機場周界防入侵系統(tǒng)是機場安全防范系統(tǒng)的第一道防線，其地位非常重要。而隨著時代的變遷，現有的機場周界電子防入侵技術發(fā)展經歷了第一代視頻監(jiān)控防入侵技術、第二代以信號驅動為特征的防入侵技術，正逐步過渡到以目標驅動為特征的第三代防入侵技術。

    機場周界防入侵系統(tǒng)是機場安全防范系統(tǒng)的第一道防線，其地位非常重要。目前機場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、功能完善的航站樓安防體系，但是十幾甚至幾十公里長的機坪周界安防卻沒有得到足夠重視，存在很大隱患，是機場安防系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。最近幾年，在國內國外發(fā)生了數起入侵者翻越機場圍欄潛入飛機內部事件，給機場安全造成了嚴重威脅。筆者親眼看到在國內某機場的“滾地龍”周界面前，參與演示的一個科研人員不到三十秒就翻越而入，可見目前機場周界防入侵系統(tǒng)還存在著巨大隱患，亟需改進。

    鑒于機場周界存在安全隱患，民航總局于2008年修訂《民用航空運輸機場安全保衛(wèi)設施建設標準》（編號：MH/T 7003-2008），規(guī)定了有關飛行區(qū)周界、通道、監(jiān)控和報警系統(tǒng)等民用機場安保設施的建設標準：要求機場應設立周界報警、視頻監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)應能對周界入侵行為作出判斷，對目標進行分類，應能在機場飛行和安全照明的環(huán)境下工作，應滿足全天候運行的要求。

    現有的機場周界電子防入侵技術發(fā)展經歷了第一代視頻監(jiān)控防入侵技術、第二代以信號驅動為特征的防入侵技術，正逐步過渡到以目標驅動為特征的第三代防入侵技術。

第一代機場周界防入侵技術——視頻監(jiān)控
    第一代防入侵技術以視頻監(jiān)控技術為主，以其直觀、準確、及時和信息內容豐富而得到廣泛應用，視頻監(jiān)控的發(fā)展大致經歷了三個階段：上世紀九十年代以前，大多采用模擬監(jiān)控系統(tǒng)；九十年代中期，進入數字化本地視頻監(jiān)控系統(tǒng)時期；到九十年代末，視頻監(jiān)控步入了全數字化網絡時代。

    然而，視頻監(jiān)控本身有其難以根除缺點：缺少報警功能，僅能起到事后追蹤的作用，雖然其后增加了智能視頻技術，但是虛警、漏警率過高而無法得到大規(guī)模應用；具有極強的環(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，據統(tǒng)計，安防人員連續(xù)監(jiān)控20分鐘以上，即會“視而不見”。

第二代機場周界防入侵技術——信號驅動型
    第二代防入侵技術增加了報警功能，主要包括振動光纖、輻射電纜、紅外對射、張力圍欄和高壓脈沖等常見周界防入侵技術。

振動光纖
   以光學干涉理論為基礎，不間斷地實時采集傳感距離以內的各類振動信號，安裝隱蔽，檢測距離長，適合各種形狀的周界，既可埋在地下也可布設在空中，不會受到任何輻射、電磁干擾的影響；對攀爬、剪切圍欄等入侵企圖所產生的各種振動頻率非常敏感，在使用過程中無需進行過多的維護保養(yǎng)；但是其布線工程復雜，無法識別目標，無法判斷位置，漏警和誤警率偏高，防范范圍有限。在大風暴雨、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，對空中拋物、空中跨越入侵和地下入侵無法檢測造成漏警。[nextpage]

輻射電纜
    利用兩根輻射電纜之間的空間形成一個橢圓形的電磁探測區(qū)。當有人進入此探測區(qū)時，會干擾探測區(qū)的電磁耦合，使接收電纜收到的電磁波能量發(fā)生變化，從而產生告警信號。其安裝在地下，是一種隱蔽的無形探測手段；靈敏度高，漏警幾率小；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。但是其感應范圍?。?~2m），對于機場等電磁通訊地域會造成電磁干擾；價格比較昂貴；對于目標識別能力較弱，在人員靠近、動物靠近等情況下容易造成誤警，對空中拋物、空中跨越入侵和墻體打洞等入侵無法檢測造成漏警，也容易受到電磁輻射和噪聲的干擾。

紅外對射
    紅外線電子對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器。紅外對射感應靈敏，不破壞環(huán)境美觀；安裝簡便，維護方便；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影響報警系統(tǒng)；若紅外安裝柱發(fā)生形變或傾斜會破壞紅外射線導致沒法正常預警。紅外射線容易受到附近植物生長的干擾，也無法識別具體的入侵目標，在動物穿越、大霧大雨的天氣、植物生長等情況發(fā)生時容易產生誤警，也無法檢測出空中翻越、人員匍匐、地下掘地入侵。

