邊海防立體監(jiān)視系統(tǒng)組網(wǎng)探測技術(shù)研究

鹿 瑋,卞紫陽

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

邊海防是國防的重要組成部分。古今中外,大多數(shù)國家都把加強邊海防作為安邦定國的戰(zhàn)略任務(wù)來對待。我國幅員遼闊,陸地邊境線長達2.2萬公里,由于我國邊境沿線地理環(huán)境十分復(fù)雜,邊海防環(huán)境錯綜復(fù)雜,有戈壁、叢林、高山、草原等不同地貌,出入境便道數(shù)量難以估計,使得我國邊境防線的偵察監(jiān)視任務(wù)尤為艱巨。目前存在的問題有:①各個省、市、縣單獨構(gòu)建邊海防監(jiān)控網(wǎng)絡(luò),存在交接處盲點及責任不清楚的問題；②路口關(guān)卡的設(shè)備多為單個設(shè)備的運行,缺少聯(lián)動；③各自管轄范圍內(nèi)也存在邊海防監(jiān)控設(shè)備種類較為單一,主要依靠的僅為攝像頭,出現(xiàn)大量盲區(qū)；④值班室需要人工盯防,沒有自動報警設(shè)備,消耗大量人力。當前邊海防周邊條件復(fù)雜、傳統(tǒng)的振動、對射、泄漏、微波、雷達等周界防護手段受限于惡劣的自然天氣或復(fù)雜應(yīng)用場景,不能有效發(fā)揮效能,因此急需提出更有效的邊海防立體監(jiān)視方案。

本文綜合運用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術(shù),以目前邊防部隊的實際需求為出發(fā)點,充分考慮邊境地區(qū)的地形地貌、氣候環(huán)境特點,解決現(xiàn)有偵察監(jiān)視裝備的遺留問題,補全裝備需求空白,構(gòu)建遠距離偵察預(yù)警以紅外全景熱像儀為中心,中距離偵察識別以分布式熱像儀為基點,近距離感知以聲震磁傳感器為輔助的“萬物互聯(lián)、人機交互、天地一體”邊海防立體監(jiān)視安防網(wǎng)絡(luò)空間。

2 邊海防立體監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計及組成

2.1 邊海防立體監(jiān)視系統(tǒng)總體設(shè)計

在總體架構(gòu)設(shè)計中,構(gòu)建多傳感器融合組網(wǎng)探測模型進行立體監(jiān)視。邊海防立體監(jiān)視系統(tǒng)可以分成三層架構(gòu):邊海防感知層、邊海防網(wǎng)絡(luò)層和邊海防應(yīng)用層。其中,邊海防感知層是邊海防立體監(jiān)視系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源；邊海防網(wǎng)絡(luò)層為感知層提供高速信息傳輸通道,同時為應(yīng)用層提供超級計算能力；邊海防應(yīng)用層統(tǒng)籌利用邊海防感知層和邊海防網(wǎng)絡(luò)層的全面感知能力和超級計算資源,實時分析處理海量區(qū)域情報,針對突發(fā)邊海防事件快速反應(yīng)、智能決策、合理處置。

2.2 邊海防傳感器數(shù)據(jù)采集層

邊海防感知層是邊海防立體監(jiān)視系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源,由各種傳感器和傳感器網(wǎng)關(guān)構(gòu)成,是邊海防立體監(jiān)視系統(tǒng)的核心層,主要是信息的智能采集,由聲音傳感器、震動傳感器、磁傳感器、紅外傳感器、壓力傳感器、可見光相機、紅外成像傳感器等組成[1]。

以下分析、歸納了邊海防傳感器數(shù)據(jù)采集層應(yīng)用的主要傳感器性能矩陣,如表1所示。

表1 主要傳感器性能矩陣

2.3 邊海防網(wǎng)絡(luò)信息傳輸層

邊海防立體監(jiān)視系統(tǒng)主干鏈路利用已有通信基礎(chǔ)設(shè)施,如自建光纖,相關(guān)無線通信資源,在一些較為復(fù)雜,偏遠的地區(qū),無任何可用資源的情況下,可以利用自架桿線以及無線傳感網(wǎng)絡(luò)與微波通信系統(tǒng)互相結(jié)合的方法對信息傳遞進行保障。其通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

