CC BY
135
Средство обнаружения нарушителей как сложная техническая информационная система
Ключевые слова: чувствительный элемент, средство обнаружения, фильтрация, полезный сигнал, диагностика.
Средство обнаружения (СО) предназначено для обнаружения вторжения в охраняемую зону нарушителя (под которым может пониматься человек, [руппа людей или транспортное средство) и необнаружения помех, вызванных многочисленными значимыми факторами природного и техногенного характера. Поэтому при описании процесса функционирования СО логично использовать понятия "объект обнаружения" (ОО) и "объект необнаружения" (ОН). Выявлено, что современные СО проявляют тенденцию к повышению информативности, т.е. формированию дополнительной информации о нарушении: координате вторжения, количестве, направлении и скорости движения нарушителя. Усилия разработчиков направляются на повышение помехоустойчивости и универсальности применения СО, противостояние ухищренным действиям "подготовленного" нарушителя. Это приводит к введению дополнительных адаптационных устройств и функции дистанционной и самодиа[ностики. Декомпозиция СО как сложной технической системы позволяет выдвлоть ключевые информационные подсистемы и определить взаимозависимые требования к ним: чувствительному элементу или первичному преобразователю; аналоговому усилителю-фильтру; АЦП; блоку цифровой обработки; формирователю выходных сигналов; обеспечения — питания, интерфейса, адаптации и пр.
Звежинский С.С.,
д.т.н., профессор кафедры ИБиА МТУСИ, [email protected] Духан Е.И.,
кт.н., доцент кафедры РТС УрФУ (г. Екатеринбург)
В литературе, посвященной построению и применению технических средств охраны (ТСО) [!-4], устройства для обнаружения событий вторжения в контролируемую область определяются по-разному, в том числе:
• датчик - измеритель, осуществляющий контроль параметра окружающей среды и выдающий сигнал при выходе этого параметра за допустимые границы;
• извещатель - первичное техническое средство для обнаружения изменения состояния среды (нарушение целостности, пожар, появление газа или воды и пр.) и формирования извещения - охранного, пожарного или тревожного;
• средство обнаружения [СО) - устройство, предназначенное для выявления наличия угрозы безопасности (взлом, нападение и т.д.) и передачи сообщения в систему сбора и обработки информации.
Для объекта исследования ТСО в наибольшей степени подходит третье определение. Как нам представляется, его можно уточнить так: средство обнаружения (СО) -это сложное техническое устройство, предназначенное для обнаружения событий вторжения нарушителя в контролируемую зону с гарантированной надежностью.
Иногда СО не регистрирует само вторжение, а обнаруживает факт значимого воздействия нарушителя на чувствительный элемент (ЧЭ) средства. Так, например, СО вибрационного типа с линейной (точечной) контролируемой зоной обнаруживает не факт взлома охраняемого сейфа, а именно воздействие нарушителя на контролируемую поверхность с помощью слесарного или шанцевого инструмента. Для пассивного инфракрасного (или доплеровского радиолучевого) СО с объемной зоной обнаружения под вторжением понимается движение в контролируемой зоне, которое изменяет параметры срсды теплового излучения (распространения радиоволн).
Для периметрового СО (т.е. установленного на открытой местности на границе или периметре объекта) «нарушителем» может являться человек, группа людей или транспортное средство. Для объектовых СО (зачас-
тую их называют увещателями, чтобы уже в названии отличать от периметровых), предназначенных для использования внутри помещений, под нарушителем понимается только человек, который при исследовании изделий в зависимости от условий «заменяется» физической, геометрической, ситуационной и т.п. моделью.
Поэтому для описания процесса функционирования СО, логично использовать интегральное понятие «объект обнаружения» (ОО), Наряду с этим, удобно ввести понятие «объекты необнаружения» (ОН) - животные, растительность, природно-климатические и индустриальные факторы и пр., т.е. значимые источники помех, которые при определенных условиях могут вызвать ложное срабатывание средства. При этом СО целесообразно представить как сложную информационную техническую систему распознавания образов (сигналов) и их разнесения (решения) по двум классам: полезные {вызываемые ОО) и помеховые (вызываемые ОН). 13 связи с этим ошибки распознавания - первого рода (ложные тревоги) п второго рода (пропуск ОО) определяют качество функционирования любого средства обнаружения.
На большом массиве времени наблюдения Т„ (например, год), суммарная величина ш ошибок первого рода обусловливает среднее время Г, наработ ки СО на ложное
срабатывание:
„ %
Г, » —, т
которая является основной тактико-технической характеристикой (ТТХ) изделия.
