机场周界防入侵系统是机场安全防范系统的第一道防线，其地位非常重要。而随着时代的变迁，现有的机场周界电子防入侵技术发展经历了第一代视频监控防入侵技术、第二代以信号驱动为特征的防入侵技术，正逐步过渡到以目标驱动为特征的第三代防入侵技术。

    机场周界防入侵系统是机场安全防范系统的第一道防线，其地位非常重要。目前机场安全措施主要集中在航站楼中，包括人防、技防和物防等，形成了戒备森严、功能完善的航站楼安防体系，但是十几甚至几十公里长的机坪周界安防却没有得到足够重视，存在很大隐患，是机场安防系统的薄弱环节。最近几年，在国内国外发生了数起入侵者翻越机场围栏潜入飞机内部事件，给机场安全造成了严重威胁。笔者亲眼看到在国内某机场的“滚地龙”周界面前，参与演示的一个科研人员不到三十秒就翻越而入，可见目前机场周界防入侵系统还存在着巨大隐患，亟需改进。

    鉴于机场周界存在安全隐患，民航总局于2008年修订《民用航空运输机场安全保卫设施建设标准》（编号：MH/T 7003-2008），规定了有关飞行区周界、通道、监控和报警系统等民用机场安保设施的建设标准：要求机场应设立周界报警、视频监控系统，系统应能对周界入侵行为作出判断，对目标进行分类，应能在机场飞行和安全照明的环境下工作，应满足全天候运行的要求。

    现有的机场周界电子防入侵技术发展经历了第一代视频监控防入侵技术、第二代以信号驱动为特征的防入侵技术，正逐步过渡到以目标驱动为特征的第三代防入侵技术。

第一代机场周界防入侵技术——视频监控
    第一代防入侵技术以视频监控技术为主，以其直观、准确、及时和信息内容丰富而得到广泛应用，视频监控的发展大致经历了三个阶段：上世纪九十年代以前，大多采用模拟监控系统；九十年代中期，进入数字化本地视频监控系统时期；到九十年代末，视频监控步入了全数字化网络时代。

    然而，视频监控本身有其难以根除缺点：缺少报警功能，仅能起到事后追踪的作用，虽然其后增加了智能视频技术，但是虚警、漏警率过高而无法得到大规模应用；具有极强的环境受约性，在黑夜、大雨、大雾、大雪等天气条件下均无法使用；监控人员易疲劳，据统计，安防人员连续监控20分钟以上，即会“视而不见”。

第二代机场周界防入侵技术——信号驱动型
    第二代防入侵技术增加了报警功能，主要包括振动光纤、辐射电缆、红外对射、张力围栏和高压脉冲等常见周界防入侵技术。

振动光纤
   以光学干涉理论为基础，不间断地实时采集传感距离以内的各类振动信号，安装隐蔽，检测距离长，适合各种形状的周界，既可埋在地下也可布设在空中，不会受到任何辐射、电磁干扰的影响；对攀爬、剪切围栏等入侵企图所产生的各种振动频率非常敏感，在使用过程中无需进行过多的维护保养；但是其布线工程复杂，无法识别目标，无法判断位置，漏警和误警率偏高，防范范围有限。在大风暴雨、无意触碰、悬挂的异物、飞鸟停落、工地施工等情况下容易造成误警，对空中抛物、空中跨越入侵和地下入侵无法检测造成漏警。[nextpage]

辐射电缆
    利用两根辐射电缆之间的空间形成一个椭圆形的电磁探测区。当有人进入此探测区时，会干扰探测区的电磁耦合，使接收电缆收到的电磁波能量发生变化，从而产生告警信号。其安装在地下，是一种隐蔽的无形探测手段；灵敏度高，漏警几率小；电缆可环绕任意形状的警戒区域周界，不受地形、地面不平坦等因素的限制。但是其感应范围小（1~2m），对于机场等电磁通讯地域会造成电磁干扰；价格比较昂贵；对于目标识别能力较弱，在人员靠近、动物靠近等情况下容易造成误警，对空中抛物、空中跨越入侵和墙体打洞等入侵无法检测造成漏警，也容易受到电磁辐射和噪声的干扰。

红外对射
    红外线电子对射墙是利用红外线发射器发射红外线的一种入侵探测器。红外对射感应灵敏，不破坏环境美观；安装简便，维护方便；防卫方式隐蔽，使入侵者在不知不觉中触警。但是遇到雨天或者雾天会影响报警系统；若红外安装柱发生形变或倾斜会破坏红外射线导致没法正常预警。红外射线容易受到附近植物生长的干扰，也无法识别具体的入侵目标，在动物穿越、大雾大雨的天气、植物生长等情况发生时容易产生误警，也无法检测出空中翻越、人员匍匐、地下掘地入侵。

