基于风速风向补偿的振动光纤报警阈值调节系统及方法

本发明涉及光纤传感、周界安防、环境感知及计算机数据处理，具体涉及一种根据风速、风向、围栏方位角及风速风向传感器安装修正角，对振动光纤周界报警阈值进行实时补偿和自适应调节的系统及方法。该系统适用于围栏、边境线、油库、管线、仓储区、变电站及其他室外周界的入侵监测，也可用于具有明显风致振动干扰的长距离防区。

背景技术：

1、周界安防系统用于对受保护区域的边界进行持续监测。当人员攀爬、敲击、剪切、拉扯或触碰围栏时，围栏及其上固定的传感介质会产生机械振动，系统通过检测该振动判断是否存在入侵行为。现有周界探测方式包括振动光纤、振动电缆、红外对射、激光对射和微波探测等。振动光纤具有现场传感端无需供电、抗电磁干扰、传输距离远、便于划分防区及适合复杂电磁环境等特点，已逐渐应用于长距离围栏和重要设施周界。

2、振动光纤周界报警系统通常包括固定于围栏上的传感光纤、振动光纤主机和报警显示终端。振动光纤主机获取与围栏扰动对应的振动信号，上位机或主机对振动信号进行幅值、能量或频率特征分析，当分析结果超过预先设定的报警阈值时产生报警。现有系统中的报警阈值多由安装人员根据现场经验进行一次性设置，或者在若干预设灵敏度档位之间人工切换。

3、在室外环境中，风作用于围栏网片、立柱、附属标识物及传感光纤，会造成持续或间歇性的背景振动。风致振动强度不仅与风速有关，还与风向相对于围栏延伸方向的夹角、围栏材料、网片松紧程度、安装位置及局部地形有关。风向接近围栏法向时，围栏受风面积通常较大；风向接近围栏延伸方向时，直接受风作用通常较小。因此，仅根据风速或仅采用固定报警阈值，难以准确反映不同风场条件下的背景振动变化。主要存在的问题包括：

4、（1）固定报警阈值不能随风场变化。当阈值按照静风或微风条件设置时，大风和阵风可能使背景振动超过阈值而产生误报警；当为抑制大风误报警而长期提高阈值时，在风力减小或真实入侵发生时又可能降低系统的检测灵敏度。

5、（2）现有环境感知设备与振动光纤设备往往独立工作，环境数据和振动数据的采样周期、传输路径及时间基准不一致，系统不能可靠确定某一振动分析窗口所对应的风速和风向，导致环境补偿与振动信号错配。

6、（3）部分方案只按照风速对阈值进行线性调节，未考虑围栏方位角及传感器安装方向。当相同风速从不同方向作用于围栏时，采用相同补偿量会出现补偿不足或补偿过度。

7、（4）当风速风向数据瞬时跳变、传感器通信中断或网络发生丢包时，若直接按照最新数据改变阈值，容易引起阈值突变、报警状态抖动或阈值长期保持在不合理状态。

8、（5）传统系统的振动报警、视频监控、环境状态和报警记录相互独立，发生报警后需要人工查找对应摄像头和环境信息，不利于快速复核和存证。

9、因此，需要提供一种不依赖深度学习训练数据、能够基于可解释的风速风向补偿关系实时计算报警阈值，并同时具备时间同步、阈值限幅、变化速率约束、异常回退和报警联动功能的振动光纤周界报警系统及方法。

技术实现思路

1、基于以上问题，本发明提供了一种基于风速风向补偿的振动光纤周界报警阈值自适应调节系统及方法，针对室外周界中风速和风向变化引起的振动光纤背景振动波动，克服固定报警阈值不能兼顾风致误报警抑制与真实入侵检测的问题；解决环境数据与振动数据时间不一致、不同方向风对围栏影响程度未被区分、阈值随瞬时数据突变以及环境传感器失效后缺少安全回退的问题。本发明在每一振动光纤防区中配置或关联风速风向信息和围栏方位角参数，在统一时间基准下将环境数据与振动分析窗口进行匹配，根据风速系数和相对风向系数计算风场阈值补偿量，再经阈值上下限、时间平滑和变化速率约束生成当前动态报警阈值，并依据该动态报警阈值完成报警判定及视频联动。

