雷达和智能视频融合技术在铁路周界入侵报警系统中的研究——蒙廷友，王通，刘天涯

一、概述

截至2019年底，我国高铁总里程突破3.5万公里，铁路总里程达到13.9万公里。我国铁路沿线具有覆盖范围广、工况多，运行间隔短，缓冲空间小等特点。近年来,人员对铁路入侵事件频发，给铁路的安全运营带来重大隐患和威胁。例如，2016年1月2日，4名小学生通过铁路防护网排水沟钻入铁道线，将碎石放置在铁轨上，导致武昌开往襄阳的D5243次列车行驶在襄阳东站与襄阳站之间时，碾压上被放置在铁轨上的碎石，被迫紧急停车；2018年10月1日9时20分左右，3名小孩被发现在南广高铁贵港至厚禄站间线路防护栅栏内玩耍，直接导致逼停列车。

2020年3月26日，交通运输部第10次部务会议通过《高速铁路安全防护管理办法》，并联合公安部、自然资源部、生态环境部、住房和城乡建设部、水利部、应急管理部等七部委发布，将于2020年7月1日执行。国家铁路局、国铁集团、各路局、铁科院和地方政府通过发布规范和安全法规，推动采用先进技术保障铁路线路的运营安全。

二、铁路周界入侵报警现状及问题

周界安防主要手段包括人防、物防和技防。人防是利用人工巡逻方式对铁路关键位置进行巡查，劳动强度大，巡检范围有限，需要准备巡逻岗，成本较高；物防是利用地势、围墙、栅栏、铁丝滚网等手段将铁路封闭起来，被动防止人、物、动物的侵入；技防是利用先进技术对周界环境变化进行检测，管理铁路周界的安全状态。随着信息技术和智能技术的不断发展，技防已经成为趋势，通过提前感知线路周界环境的变化，并提前预警，将对铁路行车安全保障发挥积极作用。

周界入侵报警技术主要包括：振动光纤、电子围栏、红外对射、智能视频、微波阵列等。当前，这些大都采用单一手段，并不能完全满足实际需要，主要如下问题。

1. 1）难以满足复杂铁路环境要求：红外对射和震动光纤极易受到外界环境的影响，产生高误报；
2. 2）难以精确定位入侵位置，非法入侵事件没有形成联动报警：电子围栏、智能视频、红外对射等技术不具备定位能力，当入侵发生时，难以采用自动手段确认入侵事件与行为；
3. 3）难以实现大全天候和全域检测：振动光纤容易受到天气、大风、雨雪等环境影响，并且，易受到扰动而产生误报警。光线和天气状况对智能视频影响较为严重，夜晚、雾、霾、风沙等都可能大幅降低入侵识别率，产生漏报与误报；
4. 4）误报率仍然是难题，难以做到低误报：高铁周界范围环境特殊性，路基段多有茂密植被生长，严重影响现有周界入侵报警的有效性。

三、铁路周界安全需求分析

为保障铁路安全运营，交通部、国家铁路局和国铁集团出台了《高速铁路安全防护管理办法》、《高速铁路安全防护设计规范》和《高速铁路周界入侵报警系统总体技术方案》等一系列安全规章制度及技术文件。在这些规章制度和技术规范中明确提出在高速铁路沿线采用先进的技术手段检测铁路周界的入侵行为，做到全域、全天候、长距离、精准定位、自动报警和跟踪，确保铁路周界安全。

