Способ комбинирования технических средств обнаружения для охраны периметров и территорий объектов
METHOD FOR COMBINATION OF DETECTION EQUIPMENT FOR PROTECTION OF PERIMETERS AND TERRITORIES OF OBJECTS

Изобретение относится к области охранной сигнализации, в частности к средствам мониторинга охраняемой территории, предназначенным для обнаружения с помощью технических средств объектов, проникающих на охраняемую территорию и вызывающих срабатывания технических средств обнаружения. Обычно для охраны периметров и территорий используются технические средства обнаружения, работающие на разных физических принципах. Для повышения функциональной надежности системы охраны могут использоваться различные способы комбинирования технических средств обнаружения от совместной работы до использования логической обработки сигналов срабатывания этих технических средств обнаружения.
Общеизвестны охранные системы, реализующие способы совместной работы нескольких средств обнаружения. Например, известен способ комбинирования, реализуемый в «Системе охраны периметра «Радиорубеж», описанной в патенте на полезную модель RU №129283, МПК G08B 25/00, опубл. 2013 г. Система содержит блок средств обнаружения и блок сбора и отображения информации. Блок средств обнаружения содержит датчики движения, работающие на различных физических принципах: пассивные инфракрасные датчики (ИК), активные радиолучевые двухпозиционные датчики и активные вибрационные трибоэлектрические датчики. Связь между всеми датчиками движения и блоком сбора и отображения информации осуществляют с помощью радиоканала связи 433 МГц. При обнаружении нарушителя с помощью датчиков формируют тревожные извещения и передают их через соседние датчики, работающие в этом случае в качестве ретрансляторов, в блок сбора и отображения информации. Способ комбинирования, описанный в патенте, характеризует только совместное использование средств обнаружения на периметре.
Недостатком способа комбинирования, описанного в патенте, является отсутствие возможности комбинирования тревожных извещений для повышения функциональной надежности системы охраны.
Известен способ комбинирования, реализуемый в «Комбинированном средстве обнаружения», описанном в патенте на полезную модель RU №65270, МПК G08B 13/00, опубл. 2007 г. Средство обнаружения содержит вибрационное и радиолучевое средства обнаружения, а также устройство телевизионного контроля. Комбинирование средств обнаружения основано на использовании общего заграждения, являющегося основой для размещения на нем средств обнаружения. При преодолении нарушителем заграждения средствами обнаружения формируют сигналы тревоги. Способ комбинирования, описанный в патенте, характеризует только совместное использование средств обнаружения на объекте охраны.
Недостатком способа комбинирования, описанного в патенте, является отсутствие возможности комбинирования сигналов тревоги для повышения функциональной надежности средства обнаружения в зависимости от тактических соображений.
Известен способ комбинирования, реализуемый в «Комбинированном средстве охраны периметров объектов», описанном в патенте на полезную модель RU №68157, МПК G08B 13/22, G08B 19/00, G01V 1/22, опубл. 2007 г. Средство охраны периметров объектов содержит вибрационное средство обнаружения, сейсмомагнитометрическое устройство для охранной сигнализации и устройство телевизионного контроля, размещенные на одном заграждении. При преодолении нарушителем заграждения с помощью средств обнаружения формируют сигналы тревоги. Способ комбинирования, описанный в патенте, характеризует только совместное использование средств обнаружения на периметре.
Недостатком способа комбинирования, описанного в патенте, является отсутствие возможности комбинирования сигналов тревоги для повышения функциональной надежности средства охраны в зависимости от тактических соображений.
Известен «Способ комбинированной охраны периметра протяженного объекта», описанный в патентах на изобретения RU №2599523 и RU №2599527, МПК H04N 7/18, Н04В 10/00, опубл. 2016 г. Данный способ включает в себя выполнение нескольких рубежей охраны, на которых устанавливаются чувствительные элементы технических средств обнаружения. На периметре также устанавливаются средства телевизионного контроля для визуального наблюдения. При охране периметра протяженного объекта используют устройства тревожно вызывной сигнализации, обеспечивающие сбор дискретной информации по периметру объекта. Способ позволяет повысить функциональную надежность охраны объекта за счет совместного использования множества технических средств обнаружения.
Недостатком способа является излишнее количество применяемых средств, что экономически не целесообразно, а также отсутствие возможности комбинирования сигналов тревоги для повышения функциональной надежности охраны в зависимости от тактических соображений.
