機(jī)場(chǎng)周界防入侵系統(tǒng)是機(jī)場(chǎng)安全防范系統(tǒng)的第一道防線，其地位非常重要。而隨著時(shí)代的變遷，現(xiàn)有的機(jī)場(chǎng)周界電子防入侵技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了第一代視頻監(jiān)控防入侵技術(shù)、第二代以信號(hào)驅(qū)動(dòng)為特征的防入侵技術(shù)，正逐步過渡到以目標(biāo)驅(qū)動(dòng)為特征的第三代防入侵技術(shù)。

    機(jī)場(chǎng)周界防入侵系統(tǒng)是機(jī)場(chǎng)安全防范系統(tǒng)的第一道防線，其地位非常重要。目前機(jī)場(chǎng)安全措施主要集中在航站樓中，包括人防、技防和物防等，形成了戒備森嚴(yán)、功能完善的航站樓安防體系，但是十幾甚至幾十公里長(zhǎng)的機(jī)坪周界安防卻沒有得到足夠重視，存在很大隱患，是機(jī)場(chǎng)安防系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。最近幾年，在國(guó)內(nèi)國(guó)外發(fā)生了數(shù)起入侵者翻越機(jī)場(chǎng)圍欄潛入飛機(jī)內(nèi)部事件，給機(jī)場(chǎng)安全造成了嚴(yán)重威脅。筆者親眼看到在國(guó)內(nèi)某機(jī)場(chǎng)的“滾地龍”周界面前，參與演示的一個(gè)科研人員不到三十秒就翻越而入，可見目前機(jī)場(chǎng)周界防入侵系統(tǒng)還存在著巨大隱患，亟需改進(jìn)。

    鑒于機(jī)場(chǎng)周界存在安全隱患，民航總局于2008年修訂《民用航空運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)安全保衛(wèi)設(shè)施建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》（編號(hào)：MH/T 7003-2008），規(guī)定了有關(guān)飛行區(qū)周界、通道、監(jiān)控和報(bào)警系統(tǒng)等民用機(jī)場(chǎng)安保設(shè)施的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)：要求機(jī)場(chǎng)應(yīng)設(shè)立周界報(bào)警、視頻監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)應(yīng)能對(duì)周界入侵行為作出判斷，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分類，應(yīng)能在機(jī)場(chǎng)飛行和安全照明的環(huán)境下工作，應(yīng)滿足全天候運(yùn)行的要求。

    現(xiàn)有的機(jī)場(chǎng)周界電子防入侵技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了第一代視頻監(jiān)控防入侵技術(shù)、第二代以信號(hào)驅(qū)動(dòng)為特征的防入侵技術(shù)，正逐步過渡到以目標(biāo)驅(qū)動(dòng)為特征的第三代防入侵技術(shù)。

第一代機(jī)場(chǎng)周界防入侵技術(shù)——視頻監(jiān)控
    第一代防入侵技術(shù)以視頻監(jiān)控技術(shù)為主，以其直觀、準(zhǔn)確、及時(shí)和信息內(nèi)容豐富而得到廣泛應(yīng)用，視頻監(jiān)控的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)階段：上世紀(jì)九十年代以前，大多采用模擬監(jiān)控系統(tǒng)；九十年代中期，進(jìn)入數(shù)字化本地視頻監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)期；到九十年代末，視頻監(jiān)控步入了全數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)時(shí)代。

    然而，視頻監(jiān)控本身有其難以根除缺點(diǎn)：缺少報(bào)警功能，僅能起到事后追蹤的作用，雖然其后增加了智能視頻技術(shù)，但是虛警、漏警率過高而無法得到大規(guī)模應(yīng)用；具有極強(qiáng)的環(huán)境受約性，在黑夜、大雨、大霧、大雪等天氣條件下均無法使用；監(jiān)控人員易疲勞，據(jù)統(tǒng)計(jì)，安防人員連續(xù)監(jiān)控20分鐘以上，即會(huì)“視而不見”。

第二代機(jī)場(chǎng)周界防入侵技術(shù)——信號(hào)驅(qū)動(dòng)型
    第二代防入侵技術(shù)增加了報(bào)警功能，主要包括振動(dòng)光纖、輻射電纜、紅外對(duì)射、張力圍欄和高壓脈沖等常見周界防入侵技術(shù)。