张力围栏
    基于张力的平衡原理进行探测，利用一组平行的探测线中的一根或几根线受力偏斜从而触发报警。其外型美观，可作为天然物理围栏；不受光和电磁干扰；高强力拉紧设计，适用于各种恶劣的环境。但是调整钢丝的拉力较麻烦，误警率很高，日后维护围栏也很麻烦，无法防范高空跨越入侵、地下掘地入侵、攀爬安装柱入侵和空中抛物等入侵手段。

高压脉冲
    利用一组平行的电线组成围栏，可以对入侵起到一定的阻吓作用，误报率低。但是其安装不够美观，对墙体打洞入侵和空中跨越无能为力，危险系数太高，不适合人员密集以及出入频繁的地方，更多应用在油库，监狱等安防禁止出入区。

    其他几类防入侵技术包括振动电缆、微波对射、激光对射等，以上技术进步推进了机场电子周界防入侵技术的发展，但都是基于检测信号的大小是否超过设定阈值来进行报警，属于信号驱动型，虚警率和漏警率高，无法满足机场防入侵系统对目标分类的要求。

第三代机场周界防入侵技术——传感器网络，目标驱动报警
    传感器网络是人类信息技术的一次历史性机遇。传感器网络是以感知为目的全新的网络信息系统，是上世纪末兴起的新兴领域。移动通信连接的是人与人，传感器网络连接的是物与物，将推动信息产业“第三次浪潮”。1999年，美国的移动计算和网络国际会议上，提出“无线传感网是下一个世纪人类面临的又一个发展机遇”；2002年，美国橡树岭实验室断言IT时代正在从“Computer is the network”向“Sensor is the network”转变；国际众多权威机构预测传感器网络将是改变人类生活方式的十大技术之首，其未来市场将比现有的Internet大得多，到2020年与传统话音业务比例将达到30:1，规模将达万亿级。美欧日韩等均已启动以传感器网络为主要基础设施及产业带动龙头的“无处不在的泛在社会”（“U社会”）国家战略性计划，奥巴马政府更将IBM“智慧地球”计划视为极具支柱产业的潜力。我国中长期科技发展规划及其国家03重大专项已明确列入传感器网络方向。[nextpage]

    目前，中国已占据国际传感网领域的核心地位，是国际标准主导国之一，掌握核心技术。2008年6月，首届ISO/IEC国际传感网标准化大会在上海微系统所召开，中国、美国、韩国、英国、德国、日本、挪威等30多个成员国及ISO、IEC、ITU-T、IEEE等的120余名官方代表和技术专家参加。在第2、3、4、5次国际标准化会议上，我国代表ISO/IEC传感网标准化工作组向上级做总体报告。提交“传感器网络标准化体系”、“传感器网络体系架构”、“传感器网络协同架构”等核心提案，获得成员国代表的高度认可，并纳入ISO/IEC标准化的技术方案。同时，我国作为主要成员积极参加IEEE 802.15.4e传感器网络国际标准的制定。传感器网络已成为我国信息技术少有的具有国际标准主导权的领域，与国外相比具有同发优势、同等水平，部分达到领先。

    从应用需求和技术方案两个层面来讲，基于传感器网络的周界防入侵系统需要考虑以下几方面因素。

应用需求
    民航总局文件《民用航空运输机场安全保卫设施》明确提出了对入侵目标进行识别、分类及全天候工作的要求。周界防入侵系统的应用需求主要考虑：
·入侵手段：按目标种类，包括入侵人员和抛物等；按空间角度，包括低空翻越、地面入侵（围栏攀越与破坏、设备破坏等）、掘地入侵等；
·周界种类：包括单层围栏、双层围栏、砖墙围栏等多种形式；
·周界环境：周界内部可能紧贴巡警区或货物运输道路；周界外部可能是草地、公路、农田、沟渠、海水等；周界周边地质包括水泥、泥土和沙土等；
·全天时/全天候：全天时要求系统24小时不间断工作；全天候则要求系统能在四季的差异性气候，包括台风、大雨、大雾、冰雹等典型场景下有效工作。

技术方案设计
    依据机场防入侵系统要求，针对传感器网络协同感知、自治组网以及入侵目标和机场环境的高度不确定性来设计机场的传感器网络防入侵系统，需重点考虑以下关键技术：

大规模端到端网络设计
    大型机场周界一般有几十公里长，需要布设上万个传感器节点，如何设计好端到端网络对这些节点进行合理控制是实现传感器网络防入侵系统的第一步，包括节点冗余设计、动态路由和分簇拓扑控制协议等。