Известны способ комбинирования, реализуемый в «Интегрированном устройстве обнаружения вторжения с множеством спектров, и способ эксплуатации» (Integrated multi-spectrum intrusion threat detection device and method for operation), описанные в патенте US №7902977, МПК G08B 13/00, G08B 13/08, опубл. 2011 г. Устройство содержит множество чувствительных элементов, каждый из которых вырабатывает сигнал, представляющий обнаруженное событие, блок обработки сигналов, вычислительный блок, блок хранения, блок настройки параметров, блок определения продолжительности анализируемого процесса, блок генерирования тревоги, блок передачи/приема и блок пользовательского интерфейса. Сигналы от чувствительных элементов поступают в блок обработки сигналов, где анализируют каждый сигнал и определяют его спектр. Далее, в вычислительном блоке осуществляют преобразование каждого спектра в цифровое нормированное (от 0 до 1) значение угрозы с учетом соответствующего типа чувствительного элемента. В блоке хранения эти значения хранят в течение определенного периода времени. В блоке генерирования тревоги определяют цифровое значение совокупной угрозы от нескольких чувствительных элементов. Далее, в этом блоке сравнивают значения совокупной угрозы с пороговым значением для формирования обобщенного сигнала тревоги. При превышении значением совокупной угрозы порогового значения формируют обобщенный сигнал тревоги, который передают блоком передачи/приема по каналу связи на систему сбора и отображения информации. В качестве чувствительных элементов используют датчики движения (инфракрасные пассивные датчики, СВЧ-зондирующие датчики), акустические датчики восприятия звука или вибрации, микрофонные датчики, датчики разбития стекла. В качестве чувствительного элемента также используют устройство для видеоизображения. Способ, описанный в патенте, характеризует совместное использование чувствительных элементов, работающих на разных физических, с учетом типа чувствительного элемента и наличия совокупной угрозы.
Недостатком способа, описанного в патенте, является отсутствие возможности комбинирования сигналов тревоги для повышения функциональной надежности охраны в зависимости от тактических соображений.
В качестве прототипа выбран способ комбинирования, реализуемый в известной «Беспроводной самоорганизующейся сетевой системе мониторинга охраняемой территории», описанной в патенте RU №2620239, МПК G08B 13/00, опубл. 2017 г. В этой системе описан один из способов комбинирования технических средств обнаружения используя возможности комбинирования сигналов тревоги в соответствии с решающими правилами «И», «ИЛИ» для повышения надежности охраны в зависимости от тактических соображений (см. п. 11 формулы). Система состоит из центрального пункта управления (ЦПУ), пульта контроля переносного с модулем спутниковой навигации, группы технических средств обнаружения (ТСО), группы технических средств видеонаблюдения и ретрансляторов. Группа ТСО содержит датчики тревожной сигнализации, работающие на разных физических принципах: сейсмическом, радиоволновом, инфракрасном, магнитометрическом, вибрационном (виброметрическом), радиолучевом, радиоволновом подземным и обрывном. Группа ТСО по количеству используемых типов ТСО, работающих на разных физических принципах, может состоять из различной комбинации ТСО. Алгоритмы обработки информации в группе ТСО выбирают в соответствии с решающими правилами в зависимости от тактических соображений.
Общими признаками способа, описанного в патенте, и предлагаемого способа являются: формирование рубежей охраны, содержащих ТСО, работающих на разных физических принципах, и возможность комбинирования сигналов тревоги в соответствии с решающими правилами «И», «ИЛИ».
Недостатком способа комбинирования, описанного в патенте, является недостаточная функциональная надежность системы охраны, ограниченная возможностью снижения ложных срабатываний и повышения вероятности обнаружения при комбинировании сигналов тревоги в соответствии с решающими правилами «И», «ИЛИ».
Целью настоящего изобретения является способ комбинирования технических средств обнаружения для повышения функциональной надежности системы охраны периметров и территорий объектов.
