室外設施人為破壞在線監測報警系統的製作方法
2023-05-08 19:57:36 1
專利名稱：室外設施人為破壞在線監測報警系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及防止人為破壞室外設施的監測報警設備，具體是一種室外設施人為破 壞在線監測報警系統，屬於自動監測電子設備。
背景技術：
通信、電力等系統中鐵塔塔材及其它室外設施易受人為偷盜破壞，已有多種檢測 設備實現自動報警。當前的鐵塔塔材外力破壞在線監測技術主要基於圖片、視頻監控方法 實現，圖片、視頻數據量大，信息冗餘度高，信息挖掘方法複雜難以滿足系統實時要求，因而 該方法具有誤警率高、實時性差、功耗大、智能化低、通信費用高等缺陷，不利用在線監測技 術的市場推廣和普及，急需技術更新換代。為了克服已有設備的上述缺陷，本發明採用一套振動傳感器數據採集和信號處理 設備，在線監測各種室外設施的機械振動狀態，並進行特徵提取和模式識別，發現人為破壞 性振動現象，立即產生報警信號通過通信系統傳輸到檢測中心報警。
發明內容
作為一種室外設施人為破壞在線監測報警的設備和系統，其結構一般應由傳感 器、信號放大與數據採集模塊、信號處理模塊和一個通信系統構成；傳感器產生的信號經信 號放大與數據採集模塊放大和數位化之後，送到音頻信號處理模塊進行實時處理，當處理 過程中發現存在人為破壞性信號時，即產生報警信號，並通過通信系統傳送到檢測中心。本 發明的特徵在於1、所述傳感器採用振動傳感器，安裝在欲保護設施之上振動傳導較好的部位；其 新穎性在於採用振動傳感器可以只拾取欲保護設施上的音頻機械振動，而能自動排除空氣 中傳播的其它聲音。2、所述信號處理模塊，由短時信號能量實時計算和門限法判決單元、振動激勵信 號特徵提取和激勵類型模式識別單元和報警信號產生單元構成；採用數位訊號處理器或單 片計算機或現場可編程門陣列(FPGA)晶片實現；由傳感器、信號放大與數據採集模塊送來 的數位訊號，在短時信號能量實時計算和門限法判決單元中實時地逐幀地進行短時能量計 算，當一幀或連續幾幀信號的短時能量超出事先設定的門限值時，判斷為可能存在人為破 壞而轉向振動激勵信號特徵提取和激勵類型模式識別單元，進行激勵信號特徵提取和激勵 類型模式識別；如果模式識別結果確實屬於人為破壞性類型的激勵，報警信號產生單元立 即產生報警信號，並通過通信系統傳送到監測中心；如果識別結果屬於風吹、雨打、過路車 輛振動那樣的激勵，程序返回到短時信號能量實時計算和門限法判決單元，繼續不斷地處 理採樣數據。這個特徵的創新性在於本監測系統能自動檢測是否有異常振動，採用短時能量 和激勵信號特徵提取這兩個環節的計算處理，既能準確檢測出異常振動的出現，又採用激 勵信號特徵提取和模式識別的辦法降低了虛警概率，即排除非人為破壞引起的振動引起誤報，如風吹、雨打、過行車輛引起的振動，或偶然的一兩次意外撞擊。所謂激勵是信號產生數 學模型中的概念，任何一個隨機過程都可以看作是一個激勵信號通過一個線性系統產生的 輸出。這裡的系統就是被保護設施，激勵就是指引起該設施振動的外力作用，如敲擊、摩擦等。3、信號處理模塊中的振動激勵信號特徵提取和激勵類型模式識別單元，有兩個重 要特點(1)採用2階或4階自適應線性預測器對採集到的振動數位訊號進行線性預測，用 它所得到的預測殘差信號表示振動激勵信號；將它平滑濾波後提取激勵信號脈衝；採用自 相關法對預測殘差信號進行分析，判斷它是否具有周期性，如果是周期性的則測量其周期 大小；這個創新點的關鍵是採用線性預測技術提取激勵信號。