和周围系统环境造成影响的评判，与使用寿命、自然影响、电磁干扰、人身伤害等有关。适用性是系统与周围系统环境匹配的能力和与人的友好程度，与误报、使用寿命、施工和维护成本有关。
可靠性高的系统，不代表安全性好，安全性高的系统，可靠性不会差。可靠性是质量决定的，是安全性的前提，适用性是环境决定的，是安全性的基矗在系统建设前要充分考虑，不仅要周界安防技术的性能，还要考虑系统的建设投入和寿命，以及日后保持其性能的维修投入。
周界安防技术优缺点对比见表1。
根据周界安防技术特点，在安全性和适用性方面可参照以下几个条件进行比眩
1）防护等级。反恐怖和治安防范实行等级防范制度，突发事件应急管理也是等级管理，防护体系的建立也可参照实行等级管理。比如低等级防护体系使用既有物理隔离，中等级防护体系使用物理隔离配备一种周界安防技术系统，高等级防护体系使用双层物理隔离配备多种周界安防技术系统。
2）防护范围。防护对象的周界可能是多维的、不规则的，可将周界划分成几部分或几个层次，分别选用适合的周界安防技术，互相补充，保证防护效果，同时可以相互验证，减少误报次数。
3）防护条件。铁路系统庞大，建（构）筑物、设备等需要设置防护的场景多样，安装现场自然条件、电磁兼容、信号干扰等因素复杂，选择适用的周界安防技术不仅便于施工铺设，而且维护和使用也会更便利。
4）防护投入。安防系统是为了保护重要设施，以及国家和人民生命财产安全，不是给人欣赏的花架子，要简单贴合实际。能用围墙解决的问题，就不用花大价钱上系统。
5）智能升级。自2008年IBM提出"智慧地球"，到近年我国提出"新型智慧城市"，周界安防也进入"智慧安防"时代。传统前端探测设备只能解决"是"和"否"的单一判断，而振动光纤及智能视频等新兴技术能突破传统探测界限，在其技术范围内作出分析，按照不同的算法和模型，可辨识入侵行为更具竞争力。
4 结论
技防、物防和人防是安全防范领域的三个范畴，如果把安全防范体系看作一个系统，人防、物防和技防之间不存在谁是关键的问题，而是要做好相结合相协调的问题。铁路发展过程中，铁路部门建设了大量物理防护设施，在部署周界安防系统前应仔细梳理分析防护目标所在空间环境，现有物理防护条件和人员组织情况，增设合理的周界安防技术，形成全封闭、智能报警、处置高效的防护体系。
1）开展不同场景下的周界安防技术应用试验。无论技术怎么发展，都还是要应用到实际当中，一项技术在一个行业应用的再成功，也不一定适合其他行业，因此铁路要发展自己的周界安防体系，应当开展广泛应用试验，通过试验检验安防技术的适用性，总结自身的防护需求。
2）智慧安防要紧跟科技发展。随着人工智能、大数据研究的不断深入，周界安防系统也向着自我深度学习和智能分析决策方向发展，铁路部门应密切关注科技发展动向，扩大与互联网、高新产业企业的交流和合作。
3）周界防护与铁路建设统筹规划。周界防护作为安全防护的一部分，应该和铁路工程建设同时设计、同时施工、同时使用，铁路部门应及早出台相关规定规范，制定铁路行业周界安防的建设和使用标准。
4）由被动防护向主动防护转变。2016年一家邻近高铁的工厂，因生产使用的危险品发生爆炸，金属物品炸落在高铁桥上，严重威胁高铁运输安全。如果在高铁桥梁上安装周界安防系统，安装范围大，空间防护效果差，建议与生产企业沟通在其边界布设铁路周界安防系统，有针对性的进行防范。
5）探索研究空间周界防护。随着无人机使用的日渐增多，无人机干扰航班、坠落伤人时有发生，我国高铁里程长、范围大，面临无人机干扰的几率较大，不进行登记的250克以下无人机和"黑飞"是防范的重点。
论文作者:1蒋帅 2任伟丽
论文发表刊物:《科技尚品》2019年第3期
论文发表时间:2019/7/18
标签：周界论文; 安防论文; 技术论文; 系统论文; 防护论文; 围栏论文; 设备论文; 《科技尚品》2019年第3期论文;