CN102129752B - 室外设施人为破坏在线监测报警系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种室外设施人为破坏在线监测报警系统，属于自动监测电子设备。该系统由振动传感器、信号放大与数据采集模块、信号处理模块和通信系统构成；传感器获取的振动信号经放大和采样量化后在信号处理模块中逐帧地实时计算信号的短时能量，再采用门限判决法判断是否出现了异常振动，如果为真再将信号进行自适应线性预测，得到预测残差即激励信号，进行平滑滤波使激励信号中的脉冲凸显，并采用自相关法判断该激励信号是否具有周期性并计算其周期。自动分析这些特征，判断当前的激励是否属于人为破坏，如果是则产生报警信号，同时将振动信号压缩编码通过通信系统发送到检测中心。该系统具有漏警和虚警概率低，设备成本低，适用范围宽等特点。

Description

室外设施人为破坏在线监测报警系统

技术领域：

本发明涉及防止人为破坏室外设施的监测报警设备，具体是一种室外设施人为破坏在线监测报警系统，属于自动监测电子设备。

背景技术：

通信、电力等系统中铁塔塔材及其它室外设施易受人为偷盗破坏，已有多种检测设备实现自动报警。当前的铁塔塔材外力破坏在线监测技术主要基于图片、视频监控方法实现，图片、视频数据量大，信息冗余度高，信息挖掘方法复杂难以满足系统实时要求，因而该方法具有误警率高、实时性差、功耗大、智能化低、通信费用高等缺陷，不利用在线监测技术的市场推广和普及，急需技术更新换代。

为了克服已有设备的上述缺陷，本发明采用一套振动传感器数据采集和信号处理设备，在线监测各种室外设施的机械振动状态，并进行特征提取和模式识别，发现人为破坏性振动现象，立即产生报警信号通过通信系统传输到检测中心报警。

发明内容：

作为一种室外设施人为破坏在线监测报警的设备和系统，其结构一般应由传感器、信号放大与数据采集模块、信号处理模块和一个通信系统构成；传感器产生的信号经信号放大与数据采集模块放大和数字化之后，送到音频信号处理模块进行实时处理，当处理过程中发现存在人为破坏性信号时，即产生报警信号，并通过通信系统传送到检测中心。本发明的特征在于：

1、所述传感器采用振动传感器，安装在欲保护设施之上振动传导较好的部位；其新颖性在于采用振动传感器可以只拾取欲保护设施上的音频机械振动，而能自动排除空气中传播的其它声音。

2、所述信号处理模块，由短时信号能量实时计算和门限法判决单元、振动激励信号特征提取和激励类型模式识别单元和报警信号产生单元构成；采用数字信号处理器或单片计算机或现场可编程门阵列(FPGA)芯片实现；由传感器、信号放大与数据采集模块送来的数字信号，在短时信号能量实时计算和门限法判决单元中实时地逐帧地进行短时能量计算，当一帧或连续几帧信号的短时能量超出事先设定的门限值时，判断为可能存在人为破坏而转向振动激励信号特征提取和激励类型模式识别单元，进行激励信号特征提取和激励类型模式识别；如果模式识别结果确实属于人为破坏性类型的激励，报警信号产生单元立即产生报警信号，并通过通信系统传送到监测中心；如果识别结果属于风吹、雨打、过路车辆振动那样的激励，程序返回到短时信号能量实时计算和门限法判决单元，继续不断地处理采样数据。

这个特征的创新性在于本监测系统能自动检测是否有异常振动，采用短时能量和激励信号特征提取这两个环节的计算处理，既能准确检测出异常振动的出现，又采用激励信号特征提取和模式识别的办法降低了虚警概率，即排除非人为破坏引起的振动引起误报，如风吹、雨打、过行车辆引起的振动，或偶然的一两次意外撞击。所谓激励是信号产生数学模型中的概念，任何一个随机过程都可以看作是一个激励信号通过一个线性系统产生的输出。这里的系统就是被保护设施，激励就是指引起该设施振动的外力作用，如敲击、摩擦等。

3、信号处理模块中的振动激励信号特征提取和激励类型模式识别单元，有两个重要特点：

(1)采用2阶或4阶自适应线性预测器对采集到的振动数字信号进行线性预测，用它所得到的预测残差信号表示振动激励信号；将它平滑滤波后提取激励信号脉冲；采用自相关法对预测残差信号进行分析，判断它是否具有周期性，如果是周期性的则测量其周期大小；

这个创新点的关键是采用线性预测技术提取激励信号。按照信号产生的数学模型，将外力作用点看作系统的输入点，传感器安装处看作是系统的输出点，那么这个系统可以用一对或两对极点的全极点系统来描述，它可以很好地反映被测设施的共振峰特性。而采用2阶或4阶自适应线性预测器，则可以自动分离激励信号和系统响应，实际上预测残差信号就是只含有激励信号而不含系统响应。这样提取出的激励信号与系统无关，从而可以提取激励信号的特征，判断它是否属于人为破坏引起的振动。

