專利名稱：室外設(shè)施人為破壞在線監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及防止人為破壞室外設(shè)施的監(jiān)測報(bào)警設(shè)備，具體是一種室外設(shè)施人為破 壞在線監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)，屬于自動監(jiān)測電子設(shè)備。
背景技術(shù)：
通信、電力等系統(tǒng)中鐵塔塔材及其它室外設(shè)施易受人為偷盜破壞，已有多種檢測 設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動報(bào)警。當(dāng)前的鐵塔塔材外力破壞在線監(jiān)測技術(shù)主要基于圖片、視頻監(jiān)控方法 實(shí)現(xiàn)，圖片、視頻數(shù)據(jù)量大，信息冗余度高，信息挖掘方法復(fù)雜難以滿足系統(tǒng)實(shí)時要求，因而 該方法具有誤警率高、實(shí)時性差、功耗大、智能化低、通信費(fèi)用高等缺陷，不利用在線監(jiān)測技 術(shù)的市場推廣和普及，急需技術(shù)更新?lián)Q代。為了克服已有設(shè)備的上述缺陷，本發(fā)明采用一套振動傳感器數(shù)據(jù)采集和信號處理 設(shè)備，在線監(jiān)測各種室外設(shè)施的機(jī)械振動狀態(tài)，并進(jìn)行特征提取和模式識別，發(fā)現(xiàn)人為破壞 性振動現(xiàn)象，立即產(chǎn)生報(bào)警信號通過通信系統(tǒng)傳輸?shù)綑z測中心報(bào)警。

發(fā)明內(nèi)容
作為一種室外設(shè)施人為破壞在線監(jiān)測報(bào)警的設(shè)備和系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)一般應(yīng)由傳感 器、信號放大與數(shù)據(jù)采集模塊、信號處理模塊和一個通信系統(tǒng)構(gòu)成；傳感器產(chǎn)生的信號經(jīng)信 號放大與數(shù)據(jù)采集模塊放大和數(shù)字化之后，送到音頻信號處理模塊進(jìn)行實(shí)時處理，當(dāng)處理 過程中發(fā)現(xiàn)存在人為破壞性信號時，即產(chǎn)生報(bào)警信號，并通過通信系統(tǒng)傳送到檢測中心。本 發(fā)明的特征在于1、所述傳感器采用振動傳感器，安裝在欲保護(hù)設(shè)施之上振動傳導(dǎo)較好的部位；其 新穎性在于采用振動傳感器可以只拾取欲保護(hù)設(shè)施上的音頻機(jī)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(shí)時計(jì)算和門限法判決單元、振動激勵信 號特征提取和激勵類型模式識別單元和報(bào)警信號產(chǎn)生單元構(gòu)成；采用數(shù)字信號處理器或單 片計(jì)算機(jī)或現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)芯片實(shí)現(xiàn)；由傳感器、信號放大與數(shù)據(jù)采集模塊送來 的數(shù)字信號，在短時信號能量實(shí)時計(jì)算和門限法判決單元中實(shí)時地逐幀地進(jìn)行短時能量計(jì) 算，當(dāng)一幀或連續(xù)幾幀信號的短時能量超出事先設(shè)定的門限值時，判斷為可能存在人為破 壞而轉(zhuǎn)向振動激勵信號特征提取和激勵類型模式識別單元，進(jìn)行激勵信號特征提取和激勵 類型模式識別；如果模式識別結(jié)果確實(shí)屬于人為破壞性類型的激勵，報(bào)警信號產(chǎn)生單元立 即產(chǎn)生報(bào)警信號，并通過通信系統(tǒng)傳送到監(jiān)測中心；如果識別結(jié)果屬于風(fēng)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(shí)時計(jì)算和門限法判決單元，繼續(xù)不斷地處 理采樣數(shù)據(jù)。這個特征的創(chuàng)新性在于本監(jiān)測系統(tǒng)能自動檢測是否有異常振動，采用短時能量 和激勵信號特征提取這兩個環(huán)節(jié)的計(jì)算處理，既能準(zhǔn)確檢測出異常振動的出現(xiàn)，又采用激 勵信號特征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(bào)，如風(fēng)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(chǎn)生數(shù) 學(xué)模型中的概念，任何一個隨機(jī)過程都可以看作是一個激勵信號通過一個線性系統(tǒng)產(chǎn)生的 輸出。