按照信號產生的數學模 型，將外力作用點看作系統的輸入點，傳感器安裝處看作是系統的輸出點，那麼這個系統可 以用一對或兩對極點的全極點系統來描述，它可以很好地反映被測設施的共振峰特性。而 採用2階或4階自適應線性預測器，則可以自動分離激勵信號和系統響應，實際上預測殘差 信號就是只含有激勵信號而不含系統響應。這樣提取出的激勵信號與系統無關，從而可以 提取激勵信號的特徵，判斷它是否屬於人為破壞引起的振動。(2)激勵類型模式識別部分根據所得到的激勵信號脈衝的間隔和分布規律、是否 具有周期性及周期大小，判斷所提取的激勵信號是屬於敲擊、拉鋸摩擦和擰螺絲那樣的人 為破壞性振動激勵，還是屬於其它非人為破壞性振動激勵。這一做法的新穎性在於，在通過線性預測得到激勵信號及其特徵之後，根據其周 期性、脈衝間隔分布規律等特徵之後，可以準確地判斷這些激勵信號是否屬於敲擊、拉鋸摩 擦和擰螺絲那樣的人為破壞。這就可以顯著降低虛警概率，增強監測報警系統的實用性。4、傳輸報警信息的通信系統，可採用以下各種通信系統中的一種採用無線數字 通信系統實現時，可採用2G或3G蜂窩網及其移動通信終端，衛星通信系統及其小型終端， 短波或超短波電臺；當採用有線通信系統實現時，可採用光纖通信網及其用戶終端，乙太網 及其用戶終端，有線電話網及其數字通信用戶終端。這個特徵的新穎性在於所用通信系統沒有特別限制，可以隨意選擇最方便、最經 濟實用的通信系統，而不是限定必須採用某個特定的通信系統和設備。5、信號處理模塊中的報警信號產生單元，其特徵在於(1)根據模式識別結果，從預先存儲的表示振蕩激勵類型的漢字短語的代碼庫中 取出相應的漢字短語進行發送；(2)將由傳感器、信號放大與數據採集模塊所得到的振動數據進行壓縮編碼，將壓 縮後的數據與報警漢字短語一起進行傳送到監測中心，用於轉化為可監聽的聲音；(3)在系統檢測到人為破壞振動激勵時，報警信號產生單元還產生一個啟動信號， 用於啟動安裝在一起的其它錄像設備進行現場錄像及其錄像信息傳輸。這個特徵的新穎性在於一旦系統自動發現人為破壞性振動之後，發出的報警信 號不僅包括振動類型的判斷結果，而且馬上將傳感器採集的數位訊號經壓縮編碼後發送到 監測中心，以便結合值班人員的主觀判斷進一步確定破壞性振動的性質。關於上文中的短時能量計算方法、門限法判決算法、基於自相關法的信號周期計算、自適應線性預測技術、信號採樣量化為數位訊號，以及這種數位訊號的壓縮編碼等計算 方法的原理，可參見易克初、田斌和付強編著的由國防工業出版社出版的《語音信號處理》。本發明的具體技術方案是由傳感器、信號放大與數據採集模塊、信號處理模塊和 一個通信系統構成；傳感器產生的信號經信號放大與數據採集模塊放大和採樣量化為數字 信號之後，送到信號處理模塊進行實時處理，當處理過程中發現存在人為破壞性信號時，即 產生報警信號，並通過通信系統傳送到檢測中心。本發明的應用實例包括(1)本發明可用於通信、電力系統傳輸鐵塔的防外力破壞在線監測，將本系統安裝 在鐵塔6米以上的較高位置可有效監測人為偷盜行為產生的鐵塔振動，保護通信、電力系 統安全，產生極好的社會效益。(2)本發明可用於城市小區的智能防盜，通過安裝在門窗等適當位置，聯合視頻監 控系統，可有效監測室內偷盜和入室搶劫行為，保障人們生命財產安全。(3)本發明可用於地震、礦井事故等的災後生命救援，通過安裝在振動傳導性較好 的物體上，可有效發現和監測生命體的求救行為，為挽救生命爭取寶貴時間。