轨道交通光纤周界监测系统信号处理方法研究

冯浩波 苏泰华

（南宁轨道交通集团有限责任公司，广西 南宁 530029）

1 概述

轨道交通车辆段停车场除了承担车辆的停放、检修、保养任务之外，运营线路的列车编组、调度等工作也在此完成，线路的控制中心、物资总库、变电所等重要处所也放置于车辆段停车场内[1～3]。因此，保证车辆段停车场的周界安全，防止外来人员入侵，是保障城市轨道交通安全运行的重要前提。为保障轨道交通车辆段停车场的安全运营，避免外来闲杂人员的无意闯入或恶意入侵，必须在车辆段停车场周界布设入侵报警系统，对车辆段停车场的周界安全进行实时监控。周界报警系统通常采用的技术方案有：振动光纤、振动电缆、红外对射、激光对射、微波探测等，其中，光纤传感技术与电类传感技术相比，具有易于安装和敷设、探测部分为光纤无需供电、不受电磁波干扰等优势，正成为周界安防技术方案的主流趋势[4～5]。周界监测系统在运行过程中，环境中存在的干扰源众多，对于轨道交通车辆段停车场周界场站而言，容易引起光纤周界监测系统误报的干扰源除了风雨等天气因素，还有频繁经过的列车产生的较大振动信号。因此，如何在充分利用光纤传感系统高灵敏度优势的同时，在众多外界因素干扰之下，对环境干扰进行过滤，正确地识别入侵行为，降低系统误报率，保证系统运行效果，是实际工程中需要重点解决的问题。

2 信号分析

2.1 光缆布设

轨道交通车辆段停车场所处地理位置一般较为偏僻，空间面积较大，周界长度大约为2～4km。探测光缆的安装方式如图1 所示，当监测区域的围墙或围栏上已安装有网片，则利用现有网片直接将探测光缆采取S 型敷设，绑扎在网片上，每隔约0.3m-0.5m 设置一个绑扎点。如监测区域围墙上没有安装网片，则在围墙顶部安装网片，再将光缆采取S 型敷设绑扎在网片上。

图1 探测光缆安装示意图

2.2 数据采集

振动数据采集方式如下：

2.2.1 将振动探测光缆布设于监测区域的周界；

2.2.2 对于整个周界探测区域，将探测光缆划分为多个等距离的探测单元；

2.2.3 系统采集和解调每个探测单元检测到的振动信号；

2.2.4 对于每个探测单元检测到的振动信号，按照每0.2 秒一段，分割为多个时间片段，统计每个时间片段的最大值；

2.2.5 将上一步每个探测单元得到的时间片段的最大值序列，按照探测单元的空间分布进行排列和拼接，得到监测区域的光纤振动瀑布图。

2.3 数据分析

对于轨道交通车辆段停车场的周界，西戎主要监测对围墙的各种外界冲击振动信号，如人员在围墙的翻越行为，以及较大力度冲击围墙的行为。在轨道段线的出入口，列车频繁出入。除了自然环境中的干扰源，如大风、降雨等，列车经过产生的振动，也是出现较为频繁的干扰源。

经过对大量模拟攀爬测试时录制数据，以及风雨天气和列车经过时录制数据的归类分析，我们发现入侵攀爬、风雨干扰和列车经过这三类振动信号，在空域图像上存在有一定区别。风雨干扰和列车经过产生的振动信号，在时间和空间的影响范围均较为广泛，在空域图像中，呈缓变趋势；而入侵攀爬信号，所呈现的激励影响较为集中，其时间和空间的影响范围相对于风雨干扰和列车经过振动而言，其影响范围相对较小。并且在存在风雨干扰或列车经过等背景环境干扰的情形下，入侵攀爬产生的激励会与背景干扰振动进行叠加，在干扰背景下，仍呈现较为明显的突变趋势。

由于入侵攀爬产生的激励会与背景干扰振动相叠加，因此系统在进行报警判断时，不宜使用采集信号振动幅度达到阈值即发出报警的方式，否则，会因风雨干扰和列车经过等因素产生大量的误报警。考虑到入侵攀爬振动和风雨干扰、列车经过等干扰振动在空域图像上所存在的差异性。因此，我们提出利用图像处理算法，将风雨干扰、列车经过等干扰振动信号作为不均匀背景进行提取，并消除空域图像中的这种不均匀性，实现对风雨干扰、列车经过等干扰振动信号的过滤，同时保留并增强入侵攀爬振动激励。通过对振动信号空域图像进行预处理，在入侵攀爬振动激励增强后的空域图像中再进行判断分析，可以有效提高光纤周界监测系统的报警准确率。

