传感器网络新一代机场周界防入侵技术——中科院上海微系统与信息技术研究所副所长刘海涛专访

周界防入侵系统是机场安全的第一道防线，做好周界防范对机场的整体安全有着至关重要的作用。以往机场周界普遍存在误警虚警率高的情况，为此，中科院将其自主研发的传感器网络与机场应用需求相结合，成功研发了第三代机场周界防入侵技术。就此，我们拜访了中科院上海微系统与信息技术研究所副所长刘海涛，请他来谈谈这一突破性技术及其在机场周界的应用。

根据民航总局于2008年修订的《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，且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。

实际上，我国机场周界电子防入侵技术的发展经历了三个阶段，第一代是视频监控技术，但其作用只能起到事后追踪取证的目的，没有预警功能；第二代是防入侵技术，系统增加了报警功能，实现方式主要包括振动光纤、辐射电缆、红外对射、张力围栏和高压脉冲等技术，是属于信号驱动型的报警技术，但由于每个机场的环境都不一样，可能出现的目标种类、数量和行为都存在着很大的不确定性，因此，这类技术仍然无法对目标进行分类，虚警误警率极高。

而早在1999年，我国就已开始了传感器网络的研究工作，可以说是与国际同步的过程。传感器网络（后文中简称“传感网”）是一个综合的信息系统，讲求以感知为目的的物物互联，对目标是什么、在哪里和干什么等综合信息进行感知，是以目标物体为驱动，也是目前国内机场新一代的周界电子防入侵技术。

传感器网络——“以感知为目的的物物互联”
传感网的精髓并不是在网络，也不是在传感器，而是在于多种手段的综合判断，是从物体到物体的感知判断，强调多个传感器与与自治网络相结合的综合信息系统。简单来讲，传感网倡导的是物物互联，讲求的是协同感知和综合判断。

如果将传感器网络比喻为人的“头部”，“五官”则是传感器，“大脑”便是网络，举例来说，单靠人的一只眼睛也许只能看清楚杯子的形状，而两只眼睛协同便能精确杯子的大小以及与我之间的距离，如果再加入手的触摸则可以更进一步的感知其硬度和温度等。这个例子可以很形象地概括出传感网的工作原理和过程，即通过多个同传感器（眼睛）的协同和多种类传感器（加入手）的融合对物体进行全面的感知。

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。在其后多次国际标准化会议上，我国代表ISO/IEC传感网标准化工作组做总体报告，提出的“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”等代表该领域顶层设计和方向的技术方案，获得成员国代表的高度认可，并纳入ISO/IEC标准化技术总体方案。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，部分领先。

打造“三级三维”的立体机场周界
大型机场的周界一般都有几十公里长，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。同时，为了达到对目标的综合感知，还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，通过多级融合的策略，来综合判断目标的属性。[nextpage]

针对以上需求，采用传感网综合系统，利用其目标驱动型报警的特点，从而为机场打造出一套“三级三维”的立体防入侵系统。

“三级”是指我们在机场周界分为了预警区、报警区和出警区。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。

一般情况下，根据各机场的环境和实际需求，我们可以做到在围栏以外一到十米设置预警区，可对低空30-50米以及地下20米进行全方位的封锁。同时根据多传感器的协同，对目标进行全方位判断，彻底改变以前周界“有动静就报警”的情况，而是确定其为入侵行为后才报警，这是与二代产品完全不同的地方，也是它的优势所在。

传感网的具体报警手段有很多，目前在浦东机场应用的便有十多种，如声响、振动、红外、视频、气象......单一手段一定有判断不准确的时候，多种手段的综合更能增加系统的高度智能化。

此外，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，而且，在复杂环境下，目标信号容易湮没在噪声中，信噪比极低。针对这些情况，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，并且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可同时从时域、空域和频域三方面进行分析处理，且三个域之间实现关联，为目标的正确检测提供了可靠的依据。

与以往的周界防范不一样，传感网的重心在前端，所有判断和处理的过程都在前端已经完成，后台只是一个显示的作用。所以，系统对后台的要求并不高，这也是传感网周界在整体造价上也极具竞争力的原因。另一方面，由于前端的点位非常多，即使损坏几个也不会对系统造成非常大的影响，抗打击能力也很强。

从产品形态来看，传感网的产品形态是外形不一的节点，有立体式、外挂式、埋地式等等，目前已经在向模组化迈进。

目前，除了在机场、监狱、石化油田等场所被应用之外，传感网在上海世博会的周界范防中也有被应用到。通过在这些大型活动和重要领域中的应用，传感网技术的先进性和稳定性得到了进一步的证明，同时也赢得了更多用户的信任。

最近以中科院为代表制定的国家科技产业发展“2050路线图”信息篇已公开出版，路线图将未来网络的发展分为三部分：有线网络、无线网络和传感器网络。由此可见，传感器网络将带来未来广大的产业空间；与此同时，传感器网络还被称为改变人类未来生活方式的十大技术之首，将远远超过手机通信产业，从而推动信息领域进入第三次浪潮。

传感器网络 新一代机场周界防入侵技术——中科院上海微系统与信息技术研究所副所长刘海涛专访