2、本发明完整的技术方案包括：

3、一种基于风速风向补偿的振动光纤周界报警阈值自适应调节系统，包括振动光纤传感单元、环境感知单元、嵌入式采集单元、数据通信与时间同步单元、动态阈值计算单元、报警判定单元、视频联动与存储单元以及上位机显示与交互单元。各单元可以设置在同一设备中，也可以分布设置于现场控制器、振动光纤主机、边缘计算设备和上位机服务器中。

4、振动光纤传感单元中，振动光纤沿周界围栏布设，并按照空间位置划分为一个或多个防区。振动光纤主机采集各防区的振动信号，输出原始波形、特征值或报警前的分析数据。每个防区对应唯一防区编号，并保存该防区的围栏方位角、基础阈值及补偿参数。

5、环境感知单元至少包括风速风向传感器，用于输出当前风速和风向。环境感知单元还可以包括温度传感器、湿度传感器、门磁或其他开关量传感器，用于状态显示、报警辅助判断和运行记录。温湿度和门磁不是风速风向补偿的必要输入，除非经过现场标定后被配置为辅助补偿量。

6、嵌入式采集单元与风速风向传感器、温湿度传感器及门磁连接，对传感器数据进行协议解析、量程检查、异常值检查和数据打包，并为数据帧附加设备编号、防区编号、采集时间戳和校验码。

7、数据通信与时间同步单元通过以太网、光纤数据总线、串行总线或无线网络传输环境数据和振动数据。优选采用以太网和tcp协议。该单元以统一时钟或经过校正的本地时钟为时间基准，将环境数据和振动数据按照防区编号及时间戳写入缓存队列，并以振动分析窗口为基准匹配相应时间段内的风速风向数据。

8、动态阈值计算单元对匹配后的风速和风向进行滤波，根据风向、围栏方位角及安装修正角计算相对风向系数，根据风速计算归一化风速系数，并计算风场阈值补偿量；将所述补偿量与基础报警阈值叠加后，依次执行阈值上下限约束、时间平滑及单周期变化速率约束，输出各防区当前动态报警阈值。

9、报警判定单元从振动信号中提取波形峰值、峰峰值、均方根值、频带能量中的至少一种特征，并与当前动态报警阈值比较。报警判定单元可以采用连续超阈值计数、多窗口投票或带回差的状态机确认报警，以降低孤立脉冲和阈值附近抖动造成的误触发。

10、视频联动与存储单元建立防区编号与摄像头编号的对应关系。当报警被确认时，调用对应摄像头抓拍图像或保存报警前后预设时长的视频，并记录报警时间、防区编号、振动特征、动态阈值、风速、风向和设备状态。

11、上位机显示与交互单元中，上位机包括网络连接、设备状态、振动波形、环境参数、动态阈值、手动/自动模式、视频监控、报警提示和报警日志等功能模块。自动模式下阈值由动态阈值计算单元生成；维护或调试时可切换至手动模式，手动输入的阈值仍受允许范围约束。

12、其中，动态阈值计算单元对风速风向补偿及动态阈值计算方法为：

13、为便于说明，设防区编号为，当前计算时刻为。每一防区预先配置基础阈值、阈值下限、阈值上限、围栏方位角、风速风向传感器安装修正角、补偿起始风速、标定上限风速、风速指数、最大补偿系数、方向残余系数、平滑系数、阈值上升速率限制和阈值下降速率限制。上述参数可以采用设备默认值，并在现场安装调试阶段按照无入侵背景数据进行修正。

14、1）数据预处理与时间匹配。对风速数据执行中值滤波、滑动平均或低通滤波，得到滤波后的风速()；对风向数据采用圆周平均或向量平均，避免与在数值上被错误地视为相差。以每一振动分析窗口的中心时刻或结束时刻为基准，从环境缓存队列中选取时间差不大于预设匹配容差的数据；当存在多条有效环境数据时，计算该窗口内的平均风速和平均风向。