На большом массиве /V (типично более 100) различных тестовых воздействий или реально зарегистрированных событий вторжения нарушителей количество п ошибок второго рода обусловливают вторую основную ТТХ - вероятность обнаружения Р„ нарушителя;
N
В совокупности, значения Рп и Т, определяют сигнализационную надежность любого средства обнаружения.
Для системы физической защиты (СФЗ) объекта, как системы высшей иерархии, функции СО заключаются в том, чтобы обнаружить ОО, сформировать и передать сигнал тревоги по каналам связи (проводным, радио) на пост оператора. Современные требования обнаруживают тенденцию к повышению информативности СО, т.е. формированию дополнительной информации о: координате вторже-
пия, направлении, скорости и оснащенности ОО, количестве нарушителей (группа, одиночный). Такая информация, правильно интерпретированная силами охраны, позволяет существенно повысить эффективность СФЗ в целом.
Для анализа сложной технической системы крайне желательно декомпозировать СО на ряд подсистем (элементов), что позволит обосновать соответствующий перечень частных требований, определяющих эффективность функционирования в целом.
Восприятие и преобразование воздействия ОО в электрический сигнал (напряжение или ток). Наличие в СО первичного преобразователя (МП) или чувствительного элемента (ЧЭ) очевидно. Для пассивного ИК средства - это пироэлектрический элемент, для СО разбития стекла - микрофон. Блок обработки сигнала (БОС), комбинирующий аналоговую и цифровую обработку сигналов. поступающих с ПП (ЧЭ), обрабатывает не тепловое, акустическое и т.д. воздействие нарушителя, а электрические сигналы, им вызванные. Исключением служат простейшие обрывные и магнитоконтактные СО, обнаруживаемое воздействие на которые непосредственно приводит к дискретному изменению состояния выхода изделия. Чувствительность, шумовые свойства, конструктивные и др. параметры ПП (ЧЭ) во многом определяю] качество работы СО.
Формирование геометрических параметров зоны обнаружения (30 или контролируемой зоны). Физика работы СО может однозначно определять форму и размеры 30, однако в большинстве случаев ее параметры можно варьировать в широких пределах с помощью конструктивных методов. Например, для СО емкостного типа зона может быть поверхностной или точечной, совпадать с дверным проемом или охраняемым точечным предметом.
Фильтрация внешних (эфирных) помех и шумов. ПП в общем случае не обладает избирательными свойствами. Например, пироцриемник (или болометр) пассивного ИК СО способен воспринимать излучение во всем оптическом диапазоне, а человек - 00, характеризующийся вполне определенной температурой одежды и поверхности кожи открытых участков тела, излучает в основном в ближнем ИК-диапазонс. Максимум спектральной плотности излучения приходится на длину волны около 9 мкм. «Оградить» ПП от воздействия имеющихся в большом количестве «внеполосных» шумов и помех возможно введением входного «эфирного» фильтра (для ИК-средства, например, германиевой линзы).
Согласование электрических параметров выходных цепей ПП (40) и входных цепей БОС. предварительное усиление сигнала. Крутизна передаточной характеристики (выходной сигнал / воздействие) ПП зависит от его физического принципа действия. При этом полезный сигнал на выходе преобразователя может быть весьма мал, а сам он может предъявлять специфические требования к входным параметрам БОС, Например, пьезоэле-мепт «точечного» вибрационного изделия или пироэлс-мент ИК-средства обнаружения могут быть нагружены только на усилитель с большим входным сопротивлением, поскольку сами (с точки зрения эквивалентной электрической схемы) представляют собой конденсатор малой «рабочей» емкости. Отметим, что зачастую ПП ошибочно ассоциируется с ЧЭ, В действительности чувствительный элемент СО может состоять из нескольких самостоятельных устройств, в том числе преобразователей. Так, ЧЭ инфракрасного пассивного СО состоит из опти-
ческой системы, формирующей ЗО и обеспечивающей фильтрацию теплового излучения, пиропреобразователя, совмещенного конструктивно с истоковым повторителем (усилителем тока).
Выделение полезной составляющей на уровне электрического сигнала. По канонам статистической радиотехники приемный сигнал имеет селективные и информативные параметры. Благодаря селективным параметрам сигнал можно выделить на фоне помех и шумов. Например, микрофон акустического СО работает в частотном диапазоне 0,02-20 кГц, тогда как «полезный» сигнал в основном сосредоточен в 2-х «непересекающихся» и относительно узких частотных диапазонах вблизи 0,4 кГц и 15 кГц. 1111 (ЧЭ) в целом, как правило, не обладают селективными свойствами и наряду с сигналами от воздействия нарушителя воспринимают помехи природного и технократического характера, которые не до конца: нейтрализуются входным фильтром; кроме того, всегда имеются собственные шумы. Поэтому БОС должен выполнять функции селекции полезного сигнала из его смеси с шумом, подавляя те, которые создаются ОН.
