Discussion on the Design of Intelligent Periphery Security System for Airport Flight Zone

邱冬莉 / 魏 旗

(中國(guó)航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100120)

?

Discussion on the Design of Intelligent Periphery Security System for Airport Flight Zone

機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)智能周界安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

邱冬莉 / 魏 旗

(中國(guó)航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100120)

The fence security system design scheme of a domestic airport is analyzed, and the structure and application of the new intelligent fence security system are introduced. The subsystems of intelligent fence security system are mainly elaborated, what include the vibration of intrusion detection system based on the sensor network, radar video surveillance system (RVS), video monitoring system and broadcasting system. Through the network integration of the subsystems, the goal of the airfield fence intelligent monitoring is achieved.

periphery security of airport flight zone, internet of things, radar detection for moving target, intelligent

0 引言

一直以來(lái)，民航機(jī)場(chǎng)的安全防范主要分為航站區(qū)安防監(jiān)控系統(tǒng)和飛行區(qū)周界安防系統(tǒng)兩部分。隨著民航機(jī)場(chǎng)吞吐量的增加和起降飛機(jī)等級(jí)的增大，機(jī)場(chǎng)跑道和機(jī)坪的面積也逐漸擴(kuò)大，為保證機(jī)場(chǎng)空防和地面人員的安全，飛行區(qū)周界安防系統(tǒng)作為第一道防線(xiàn)，作用十分重要。

傳統(tǒng)的周界安防主要包括紅外對(duì)射、脈沖電子、泄露電纜及振動(dòng)光纜(電纜)等技術(shù)，但這些傳統(tǒng)技術(shù)普遍存在誤報(bào)率較高、安全性差、環(huán)境適應(yīng)性弱等缺點(diǎn)，隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的快速發(fā)展及物聯(lián)網(wǎng)概念的問(wèn)世，使得多元化、智能化的周界安防系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，這種系統(tǒng)采用多技術(shù)協(xié)同探測(cè)、融合算法、可根據(jù)氣象數(shù)據(jù)智能分析、結(jié)合視頻聯(lián)動(dòng)、廣播報(bào)警等，功能豐富、可靠性強(qiáng)，已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外多個(gè)大型機(jī)場(chǎng)得到了驗(yàn)證。本文以國(guó)內(nèi)某國(guó)際機(jī)場(chǎng)為例，對(duì)飛行區(qū)智能周界安防系統(tǒng)進(jìn)行分析探討。

1 機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)智能周界安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體方案

飛行區(qū)智能周界安防系統(tǒng)采用現(xiàn)代多媒體技術(shù)及數(shù)字化監(jiān)控技術(shù)，形成先進(jìn)的數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化周界安防系統(tǒng)，通過(guò)統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和管理軟件將中央監(jiān)控室設(shè)備與各子系統(tǒng)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)由監(jiān)控中心對(duì)全系統(tǒng)進(jìn)行信息集成的自動(dòng)化管理。子系統(tǒng)包括基于物聯(lián)網(wǎng)的MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微機(jī)電系統(tǒng))振動(dòng)入侵報(bào)警系統(tǒng)、移動(dòng)目標(biāo)雷達(dá)探測(cè)及熱成像掃描系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)及廣播報(bào)警系統(tǒng)。飛行區(qū)智能周界安防系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