張力圍欄
    基于張力的平衡原理進行探測，利用一組平行的探測線中的一根或幾根線受力偏斜從而觸發(fā)報警。其外型美觀，可作為天然物理圍欄；不受光和電磁干擾；高強力拉緊設計，適用于各種惡劣的環(huán)境。但是調整鋼絲的拉力較麻煩，誤警率很高，日后維護圍欄也很麻煩，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，可以對入侵起到一定的阻嚇作用，誤報率低。但是其安裝不夠美觀，對墻體打洞入侵和空中跨越無能為力，危險系數太高，不適合人員密集以及出入頻繁的地方，更多應用在油庫，監(jiān)獄等安防禁止出入區(qū)。

    其他幾類防入侵技術包括振動電纜、微波對射、激光對射等，以上技術進步推進了機場電子周界防入侵技術的發(fā)展，但都是基于檢測信號的大小是否超過設定閾值來進行報警，屬于信號驅動型，虛警率和漏警率高，無法滿足機場防入侵系統(tǒng)對目標分類的要求。

第三代機場周界防入侵技術——傳感器網絡，目標驅動報警
    傳感器網絡是人類信息技術的一次歷史性機遇。傳感器網絡是以感知為目的全新的網絡信息系統(tǒng)，是上世紀末興起的新興領域。移動通信連接的是人與人，傳感器網絡連接的是物與物，將推動信息產業(yè)“第三次浪潮”。1999年，美國的移動計算和網絡國際會議上，提出“無線傳感網是下一個世紀人類面臨的又一個發(fā)展機遇”；2002年，美國橡樹嶺實驗室斷言IT時代正在從“Computer is the network”向“Sensor is the network”轉變；國際眾多權威機構預測傳感器網絡將是改變人類生活方式的十大技術之首，其未來市場將比現有的Internet大得多，到2020年與傳統(tǒng)話音業(yè)務比例將達到30:1，規(guī)模將達萬億級。美歐日韓等均已啟動以傳感器網絡為主要基礎設施及產業(yè)帶動龍頭的“無處不在的泛在社會”（“U社會”）國家戰(zhàn)略性計劃，奧巴馬政府更將IBM“智慧地球”計劃視為極具支柱產業(yè)的潛力。我國中長期科技發(fā)展規(guī)劃及其國家03重大專項已明確列入傳感器網絡方向。[nextpage]

    目前，中國已占據國際傳感網領域的核心地位，是國際標準主導國之一，掌握核心技術。2008年6月，首屆ISO/IEC國際傳感網標準化大會在上海微系統(tǒng)所召開，中國、美國、韓國、英國、德國、日本、挪威等30多個成員國及ISO、IEC、ITU-T、IEEE等的120余名官方代表和技術專家參加。在第2、3、4、5次國際標準化會議上，我國代表ISO/IEC傳感網標準化工作組向上級做總體報告。提交“傳感器網絡標準化體系”、“傳感器網絡體系架構”、“傳感器網絡協同架構”等核心提案，獲得成員國代表的高度認可，并納入ISO/IEC標準化的技術方案。同時，我國作為主要成員積極參加IEEE 802.15.4e傳感器網絡國際標準的制定。傳感器網絡已成為我國信息技術少有的具有國際標準主導權的領域，與國外相比具有同發(fā)優(yōu)勢、同等水平，部分達到領先。

    從應用需求和技術方案兩個層面來講，基于傳感器網絡的周界防入侵系統(tǒng)需要考慮以下幾方面因素。

應用需求
    民航總局文件《民用航空運輸機場安全保衛(wèi)設施》明確提出了對入侵目標進行識別、分類及全天候工作的要求。周界防入侵系統(tǒng)的應用需求主要考慮：
·入侵手段：按目標種類，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：周界內部可能緊貼巡警區(qū)或貨物運輸道路；周界外部可能是草地、公路、農田、溝渠、海水等；周界周邊地質包括水泥、泥土和沙土等；
·全天時/全天候：全天時要求系統(tǒng)24小時不間斷工作；全天候則要求系統(tǒng)能在四季的差異性氣候，包括臺風、大雨、大霧、冰雹等典型場景下有效工作。

技術方案設計
    依據機場防入侵系統(tǒng)要求，針對傳感器網絡協同感知、自治組網以及入侵目標和機場環(huán)境的高度不確定性來設計機場的傳感器網絡防入侵系統(tǒng)，需重點考慮以下關鍵技術：

大規(guī)模端到端網絡設計
    大型機場周界一般有幾十公里長，需要布設上萬個傳感器節(jié)點，如何設計好端到端網絡對這些節(jié)點進行合理控制是實現傳感器網絡防入侵系統(tǒng)的第一步，包括節(jié)點冗余設計、動態(tài)路由和分簇拓撲控制協議等。