第一部分是有線網(wǎng)絡(luò)。通過電路或者光纖等方式來實現(xiàn)對各種傳感器、傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)匯聚,并把收集到的信息發(fā)送至各級指揮中心(指揮室、管理監(jiān)控終端)來分析和處理由各級發(fā)送的數(shù)據(jù),然后根據(jù)分析結(jié)果觸發(fā)識別、監(jiān)視、預(yù)警、跟蹤等反應(yīng)行為對事件進行處理。

第二部分是無線寬帶網(wǎng)絡(luò)。在具有供電設(shè)施,地形較為開闊或者是制高點等擁有較好自然條件、方便管理的位置,通過建立衛(wèi)星小站、無線網(wǎng)橋等方式,建設(shè)一些高速率的通信網(wǎng)絡(luò),這些方式能夠作為有線網(wǎng)絡(luò)的延伸,可以安裝傳感器在這些節(jié)點上,用于回傳大信息量數(shù)據(jù)(如高清甚至超清圖像視頻等),同時這些傳感器也可作為下一級網(wǎng)絡(luò)的路由節(jié)點,將下一級網(wǎng)絡(luò)發(fā)送來的數(shù)據(jù)回傳到有線網(wǎng)絡(luò)中。

圖1 邊海防立體監(jiān)視系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Network structure map of border defense stereo monitoring system

第三部分是低速率、低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)。在無供電設(shè)施并且地形較復(fù)雜的需要監(jiān)視的區(qū)域范圍,對各個傳感器設(shè)備若采用衛(wèi)星通信的方法會使運行、傳輸與維護的成本大大提高,而在這種惡劣的環(huán)境下可將傳感模塊和對應(yīng)的通信模塊封裝成安全性較好的免維護設(shè)備,組建低速率、低功耗無線傳感網(wǎng)絡(luò),通過光、風或低功耗電池供電,采用多跳路由的方式進行擴展通信使數(shù)據(jù)傳遞到上一級網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

2.4 邊海防智能應(yīng)用層

邊海防智能應(yīng)用層主要是針對不同應(yīng)用傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的軟件體。應(yīng)用層中既有網(wǎng)絡(luò)基本應(yīng)用,如時間同步、節(jié)點定位等,也有高級應(yīng)用,如情景感知、目標跟蹤等。每個應(yīng)用以及服務(wù)都應(yīng)該通過針對它的特性的網(wǎng)絡(luò)接口實現(xiàn)對傳感器硬件平臺的通信以及對基礎(chǔ)軟件之間的通信,整個網(wǎng)絡(luò)功能的實現(xiàn)是通過軟硬件的協(xié)調(diào)工作的方式來完成的。

邊海防應(yīng)用層在邊海防感知層和邊海防網(wǎng)絡(luò)層的全面感知能力和超級計算資源的支撐下,對傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的海量區(qū)域情報進行實時分析,對突發(fā)邊海防事件進報警。

3 基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的立體監(jiān)視系統(tǒng)組網(wǎng)探測技術(shù)

3.1 立體監(jiān)視系統(tǒng)組網(wǎng)探測的問題分析

對上述系統(tǒng)任務(wù)需求的廣域和高分辨目標監(jiān)視,關(guān)鍵是要利用各類傳感器或傳感器系統(tǒng)實現(xiàn)此任務(wù)需求的解決方法,分析傳感器的性能要求,確定開展工作所需要研究的問題。

分析、研究各類傳感器探測目標的過程可分為兩個階段，即目標的搜索捕獲階段和探測識別階段，其技術(shù)解決方法上可將之分解為兩個問題:

1)單傳感器探測(感知)問題,即傳感器本身對目標的探測技術(shù)問題,包括對目標的檢測、分辨、識別和定位跟蹤能力以及環(huán)境適應(yīng)能力等,主要是從提高傳感器自身的探測性能和數(shù)據(jù)處理能力來滿足；

2)傳感器系統(tǒng)(網(wǎng)絡(luò))探測問題,即傳感器系統(tǒng)的空域覆蓋、時域問題,要求從系統(tǒng)上解決對關(guān)心的廣闊空域內(nèi)隨時可能出現(xiàn)的瞬間目標時空事件進行及時搜尋和捕獲,包括空域的廣闊縱深無縫覆蓋能力和時域長期持續(xù)監(jiān)視能力,從而保證對廣域地區(qū)隨時出現(xiàn)的瞬間目標及時捕獲跟蹤識別。