(2)激励类型模式识别部分根据所得到的激励信号脉冲的间隔和分布规律、是否具有周期性及周期大小，判断所提取的激励信号是属于敲击、拉锯摩擦和拧螺丝那样的人为破坏性振动激励，还是属于其它非人为破坏性振动激励。

这一做法的新颖性在于，在通过线性预测得到激励信号及其特征之后，根据其周期性、脉冲间隔分布规律等特征之后，可以准确地判断这些激励信号是否属于敲击、拉锯摩擦和拧螺丝那样的人为破坏。这就可以显著降低虚警概率，增强监测报警系统的实用性。

4、传输报警信息的通信系统，可采用以下各种通信系统中的一种：采用无线数字通信系统实现时，可采用2G或3G蜂窝网及其移动通信终端，卫星通信系统及其小型终端，短波或超短波电台；当采用有线通信系统实现时，可采用光纤通信网及其用户终端，以太网及其用户终端，有线电话网及其数字通信用户终端。

这个特征的新颖性在于所用通信系统没有特别限制，可以随意选择最方便、最经济实用的通信系统，而不是限定必须采用某个特定的通信系统和设备。

5、信号处理模块中的报警信号产生单元，其特征在于：

(1)根据模式识别结果，从预先存储的表示振荡激励类型的汉字短语的代码库中取出相应的汉字短语进行发送；

(2)将由传感器、信号放大与数据采集模块所得到的振动数据进行压缩编码，将压缩后的数据与报警汉字短语一起进行传送到监测中心，用于转化为可监听的声音；

(3)在系统检测到人为破坏振动激励时，报警信号产生单元还产生一个启动信号，用于启动安装在一起的其它录像设备进行现场录像及其录像信息传输。

这个特征的新颖性在于：一旦系统自动发现人为破坏性振动之后，发出的报警信号不仅包括振动类型的判断结果，而且马上将传感器采集的数字信号经压缩编码后发送到监测中心，以便结合值班人员的主观判断进一步确定破坏性振动的性质。

关于上文中的短时能量计算方法、门限法判决算法、基于自相关法的信号周期计算、自适应线性预测技术、信号采样量化为数字信号，以及这种数字信号的压缩编码等计算方法的原理，可参见易克初、田斌和付强编著的由国防工业出版社出版的《语音信号处理》。

本发明的具体技术方案是：由传感器、信号放大与数据采集模块、信号处理模块和一个通信系统构成；传感器产生的信号经信号放大与数据采集模块放大和采样量化为数字信号之后，送到信号处理模块进行实时处理，当处理过程中发现存在人为破坏性信号时，即产生报警信号，并通过通信系统传送到检测中心。

本发明的应用实例包括：

(1)本发明可用于通信、电力系统传输铁塔的防外力破坏在线监测，将本系统安装在铁塔6米以上的较高位置可有效监测人为偷盗行为产生的铁塔振动，保护通信、电力系统安全，产生极好的社会效益。

(2)本发明可用于城市小区的智能防盗，通过安装在门窗等适当位置，联合视频监控系统，可有效监测室内偷盗和入室抢劫行为，保障人们生命财产安全。

(3)本发明可用于地震、矿井事故等的灾后生命救援，通过安装在振动传导性较好的物体上，可有效发现和监测生命体的求救行为，为挽救生命争取宝贵时间。

本发明的有益效果是：

(1)使用振动传感器采集人为破坏激励信号，极易排除沿空气介质传播的振动噪声，提高输入数据纯净度和精度，根据安装位置的远近和对灵敏度要求不同可自适应的选择灵敏度较高的加速度型振动传感器和灵敏度较低的速度型振动传感器。

(2)采用三次判决过程极大降低了虚警和漏警概率，第一次判决指基于短时能量的门限判决滤除能量较低的车辆通过等环境噪声造成的虚警，同时不易产生漏警，第二次判决指基于特征量提取的模式识别滤除风、雨、冰雹等天气因素造成的虚警，第三次判决指检测中心对监测系统产生的报警进行人工确认完全排除虚警可能，通过三次判决将虚警和漏警概率降为极低。

(3)采用线性预测技术完全排除系统响应造成的特征随机性和不稳定性，只是寻求激励性质的特征，稳定性高，提取难度小。

(4)系统方案基于音频处理，涉及的信号处理算法成熟，实用性强，实时性好，系统成本低，同时由于功耗小，工作时间长，可满足全天候的工作要求，基于这些特点本发明易于技术推广和系统实现。

附图说明：

图1是本发明的系统结构框图。

图2是本发明的系统硬件构成图。

图3是图1中信号处理3的原理结构图。

图4是本发明系统软件流程图。

具体实施方式：

图1所示，本发明的系统结构包括传感器1、信号放大与数据采集2、信号处理3及通信系统4。传感器1采集外力行为产生的振动信号，信号放大与数据采集2对传感器1采集的振动信号进行信号滤波及微信号放大处理，同时做模拟数字转换，生成数字采样信号，信号处理3对数字采样信号首先进行滤波处理，排除能量较小的环境噪声，然后提取滤波后信号的激励特征并进行模式识别，最后判决是否报警，产生报警信号和模式识别结果，通信系统4将模式识别结果和报警信号传送到检测中心进行人工确认。