圖1 飛行區(qū)智能周界安防系統(tǒng)框架圖

根據(jù)不同飛行區(qū)域的地理環(huán)境和人員行動(dòng)特點(diǎn)，采用多種檢測(cè)手段和復(fù)合技術(shù)實(shí)現(xiàn)安防監(jiān)控應(yīng)用。環(huán)境復(fù)雜的航站樓、貨運(yùn)庫(kù)、維修機(jī)庫(kù)圍界較為曲折多變，容易受車(chē)輛、人員影響，入侵防御以點(diǎn)防為主，需選用成本低、靈敏度及精度高、智能化集成的MEMS振動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在金屬?lài)绾筒糠謱?shí)體墻上安裝圍欄探測(cè)器和磚墻探測(cè)器。在空曠的跑道圍界區(qū)域，防護(hù)區(qū)廣闊平坦，可選用移動(dòng)目標(biāo)探測(cè)雷達(dá)、該設(shè)備可靠性高，能夠有效減少工作人員排查設(shè)備故障次數(shù)的移動(dòng)目標(biāo)探測(cè)雷達(dá)。飛行區(qū)圍界上按一定距離安裝日夜轉(zhuǎn)換固定式數(shù)字彩色攝像機(jī)和日夜轉(zhuǎn)一體化球型彩色攝像機(jī)，在雷達(dá)附近安裝熱成像及超視距彩色攝像機(jī)對(duì)入侵目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。沿著圍界布置廣播揚(yáng)聲器，實(shí)時(shí)語(yǔ)音告警。通過(guò)四個(gè)系統(tǒng)的集成達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控不法分子的入侵，及時(shí)警告進(jìn)入周界附近的人員，以避免造成對(duì)機(jī)場(chǎng)內(nèi)設(shè)施的破壞和對(duì)人員的傷害。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1)MEMS振動(dòng)入侵報(bào)警系統(tǒng)

圖2 MEMS振動(dòng)入侵報(bào)警系統(tǒng)框圖

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的MEMS振動(dòng)入侵報(bào)警系統(tǒng)(見(jiàn)圖2)主要包括前端探測(cè)和后臺(tái)服務(wù)器兩部分。其中，多個(gè)部署在圍界上的前端探測(cè)器連接到一個(gè)區(qū)域融合控制器，后者通過(guò)以太網(wǎng)連接到后臺(tái)服務(wù)器，氣象采集設(shè)備同樣通過(guò)以太網(wǎng)連接到后臺(tái)服務(wù)器。系統(tǒng)后臺(tái)服務(wù)器具有接收前端探測(cè)器的報(bào)警數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)、分析設(shè)備的故障信息、對(duì)報(bào)警數(shù)據(jù)和氣象信息等數(shù)據(jù)進(jìn)行融合、判斷是否報(bào)警并給出報(bào)警結(jié)果等功能。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠?qū)C(jī)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)施結(jié)合起來(lái)管理，一方面是機(jī)場(chǎng)、道路和建筑物的安防需求，一方面是數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，兩者的結(jié)合不僅節(jié)省了人工成本，也促進(jìn)了機(jī)場(chǎng)管理邁向智能化。

前端探測(cè)分為安裝在圍欄上的圍欄探測(cè)器(安裝示意圖見(jiàn)圖3)和安裝在墻磚上的磚墻探測(cè)器(安裝示意圖見(jiàn)圖4)。探測(cè)器使用MEMS傳感器采集和識(shí)別圍界振動(dòng)信號(hào)。與傳統(tǒng)的傳感器相比，采用微電子和微機(jī)械加工技術(shù)制造出來(lái)的MEMS傳感器具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化的特點(diǎn)。將探測(cè)器安裝在每個(gè)圍欄立柱上，入侵報(bào)警定位精度可達(dá)3m。每個(gè)探測(cè)器都是獨(dú)立的報(bào)警單元，所有報(bào)警單元組成全圍界振動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。當(dāng)某個(gè)探測(cè)器內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致總線(xiàn)故障，且節(jié)點(diǎn)故障狀態(tài)會(huì)在后臺(tái)軟件及時(shí)更新。當(dāng)線(xiàn)纜短路時(shí)系統(tǒng)會(huì)發(fā)出防區(qū)故障報(bào)警信號(hào)，通信線(xiàn)纜被剪斷時(shí)，系統(tǒng)可精確定位線(xiàn)纜被破壞點(diǎn)。前端探測(cè)器的這些特征節(jié)約了機(jī)場(chǎng)復(fù)雜區(qū)域圍界安防的成本，提高了精度，具有較高性?xún)r(jià)比。