小规模自治网络设计
    相对于整个机场周界而言，入侵目标可以看作为局部点入侵，即入侵事件只唤醒其周边的部分节点，这些节点将自组织地形成小规模端到端网络，它为后续的协同、融合及信息处理功能提供了基础。

多个传感器的分布式协同方案
    分布式协同方案利用多个分布在不同地理位置的传感器节点的信息，对入侵目标的位置进行估计并描绘其运动轨迹。

多种传感器的融合方案
    为达到对目标的综合感知，需要利用多种类型的传感器提供的多参数、多视角的测量信息，通过多级融合策略，综合判断目标属性。

混杂目标的盲源分离技术
    机场周界环境中经常会有车辆、人员、飞机和动物等事件混杂出现，必须依靠多种以及多个传感器节点的信息来实现混杂目标的盲源分离。[nextpage]

低信噪比下的目标检测技术
    复杂环境下目标信号淹没在噪声中，信噪比极低，基于多个传感器信息的微弱信号检测算法能有效提高入侵目标的检测概率。

时域、空域和频域联合检测技术
    针对机场周界环境复杂、目标混杂和气候恶劣的特点，该系统下的信号与信息处理算法必须考虑从时域、空域和频域同时进行分析处理，更重要的是要从三个域之间的关联着手，为目标正确检测提供可靠依据。

局部气象监测技术
    整个网络系统的探测、识别和融合功能都需要依赖气象传感器节点提供支持，以自适应调整参数和算法。

自学习机设计
    由于机场环境的不确定性，目标种类、数量、行为的不确定性，传感器自身的不一致性，必须设计相应的自学习机，提高鲁棒性。

三级三维传感器网络综合防入侵技术
    在中国科学院与上海机场集团共同应用和示范建设的基础上，形成了“三级三维”传感器网络综合防入侵系统。“三级”是指预警区、报警区、出警区。预警区：在周界外部设置范围可调预警区域，画地为牢，排除外界干扰，友善提醒无意靠近围栏的行为。报警区：对目标的入侵过程进行报警。出警区：非法入侵成功后的紧急报警，立即出动警力。

    “三维”是指低空、地面、地下三维立体报警。低空探测：对抛物、翻越和低空飞行器等入侵行为进行报警。地面栅栏：对攀爬、破坏等入侵行为进行报警。地下：对掘地入侵行为进行报警。

    传感器网络机场周界防入侵系统达到的主要技术指标包括：
·大规模端到端网络容量：可容纳10万节点以上；
·探测手段：10余种传感探测手段；
·识别能力：人员、车辆和动物等混杂目标的识别和分离；
·入侵响应时间：小于2秒；
·入侵目标区域定位精度： 0.5米。

    通过传感器网络手段能告知目标是什么、在哪里、做什么，之后再进行报警，即目标驱动报警，实现了低虚警率、高报警率的周界防入侵，与第二代的信号驱动报警形成鲜明对比。

应用示范
    中国科学院联合上海国际机场股份有限公司建立了传感器网络周界防入侵系统的2.4公里应用示范段，笔者有幸参加了2009年6月16日由中国民用机场协会主办，上海国际机场股份有限公司协办，由中科院嘉兴无线传感网工程中心承办的机场防入侵新技术研讨会，并参观了该应用示范段。

    从现场效果来看，系统较好地达到了预期目的，反响良好，表现在：虽然周边存在很多干扰，比如与周界紧靠的公路上载重货车横行、机场内部警铃不断、跑道上飞机接连起降等，都没有对防入侵系统造成干扰；该系统对入侵目标的定位精度达到了0.5米，能有效排除外界干扰；当有人员靠近围栏时，系统给予了友善提醒，可以有效喝止不当行为并减少出警次数；对于无恶意的脚踏和手推，系统并不立即报警，但是对围栏的攀爬和破坏，系统无一例外及时发出警报；对于不碰触围栏的空翻入侵和掘地入侵，该系统也能立即检测到并报警。

    据用户反映，该示范段自2008年1月建成以来，经受了南方雪灾、高温、数次冰雹、无数大风大雨等考验，均未发生虚警，对于人员的入侵行为也未出现漏警。由此可见，传感器网络这一新兴技术给机场周界防入侵系统带来了革命性的创新，为周界筑起了无缝立体“电子长城”。

    由于机场示范段的成功，上海世博局在世博园区对该系统进行了测试，即将在世博会期间投入使用。同时，在监狱等国家特种安防领域的传感器网络周界防入侵系统也开始投入建设。（本文由刘海涛 滕建军提供）