图2所示，本发明的系统硬件构成包括振动传感器1、信号放大器2、A/D转换器3、DSP或FPGA 4、无线通信模块5。振动传感器1采集外力破坏产生的振动信号，信号放大器2对采集信号滤波和微信号放大，A/D转换器3完成放大信号的数字模拟转换，DSP或FPGA负责信号处理的所有算法，无线通信模块5负责报警信号和模式识别结果的无线传输至检测中心。

图3是图1中信号处理的原理结构图，包括短时信号能量实时计算和门限法判决单元3-1、振动激励信号特征提取和激励类型模式识别单元3-2、报警信号产生单元3-3。由传感器、信号放大与数据采集模块送来的数字信号，在短时信号能量实时计算和门限法判决单元中3-1实时地逐帧地进行短时能量计算，信号能量超过阈值时由振动激励信号特征提取和激励类型模式识别单元3-2进行激励信号特征提取和激励类型模式识别，报警信号产生单元3-3根据模式识别结果决定是否产生报警信号，并将识别结果和报警信号通过通信系统传送到检测中心。

图4是本发明的系统软件流程图。

在S401中，系统软件初始化。

在S402中，系统从缓冲区读数据，完成数据分帧。

在S403中，计算振动信号的短时能量。

在S404中，判断是否连续三次的短时能量都大于门限值，若是则转入S405中，否则到S402中，重新读数据。

在S405中，完成自适应线性预测。

在S406中，利用线性预测的残差和自相关法求序列周期。

在S407中，利用自相关周期进行模式识别。

在S408中，判断是否为人为外力破坏，若是则转入S409，否则到S402中重新读数据。

在S409中，产生报警信号。

Claims (4)

1.一种室外设施人为破坏在线监测报警系统，由传感器、信号放大与数据采集模块、信号处理模块和一个通信系统构成；传感器产生的信号经信号放大与数据采集模块放大和采样量化为数字信号之后，送到信号处理模块进行实时处理，当处理过程中发现存在人为破坏性信号时，即产生报警信号，并通过通信系统传送到检测中心；其特征在于：

(1)所述传感器采用振动传感器，安装在欲保护设施之上振动传导较好的部位；

(2)所述信号处理模块，由短时信号能量实时计算和门限法判决单元、振动激励信号特征提取和激励类型模式识别单元和报警信号产生单元构成；采用数字信号处理器或单片计算机或现场可编程门阵列(FPGA)芯片实现；由传感器、信号放大与数据采集模块送来的数字信号，在短时信号能量实时计算和门限法判决单元中实时地逐帧地进行短时能量计算，当一帧或连续几帧信号的短时能量超出事先设定的门限值时，判断为可能存在人为破坏而转向振动激励信号特征提取和激励类型模式识别单元，进行激励信号特征提取和激励类型模式识别；如果模式识别结果确实属于人为破坏性类型的激励，报警信号产生单元立即产生报警信号，并通过通信系统传送到监测中心；如果识别结果属于风吹、雨打、过路车辆振动那样的激励，程序返回到短时信号能量实时计算和门限法判决单元，继续不断地处理采样数据。

2.根据权利要求1所述的室外设施人为破坏在线监测报警系统，其中信号处理模块中的振动激励信号特征提取和激励类型模式识别单元包括：

(1)采用2阶或4阶自适应线性预测器对采集到的振动数字信号进行线性预测，用它所得到的预测残差信号表示振动激励信号；将它平滑滤波后提取激励信号脉冲；采用自相关法对预测残差信号进行分析，判断它是否具有周期性，如果是周期性的则测量其周期大小；

(2)激励类型模式识别部分根据所得到的激励信号脉冲的间隔和分布规律、是否具有周期性及周期大小，判断所提取的激励信号是属于敲击、拉锯摩擦和拧螺丝那样的人为破坏性振动激励，还是属于其它非人为破坏性振动激励。

3.根据权利要求1所述的室外设施人为破坏在线监测报警系统，其中的通信系统包括：

采用无线数字通信系统实现，包括以下几种形式之一：2G或3G蜂窝网及其移动通信终端、卫星通信系统及其小型终端、短波或超短波电台；或者采用有线通信系统实现，包括以下几种形式之一：光纤通信网及其用户终端、以太网及其用户终端、有线电话网及其数字通信用户终端。

4.根据权利要求1所述的室外设施人为破坏在线监测报警系统，其中信号处理模块中的报警信号产生单元包括：

(1)根据模式识别结果，从预先存储的表示振荡激励类型的汉字短语的代码库中取出相应的汉字短语进行发送；

(2)将由传感器、信号放大与数据采集模块所得到的振动数据进行压缩编码，将压缩后的数据与报警汉字短语一起进行传送到监测中心，用于转化为可监听的声音；

(3)在系统检测到人为破坏振动激励时，报警信号产生单元还产生一个启动信号，用于启动安装在一起的其它录像设备进行现场录像及其录像信息传输。

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