15、（2）相对风向系数计算。风向传感器输出的风向角和防区围栏方位角采用相同角度基准。安装修正角用于补偿传感器零位方向与系统角度基准之间的偏差。相对风向系数按公式（1）计算：

16、（1）

17、其中，为第j防区的相对风向系数，取值范围为0至1；为当前风向角；为第防区围栏延伸方向对应的方位角；为风速风向传感器的安装修正角。

18、由于采用正弦绝对值，当风向与围栏方向平行时接近0，当风向与围栏方向垂直时接近1，且围栏两侧来风能够得到一致处理。

19、（3）风速系数计算。滤波后的风速按照补偿起始风速和标定上限风速进行归一化，并通过指数调节风速对补偿量的非线性影响，按公式（2）计算：

20、（2）

21、其中，为归一化风速系数；表示将括号内数值限制在0至1之间；为开始进行风场补偿的风速；为标定上限风速，大于；为大于0的风速指数。当风速低于时，为0；当风速达到或超过时，为1。

22、（4）风场阈值补偿量计算。根据风速系数和相对风向系数计算第防区的风场阈值补偿量，优选按公式（3）计算：

23、（3）

24、其中，为风场阈值补偿量；为第防区在标定上限风速条件下的最大补偿幅度；为方向残余系数，取值范围为0至1，用于表征即使风向接近围栏方向时，湍流、围栏附属物或局部地形仍可能引起的剩余风致振动。当现场结构简单且平行风影响可忽略时，可设为0。

25、（5）原始动态阈值计算。基础阈值与风场阈值补偿量相加，得到原始动态阈值，按公式（4）计算：

26、（4）

27、其中，为第防区当前原始动态阈值，为静风或微风条件下确定的基础阈值。

28、（6）阈值上下限约束。为了避免补偿量过大导致漏报警，以及避免参数设置错误导致阈值过低，按照公式（5）对原始动态阈值进行限幅：

29、（5）

30、其中，为限幅后的阈值。阈值上限应通过现场入侵测试确定，使攀爬、敲击、剪切或触碰等目标事件在允许的最不利风场条件下仍具有足够的阈值裕量。

31、（7）时间平滑与变化速率约束。为避免阵风、风向跳变或单个异常数据使阈值突变，按照公式（6）生成最终动态报警阈值：

32、（6）

33、其中，为第j防区当前输出阈值；为0至1之间的平滑系数；和分别为单个计算周期内阈值允许上升和下降的最大幅度。为使风力减小时系统及时恢复检测灵敏度，可将阈值下降速率限制设置为不小于阈值上升速率限制，同时保留适当平滑以防止报警状态频繁切换。

34、（8）振动特征与报警判定。优选在时间窗口内计算振动波形相对于窗口均值的最大绝对幅值，按公式（7）计算：

35、

36、其中，为第防区当前振动特征值，为振动采样值，为窗口均值。系统也可采用峰峰值、均方根值或频带能量作为特征值。当连续个窗口超过，或者在最近个窗口中至少个窗口超过时，确认产生振动报警。报警解除时采用低于报警阈值的回差阈值，以避免特征值在阈值附近波动导致报警反复接通和解除。

37、（9）环境数据异常回退。当风速风向数据校验失败、超出有效量程、时间戳超时或通信中断时，系统不使用异常数据计算新阈值。在短时异常期间保持最近一次有效阈值；异常持续超过预设时间后切换至预设安全阈值并输出环境传感器故障状态。所述安全阈值不高于阈值上限，并由现场验收测试确定。环境数据恢复后，系统通过平滑和变化速率约束逐步恢复自动阈值。

38、参数标定方法：本发明不要求使用深度学习或神经网络。系统参数可以通过安装调试阶段的无入侵背景数据、人工入侵测试和可解释的参数标定过程确定。具体包括：

39、步骤a、设置各防区围栏方位角和风速风向传感器安装修正角，确认所有角度采用相同参考方向。

40、步骤b、在无人员入侵且风速低于补偿起始风速的条件下，采集多个振动分析窗口的特征值，取预设分位数并增加安全裕量，得到基础阈值，优选按公式（8）计算：

41、（8）

42、其中，表示分位数运算，可根据允许的背景误触发概率设置；表示无入侵且风速低于补偿起始风速时采集的第防区背景振动特征值集合；为安全裕量。若现场暂时不能完成长时间采集，可先采用设备经验值作为基础阈值，并在后续维护中更新。