Формирование информативных сигналов. Источник полезного сигнала (ОО) изменяет информативные параметры физической среды в ЗО. Например, распределенный ЧЭ антенного типа емкостных СО формирует ам-шштудво-модул про ванный сигнал, при этом полезная информация (о вторжении) имеется в величине и фазе огибающей. В общем случае, на выходе ЧЭ формируется сигнал, требующий определенной линейной или нелинейной обработки с целью выделения информативных параметров (для некоторых типов СО эту функцию выполняет амплитудный или частотный детектор).
Измерение параметров информативного сигнала. Воздействие нарушителя на ЧЭ(ПП) СО характеризуется конкретным уровнем (величиной) и временными рамками, В соответствии с этим полезный сигнал имеет некоторые информационные признаки - сигнатуру (форму),, уровень, длительность, скважность и пр., выделение и которых является основной задачей БОС.
Формирование решения об обнаружении, На основе анализа динамических параметров информационных признаков сигнала, СО формирует решение об обнаружении нарушителя в контролируемой зоне. Некоторые средства формируют дополнительную информацию о характере зафиксированного нарушения. Современные СО проявляют тенденцию к повышению информативности, т.е. формированию дополнительной информации о нарушении: координате вторжения, количестве, направлении и скорости движения нарушителя.
Формирование и передача по каналам связи (чаще всего - по проводным сигнализационным шлейфам) сигнала тревоги и неисправности. В отсутствие ОО обеспечивается передача сигнала дежурного режима «нормально», который соответствует работоспособности средства. При принятии СО решения об обнаружении он должны передать сигнал тревоги определенного формата, который должен обеспечить надежную регистрацию сообщения ССОИ.
Усилия разработчиков направляются на повышение помехоустойчивости и универсальности применения СО, противостояние ухищренным действиям «подготовленного» нарушителя. Это приводит к введению дополнительных адаптационных устройств и функции дистанционной и самодиагностики. Самодиагностика СО может осуществляться непрерывно, с определенной иериодич-
Т-Сотт, #10-2013
49
ностью (от встроенного таймера) или по запросу дистанционного контроля, который должен восприниматься изделием. В результате оснащения устройствами самодиагностики снижается риск неконтролируемого состояния неработоспособности изделия, в том числе выведенного из строя умышленно.
Адаптация СО к внешним условиям. Физика работы некоторых ГГП обусловливает зависимость их характеристик от внешних условий - температуры, влажности, давления и пр. Обеспечение стабильной работы при изменении условий функционирования гарантируется специальными мерами и дополнительными измерительными датчиками. По результатам измерений возможна корректировка параметров тракта обработки сигналов в СО и/или алгоритма работы БОС. Примером механизма адаптации может служить схема двусторонней термокомпенсации, давно и успешно применяемая в пассивных ИК СО.
Электропитание узлов СО должно осуществляться от стабильных источников напряжения. В силу типовой территориальной распределенности СФЗ, гарантировать стабильность внешнего источника питания весьма затруднительно. Поэтому состав СО, как правило, предусматривается внутренний преобразователь, формирующий требуемую для линейку стабильных напряжений, необходимых для питания аналоговых и цифровых узлов.
Таким образом, обобщенно любое СО включает некоторый обязательный набор составных частей: ЧЭ, БОС и выходные цепи (ВЦ). На рисунке приведена обобщенная функциональная схема СО, которая, конечно, является избыточной. Чувствительный элемент состоит из «эфирного» фильтра (ЭФ) и первичного измерительного преобразователя (Г1Г1). В состав ЧЭ необходимо «подключить» контролируемые 00, совместно с конструкционными элементами (КЧЭ), формирующими форму н размеры ЗО. Кроме согласующих цепей в состав ЧЭ может входить предварительный усилитель (например, в случае г еофона) и цепи согласования, которые образуют общую схему согласования (СС).