這里的系統(tǒng)就是被保護(hù)設(shè)施，激勵就是指引起該設(shè)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征提取和激勵類型模式識別單元，有兩個重 要特點(diǎn)(1)采用2階或4階自適應(yīng)線性預(yù)測器對采集到的振動數(shù)字信號進(jìn)行線性預(yù)測，用 它所得到的預(yù)測殘差信號表示振動激勵信號；將它平滑濾波后提取激勵信號脈沖；采用自 相關(guān)法對預(yù)測殘差信號進(jìn)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?。贿@個創(chuàng)新點(diǎn)的關(guān)鍵是采用線性預(yù)測技術(shù)提取激勵信號。按照信號產(chǎn)生的數(shù)學(xué)模 型，將外力作用點(diǎn)看作系統(tǒng)的輸入點(diǎn)，傳感器安裝處看作是系統(tǒng)的輸出點(diǎn)，那么這個系統(tǒng)可 以用一對或兩對極點(diǎn)的全極點(diǎn)系統(tǒng)來描述，它可以很好地反映被測設(shè)施的共振峰特性。而 采用2階或4階自適應(yīng)線性預(yù)測器，則可以自動分離激勵信號和系統(tǒng)響應(yīng)，實(shí)際上預(yù)測殘差 信號就是只含有激勵信號而不含系統(tǒng)響應(yīng)。這樣提取出的激勵信號與系統(tǒng)無關(guān)，從而可以 提取激勵信號的特征，判斷它是否屬于人為破壞引起的振動。(2)激勵類型模式識別部分根據(jù)所得到的激勵信號脈沖的間隔和分布規(guī)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于敲擊、拉鋸摩擦和擰螺絲那樣的人 為破壞性振動激勵，還是屬于其它非人為破壞性振動激勵。這一做法的新穎性在于，在通過線性預(yù)測得到激勵信號及其特征之后，根據(jù)其周 期性、脈沖間隔分布規(guī)律等特征之后，可以準(zhǔn)確地判斷這些激勵信號是否屬于敲擊、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(qiáng)監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)用性。4、傳輸報(bào)警信息的通信系統(tǒng)，可采用以下各種通信系統(tǒng)中的一種采用無線數(shù)字 通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時，可采用2G或3G蜂窩網(wǎng)及其移動通信終端，衛(wèi)星通信系統(tǒng)及其小型終端， 短波或超短波電臺；當(dāng)采用有線通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時，可采用光纖通信網(wǎng)及其用戶終端，以太網(wǎng) 及其用戶終端，有線電話網(wǎng)及其數(shù)字通信用戶終端。這個特征的新穎性在于所用通信系統(tǒng)沒有特別限制，可以隨意選擇最方便、最經(jīng) 濟(jì)實(shí)用的通信系統(tǒng)，而不是限定必須采用某個特定的通信系統(tǒng)和設(shè)備。5、信號處理模塊中的報(bào)警信號產(chǎn)生單元，其特征在于(1)根據(jù)模式識別結(jié)果，從預(yù)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(yīng)的漢字短語進(jìn)行發(fā)送；(2)將由傳感器、信號放大與數(shù)據(jù)采集模塊所得到的振動數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼，將壓 縮后的數(shù)據(jù)與報(bào)警漢字短語一起進(jìn)行傳送到監(jiān)測中心，用于轉(zhuǎn)化為可監(jiān)聽的聲音；(3)在系統(tǒng)檢測到人為破壞振動激勵時，報(bào)警信號產(chǎn)生單元還產(chǎn)生一個啟動信號， 用于啟動安裝在一起的其它錄像設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場錄像及其錄像信息傳輸。