圖3 圍欄探測(cè)器安裝示意圖

圖4 墻磚探測(cè)器安裝示意圖

在后臺(tái)服務(wù)器上運(yùn)行的防入侵智能報(bào)警軟件，能夠接收到前端探測(cè)器數(shù)據(jù)并輸出報(bào)警結(jié)果。系統(tǒng)軟件采用智能區(qū)域融合算法，通過(guò)接收和處理所有探測(cè)器的現(xiàn)場(chǎng)信息數(shù)據(jù)，最大限度排除飛行區(qū)周邊車(chē)輛振動(dòng)、無(wú)意觸碰等干擾。為了有效減少機(jī)場(chǎng)附近極端天氣帶來(lái)的干擾，探測(cè)器利用空間和時(shí)間算法融合區(qū)域內(nèi)探測(cè)器數(shù)據(jù)，同時(shí)還借助風(fēng)速、風(fēng)向等傳感器感知的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，自動(dòng)調(diào)整報(bào)警檢測(cè)的特征參數(shù)。

2)移動(dòng)目標(biāo)雷達(dá)探測(cè)及熱成像掃描系統(tǒng)

移動(dòng)目標(biāo)雷達(dá)探測(cè)及熱成像掃描系統(tǒng)由系統(tǒng)服務(wù)器和前端雷達(dá)組成。系統(tǒng)服務(wù)器接收到雷達(dá)的報(bào)警信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后直接發(fā)送命令給熱成像及超視距彩色攝像機(jī)，對(duì)可疑目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。移動(dòng)目標(biāo)雷達(dá)安裝示意圖見(jiàn)圖5。

圖5 移動(dòng)目標(biāo)雷達(dá)安裝示意圖

移動(dòng)目標(biāo)雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)采用RVS(Radar Video Surveillance，雷達(dá)視頻監(jiān)控)技術(shù)，對(duì)人員有效探測(cè)距離為1 000m，對(duì)車(chē)輛的有效探測(cè)距離為1 454m。機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)跑道的空曠圍界長(zhǎng)度約為5 500m，根據(jù)有效探測(cè)距離，平均布置3臺(tái)雷達(dá)即可進(jìn)行有效防范。該雷達(dá)工作頻段為76～77GHz，屬毫米波雷達(dá)，發(fā)射功率最大為15mW，掃描頻率216°/s，最小安全距離為0.36m。經(jīng)有關(guān)機(jī)場(chǎng)使用部門(mén)測(cè)試，該雷達(dá)設(shè)備在運(yùn)行期間對(duì)機(jī)場(chǎng)盲降系統(tǒng)、航班正常起降和空管通訊沒(méi)有影響。

RVS技術(shù)采用掃描式探測(cè)，其覆蓋的范圍能同時(shí)探測(cè)≥10個(gè)的入侵目標(biāo)，且雷達(dá)覆蓋范圍內(nèi)的10個(gè)入侵目標(biāo)可連續(xù)、不間斷、不干擾地進(jìn)行追蹤顯示。雷達(dá)覆蓋范圍內(nèi)的攝像機(jī)除了能進(jìn)行基本的復(fù)核外，還能對(duì)入侵者入侵后的軌跡進(jìn)行連續(xù)式追蹤，或者多目標(biāo)間的切換追蹤。用戶(hù)可以選擇主要追蹤目標(biāo)，但是隨著攝像機(jī)對(duì)主要目標(biāo)進(jìn)行追蹤的同時(shí)，其他入侵目標(biāo)不會(huì)因攝像機(jī)的數(shù)量問(wèn)題而在地圖上丟失目標(biāo)。