Л К л- I < 1.11
Рис, I. Обобщенная структурная схема средства обнаружения
Тракт выделения сигнала (TBC) предназначен для усиления напряжения с выхода ЧЭ, выделения полезной составляющей из смеси с шумом па основе селективных признаков и формирования информативного сигнала, несущего признак воздействия нарушителя. TBC состоит из усилителя (У), фильтра (набора фильтров, Ф) и детектора (Д). Измеритель информативных параметров сигнала (И11С) формирует на своем выходе вектор информационных признаков, значения которых определяются уровнем, длительностью воздействия нарушителя на
чувствительный элемент средства, последовательностью действий ЧН, его геометрическими, скоростными и силовыми характеристиками и т.д. На основе анализа вектора информационных признаков блок принятия решения (БПР) формирует решение об обнаружении.
Дискретный сигнал (да/нет) с выхода БПР переводит в активное состояние формирователь сигнала тревоги (ФСТ) на время, необходимое для надежной регистрации тревожного сообщения. Он, в свою очередь, удерживает выходные цепи (ВЦ) средства в состоянии, соответствующем передаче по соединительным линиям ССОИ тревожного сообщения.
Современные интеллектуальные СО включают в свой состав формирователь дополнительной информации (ФДИ) о нарушении. Исходной информацией для ФДИ является вектор признаков, формирующийся на выходе ИМС- Устройство самодиагностики (УСД) осуществляет непрерывный или периодический контроль всех или наиболее ответственных узлов СО. Современные СО имеют возможность передавать информацию о своем текущем состоянии на приемно-конт рольную аппаратуру сигнализационной системы. Дистанционный контроль (ДК) традиционно используется в пернметровых ТСО и заключается в том. что при поступлении запроса ДК от ССОИ средство обнаружения должно «ответить» сигналом однократной тревоги. Получение приемно-контрольной аппаратурой ответного сигнала позволяет судить о работоспособности ЧЭ и всего БОС, а так же о работоспособности линий связи ССОИ.
Устройство адаптации (УА) получает информацию от сенсоров состояния внешней среды (ССВС) и вносит коррективы в работу ЧЭ, TBC, ИПС и БПР. ССВС совместно с УА могут также играть важную роль в противодействии саботажу СО, обнаруживая, например, наличие поглощающего или отражающего экрана вблизи СО с объемной зоной обнаружения. Блок питания СО, как правило, состоит из нескольких автономных стабилизаторов напряжения, которые осуществляют фильтрацию помех, наводимых на цепях питания, и обеспечивают стабильным напряжением аналоговые и цифровые устройства СО при изменении внешнего напряжения на внешнем источнике питания (ИП) в широких пределах.
Таким образом, декомпозиция СО как сложной технической системы позволила выделить ключевые информационные подсистемы: чувствительный элемент или первичный преобразователь; блок цифровой обработки; формирователь выходных сигналов; узлы и датчики обеспечения (питания, интерфейса, адаптации и пр.). Это позволяет определить и оптимизировать взаимозависимые требования к аналоговым (усилитсль-фильтр, детектор) и цифровым узлам (АНН, процессор), повысит ь эффективность разработки новых изделий.
Литература
1. Барсуков. U.C. «Умные» датчики для интеллектуальных систем безопасности / В.С.Барсуков, С.А. Рычков It Специальна« техника. - №6, 2004.
1. Магауенов, Р.Г. Системы охранной сигнализации: ос поп к? теории и принципы построения / Р.Г. Магауенов. - М: Горячая линия-Телеком, 2004.
3. Введенский, B.C. Оборудование для охраны периметров ! Б.С. Введенский. - М.: Мир безопасности, 2002.
4. Иванов. И.В. Охрана псриметров-2. - M.: J [аритег Граф. 2(XXI.
Intruder detection system as complex technical information system Zwierzynski S.S., MTUCI, [email protected], Dukhan E.I., UrFU, Ekaterinburg Abstract. Intrusion detection system (IDS) is used to detect intruder, coming into protected zone (which can be understood by a person, group of people or vehicles) and undetected interference, caused numerous important of natural and man-made factors. Therefore, when describing the process of IDS functioning, logical to use term "detected object" (DO) and "undetected object" (UO) In this case, IDS can be represented as a complex information system for pattern recognition (signals) and their diversity (decision) in two classes - useful (due to DO) and noise (UO). Revealed that current IDS tend to increase information content, i.e. formation of additional information on infringement: intrusion coordinates, number, intruder's direction and speed. Development efforts are directed to improving immunity and versatility IDS, to confrontation contrivances action "prepared" intruder. This leads to introduction of additional devices and adaptive function of distance and self-diagnosis. Decomposition of IDS as a complex technical system can highlight key information subsystems are interdependent and determine requirements to sensor element, primary converter, analog amplifier, filter, ADC, digital processing unit, shaper output signals software - interface, adaptation, etc. Keywords: sensor, detection system, Uttering, useful signal, diagnostics.