這個特征的新穎性在于一旦系統(tǒng)自動發(fā)現(xiàn)人為破壞性振動之后，發(fā)出的報(bào)警信 號不僅包括振動類型的判斷結(jié)果，而且馬上將傳感器采集的數(shù)字信號經(jīng)壓縮編碼后發(fā)送到 監(jiān)測中心，以便結(jié)合值班人員的主觀判斷進(jìn)一步確定破壞性振動的性質(zhì)。關(guān)于上文中的短時能量計(jì)算方法、門限法判決算法、基于自相關(guān)法的信號周期計(jì)算、自適應(yīng)線性預(yù)測技術(shù)、信號采樣量化為數(shù)字信號，以及這種數(shù)字信號的壓縮編碼等計(jì)算 方法的原理，可參見易克初、田斌和付強(qiáng)編著的由國防工業(yè)出版社出版的《語音信號處理》。本發(fā)明的具體技術(shù)方案是由傳感器、信號放大與數(shù)據(jù)采集模塊、信號處理模塊和 一個通信系統(tǒng)構(gòu)成；傳感器產(chǎn)生的信號經(jīng)信號放大與數(shù)據(jù)采集模塊放大和采樣量化為數(shù)字 信號之后，送到信號處理模塊進(jìn)行實(shí)時處理，當(dāng)處理過程中發(fā)現(xiàn)存在人為破壞性信號時，即 產(chǎn)生報(bào)警信號，并通過通信系統(tǒng)傳送到檢測中心。本發(fā)明的應(yīng)用實(shí)例包括(1)本發(fā)明可用于通信、電力系統(tǒng)傳輸鐵塔的防外力破壞在線監(jiān)測，將本系統(tǒng)安裝 在鐵塔6米以上的較高位置可有效監(jiān)測人為偷盜行為產(chǎn)生的鐵塔振動，保護(hù)通信、電力系 統(tǒng)安全，產(chǎn)生極好的社會效益。(2)本發(fā)明可用于城市小區(qū)的智能防盜，通過安裝在門窗等適當(dāng)位置，聯(lián)合視頻監(jiān) 控系統(tǒng)，可有效監(jiān)測室內(nèi)偷盜和入室搶劫行為，保障人們生命財(cái)產(chǎn)安全。(3)本發(fā)明可用于地震、礦井事故等的災(zāi)后生命救援，通過安裝在振動傳導(dǎo)性較好 的物體上，可有效發(fā)現(xiàn)和監(jiān)測生命體的求救行為，為挽救生命爭取寶貴時間。本發(fā)明的有益效果是(1)使用振動傳感器采集人為破壞激勵信號，極易排除沿空氣介質(zhì)傳播的振動噪 聲，提高輸入數(shù)據(jù)純凈度和精度，根據(jù)安裝位置的遠(yuǎn)近和對靈敏度要求不同可自適應(yīng)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)采用三次判決過程極大降低了虛警和漏警概率，第一次判決指基于短時能量 的門限判決濾除能量較低的車輛通過等環(huán)境噪聲造成的虛警，同時不易產(chǎn)生漏警，第二次 判決指基于特征量提取的模式識別濾除風(fēng)、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(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)生的報(bào)警進(jìn)行人工確認(rèn)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)采用線性預(yù)測技術(shù)完全排除系統(tǒng)響應(yīng)造成的特征隨機(jī)性和不穩(wěn)定性，只是尋 求激勵性質(zhì)的特征，穩(wěn)定性高，提取難度小。(4)系統(tǒng)方案基于音頻處理，涉及的信號處理算法成熟，實(shí)用性強(qiáng)，實(shí)時性好，系統(tǒng) 成本低，同時由于功耗小，工作時間長，可滿足全天候的工作要求，基于這些特點(diǎn)本發(fā)明易 于技術(shù)推廣和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖。圖3是圖1中信號處理3的原理結(jié)構(gòu)圖。圖4是本發(fā)明系統(tǒng)軟件流程圖。