43、步骤c、在无入侵条件下记录若干不同风速、不同风向时的背景振动上界，根据背景振动上界相对于基础阈值的增加量，确定最大补偿系数、风速指数和方向残余系数。参数可以通过人工分段调整、最小二乘拟合或查表插值方式确定，不需要将数据划分为训练集和测试集。

44、步骤d、进行攀爬、敲击、剪切和触碰等模拟入侵测试，确定阈值上限。阈值上限应同时满足抑制强风背景振动和保留目标入侵信号检测裕量的要求。

45、步骤e、根据风速变化快慢和系统允许的报警响应时间，设置平滑系数、阈值上升/下降速率限制、振动分析窗口长度以及报警确认窗口数量。

46、在另一种实施方式中，可以将风速区间和相对风向系数区间划分为二维网格，将现场标定得到的阈值补偿量存入二维补偿表；运行时根据当前风速和相对风向系数进行最近邻查找或双线性插值。二维补偿表输出的补偿量同样需要执行阈值上下限、时间平滑、变化速率约束和异常回退。

47、5）本发明方法的工作步骤

48、步骤s1、系统初始化，读取各防区的基础阈值、阈值上下限、围栏方位角、安装修正角、风速参数、补偿参数、平滑参数和报警确认参数，建立防区与摄像头的关联关系。

49、步骤s2、振动光纤传感单元、风速风向传感器、辅助环境传感器和摄像头开始工作；嵌入式采集单元对环境数据进行解析、校验和时间戳标记，并通过网络发送至上位机或服务器。

50、步骤s3、数据通信与时间同步单元接收环境数据和振动数据，按照防区编号写入缓存，并将同一振动分析窗口与时间上相对应的环境数据匹配。

51、步骤s4、动态阈值计算单元对风速和风向进行滤波，计算相对风向系数、风速系数和风场阈值补偿量，生成原始动态阈值。

52、步骤s5、对原始动态阈值执行上下限约束、时间平滑及变化速率约束，得到当前防区动态报警阈值；环境数据异常时执行阈值回退并输出故障状态。

53、步骤s6、报警判定单元从振动数据中提取振动特征，将振动特征与当前动态报警阈值比较，并通过连续超阈值计数、多窗口投票或带回差状态机确认报警。

54、步骤s7、报警确认后，上位机显示报警防区和报警信息，输出声光或网络报警，调用对应摄像头抓拍或保存视频，并将报警时刻的风速、风向、动态阈值和振动特征写入报警日志。

55、步骤s8、报警解除后系统继续采集并计算；当用户切换至手动模式时，暂停自动补偿输出并采用人工设定阈值，但继续记录环境数据和振动数据，便于后续调试。

56、相对于现有技术，本发明的有益效果在于：

57、1）本发明同时考虑风速和风向相对于围栏方向的关系，使相同风速在不同来风方向下产生不同补偿量，相比仅按风速调节或固定阈值，更符合围栏实际受风状态。

58、（2）通过基础阈值、风场补偿量、阈值上下限及变化速率约束构成可解释的阈值计算链路，不依赖大量标注样本和神经网络训练，便于现场部署、参数检查和故障定位。

59、（3）环境数据与振动分析窗口按照防区编号和时间戳匹配，能够减少环境信息与振动信号错配造成的错误补偿。

60、（4）阈值上限用于限制强风条件下阈值过度升高，阈值下降速率可以设置为较快恢复，从而在降低风致误报警的同时避免系统长时间处于低灵敏度状态。

61、（5）时间平滑、变化速率约束、回差报警和多窗口确认共同抑制瞬时风速跳变、孤立脉冲及阈值附近抖动，提高报警输出的稳定性。

62、（6）环境传感器异常时采用最近有效阈值或安全阈值，并同步输出故障状态，避免异常环境数据直接造成阈值失控。

63、（7）报警事件与风速、风向、动态阈值、振动波形及视频抓拍关联存储，有利于报警复核、参数追溯和后续运维。