機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)空曠區(qū)域面積廣，距離機(jī)場(chǎng)安防管理監(jiān)控中心較遠(yuǎn)，天氣變幻多樣，采用高性能、高分辨率、極低誤報(bào)率(24h內(nèi)僅有一次誤報(bào))的雷達(dá)探測(cè)技術(shù)，可大大減少管理人員排查故障的工作量，而且其準(zhǔn)確性不會(huì)因?yàn)樘鞖狻⒐庹栈蚴瞧渌h(huán)境因素的改變而變化；也不受小動(dòng)物引發(fā)的虛假警報(bào)影響，能夠定位和跟蹤圍欄外闖入者，并且可識(shí)別其攀越圍欄；當(dāng)中間沒(méi)有阻擋物時(shí)，該雷達(dá)還能探測(cè)相鄰陸域或水域的情況。

3)安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)

入侵報(bào)警系統(tǒng)需要與視頻進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，在報(bào)警發(fā)生時(shí)自動(dòng)切換報(bào)警防區(qū)的視頻監(jiān)控圖像，并顯示在大屏幕上，進(jìn)行報(bào)警后的視頻復(fù)核。因此在機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)圍界的圍欄和圍墻處每隔約100m設(shè)置一臺(tái)720P日夜轉(zhuǎn)換固定式數(shù)字彩色攝像機(jī)，采用追尾跟蹤和入侵報(bào)警聯(lián)動(dòng)控制對(duì)企圖跨越周界圍欄或圍墻的行為進(jìn)行監(jiān)控；利用照明燈光補(bǔ)光達(dá)到24h實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能，每隔約500m設(shè)置1080P日夜轉(zhuǎn)一體化球型彩色攝像機(jī)一臺(tái)，用于對(duì)闖入者的繼續(xù)跟蹤；在機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)隨雷達(dá)設(shè)置熱成像及超視距彩色攝像機(jī)，攝像機(jī)可通過(guò)雷達(dá)控制跟蹤入侵目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

前端數(shù)字?jǐn)z像機(jī)通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)將視頻信息傳輸至機(jī)場(chǎng)安防監(jiān)控中心進(jìn)行視頻顯示和處理。由于使用IP攝像機(jī)，數(shù)字視頻信號(hào)無(wú)需編碼和解碼，可直接傳輸至視頻服務(wù)器，如發(fā)生非法入侵，安防監(jiān)控中心屏幕上會(huì)顯示報(bào)警圖像，同時(shí)聯(lián)動(dòng)前端帶云臺(tái)攝像機(jī)轉(zhuǎn)到相應(yīng)報(bào)警預(yù)置位，并在安防監(jiān)控中心電視墻上顯示。安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖6。

圖6 安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)框圖

4)廣播報(bào)警系統(tǒng)

廣播報(bào)警系統(tǒng)的主要作用是對(duì)入侵行為進(jìn)行阻止，機(jī)場(chǎng)圍界的廣播同時(shí)具有信息發(fā)布及廣播講話(huà)等功能。根據(jù)機(jī)場(chǎng)圍界每個(gè)區(qū)域不同內(nèi)容的播放要求，系統(tǒng)采用IP數(shù)字智能音頻廣播系統(tǒng)，在地形復(fù)雜多變的建筑物空側(cè)，每隔100m背靠背安裝兩臺(tái)40W室外防水號(hào)角揚(yáng)聲器；在空曠的跑道圍界區(qū)域設(shè)置3臺(tái)600W高音室外號(hào)角揚(yáng)聲器，安裝在雷達(dá)附近，可隨熱成像攝像機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

當(dāng)確認(rèn)有人正在非法進(jìn)入禁區(qū)時(shí)，安防報(bào)警處理系統(tǒng)通過(guò)協(xié)議聯(lián)動(dòng)廣播系統(tǒng)，告知廣播系統(tǒng)報(bào)警防區(qū)信息。廣播系統(tǒng)主機(jī)自動(dòng)打開(kāi)報(bào)警語(yǔ)音，將語(yǔ)音或人工廣播通過(guò)音頻網(wǎng)絡(luò)適配器傳輸至報(bào)警分區(qū)現(xiàn)場(chǎng)。同時(shí)控制打開(kāi)相關(guān)區(qū)域的功率放大器和分區(qū)控制器進(jìn)行自動(dòng)廣播，播報(bào)內(nèi)容為事先錄制好的警示語(yǔ)。當(dāng)報(bào)警事件處理完后，可通過(guò)圍界報(bào)警管理主機(jī)在管理中心手動(dòng)關(guān)閉廣播。