具體實(shí)施例方式圖1所示，本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括傳感器1、信號放大與數(shù)據(jù)采集2、信號處理3及 通信系統(tǒng)4。傳感器1采集外力行為產(chǎn)生的振動信號，信號放大與數(shù)據(jù)采集2對傳感器1采 集的振動信號進(jìn)行信號濾波及微信號放大處理，同時做模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，生成數(shù)字采樣信號，信號處理3對數(shù)字采樣信號首先進(jìn)行濾波處理，排除能量較小的環(huán)境噪聲，然后提取濾波 后信號的激勵特征并進(jìn)行模式識別，最后判決是否報(bào)警，產(chǎn)生報(bào)警信號和模式識別結(jié)果，通 信系統(tǒng)4將模式識別結(jié)果和報(bào)警信號傳送到檢測中心進(jìn)行人工確認(rèn)。圖2所示，本發(fā)明的系統(tǒng)硬件構(gòu)成包括振動傳感器1、信號放大器2、A/D轉(zhuǎn)換器3、 DSP或FPGA 4、無線通信模塊5。振動傳感器1采集外力破壞產(chǎn)生的振動信號，信號放大器 2對采集信號濾波和微信號放大，A/D轉(zhuǎn)換器3完成放大信號的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換，DSP或FPGA 負(fù)責(zé)信號處理的所有算法，無線通信模塊5負(fù)責(zé)報(bào)警信號和模式識別結(jié)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(jié)構(gòu)圖，包括短時信號能量實(shí)時計(jì)算和門限法判決 單元3-1、振動激勵信號特征提取和激勵類型模式識別單元3-2、報(bào)警信號產(chǎn)生單元3-3。由 傳感器、信號放大與數(shù)據(jù)采集模塊送來的數(shù)字信號，在短時信號能量實(shí)時計(jì)算和門限法判 決單元中3-1實(shí)時地逐幀地進(jìn)行短時能量計(jì)算，信號能量超過閾值時由振動激勵信號特征 提取和激勵類型模式識別單元3-2進(jìn)行激勵信號特征提取和激勵類型模式識別，報(bào)警信號 產(chǎn)生單元3-3根據(jù)模式識別結(jié)果決定是否產(chǎn)生報(bào)警信號，并將識別結(jié)果和報(bào)警信號通過通 信系統(tǒng)傳送到檢測中心。圖4是本發(fā)明的系統(tǒng)軟件流程圖。在S401中，系統(tǒng)軟件初始化。在S402中，系統(tǒng)從緩沖區(qū)讀數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)分幀。在S403中，計(jì)算振動信號的短時能量。在S404中，判斷是否連續(xù)三次的短時能量都大于門限值，若是則轉(zhuǎn)入S405中，否 則到S402中，重新讀數(shù)據(jù)。在S405中，完成自適應(yīng)線性預(yù)測。在S406中，利用線性預(yù)測的殘差和自相關(guān)法求序列周期。在S407中，利用自相關(guān)周期進(jìn)行模式識別。在S408中，判斷是否為人為外力破壞，若是則轉(zhuǎn)入S409，否則到S402中重新讀數(shù)據(jù)。在S409中，產(chǎn)生報(bào)警信號。
權(quán)利要求
1.一種室外設(shè)施人為破壞在線監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)，由傳感器、信號放大與數(shù)據(jù)采集模塊、信 號處理模塊和一個通信系統(tǒng)構(gòu)成；傳感器產(chǎn)生的信號經(jīng)信號放大與數(shù)據(jù)采集模塊放大和采 樣量化為數(shù)字信號之后，送到信號處理模塊進(jìn)行實(shí)時處理，當(dāng)處理過程中發(fā)現(xiàn)存在人為破 壞性信號時，即產(chǎn)生報(bào)警信號，并通過通信系統(tǒng)傳送到檢測中心；其特征在于(1)所述傳感器采用振動傳感器，安裝在欲保護(hù)設(shè)施之上振動傳導(dǎo)較好的部位；(2)所述信號處理模塊，由短時信號能量實(shí)時計(jì)算和門限法判決單元、振動激勵信號特 征提取和激勵類型模式識別單元和報(bào)警信號產(chǎn)生單元構(gòu)成；采用數(shù)字信號處理器或單片計(jì) 算機(jī)或現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)芯片實(shí)現(xiàn)；由傳感器、信號放大與數(shù)據(jù)采集模塊送來的數(shù) 字信號，在短時信號能量實(shí)時計(jì)算和門限法判決單元中實(shí)時地逐幀地進(jìn)行短時能量計(jì)算， 當(dāng)一幀或連續(xù)幾幀信號的短時能量超出事先設(shè)定的門限值時，判斷為可能存在人為破壞而 轉(zhuǎn)向振動激勵信號特征提取和激勵類型模式識別單元，進(jìn)行激勵信號特征提取和激勵類型 模式識別；如果模式識別結(jié)果確實(shí)屬于人為破壞性類型的激勵，報(bào)警信號產(chǎn)生單元立即產(chǎn) 