2.4 信号预处理

为了减弱或消除振动信号空域图像中，由于风雨干扰、列车经过等大范围背景噪声干扰所引入的不均匀性，其不均匀性，类似于光学图像中不均匀光照的影响，因此本文采用顶帽变换，来校正振动信号空域图像中的不均匀性。

顶帽变换算法主要用于提取出图像的不均匀背景，再将原始图像和不均匀背景图像进行相减，即实现保留和增强前景图像的效果。

经过对大量模拟攀爬测试时录制数据的统计分析，根据攀爬振动激励的形态学特点，我们采用20×5 的模板，对振动信号空域图像进行顶帽变换。所用模板的尺度，需大于攀爬振动激励信号图块的尺度，同时小于风雨干扰、列车经过等背景噪声影响范围的尺度。

如图2 所示，为某次人工攀爬围墙激励测试，所采集到的原始信号，从数据中可以看到4 次人工激励，同时，由于风吹围栏产生晃动的干扰，其背景也存在有一定的波动。

图2 原始信号

采用20×5 的模板，对原始振动信号空域图像进行开运算。如图3 所示，可以提取到原始振动信号空域图像中背景的缓变趋势，即提取到底面背景。

图3 底面提取

将原始振动信号空域图像与提取到的底面进行相减，即进行顶帽变换，如图4 所示，可见信号底面的缓变波动被明显消除。由于风吹围栏产生晃动的干扰被有效消除，同时，攀爬产生的激励信号，得到了有效地保留。

图4 顶帽变换

对图像的顶帽变换结果，进再行指数增强运算，指数因子设置为3，如图5 所示，可见增强了图像中较为明亮的区域，人工激励的信号得到了进一步的增强，同时，背景噪声干扰被有效抑制。

图5 激励增强

2.5 算法设计

光纤周界监测系统的报警算法步骤设计如下：

2.5.1 对于整个周界探测区域，将探测光缆划分为多个等距离的探测单元；

2.5.2 在监测周界区域，每隔一定距离，进行敲击定位，记录围栏区域探测单元和实际的监测防区的对应关系；

2.5.3 系统采集和解调每个探测单元检测到的振动信号，对于每个探测单元检测到的振动信号，按照每0.2秒一段，分割为多个时间片段，统计每个时间片段的最大值；

2.5.4 将上一步每个探测单元得到的时间片段的最大值序列，按照探测单元的空间分布进行排列和拼接，得到监测区域的光纤振动瀑布图；

2.5.5 对光纤振动数据图像进行顶帽变换，消除空域图像背景中的缓变趋势，即消除风雨、列车经过等大范围背景噪声影响，再进行指数增强运算，指数因子设置为3；

2.5.6 对于预处理后的光纤振动瀑布图，设置二值化分割阈值，对瀑布图做二值化处理；

2.5.7 对二值化矩阵中的明亮像素点进行聚类分析，以提取光纤振动数据图像中的每一个激励信号团块；

2.5.8 判断某激励信号团块的激励时长和影响范围是否达到围栏策略预设门限值；

2.5.9 当某激励信号团块达到围栏策略预设门限值，则系统发出入侵报警，报警信息包含时间、位置等内容。

3 测试运行

某轨道交通车辆段停车场周界长度约3.6km，墙体上方安装有硬质网片，光纤振动探测光缆采用“S 型”敷设，在监测周界墙体上方的网片上，进行绑扎安装。

分别选择无风、微风、大风、下雨的天气，进行模拟攀爬激励测试，统计报警率如表1 所示，报警正确率达到100%。

表1 模拟攀爬测试报警率统计

在常规运行状态下，统计每月的误报数量，系统经过一年运行，误报次数统计如图6 所示，误报频次≤3 次/月。

图6 系统误报次数统计

4 结论

系统经过1 运行，误报频次≤3 次/月。进行了多次模拟攀爬激励测试，报警正确率达到100%。系统在充分发挥光纤传感技术高灵敏度优势的同时，在大风、降雨、车辆经过等众多的外界因素干扰之下，能够正确地识别和区分入侵行为和环境干扰，有效降低系统的误报率，保证系统的报警正确率，具有良好的工程应用价值，为城市轨道交通车辆段停车场的周界安全提供了可靠保障。