振動(dòng)光纖
   以光學(xué)干涉理論為基礎(chǔ)，不間斷地實(shí)時(shí)采集傳感距離以內(nèi)的各類振動(dòng)信號(hào)，安裝隱蔽，檢測(cè)距離長(zhǎng)，適合各種形狀的周界，既可埋在地下也可布設(shè)在空中，不會(huì)受到任何輻射、電磁干擾的影響；對(duì)攀爬、剪切圍欄等入侵企圖所產(chǎn)生的各種振動(dòng)頻率非常敏感，在使用過程中無需進(jìn)行過多的維護(hù)保養(yǎng)；但是其布線工程復(fù)雜，無法識(shí)別目標(biāo)，無法判斷位置，漏警和誤警率偏高，防范范圍有限。在大風(fēng)暴雨、無意觸碰、懸掛的異物、飛鳥停落、工地施工等情況下容易造成誤警，對(duì)空中拋物、空中跨越入侵和地下入侵無法檢測(cè)造成漏警。[nextpage]

輻射電纜
    利用兩根輻射電纜之間的空間形成一個(gè)橢圓形的電磁探測(cè)區(qū)。當(dāng)有人進(jìn)入此探測(cè)區(qū)時(shí)，會(huì)干擾探測(cè)區(qū)的電磁耦合，使接收電纜收到的電磁波能量發(fā)生變化，從而產(chǎn)生告警信號(hào)。其安裝在地下，是一種隱蔽的無形探測(cè)手段；靈敏度高，漏警幾率??；電纜可環(huán)繞任意形狀的警戒區(qū)域周界，不受地形、地面不平坦等因素的限制。但是其感應(yīng)范圍小（1~2m），對(duì)于機(jī)場(chǎng)等電磁通訊地域會(huì)造成電磁干擾；價(jià)格比較昂貴；對(duì)于目標(biāo)識(shí)別能力較弱，在人員靠近、動(dòng)物靠近等情況下容易造成誤警，對(duì)空中拋物、空中跨越入侵和墻體打洞等入侵無法檢測(cè)造成漏警，也容易受到電磁輻射和噪聲的干擾。

紅外對(duì)射
    紅外線電子對(duì)射墻是利用紅外線發(fā)射器發(fā)射紅外線的一種入侵探測(cè)器。紅外對(duì)射感應(yīng)靈敏，不破壞環(huán)境美觀；安裝簡(jiǎn)便，維護(hù)方便；防衛(wèi)方式隱蔽，使入侵者在不知不覺中觸警。但是遇到雨天或者霧天會(huì)影響報(bào)警系統(tǒng)；若紅外安裝柱發(fā)生形變或傾斜會(huì)破壞紅外射線導(dǎo)致沒法正常預(yù)警。紅外射線容易受到附近植物生長(zhǎng)的干擾，也無法識(shí)別具體的入侵目標(biāo)，在動(dòng)物穿越、大霧大雨的天氣、植物生長(zhǎng)等情況發(fā)生時(shí)容易產(chǎn)生誤警，也無法檢測(cè)出空中翻越、人員匍匐、地下掘地入侵。

張力圍欄
    基于張力的平衡原理進(jìn)行探測(cè)，利用一組平行的探測(cè)線中的一根或幾根線受力偏斜從而觸發(fā)報(bào)警。其外型美觀，可作為天然物理圍欄；不受光和電磁干擾；高強(qiáng)力拉緊設(shè)計(jì)，適用于各種惡劣的環(huán)境。但是調(diào)整鋼絲的拉力較麻煩，誤警率很高，日后維護(hù)圍欄也很麻煩，無法防范高空跨越入侵、地下掘地入侵、攀爬安裝柱入侵和空中拋物等入侵手段。

高壓脈沖
    利用一組平行的電線組成圍欄，可以對(duì)入侵起到一定的阻嚇作用，誤報(bào)率低。但是其安裝不夠美觀，對(duì)墻體打洞入侵和空中跨越無能為力，危險(xiǎn)系數(shù)太高，不適合人員密集以及出入頻繁的地方，更多應(yīng)用在油庫，監(jiān)獄等安防禁止出入?yún)^(qū)。

    其他幾類防入侵技術(shù)包括振動(dòng)電纜、微波對(duì)射、激光對(duì)射等，以上技術(shù)進(jìn)步推進(jìn)了機(jī)場(chǎng)電子周界防入侵技術(shù)的發(fā)展，但都是基于檢測(cè)信號(hào)的大小是否超過設(shè)定閾值來進(jìn)行報(bào)警，屬于信號(hào)驅(qū)動(dòng)型，虛警率和漏警率高，無法滿足機(jī)場(chǎng)防入侵系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)分類的要求。