周界入侵报警方案要求具备如下特征：

1. 1）全域覆盖能力：主要关注车站站台端头、站台、路基地段、桥墩高度不大于3米的桥梁地段及桥梁救援通道、动车段/动车运用所、上跨铁路立交桥、特殊运输站段、其他重点目标区段等区域与线路，并且做到全域检测；
2. 2）全天候检测能力：周界入侵报警系统不受天气、气候、光线、地理环境影响，做到24小时不间断的检测，单一技术难以满足全天候要求，考虑采用多种感知技术的融合，达到全天候的能力；
3. 3）全场景：高速铁路应当根据沿线的自然灾害、地质条件、线路环境等情况，设置相应的检测系统，对风、雨、雪、山体崩塌、滑坡、泥石流、地面沉降和异物侵限等实时检测报警或预警；
4. 4）低误报：克服周界周边植被、地理、天气、风沙等环境干扰，不断优化算法，降低误报率，误报率低于0.02条/公里.小时；
5. 5）精准定位：周界范围距离较长且拐点较多，周界入侵报警需要能够准确的定位入侵行为发生的地点，能够联动视频自动跟踪入侵事件和行为，并且记录到告警平台，可通过可视化方式进行管理查看；
6. 6）统一监控平台：高铁周界环境复杂，通过融合感知技术周界全场景入侵的报警和快速响应，需要监控平台对监控区域灵活设置，对入侵事件快速响应，联动处置，事后对报警事件进行查看、统计、核查等。统一监控平台需具备大数据能力，能够对线路或区域的安全事件及态势进行分析，提供预测预警，同时，提供对外接口，方便工作人员的终端或者其他系统对接。

四、雷达+视频融合感知在铁路周界安全的应用研究

4.1 视频周界入侵报警能力

中国铁路总公司发布的《设计时速200公里及以上铁路区间线路视频监控设置有关补充标准》中要求，在铁路区间视频监控应具备与周界入侵报警系统的联动接口，以及周界入侵行为分析功能^[1]。针对高铁线路沿线部署综合视频监控系统的要求，可充分利用已有综合视频监控系统，通过智能视频分析技术实现对铁路沿线周界安全防护^[2]。青藏铁路和京津、石太、合宁、合武等高速铁路已在咽喉区、公跨铁立交桥等场所采用视频分析技术实现入侵报警和逗留检测^[3]，为周界入侵报警方案的丰富与发展提供借鉴。

随着AI芯片的成熟以及单位体积下,算力的不断提升，智能前移是目前整个视频行业智能化的发展方向，摄像机搭载AI芯片和视频、图像处理算法，前端边缘节点完成入侵物的检测、识别、预警与跟踪。利用云端强大的算力和多种视频算法，对入侵目标的视频和图片进行算法训练、模型优化，不断提高精度。视觉技术在端云协同，让前端看的更清，识别的更准，可以极大的降低人侵误报率。

视频是基于光学的图像采集技术，摄像机的覆盖范围和视频画面的清晰度及可辨别度，受天气、光照条件、能见度及周围环境等外部影响较大，视频图像的智能分析上，就不可避免出现因识别目标的图像可辨别度不够，以及算法精度的偏差，而出现误报、错报、漏报情况。因此，单一采用视频技术还难以满足线路的全天候部署和应用要求。

4.2 毫米波雷达原理及特征

毫米波雷达是指工作频段在毫米波频段的雷达，雷达通过天线向外发射毫米波，接收目标反射信号，经过雷达设备处理单元处理后快速准确地获取周围的物理环境信息，诸如物体之间的相对距离、相对速度、角度、运动方向等，结合目标物体的动态信息进行数据融合，中央处理单元进行智能处理后，对物体信息进行目标追踪和识别分类。

毫米波雷达具有如下特征:

1. 1）精度高，抗干扰能力强：毫米波导引头具有体积小、质量轻和空间分辨率高的特点。在天线口径相同的情况下，毫米波雷达有更窄的波束(一般为毫弧度量级)，可提高雷达的角分辨能力和测角精度，并且有利于抗电子干扰、杂波干扰和多径反射干扰等；
2. 2）全天候全天时：雷达与红外、视频、激光等光学导引头相比，毫米波不受光的影响，毫米波导引头穿透雾、烟、灰尘的能力强，具有全天候全天时的特点；
3. 3）高分辨，多目标识别：毫米波雷达工作频率高，信号带宽大和多普勒频移都有利于提高距离和速度的测量精度和分辨，能够分析目标细节特征，同时毫米波雷达能分辨识别很小的目标和识别多个目标，毫米波雷达具有很强的空间分辨和成像能力；
4. 4）敏感高，低误报：雷达系统敏感性高，不易受外界电磁噪声的干扰，误报率低；
5. 5）高频率低功率：具有更高的发射频率，更低的发射功率；
6. 6）精确的定位能力：采用FMCW调频连续波，能同时测出多个目标的距离和速度，并可对目标连续跟踪，甚至到静止目标也可保持跟踪不丢失；
7. 7）检测距离远，相应速度快：雷达相对视频检测距离远，一般可以超过200米，检测频率具有极强的实时性。

鉴于毫米波雷达对运动物体和复杂环境的适应性，可结合智能视频，通过融合方案运用到复杂的线路周界环境，发挥雷达的全天候检测能力与视频监控系统的现场图像可视化的优点，并结合人工智能、大数据、网络通信、图像处理等多种技术，解决传统技术方案所存在的种种不足。雷达与视频融合的技术已经在包括铁路行业在内的多个领域与场景中开展研究与应用^[4][5][6]。

4.3 雷达+视频融合周界入侵报警方案

1. 4.3.1总体架构

 图1智能视频+雷达报警系统总体架构

智能视频+雷达周界入侵报警系统由路局入侵检测中心、站段入侵告警中心和前端检测设备组成，其整体技术架构如下图所示。

前端检测设备包括雷达、智能球机和声光报警器，以及给前端检测设备提供供电和网络传输的一体化机柜设备。毫米波雷达在检测动态物体方面有天然优势，视频在检测静态物体方面有优势，毫米波雷达和智能摄像机相结合、进行检测数据融合计算，优势互补，避免各自的缺陷。毫米波雷达不受光照、天气的影响，在雾天、雨天、夜晚、光照不佳场景提供更好的运动物体检测性能；毫米波雷达和智能摄像机融合，借助AI识别算法分别对雷达的数据和视频的数据进行智能化分析，再调用融合算法，基于时间同步的信息进一步进行判决，最终判断周界内的入侵事件，达到高精度，全天候的检测目的。当入侵事件发生后，前端设备将入侵告警上报到告警中心，触发声光报警器，产生声光警告和驱离。监控中心人员通过告警中心平台调用综合视频监控相机进行实况视频播放和轨迹跟踪，并同步拍照和录像，留取证据。通过实时轨迹展示协助监控中心采取应对措施。

   4.3.2物理架构

整个系统物理架构分为三层架构：

1. 前端检测设备和网络传输：由雷达、智能摄像机以及配套的网络设备组成，负责周界范围内入侵对象的检测、数据融合处理和传输；

2. 站段告警中心：面向站段业务部门，负责前端检测设备接入、入侵告警处理、视频I/II节点的二次联动，对入侵事件的确认、处置闭环，同时支持对前端检测设备进行设备管理和用户管理；

3. 路局检测平台：面向管理层业务，对整体周界入侵事件复合，统计，态势管理等综合呈现。

图2雷达+智能视频周界入侵报警系统构架组成

   4.3.3业务流程
周界安全涉及前端感知，入侵业务处理和告警时间相应与处理，整体业务流程如下：

1. 1. 4. 
      5. 图3雷达+智能视频周界入侵报警业务处理流程
2.  4.3.3功能介绍
3.   4.3.3.1前端检测设备功能

前端检测设备包括毫米波雷达、智能球机和声光报警器。其核心功能是全天候检测铁路周界，实现入侵事件的准确识别和上报，联动摄像机进行轨迹跟踪并进行声光报警，达到示警驱离入侵对象的目的。