生報(bào)警信號，并通過通信系統(tǒng)傳送到監(jiān)測中心；如果識別結(jié)果屬于風(fēng)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(shí)時計(jì)算和門限法判決單元，繼續(xù)不斷地處理采 樣數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的信號處理模塊中的振動激勵信號特征提取和激勵類型模式 識別單元，其特征在于(1)采用2階或4階自適應(yīng)線性預(yù)測器對采集到的振動數(shù)字信號進(jìn)行線性預(yù)測，用它 所得到的預(yù)測殘差信號表示振動激勵信號；將它平滑濾波后提取激勵信號脈沖；采用自相 關(guān)法對預(yù)測殘差信號進(jìn)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(jù)所得到的激勵信號脈沖的間隔和分布規(guī)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于敲擊、拉鋸摩擦和擰螺絲那樣的人為破 壞性振動激勵，還是屬于其它非人為破壞性振動激勵。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通信系統(tǒng)，其特征在于采用無線數(shù)字通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，包括以下幾種形式之一 2G或3G蜂窩網(wǎng)及其移動通信終 端、衛(wèi)星通信系統(tǒng)及其小型終端、短波或超短波電臺；或者采用有線通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，包括以 下幾種形式之一光纖通信網(wǎng)及其用戶終端、以太網(wǎng)及其用戶終端、有線電話網(wǎng)及其數(shù)字通 信用戶終端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的信號處理模塊中的報(bào)警信號產(chǎn)生單元，其特征在于(1)根據(jù)模式識別結(jié)果，從預(yù)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(yīng)的漢字短語進(jìn)行發(fā)送；(2)將由傳感器、信號放大與數(shù)據(jù)采集模塊所得到的振動數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼，將壓縮后 的數(shù)據(jù)與報(bào)警漢字短語一起進(jìn)行傳送到監(jiān)測中心，用于轉(zhuǎn)化為可監(jiān)聽的聲音；(3)在系統(tǒng)檢測到人為破壞振動激勵時，報(bào)警信號產(chǎn)生單元還產(chǎn)生一個啟動信號，用于 啟動安裝在一起的其它錄像設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場錄像及其錄像信息傳輸。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種室外設(shè)施人為破壞在線監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)，屬于自動監(jiān)測電子設(shè)備。該系統(tǒng)由振動傳感器、信號放大與數(shù)據(jù)采集模塊、信號處理模塊和通信系統(tǒng)構(gòu)成；傳感器獲取的振動信號經(jīng)放大和采樣量化后在信號處理模塊中逐幀地實(shí)時計(jì)算信號的短時能量，再采用門限判決法判斷是否出現(xiàn)了異常振動，如果為真再將信號進(jìn)行自適應(yīng)線性預(yù)測，得到預(yù)測殘差即激勵信號，進(jìn)行平滑濾波使激勵信號中的脈沖凸顯，并采用自相關(guān)法判斷該激勵信號是否具有周期性并計(jì)算其周期。自動分析這些特征，判斷當(dāng)前的激勵是否屬于人為破壞，如果是則產(chǎn)生報(bào)警信號，同時將振動信號壓縮編碼通過通信系統(tǒng)發(fā)送到檢測中心。該系統(tǒng)具有漏警和虛警概率低，設(shè)備成本低，適用范圍寬等特點(diǎn)。
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(yōu)先權(quán)日2010年1月12日
發(fā)明者張方 申請人:西安英諾視通信息技術(shù)有限公司