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”。

　　【安防知识网】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。

　　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。[nextpage]

　　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。[nextpage]

　　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。[nextpage]

　　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。

　　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。[nextpage]

　　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。[nextpage]

　　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。[nextpage]

　　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

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