Повышение функциональной надежности системы (снижение ложных срабатываний, повышение вероятности обнаружения) достигается за счет:
1) формирования на выходах ТСО информационных признаков, характеризующих степень достоверности тревожных сообщений в численном выражении в пределах от 0 до 1 вместо бинарных сигналов тревоги;
2) использования процедур ранжирования значений или алгоритмов нечеткой логики для формирования информационных признаков на выходе ТСО;
3) использования в ЦПУ решающего правила комбинирования для определения обобщенного цифрового сигнала степеней угроз в области общего пространства информационных признаков, поступающих от ТСО;
4) использование правил нечеткой логики для обработки информации в ЦПУ;
5) возможности изменения решающего правила комбинирования в ЦПУ с учетом физического принципа работы ТСО и существующей оперативной обстановке на охраняемой территории, а также в зависимости от тактических соображений. Следует отметить, что под термином «тактические соображения» понимаются возможности использования комбинирования по логической операции «И» для повышения помехоустойчивости системы в отсутствии террористических угроз, и использования комбинирования по логической операции «ИЛИ» для повышения чувствительности системы к обнаружению нарушителя в случае повышения террористической угрозы.
Поставленная цель достигается за счет того, что способ комбинирования ТСО для охраны периметров и территорий объектов, характеризующийся тем, что включает в себя этап формирования рубежей охраны, содержащих не менее двух ТСО, работающих на разных физических принципах и формирующих тревожные сообщения при преодолении нарушителем рубежей охраны, и последующий этап подключения по каналам связи к этим ТСО ЦПУ, выполненного с возможностью обработки информации в соответствии с решающими правилами «И», «ИЛИ», в ТСО в качестве выходных сигналов формируют информационные признаки, характеризующие степень достоверности тревожного сообщения в численном выражении в пределах от 0 до 1, указанные информационные признаки передают по каналам связи в ЦПУ, в котором обрабатывают полученную информацию по следующему решающему правилу комбинирования, формирующему обобщенный цифровой сигнал V:
где: V - обобщенный цифровой сигнал степени угрозы преодоления нарушителем рубежей охраны по результату комбинирования ТСО с учетом логических операций «И», «ИЛИ»,
1
n
R…R - информационные признаки отдельных ТСО, характеризующие степень достоверности тревожных сообщений,
n
a - весовые коэффициенты, выбранные с учетом особенностей физического принципа работы каждого из ТСО,
n - количество ТСО.
Далее в ЦПУ формируют окончательный логический сигнал тревоги Т=1 по результату сравнения обобщенного цифрового сигнала V с заданным цифровым пороговым значением Uп, при условии, что V>Uп.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2.
На фиг. 1 приведена структурная схема системы, реализующей предложенный способ. На фиг. 1 введены следующие обозначения: 1 - ТСО, 2 - каналы связи, 3 - ЦПУ.
1
2
На фиг. 2 показаны области, ограничивающие множество полезных сигналов и множество помеховых сигналов на плоскости общего пространства информационных признаков R и R.
Способ комбинирования технических средств обнаружения для охраны периметров и территорий объектов позволяет повысить функциональную надежность системы охраны. Одним из путей повышения функциональной надежности системы охраны является комбинирование нескольких ТСО на различных физических принципах. В общем случае, идея комбинирования основана на том, что помеховые сигналы, вызывающие ложные срабатывания, слабо взаимосвязаны (коррелированы) между собой, так как имеют разную физическую природу, например, для вибрационных и радиотехнических ТСО. В тоже время, при преодолении зон обнаружения нарушителем сигналы срабатывания от различных ТСО должны иметь более высокую степень корреляции. Зоны обнаружения комбинируемых ТСО не обязательно должны пересекаться в пространстве, важно чтобы сигналы срабатывания при воздействии нарушителя присутствовали с некотором фиксированном временном окне. Объединяя сигналы срабатывания по логической операции «И» можно получить уменьшение вероятности ложных срабатываний при комбинировании ТСО. Однако вероятность обнаружения нарушителя снизится, так как пропуск нарушителя одним из ТСО приведет к потере сигнала тревоги при комбинировании ТСО. В то же время известно, что ТСО на разных физических принципах имеют различную вероятность обнаружения при разных способах преодоления охраняемого рубежа, в том числе при различных группировках. Например, сейсмические ТСО плохо обнаруживают медленно идущего нарушителя, а радиолучевые ТСО имеют пониженную вероятность обнаружения ползущего нарушителя. В этом случае для получения заданной вероятности обнаружения при комбинировании ТСО необходимо объединять сигналы срабатывания по логической операции «ИЛИ», но при этом увеличится вероятность ложных срабатываний, так как ложное срабатывания любого ТСО приведет к ложному срабатыванию при комбинировании ТСО.