小規(guī)模自治網絡設計
    相對于整個機場周界而言，入侵目標可以看作為局部點入侵，即入侵事件只喚醒其周邊的部分節(jié)點，這些節(jié)點將自組織地形成小規(guī)模端到端網絡，它為后續(xù)的協同、融合及信息處理功能提供了基礎。

多個傳感器的分布式協同方案
    分布式協同方案利用多個分布在不同地理位置的傳感器節(jié)點的信息，對入侵目標的位置進行估計并描繪其運動軌跡。

多種傳感器的融合方案
    為達到對目標的綜合感知，需要利用多種類型的傳感器提供的多參數、多視角的測量信息，通過多級融合策略，綜合判斷目標屬性。

混雜目標的盲源分離技術
    機場周界環(huán)境中經常會有車輛、人員、飛機和動物等事件混雜出現，必須依靠多種以及多個傳感器節(jié)點的信息來實現混雜目標的盲源分離。[nextpage]

低信噪比下的目標檢測技術
    復雜環(huán)境下目標信號淹沒在噪聲中，信噪比極低，基于多個傳感器信息的微弱信號檢測算法能有效提高入侵目標的檢測概率。

時域、空域和頻域聯合檢測技術
    針對機場周界環(huán)境復雜、目標混雜和氣候惡劣的特點，該系統(tǒng)下的信號與信息處理算法必須考慮從時域、空域和頻域同時進行分析處理，更重要的是要從三個域之間的關聯著手，為目標正確檢測提供可靠依據。

局部氣象監(jiān)測技術
    整個網絡系統(tǒng)的探測、識別和融合功能都需要依賴氣象傳感器節(jié)點提供支持，以自適應調整參數和算法。

自學習機設計
    由于機場環(huán)境的不確定性，目標種類、數量、行為的不確定性，傳感器自身的不一致性，必須設計相應的自學習機，提高魯棒性。

三級三維傳感器網絡綜合防入侵技術
    在中國科學院與上海機場集團共同應用和示范建設的基礎上，形成了“三級三維”傳感器網絡綜合防入侵系統(tǒng)。“三級”是指預警區(qū)、報警區(qū)、出警區(qū)。預警區(qū)：在周界外部設置范圍可調預警區(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。報警區(qū)：對目標的入侵過程進行報警。出警區(qū)：非法入侵成功后的緊急報警，立即出動警力。

    “三維”是指低空、地面、地下三維立體報警。低空探測：對拋物、翻越和低空飛行器等入侵行為進行報警。地面柵欄：對攀爬、破壞等入侵行為進行報警。地下：對掘地入侵行為進行報警。

    傳感器網絡機場周界防入侵系統(tǒng)達到的主要技術指標包括：
·大規(guī)模端到端網絡容量：可容納10萬節(jié)點以上；
·探測手段：10余種傳感探測手段；
·識別能力：人員、車輛和動物等混雜目標的識別和分離；
·入侵響應時間：小于2秒；
·入侵目標區(qū)域定位精度： 0.5米。

    通過傳感器網絡手段能告知目標是什么、在哪里、做什么，之后再進行報警，即目標驅動報警，實現了低虛警率、高報警率的周界防入侵，與第二代的信號驅動報警形成鮮明對比。

應用示范
    中國科學院聯合上海國際機場股份有限公司建立了傳感器網絡周界防入侵系統(tǒng)的2.4公里應用示范段，筆者有幸參加了2009年6月16日由中國民用機場協會主辦，上海國際機場股份有限公司協辦，由中科院嘉興無線傳感網工程中心承辦的機場防入侵新技術研討會，并參觀了該應用示范段。

    從現場效果來看，系統(tǒng)較好地達到了預期目的，反響良好，表現在：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、機場內部警鈴不斷、跑道上飛機接連起降等，都沒有對防入侵系統(tǒng)造成干擾；該系統(tǒng)對入侵目標的定位精度達到了0.5米，能有效排除外界干擾；當有人員靠近圍欄時，系統(tǒng)給予了友善提醒，可以有效喝止不當行為并減少出警次數；對于無惡意的腳踏和手推，系統(tǒng)并不立即報警，但是對圍欄的攀爬和破壞，系統(tǒng)無一例外及時發(fā)出警報；對于不碰觸圍欄的空翻入侵和掘地入侵，該系統(tǒng)也能立即檢測到并報警。

    據用戶反映，該示范段自2008年1月建成以來，經受了南方雪災、高溫、數次冰雹、無數大風大雨等考驗，均未發(fā)生虛警，對于人員的入侵行為也未出現漏警。由此可見，傳感器網絡這一新興技術給機場周界防入侵系統(tǒng)帶來了革命性的創(chuàng)新，為周界筑起了無縫立體“電子長城”。

    由于機場示范段的成功，上海世博局在世博園區(qū)對該系統(tǒng)進行了測試，即將在世博會期間投入使用。同時，在監(jiān)獄等國家特種安防領域的傳感器網絡周界防入侵系統(tǒng)也開始投入建設。（本文由劉海濤 滕建軍提供）