如果沒(méi)有報(bào)警，視頻監(jiān)控彈出可疑現(xiàn)象，中控室可通過(guò)廣播管理主機(jī)，手動(dòng)打開(kāi)防區(qū)廣播及相應(yīng)的揚(yáng)聲器通路，并由中央控制室內(nèi)人員通過(guò)話(huà)筒對(duì)外直接喊話(huà)。

2 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的安防系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，適合在極端天氣較多的地區(qū)使用；相比較傳統(tǒng)技術(shù)而言，可靠性強(qiáng)、誤報(bào)率低、防入侵效果明顯；系統(tǒng)采用雷達(dá)技術(shù)，實(shí)時(shí)性高，能夠減輕圍界巡邏壓力，提高防御和抓捕效率；系統(tǒng)后端采用統(tǒng)一通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，采用數(shù)字化、集成化管理，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，便于排查問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)智能化聯(lián)動(dòng)控制；系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，日常巡檢人員即可完成維護(hù)工作。

無(wú)論從全球發(fā)展趨勢(shì)還是我國(guó)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的角度出發(fā)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)對(duì)民航機(jī)場(chǎng)的需求都處于上升時(shí)期，因此，我國(guó)有著巨大的飛行區(qū)周界安防市場(chǎng)，隨著通信技術(shù)和微電子技術(shù)的成熟，新一代的飛行區(qū)周界安防系統(tǒng)使得設(shè)備間能夠直接通信、交互、協(xié)作，安全防范更加全面，必定會(huì)得到大規(guī)模的推廣和應(yīng)用。未來(lái)的飛行區(qū)周界安防，將會(huì)朝著網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化及多種手段相結(jié)合的方向發(fā)展，把周界安防系統(tǒng)提高到一個(gè)新的水平。

[1] 梁宏意.談機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)周界安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì),2011(11):75-78.

[2] 曹學(xué)明,王喜富,劉海迅.基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)場(chǎng)周界安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].物流技術(shù),2010(19):66-68.

[3] 王鵬.明察秋毫:基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能安防[J].中國(guó)數(shù)字電視,2012(5):28-33.

[4] 林建海,陸開(kāi).基于物聯(lián)網(wǎng)的浦東機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)圍界防入侵系統(tǒng)應(yīng)用[J].華東科技,2012(7):69-70.

[5] 王偉彬,程雪,董立鋼,等.某國(guó)際機(jī)場(chǎng)周界防范系統(tǒng)總體方案[J]. 智能建筑與城市信息,2013(6):73-77.

[6] 劉軍濤.北京新機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)周界安防方案探索[J].中國(guó)民用航空,2013(8):42-43.

[7] 阮曉東.智能周界防護(hù)物聯(lián)網(wǎng)的拿手好戲[J].新經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊,2014(8):40-44.

[8] 陳小龍.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在機(jī)場(chǎng)圍界入侵警報(bào)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].大連交通大學(xué),2013.

Qiu Dongli / Wei Qi

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)某機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)周界安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的分析，闡述了新一代智能化周界安防系統(tǒng)的構(gòu)成及應(yīng)用。重點(diǎn)分析了該智能化周界安防系統(tǒng)組成的各子系統(tǒng)，包括基于物聯(lián)網(wǎng)的MEMS振動(dòng)入侵報(bào)警系統(tǒng)、移動(dòng)目標(biāo)雷達(dá)探測(cè)及熱成像掃描系統(tǒng)、安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)及廣播報(bào)警系統(tǒng)。通過(guò)各子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)融合，實(shí)現(xiàn)了飛行區(qū)周界智能化監(jiān)控的目標(biāo)。

飛行區(qū)周界安防 物聯(lián)網(wǎng) 移動(dòng)目標(biāo)雷達(dá)探測(cè) 智能化