Таким образом, комбинирование на основе только раздельных логических операций «И», «ИЛИ» имеет ограниченные возможности по повышению функциональной надежности системы, и прежде всего, при комбинировании ТСО, у которых полезные сигналы слабо коррелированы при различных способах преодоления рубежа.
Обычно решение о формировании тревожного сообщения при комбинировании ТСО принимается в системе сбора и обработки информации или в ЦПУ, на которую от каждого ТСО поступает минимальное количество информации в виде бинарных сигналов о срабатывании каждого ТСО. Объединение бинарных сигналов тревоги на основе логических операций является решающим правилом, которое никак не связано с физическими принципами комбинируемых ТСО. С развитием цифровых технологий, ТСО могут давать значительно больший объем информации о состоянии рубежа в момент его преодоления нарушителем, которая может быть использована для повышения функциональной надежности системы охраны.
n
1
2
нл
л
л
Повышение функциональной надежности системы охраны путем комбинирования выходных сигналов различных ТСО основана на том, что для каждого типа ТСО возможно сформировать информационный признак (R), который характеризует степень достоверности получаемых от ТСО тревожных сообщений. Этот информационный признак определяют в численном выражении в пределах от 0 до 1 по линейной шкале (например, R=0,54 или R=0,85 и т.п.). Такой информационный признак должен быть связан взаимно - однозначным соответствием с вероятностью несрабатывания от помеховых сигналов Р=(1 - Р), где Р - вероятность ложного срабатывания.
Нулевое значение информационного признака соответствует нулевой достоверности. Это означает, что полученное тревожное сообщение со 100% вероятностью вызвано помеховыми факторами. Единичное значение соответствует максимальной достоверности. Это означает, что полученное тревожное сообщение со 100% вероятностью вызвано преодолением рубежа охраны нарушителем, а не помеховыми факторами. Промежуточные значения указывают на увеличении достоверности в порядке возрастания цифровых значений. Подсчитывать значения информационных признаков вполне достаточно с точностью до двух знаков после запятой.
n
об
л
В простейшем случае для однопороговых обнаружителей, очевидно, информационный признак R пропорционален амплитуде некоторого сигнала, превышение которым фиксированного порогового уровня (U) используется для обнаружения полезных сигналов. При этом каждому значению U соответствует конкретное значение вероятности обнаружения (Р) и вероятности ложных срабатываний (Р).
n
При формировании информационного признака R в других ТСО, работающих на разных физических принципах, могут использоваться несколько первичных информативных признаков. Например, для сейсмического ТСО одним из первичных признаков является энергия спектра в скользящем окне, другим - количество сигнальных цугов (шагов) нарушителя, зафиксированных в зоне обнаружения, третьим - временные задержки между отдельными сигналами. Для ЛЧМ-радара первичным признаком является смещение гармоник спектра сигнала на некоторую величину в частотной области. Для пассивного ИК-датчика признаками могут являться количество пересечений нарушителем узких секторов зоны обнаружения и временные интервалы между нарастающими и спадающими фронтами сигналов затенения секторов зоны обнаружения.
n
При формировании информационного признака R на основе анализа первичных информативных признаков могут использоваться интеллектуальные алгоритмы обработки сигналов, например, алгоритмы нечеткой логики (Fuzzy Logic). Алгоритм нечеткой логики при обработке информативных признаков является общеизвестным алгоритмом и используется, например, в радиолучевых датчиках тревожной сигнализации серии ERMO 482Х PRO фирмы CIAS, www.cias-russia.ru.
n
11
12
1m
n
Для ТСО, работающим по сложным алгоритмам обнаружения, когда первичные информативные признаки полезного сигнала выражены в неявном виде, можно сформировать ранговую шкалу R=F (R, R … R), учитывающую особенности физического принципа работы ТСО. Информационный признак R может быть представлен в виде значений, проранжированных так, что номер ранга увеличивается с уменьшением вероятности ложного срабатывания ТСО от помеховых сигналов. Количество рангов не ограничено, но должно быть не менее двух. С целью сокращения вычислений можно использовать три ранга, что в большинстве случаев достаточно для достижения положительного эффекта.