第三代機(jī)場(chǎng)周界防入侵技術(shù)——傳感器網(wǎng)絡(luò)，目標(biāo)驅(qū)動(dòng)報(bào)警
    傳感器網(wǎng)絡(luò)是人類信息技術(shù)的一次歷史性機(jī)遇。傳感器網(wǎng)絡(luò)是以感知為目的全新的網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)，是上世紀(jì)末興起的新興領(lǐng)域。移動(dòng)通信連接的是人與人，傳感器網(wǎng)絡(luò)連接的是物與物，將推動(dòng)信息產(chǎn)業(yè)“第三次浪潮”。1999年，美國(guó)的移動(dòng)計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)國(guó)際會(huì)議上，提出“無線傳感網(wǎng)是下一個(gè)世紀(jì)人類面臨的又一個(gè)發(fā)展機(jī)遇”；2002年，美國(guó)橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室斷言IT時(shí)代正在從“Computer is the network”向“Sensor is the network”轉(zhuǎn)變；國(guó)際眾多權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)將是改變?nèi)祟惿罘绞降氖蠹夹g(shù)之首，其未來市場(chǎng)將比現(xiàn)有的Internet大得多，到2020年與傳統(tǒng)話音業(yè)務(wù)比例將達(dá)到30:1，規(guī)模將達(dá)萬億級(jí)。美歐日韓等均已啟動(dòng)以傳感器網(wǎng)絡(luò)為主要基礎(chǔ)設(shè)施及產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)龍頭的“無處不在的泛在社會(huì)”（“U社會(huì)”）國(guó)家戰(zhàn)略性計(jì)劃，奧巴馬政府更將IBM“智慧地球”計(jì)劃視為極具支柱產(chǎn)業(yè)的潛力。我國(guó)中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃及其國(guó)家03重大專項(xiàng)已明確列入傳感器網(wǎng)絡(luò)方向。[nextpage]

    目前，中國(guó)已占據(jù)國(guó)際傳感網(wǎng)領(lǐng)域的核心地位，是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)主導(dǎo)國(guó)之一，掌握核心技術(shù)。2008年6月，首屆ISO/IEC國(guó)際傳感網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化大會(huì)在上海微系統(tǒng)所召開，中國(guó)、美國(guó)、韓國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、日本、挪威等30多個(gè)成員國(guó)及ISO、IEC、ITU-T、IEEE等的120余名官方代表和技術(shù)專家參加。在第2、3、4、5次國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化會(huì)議上，我國(guó)代表ISO/IEC傳感網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化工作組向上級(jí)做總體報(bào)告。提交“傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化體系”、“傳感器網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)”、“傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)同架構(gòu)”等核心提案，獲得成員國(guó)代表的高度認(rèn)可，并納入ISO/IEC標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)方案。同時(shí)，我國(guó)作為主要成員積極參加IEEE 802.15.4e傳感器網(wǎng)絡(luò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定。傳感器網(wǎng)絡(luò)已成為我國(guó)信息技術(shù)少有的具有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)主導(dǎo)權(quán)的領(lǐng)域，與國(guó)外相比具有同發(fā)優(yōu)勢(shì)、同等水平，部分達(dá)到領(lǐng)先。

    從應(yīng)用需求和技術(shù)方案兩個(gè)層面來講，基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的周界防入侵系統(tǒng)需要考慮以下幾方面因素。

應(yīng)用需求
    民航總局文件《民用航空運(yùn)輸機(jī)場(chǎng)安全保衛(wèi)設(shè)施》明確提出了對(duì)入侵目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、分類及全天候工作的要求。周界防入侵系統(tǒng)的應(yīng)用需求主要考慮：
·入侵手段：按目標(biāo)種類，包括入侵人員和拋物等；按空間角度，包括低空翻越、地面入侵（圍欄攀越與破壞、設(shè)備破壞等）、掘地入侵等；
·周界種類：包括單層圍欄、雙層圍欄、磚墻圍欄等多種形式；
·周界環(huán)境：周界內(nèi)部可能緊貼巡警區(qū)或貨物運(yùn)輸?shù)缆罚恢芙缤獠靠赡苁遣莸?、公路、農(nóng)田、溝渠、海水等；周界周邊地質(zhì)包括水泥、泥土和沙土等；
·全天時(shí)/全天候：全天時(shí)要求系統(tǒng)24小時(shí)不間斷工作；全天候則要求系統(tǒng)能在四季的差異性氣候，包括臺(tái)風(fēng)、大雨、大霧、冰雹等典型場(chǎng)景下有效工作。