3.2 單傳感器探測(感知)模型

解決上述第一個問題及傳感器探測技術(shù),如眾所周知的雷達技術(shù)、微光夜視技術(shù)、熱成像技術(shù)、激光技術(shù)等。對于邊防傳感器系統(tǒng)來說,所有這些探測技術(shù)的傳感器,其單傳感器(傳感器節(jié)點)均有一定的探測空域(或稱感知空域)和范圍,通常稱之為傳感器節(jié)點的探測模型或稱感知模型。根據(jù)實際中對傳感器感知區(qū)域的多樣化需求和傳感器的種類不同進行歸納,有以下三種基本的傳感器節(jié)點感知模型:

1)全向感知模型。例如,單節(jié)點的聲、震、磁等傳感器節(jié)點,它們對環(huán)境的感知能力是全方位的,節(jié)點的感知范圍是一個以節(jié)點為圓心、以其感知距離(由節(jié)點硬件特性決定)為半徑的圓形區(qū)域。

2)定向感知模型。例如,光電、紅外、雷達等多數(shù)傳感器的探測區(qū)域是具有方向性的扇形區(qū)域,它對環(huán)境的感知受“視角”的限制。其節(jié)點的感知范圍是一個以節(jié)點為圓心、以其感知距離為半徑且與其指向、視角相關(guān)的扇形區(qū)域。

3)線型感知模型。例如,監(jiān)控傳感器系統(tǒng)中的壓力、振動感敏線纜和光纖等傳感器,其感知區(qū)域是沿著很長線纜或光纖的狹窄線形區(qū)域。

在進行傳感器系統(tǒng)設(shè)計分析時,還要根據(jù)傳感器節(jié)點在其探測區(qū)域內(nèi)對目標的感知能力特征,將其節(jié)點感知模型分為以下兩類傳感器感知模型:

1)布爾感知模型。這是一個簡單、理想化的二元感知模型,節(jié)點的感知范圍是一個以節(jié)點為圓心、以其感知距離為半徑(由節(jié)點硬件特性決定)的圓形、扇形區(qū)域。只有落在該圓形、扇形區(qū)域內(nèi)的點才能被該節(jié)點覆蓋,目標被感知的概率均取值為“1”,否則為“0”。

2)概率感知模型。對通常的如光電、雷達這樣的傳感器而言,不是上述的理想化二元感知模型,而是在節(jié)點的圓形感知范圍內(nèi),目標被感知到的概率是由傳感器探測性能即目標到節(jié)點的距離、節(jié)點物理特性等諸多因素決定的變量(0～1),不是個常量。離節(jié)點的距離越遠,目標被感知的概率就越小。因此為可靠保證對廣闊地域目標的搜尋、捕獲,要求無縫、無盲區(qū)且有多層重疊的覆蓋。

另外,從傳感器節(jié)點對目標的感知過程是從低級的目標探測(從背景噪聲中發(fā)現(xiàn)目標存在)、識別(認清和分類目標)到高級的目標確認(識別目標類型并被描述)的逐步深人過程,其傳感器感知模型中的感知距離是不同的,隨著感知等級提升與深人,感知距離會逐步減少,即一般探測距離>識別距離>確認距離,由此也要求有多層重疊覆蓋。

3.3 多傳感器融合組網(wǎng)探測的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型

上述第二個問題是實際監(jiān)控應(yīng)用時要求的感知區(qū)域遠遠大于上述單個傳感器節(jié)點探測的廣域空域而提出的屬于傳感器系統(tǒng)(網(wǎng)絡(luò))問題,是獲取目標信息的前提和至關(guān)重要的任務(wù),是極為困難的目標搜尋問題,要求解決可靠搜尋并捕捉到在廣域地區(qū)隨時可能出現(xiàn)的瞬間即逝的目標及其時空事件,即要求解決廣域的空域覆蓋能力和時域持續(xù)監(jiān)視能力這兩個問題。為描述傳感器系統(tǒng)的目標搜尋與捕獲能力,通常采用所謂“搜尋模型”[2]來進行估計,例如,目前在軍事應(yīng)用中常用的NVESD(美軍夜視與電子傳感器管理局)搜尋模型,用來預(yù)測在搜尋視場中運用光電探測器搜尋并捕獲目標的大體概率。其實質(zhì)是對搜尋/捕獲的總體能力或概率分析,它由傳感器能否覆蓋目標可能出現(xiàn)的空域和時域，能否捕捉到目標出現(xiàn)的時刻以及發(fā)現(xiàn)目標的觀察時間幾者的聯(lián)合概率決定[3],即:

P0=P1×P2×Pt

式中,P0表征傳感器系統(tǒng)可靠搜尋并捕獲到目標的概率；P1表征傳感器系統(tǒng)的空域覆蓋能力,為空域上傳感器搜索視場覆蓋目標的概率；P2表征傳感器系統(tǒng)的時域持續(xù)監(jiān)視能力,為時域上覆蓋目標可能出現(xiàn)時間的概率；Pt表征傳感器對目標捕獲的概率,決定于傳感器本身的探測能力。

空域覆蓋能力:為可靠保證搜尋并捕獲到目標,要求從空域連續(xù)覆蓋目標可能出現(xiàn)的范圍,傳感器的覆蓋范圍不小于目標可能出現(xiàn)的空域時,則上述P1等于1。

時域持續(xù)監(jiān)視能力:要搜尋到目標的另一重要要求是時間上的持續(xù)監(jiān)視能力,或稱“持續(xù)性”(Persistence)。因上述目標時空事件是隨時可能出現(xiàn)的瞬間即逝現(xiàn)象,為保證傳感器開機 觀測的窗口時間能捕捉到可能的目標出現(xiàn)或目標時空事件發(fā)生,要求傳感器系統(tǒng)持續(xù)觀察目標的時間大于目標隨時可能出現(xiàn)的時間(此時上述P2=1),同時保證觀察者發(fā)現(xiàn)目標的觀測時間。

傳感器的探測性能:Pt是一個與傳感器掃描通過目標的時間(觀測時間)和傳感器響應(yīng)速率有關(guān)的發(fā)現(xiàn)目標概率,決定于傳感器視場及傳感器響應(yīng)速率。

總結(jié)上述各類平臺光電、雷達等傳感器系統(tǒng)對高價值目標的搜索與捕獲的方法,可以概括為:

1)從空域和地域要求傳感器系統(tǒng)能無縫地并有部分重疊覆蓋目標可能出現(xiàn)的地域和空域；

2)時域上的持續(xù)監(jiān)視,要求能有效捕獲到隨時可能出現(xiàn)的、時間短暫的目標時空事件,并對目標出現(xiàn)過程自始至終地跟蹤。

4 邊海防立體監(jiān)視聯(lián)動探測方案

在總體架構(gòu)設(shè)計中,構(gòu)建多傳感器融合組網(wǎng)探測模型進行立體監(jiān)視。其中,多傳感器融合包括兩種,第一種是多模態(tài)傳感器的聯(lián)動使用,比如超近程聲震磁傳感器起到喚醒作用,近程分布式紅外熱像儀起到二次確認的作用。第二種是同模態(tài)傳感器的聯(lián)動使用,比如在兩個分布式紅外熱像儀的重疊區(qū)域內(nèi)進行聯(lián)合探測,不僅可以降低虛警率,提高探測率,還能通過三角測量法定位目標的具體位置,實現(xiàn)精準探測。

根據(jù)作戰(zhàn)需求將偵察監(jiān)視裝備分為遠距離偵察預(yù)警、中距離偵察識別以及近距離感知三部分,如表2所示。

表2 偵察監(jiān)視裝備分類表

邊海防立體監(jiān)視聯(lián)動探測硬件系統(tǒng)由紅外/可見光/聲震/磁等多傳感器網(wǎng)絡(luò)、傳感器融合網(wǎng)關(guān)、供電分系統(tǒng)、傳輸網(wǎng)絡(luò)、信號處理服務(wù)器、后端顯控設(shè)備等分系統(tǒng)組成。圖2是邊海防立體監(jiān)視聯(lián)動探測硬件方案設(shè)計的示意圖。