n
n
Сформированные в ТСО информационные признаки R передают по каналам связи в ЦПУ, где в дальнейшем их используют для формирования по решающему правилу комбинирования обобщенного цифрового сигнала V, учитывающего логические операции «И», «ИЛИ» и характеризующего степень угрозы преодоления нарушителем рубежей охраны. Комбинирование информационных признаков R на основе правил нечеткой логики позволяет одновременно использовать логические операции «И», «ИЛИ» для учета значительно большего объема информации при анализе ситуации на рубеже охраны. Суть решающего правила комбинирования в соответствии с формулой (1) заключается в возможности разделить в признаковом пространстве полезные и помеховые сигналы более эффективно, чем при объединении тревожных сигналов от каждого ТСО только по раздельным логическим операциям «И» и «ИЛИ», что повышает функциональную надежность системы охраны.
n
1
2
n
Информационные признаки R можно рассматривать как независимые переменные в области общего пространства информационных признаков с осями R, R, … R. Для разделения полезных и помеховых сигналов в области общего пространства информационных признаков может быть проведена произвольная кривая (плоскость), отображающая решающее правило комбинирования. Теории распознавания образов предлагает множество методов для формирования решающего правила комбинирования оптимальным образом. Эти методы требуют довольно сложных вычислений, но их использование имеет смысл при достаточной представительной статистике помеховых сигналов. При ограниченной статистике решающее правило комбинирования может быть линейной функцией, тогда обобщенный цифровой сигнал V, характеризующий обобщенную степень угрозы, можно определить с помощью формулы (1).
n
Весовые коэффициенты a могут изменяться в зависимости от внешних условий и оперативной обстановки. Например, коэффициент при сейсмическом ТСО может быть повышен при образовании снежного покрова, так как снежный покров приводит к снижению уровня сейсмических сигналов от шаговых воздействий.
После формирования обобщенного цифрового сигнала V в ЦПУ формируют окончательный логический сигнал тревоги Т=1 по результату сравнения обобщенного цифрового сигнала V с заданным пороговым значением Uп, при условии, что V>Uп.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Рассмотрим двух рубежную систему охраны, в которой на каждом рубеже TCO и ТСО вместо бинарного сигнала тревоги формируют соответственно признаки R и R. На фиг. 2 в плоскости общего пространства информационных признаков R и R показаны области, ограничивающие множество полезных сигналов и множество помеховых сигналов. В простейшем случае для однопорогового обнаружителя, задав пороговые значения П и П по каждому из информационных признаков, получают значения информационных признаков R и R, объединяя которые по логическим операциям нечеткой логики, формируют тревожное сообщение. Тревожное сообщение в области «В» формируют при объединении информационных признаков по логической операции «И». Тревожные сообщения в областях «А, В, С» формируют при объединении информационных признаков по логической операции «ИЛИ». Тревожные сообщения, сформированные в областях общего пространства информационных признаков, находятся выше прямой линии F (R,R).
1
2
n
На фиг. 1 приведена структурная схема системы, реализующей предложенный способ. ТСО 1 на этапе формирования рубежей охраны размещают на периметре или территории объекта охраны. При преодолении нарушителем рубежей охраны ТСО 1 формируют информационные признаки R, R … R, характеризующие степень достоверности для принятия решения о тревожном сообщении. Эти признаки передают по каналам связи 2 (например, по интерфейсам RS-485) в ЦПУ 3, где их обрабатывают в соответствии с решающим правилом комбинирования по формуле (1), формируя при этом обобщенный цифровой сигнал V, характеризующий обобщенную степень угрозы для принятия решения о преодолении рубежей охраны по результату комбинирования ТСО. Далее в ЦПУ 3 формируют окончательный логический сигнал тревоги Т=1 по результату сравнения обобщенного цифрового сигнала V с заданным цифровым пороговым значением Uп, при условии, что V>Uп.
В состав ЦПУ 3 может входить ПЭВМ, выполненная в виде автоматизированного рабочего места (АРМ) оператора, которое обеспечено архивной памятью, системой тревожного оповещения и необходимым комплектом программного обеспечения с возможностью отображения плана местности на экране графического монитора, обозначения на плане местности ТСО, а также с возможностью регистрации информационных признаков отдельных ТСО с сохранением их в памяти ПЭВМ. Наличие ПЭВМ в составе ЦПУ дает возможность изменения алгоритмов обработки информации, поступающей в ЦПУ от ТСО, с учетом физического принципа работы ТСО и существующей оперативной обстановки на охраняемой территории, а также в зависимости от тактических соображений.
Таким образом, при реализации заявленного способа с использованием перечисленных признаков, будет достигаться повышение функциональной надежности системы охраны периметров и территорий объектов.
Заявленный способ промышленно применим.