本發明的有益效果是(1)使用振動傳感器採集人為破壞激勵信號，極易排除沿空氣介質傳播的振動噪 聲，提高輸入數據純淨度和精度，根據安裝位置的遠近和對靈敏度要求不同可自適應的選 擇靈敏度較高的加速度型振動傳感器和靈敏度較低的速度型振動傳感器。(2)採用三次判決過程極大降低了虛警和漏警概率，第一次判決指基於短時能量 的門限判決濾除能量較低的車輛通過等環境噪聲造成的虛警，同時不易產生漏警，第二次 判決指基於特徵量提取的模式識別濾除風、雨、冰雹等天氣因素造成的虛警，第三次判決指 檢測中心對監測系統產生的報警進行人工確認完全排除虛警可能，通過三次判決將虛警和 漏警概率降為極低。(3)採用線性預測技術完全排除系統響應造成的特徵隨機性和不穩定性，只是尋 求激勵性質的特徵，穩定性高，提取難度小。(4)系統方案基於音頻處理，涉及的信號處理算法成熟，實用性強，實時性好，系統 成本低，同時由於功耗小，工作時間長，可滿足全天候的工作要求，基於這些特點本發明易 於技術推廣和系統實現。
圖1是本發明的系統結構框圖。圖2是本發明的系統硬體構成圖。圖3是圖1中信號處理3的原理結構圖。圖4是本發明系統軟體流程圖。
具體實施例方式圖1所示，本發明的系統結構包括傳感器1、信號放大與數據採集2、信號處理3及 通信系統4。傳感器1採集外力行為產生的振動信號，信號放大與數據採集2對傳感器1採 集的振動信號進行信號濾波及微信號放大處理，同時做模擬數字轉換，生成數字採樣信號，信號處理3對數字採樣信號首先進行濾波處理，排除能量較小的環境噪聲，然後提取濾波 後信號的激勵特徵並進行模式識別，最後判決是否報警，產生報警信號和模式識別結果，通 信系統4將模式識別結果和報警信號傳送到檢測中心進行人工確認。圖2所示，本發明的系統硬體構成包括振動傳感器1、信號放大器2、A/D轉換器3、 DSP或FPGA 4、無線通信模塊5。振動傳感器1採集外力破壞產生的振動信號，信號放大器 2對採集信號濾波和微信號放大，A/D轉換器3完成放大信號的數字模擬轉換，DSP或FPGA 負責信號處理的所有算法，無線通信模塊5負責報警信號和模式識別結果的無線傳輸至檢 測中心。圖3是圖1中信號處理的原理結構圖，包括短時信號能量實時計算和門限法判決 單元3-1、振動激勵信號特徵提取和激勵類型模式識別單元3-2、報警信號產生單元3-3。由 傳感器、信號放大與數據採集模塊送來的數位訊號，在短時信號能量實時計算和門限法判 決單元中3-1實時地逐幀地進行短時能量計算，信號能量超過閾值時由振動激勵信號特徵 提取和激勵類型模式識別單元3-2進行激勵信號特徵提取和激勵類型模式識別，報警信號 產生單元3-3根據模式識別結果決定是否產生報警信號，並將識別結果和報警信號通過通 信系統傳送到檢測中心。圖4是本發明的系統軟體流程圖。在S401中，系統軟體初始化。在S402中，系統從緩衝區讀數據，完成數據分幀。在S403中，計算振動信號的短時能量。在S404中，判斷是否連續三次的短時能量都大於門限值，若是則轉入S405中，否 則到S402中，重新讀數據。在S405中，完成自適應線性預測。在S406中，利用線性預測的殘差和自相關法求序列周期。在S407中，利用自相關周期進行模式識別。在S408中，判斷是否為人為外力破壞，若是則轉入S409，否則到S402中重新讀數據。在S409中，產生報警信號。
權利要求