技術(shù)方案設(shè)計(jì)
    依據(jù)機(jī)場(chǎng)防入侵系統(tǒng)要求，針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)同感知、自治組網(wǎng)以及入侵目標(biāo)和機(jī)場(chǎng)環(huán)境的高度不確定性來設(shè)計(jì)機(jī)場(chǎng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)防入侵系統(tǒng)，需重點(diǎn)考慮以下關(guān)鍵技術(shù)：

大規(guī)模端到端網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
    大型機(jī)場(chǎng)周界一般有幾十公里長(zhǎng)，需要布設(shè)上萬個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，如何設(shè)計(jì)好端到端網(wǎng)絡(luò)對(duì)這些節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合理控制是實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)防入侵系統(tǒng)的第一步，包括節(jié)點(diǎn)冗余設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)路由和分簇拓?fù)淇刂茀f(xié)議等。

小規(guī)模自治網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
    相對(duì)于整個(gè)機(jī)場(chǎng)周界而言，入侵目標(biāo)可以看作為局部點(diǎn)入侵，即入侵事件只喚醒其周邊的部分節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)將自組織地形成小規(guī)模端到端網(wǎng)絡(luò)，它為后續(xù)的協(xié)同、融合及信息處理功能提供了基礎(chǔ)。

多個(gè)傳感器的分布式協(xié)同方案
    分布式協(xié)同方案利用多個(gè)分布在不同地理位置的傳感器節(jié)點(diǎn)的信息，對(duì)入侵目標(biāo)的位置進(jìn)行估計(jì)并描繪其運(yùn)動(dòng)軌跡。

多種傳感器的融合方案
    為達(dá)到對(duì)目標(biāo)的綜合感知，需要利用多種類型的傳感器提供的多參數(shù)、多視角的測(cè)量信息，通過多級(jí)融合策略，綜合判斷目標(biāo)屬性。

混雜目標(biāo)的盲源分離技術(shù)
    機(jī)場(chǎng)周界環(huán)境中經(jīng)常會(huì)有車輛、人員、飛機(jī)和動(dòng)物等事件混雜出現(xiàn)，必須依靠多種以及多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的信息來實(shí)現(xiàn)混雜目標(biāo)的盲源分離。[nextpage]

低信噪比下的目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)
    復(fù)雜環(huán)境下目標(biāo)信號(hào)淹沒在噪聲中，信噪比極低，基于多個(gè)傳感器信息的微弱信號(hào)檢測(cè)算法能有效提高入侵目標(biāo)的檢測(cè)概率。

時(shí)域、空域和頻域聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)
    針對(duì)機(jī)場(chǎng)周界環(huán)境復(fù)雜、目標(biāo)混雜和氣候惡劣的特點(diǎn)，該系統(tǒng)下的信號(hào)與信息處理算法必須考慮從時(shí)域、空域和頻域同時(shí)進(jìn)行分析處理，更重要的是要從三個(gè)域之間的關(guān)聯(lián)著手，為目標(biāo)正確檢測(cè)提供可靠依據(jù)。

局部氣象監(jiān)測(cè)技術(shù)
    整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的探測(cè)、識(shí)別和融合功能都需要依賴氣象傳感器節(jié)點(diǎn)提供支持，以自適應(yīng)調(diào)整參數(shù)和算法。

自學(xué)習(xí)機(jī)設(shè)計(jì)
    由于機(jī)場(chǎng)環(huán)境的不確定性，目標(biāo)種類、數(shù)量、行為的不確定性，傳感器自身的不一致性，必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的自學(xué)習(xí)機(jī)，提高魯棒性。

三級(jí)三維傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合防入侵技術(shù)
    在中國(guó)科學(xué)院與上海機(jī)場(chǎng)集團(tuán)共同應(yīng)用和示范建設(shè)的基礎(chǔ)上，形成了“三級(jí)三維”傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合防入侵系統(tǒng)。“三級(jí)”是指預(yù)警區(qū)、報(bào)警區(qū)、出警區(qū)。預(yù)警區(qū)：在周界外部設(shè)置范圍可調(diào)預(yù)警區(qū)域，畫地為牢，排除外界干擾，友善提醒無意靠近圍欄的行為。報(bào)警區(qū)：對(duì)目標(biāo)的入侵過程進(jìn)行報(bào)警。出警區(qū)：非法入侵成功后的緊急報(bào)警，立即出動(dòng)警力。