主要功能如下：

1. （1）入侵告警检测：通过雷达和视频数据进行融合智能计算对入侵行为进行准确识别和判断；
2. （2）告警数据上报：如若是真实的入侵行为，将数据上报给入侵告警中心；
3. （3）远程管理支持：接受来自入侵告警中心或者路局入侵检测平台的远程控制命令，并按照指令实现入侵检测设备的布/撤防、报警状态解除、报警阀值设置；接受管理信息指令，远程进行设置、维护与管理；
4. （4）设备状态自检：前端设备应具备设备状态自检功能，能够实时记录本身的状态信息，包括开/关机，故障，部署/撤防等，自检测、自诊断等；
5. （5）时钟同步：接受来自告警中心或者路局检测平台的时钟信息，支持NTP协议；
6. （6）声光报警：前端检测设备检测到告警后，触发防区的声光报警器。声光报警器发出声音和背向高铁线路闪光等示警信号对入侵对象进行警示；
7. （7）入侵行为确认与跟踪：无红曝球机跟踪入侵对象行动轨迹，并上报相关的视频数据给综合视频平台和入侵告警中心进行分析与处置。
   1. 1.  
8.   4.3.3.2入侵告警中心功能

告警处理功能：主要包括告警提示、定位、处理、查询、联动和统计分析功能；

设备控制功能：主要包括前端检测设备的状态监测、查询、远程控制功能等；

视频联动：对接综合视频平台，实现入侵告警的实况视频调阅，历史告警的录像查询等功能

存储管理：入侵事件的存储与备份，包括发生时间、地点、告警类型等；

用户管理：主要包括用户权限和访问控制管理；

时钟同步：接受来自路局检测平台的时钟源，基于NTP协议获取时钟同步信息。

1. 1.  
2. 4.3.3.3路局入侵告警中心功能

告警统计分析：除支持告警提示、定位、处理、查询、联动外，主要告警数据汇总、告警展示、告警查询、统计分析、态势分析与展示等功能；

设备控制功能：主要包括前端检测设备的状态监测、查询、远程控制功能等；

存储管理：入侵事件的存储与备份，包括发生时间、地点、告警类型等；

用户管理：主要包括用户权限和访问控制管理；

时钟同步：就近接入铁路时钟网络，NTP协议获取时钟同步信息。

4.3.3.4综合视频云平台功能

视频平台遵从国铁集团《铁路综云合视频监控系统技术规范》，支持治安等多种技术防范功能，包括视频接入、视频存储、视频管理、视频结构化、视频检索、视频摘要、视频编码转换，视频联动、轨迹跟踪功能。并提供标准接口，将视频调阅、查询、播放等能力提供给入侵告警平台实现统一展示。同时视频云支持视频智能分析功能，包括训练和推理。

4.4现场测试

试验段位于广深铁路的塘头厦站向深圳方向共计1.2公里的区间。采用单侧单向的方式，在5处连续测试点部署入侵告警设备，包括毫米波雷达、智能摄像机和声光报警器，每个测试点覆盖范围约为200米。

该试验段通过雷达和智能视频融合算法和环境建模技术，消除铁路环境的各种干扰因素，实现对人员翻越栅栏、人员横跨铁路、路肩来回行走等场景的实时检测、告警和轨迹跟踪等，整个过程没有产生误报和漏报。

五、结束语

我国高速铁路发展依靠科技的创新与管理的创新，保持世界领先必须加大基础和应用技术创新成果运用。毫米波雷达和智能摄像机融合感知，协同计算，能达到全天候、全天时、全域、远距离、高精度的入侵目标识别、报警与跟踪的功能，全方位提升铁路周界入侵报警方案的可用性。多种技术的融合，丰富了高速铁路周界技术防护可靠性，为铁路运营的安全、预警预报与应急处理提供更加有力的支撑。与此同时，由于线路环境复杂多变，建议加快线路周界样本库的建设，并基于该样板库开展机器学习，从而提升融合感知方案在线路周界环境出现异常时的检测精度与识别准确度，全面满足铁路行业对于线路周界入侵报警方案的零漏报和低误报建设要求。