圖2 邊海防立體監(jiān)視聯(lián)動探測硬件方案設(shè)計Fig.2 Design of hardware scheme for border defense stereo monitoring and detection

邊海防立體監(jiān)視聯(lián)動探測硬件系統(tǒng)的核心部件為遠距離搜跟一體光電晝夜偵察系統(tǒng),如圖3所示。其由可見光攝像機、紅外熱成像夜視儀組成,同時具有目標告警、跟蹤與定位,全景拼圖的搜索與跟蹤一體的功能,能在全方位360°連續(xù)巡掃偵察監(jiān)視模式和跟蹤詳查模式之間進行切換。遠距離搜跟一體光電晝夜偵察系統(tǒng)對直立單兵，可見光識別距離大于等于9 km，紅外識別距離大于等于4 km。

圖3 遠距離搜跟一體光電晝夜偵察系統(tǒng)Fig.3 Long distance search and heel integrated photoelectric day and night reconnaissance system

紅外全向預(yù)警系統(tǒng)如圖4所示,主要配備多路紅外傳感器和轉(zhuǎn)臺,具備全天時、360°全向目標探測,并可對目標的行為進行分析,如逆行、奔跑、聚集等。系統(tǒng)還可以智能地區(qū)分目標類型:人或車輛,并在電子地圖上標示出目標位置及情報上傳。前端光電探測設(shè)備主要包括4支紅外熱像儀、水平轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺,主要負責采集紅外圖像。紅外全向預(yù)警系統(tǒng)對直立單兵紅外識別距離≥500 m。

圖4 中程分布式紅外全向預(yù)警系統(tǒng)Fig.4 Mid range distributed infrared omnidirectional early warning system

全系統(tǒng)由兩個網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成:一是監(jiān)控與處置設(shè)備以太網(wǎng)(簡稱“設(shè)備網(wǎng)”),二是計算機信息系統(tǒng)以太網(wǎng)(簡稱“信息網(wǎng)”),如圖5所示。兩個網(wǎng)絡(luò)由防火墻隔離,用于阻止一般情況下的網(wǎng)絡(luò)攻擊,防止敵對恐怖分子通過遠端的設(shè)備接口入侵內(nèi)部的計算機信息系統(tǒng)。在設(shè)備網(wǎng)中所有非網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都通過相應(yīng)的主機或網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器接入網(wǎng)絡(luò)。在信息網(wǎng)中的中心服務(wù)器具有雙網(wǎng)卡,一個網(wǎng)卡用于連接信息網(wǎng),另一個網(wǎng)卡用于連接原有網(wǎng)絡(luò),這樣一來當不同被監(jiān)控區(qū)域組網(wǎng)建立上級中心時,本系統(tǒng)的設(shè)備網(wǎng)和信息網(wǎng)中的所有設(shè)備都無需更改配置,原有網(wǎng)絡(luò)和本系統(tǒng)信息網(wǎng)中的其他計算機還可用于輔助監(jiān)控[4]。

圖5 顯控分系統(tǒng)物理架構(gòu)Fig.5 The physical architecture of the display and control subsystem

后端顯控系統(tǒng)對前端光電、可見光、聲音、震動、電磁等傳感器傳回到后端的報警信號,根據(jù)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)探測模型中各個傳感器的概率感知模型[5-6],在后端顯控系統(tǒng)中計算出融合探測的結(jié)果。實驗表明,基于多傳感器組網(wǎng)探測的邊海防立體監(jiān)視系統(tǒng)的探測準確率比單紅外傳感器的探測預(yù)警率有所提升,誤報率顯著下降,具體實驗結(jié)果如表3所示。

表3 多傳感器組網(wǎng)探測與單紅外傳感器探測準確率比較表

5 結(jié) 論

邊海防環(huán)境復(fù)雜,對低虛警率、高探測率的無人值守立體監(jiān)視系統(tǒng)需求強烈。本文建立了多傳感器組網(wǎng)探測的數(shù)學模型,實現(xiàn)了基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的邊海防立體監(jiān)視聯(lián)動探測方案,具有高探測率、低虛警率的優(yōu)點,在邊海防應(yīng)用領(lǐng)域具有重大的意義。