1.一種室外設施人為破壞在線監測報警系統，由傳感器、信號放大與數據採集模塊、信 號處理模塊和一個通信系統構成；傳感器產生的信號經信號放大與數據採集模塊放大和採 樣量化為數位訊號之後，送到信號處理模塊進行實時處理，當處理過程中發現存在人為破 壞性信號時，即產生報警信號，並通過通信系統傳送到檢測中心；其特徵在於(1)所述傳感器採用振動傳感器，安裝在欲保護設施之上振動傳導較好的部位；(2)所述信號處理模塊，由短時信號能量實時計算和門限法判決單元、振動激勵信號特 徵提取和激勵類型模式識別單元和報警信號產生單元構成；採用數位訊號處理器或單片計 算機或現場可編程門陣列(FPGA)晶片實現；由傳感器、信號放大與數據採集模塊送來的數 字信號，在短時信號能量實時計算和門限法判決單元中實時地逐幀地進行短時能量計算， 當一幀或連續幾幀信號的短時能量超出事先設定的門限值時，判斷為可能存在人為破壞而 轉向振動激勵信號特徵提取和激勵類型模式識別單元，進行激勵信號特徵提取和激勵類型 模式識別；如果模式識別結果確實屬於人為破壞性類型的激勵，報警信號產生單元立即產 生報警信號，並通過通信系統傳送到監測中心；如果識別結果屬於風吹、雨打、過路車輛振 動那樣的激勵，程序返回到短時信號能量實時計算和門限法判決單元，繼續不斷地處理採 樣數據。
2.根據權利要求1所述的信號處理模塊中的振動激勵信號特徵提取和激勵類型模式 識別單元，其特徵在於(1)採用2階或4階自適應線性預測器對採集到的振動數位訊號進行線性預測，用它 所得到的預測殘差信號表示振動激勵信號；將它平滑濾波後提取激勵信號脈衝；採用自相 關法對預測殘差信號進行分析，判斷它是否具有周期性，如果是周期性的則測量其周期大(2)激勵類型模式識別部分根據所得到的激勵信號脈衝的間隔和分布規律、是否具有 周期性及周期大小，判斷所提取的激勵信號是屬於敲擊、拉鋸摩擦和擰螺絲那樣的人為破 壞性振動激勵，還是屬於其它非人為破壞性振動激勵。
3.根據權利要求1所述的通信系統，其特徵在於採用無線數字通信系統實現，包括以下幾種形式之一 2G或3G蜂窩網及其移動通信終 端、衛星通信系統及其小型終端、短波或超短波電臺；或者採用有線通信系統實現，包括以 下幾種形式之一光纖通信網及其用戶終端、乙太網及其用戶終端、有線電話網及其數字通 信用戶終端。
4.根據權利要求1所述的信號處理模塊中的報警信號產生單元，其特徵在於(1)根據模式識別結果，從預先存儲的表示振蕩激勵類型的漢字短語的代碼庫中取出 相應的漢字短語進行發送；(2)將由傳感器、信號放大與數據採集模塊所得到的振動數據進行壓縮編碼，將壓縮後 的數據與報警漢字短語一起進行傳送到監測中心，用於轉化為可監聽的聲音；(3)在系統檢測到人為破壞振動激勵時，報警信號產生單元還產生一個啟動信號，用於 啟動安裝在一起的其它錄像設備進行現場錄像及其錄像信息傳輸。
全文摘要
本發明涉及一種室外設施人為破壞在線監測報警系統，屬於自動監測電子設備。該系統由振動傳感器、信號放大與數據採集模塊、信號處理模塊和通信系統構成；傳感器獲取的振動信號經放大和採樣量化後在信號處理模塊中逐幀地實時計算信號的短時能量，再採用門限判決法判斷是否出現了異常振動，如果為真再將信號進行自適應線性預測，得到預測殘差即激勵信號，進行平滑濾波使激勵信號中的脈衝凸顯，並採用自相關法判斷該激勵信號是否具有周期性並計算其周期。自動分析這些特徵，判斷當前的激勵是否屬於人為破壞，如果是則產生報警信號，同時將振動信號壓縮編碼通過通信系統發送到檢測中心。該系統具有漏警和虛警概率低，設備成本低，適用範圍寬等特點。
文檔編號G06F19/00GK102129752SQ201010013589
公開日2011年7月20日 申請日期2010年1月12日 優先權日2010年1月12日
發明者張方 申請人:西安英諾視通信息技術有限公司