    “三維”是指低空、地面、地下三維立體報(bào)警。低空探測(cè)：對(duì)拋物、翻越和低空飛行器等入侵行為進(jìn)行報(bào)警。地面柵欄：對(duì)攀爬、破壞等入侵行為進(jìn)行報(bào)警。地下：對(duì)掘地入侵行為進(jìn)行報(bào)警。

    傳感器網(wǎng)絡(luò)機(jī)場(chǎng)周界防入侵系統(tǒng)達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)包括：
·大規(guī)模端到端網(wǎng)絡(luò)容量：可容納10萬節(jié)點(diǎn)以上；
·探測(cè)手段：10余種傳感探測(cè)手段；
·識(shí)別能力：人員、車輛和動(dòng)物等混雜目標(biāo)的識(shí)別和分離；
·入侵響應(yīng)時(shí)間：小于2秒；
·入侵目標(biāo)區(qū)域定位精度： 0.5米。

    通過傳感器網(wǎng)絡(luò)手段能告知目標(biāo)是什么、在哪里、做什么，之后再進(jìn)行報(bào)警，即目標(biāo)驅(qū)動(dòng)報(bào)警，實(shí)現(xiàn)了低虛警率、高報(bào)警率的周界防入侵，與第二代的信號(hào)驅(qū)動(dòng)報(bào)警形成鮮明對(duì)比。

應(yīng)用示范
    中國(guó)科學(xué)院聯(lián)合上海國(guó)際機(jī)場(chǎng)股份有限公司建立了傳感器網(wǎng)絡(luò)周界防入侵系統(tǒng)的2.4公里應(yīng)用示范段，筆者有幸參加了2009年6月16日由中國(guó)民用機(jī)場(chǎng)協(xié)會(huì)主辦，上海國(guó)際機(jī)場(chǎng)股份有限公司協(xié)辦，由中科院嘉興無線傳感網(wǎng)工程中心承辦的機(jī)場(chǎng)防入侵新技術(shù)研討會(huì)，并參觀了該應(yīng)用示范段。

    從現(xiàn)場(chǎng)效果來看，系統(tǒng)較好地達(dá)到了預(yù)期目的，反響良好，表現(xiàn)在：雖然周邊存在很多干擾，比如與周界緊靠的公路上載重貨車橫行、機(jī)場(chǎng)內(nèi)部警鈴不斷、跑道上飛機(jī)接連起降等，都沒有對(duì)防入侵系統(tǒng)造成干擾；該系統(tǒng)對(duì)入侵目標(biāo)的定位精度達(dá)到了0.5米，能有效排除外界干擾；當(dāng)有人員靠近圍欄時(shí)，系統(tǒng)給予了友善提醒，可以有效喝止不當(dāng)行為并減少出警次數(shù)；對(duì)于無惡意的腳踏和手推，系統(tǒng)并不立即報(bào)警，但是對(duì)圍欄的攀爬和破壞，系統(tǒng)無一例外及時(shí)發(fā)出警報(bào)；對(duì)于不碰觸圍欄的空翻入侵和掘地入侵，該系統(tǒng)也能立即檢測(cè)到并報(bào)警。

    據(jù)用戶反映，該示范段自2008年1月建成以來，經(jīng)受了南方雪災(zāi)、高溫、數(shù)次冰雹、無數(shù)大風(fēng)大雨等考驗(yàn)，均未發(fā)生虛警，對(duì)于人員的入侵行為也未出現(xiàn)漏警。由此可見，傳感器網(wǎng)絡(luò)這一新興技術(shù)給機(jī)場(chǎng)周界防入侵系統(tǒng)帶來了革命性的創(chuàng)新，為周界筑起了無縫立體“電子長(zhǎng)城”。

    由于機(jī)場(chǎng)示范段的成功，上海世博局在世博園區(qū)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，即將在世博會(huì)期間投入使用。同時(shí)，在監(jiān)獄等國(guó)家特種安防領(lǐng)域的傳感器網(wǎng)絡(luò)周界防入侵系統(tǒng)也開始投入建設(shè)。（本文由劉海濤 滕建軍提供）