Обнаружение вторжения нарушителя в охраняемую зону является одной из основных задач службы безопасности объекта.
При неправильной установке датчика, а также неправильной настройке может повыситься частота ложных тревог,
либо при пересечении нарушителем охраняемой зоны датчик может не выдать сигнал тревоги.
Введем основные термины и определения.
Обнаружение — процесс выявления факта вторжения в охраняемую зону.
Охраняемая зона — область пространства, нахождение в которой нарушителя должно вызывать сигнал срабатывания.
Ложным называют сигнал тревоги, не вызванный вторжением нарушителя.
Оценка обнаружения — процесс определения того, является ли сигнал срабатывания истинным или имеет место ложная тревога.
Теперь остановимся на типовых параметрах (характеристиках) датчиков охранной сигнализации, позволяющих судить о качестве обнаружения:
— вероятность правильной детекции;
— вероятность ложной тревоги;
— чувствительность датчика.
Рассмотрим кратко каждый из них.
Вероятность правильной детекции Рд — вероятность того, что датчик сработает при вторжении нарушителя в охраняемую зону.
Рд — величина статистическая, оценивается по результатам серии испытаний, и, как следствие, зависит от принятой методики испытаний.
Следует отметить, что указание, например Рд =0,9 само по себе некорректно.
В спецификации датчика должен быть оговорен сценарий вторжения, т.е. внешние условия (ночь/день, облачность, время года и т.д.),
модель нарушителя (ползущий, со скоростью 0,5 м/с и т.д.). Кроме того, необходимо знать методику оценки Рд.
Тогда модель обнаружения описывается двумя параметрами: вероятность детекции и доверительным интервалом CL,
т.е. датчик будет обнаруживать с вероятностью Рд при уровне CL.
Отметим, что такая полная информация обычно недоступна. В большинстве случаев приходится довольствоваться значением Рд,
которое следует считать условным, основанным на предположениях.
Вероятность ложной тревоги Рлт — вероятность, того, что за время Т произойдет ложное срабатывание датчика.
Статистически оценивается частотой ложных тревог -количеством ложных тревог за определенный интервал времени.
Средний интервал времени между двумя последовательными ложными срабатываниями называется наработкой на ложное срабатывание (Тлт).
В представлении о пуассоновском характере потока ложных тревог можно записать:
Рлт = 1- exp(- tp/Tлт )
где:
Рлт — вероятность ложной тревоги;
tp — время нахождения датчика в работоспособном состоянии.
Рассмотренные характеристики связаны между собой таким параметром, как чувствительность датчика.
Чувствительность — величина, обратная порогу. Порог — некое значение, ниже которого сигналы интерпретируются как шумы.
Порог регулируется во время настройки датчика. Чем больше чувствительность, тем больше вероятность детекции.
Но при увеличении чувствительности возрастает и частота ложных тревог. Эта ситуация показана на рис.1.
Рис.1.
Взаимосвязь вероятности детекции (РД)
и вероятности ложных тревог Рлт
При настройке датчика приходится лавировать между Сциллой и Харибдой этих параметров, при этом задача заключается в подборе оптимального уровня чувствительности Sопт.
Таким образом, рассматривая процесс обнаружения в целом, можно выделить следующие основные показатели его качества:
— достоверность обнаружения;
— устойчивость к помехам;
— уязвимость к преодолению.
Вероятность правильной детекции является основной характеристикой, позволяющей судить о достоверности обнаружения.
Достоверность обнаружения — это показатель качества датчика, характеризующий его способность реагировать (срабатывать) при появлении нарушителя.
Частота ложных тревог является основной характеристикой, по которой можно судить о помехоустойчивости датчика.
Помехоустойчивость – это показатель качества датчика, характеризующий его способность стабильно работать в различных условиях.
Проанализируем основные дестабилизирующие факторы, являющиеся причиной возникновения ложных тревог.
Все они могут быть разбиты на: внутренние шумы и внешние помехи.
Внутренние шумы генерируются самой аппаратурой. Среди основных причин следует отметить следующие:
- недостатки конструктивных и схемотехнических решений;
- неправильная установка и настройка датчика;
- недостатки алгоритма обработки сигналов;
- некачественное техобслуживание.
Недостатки конструктивных и схемотехнических решений могут привести к наводкам в цепях передачи данных, например из-за плохого экранирования,
плохой фильтрации, применения дешевой некачественной элементной базы.
Типичной проблемой является изменение параметров электронных компонент при приближении к границам допустимого температурного диапазона.
Для решения этой проблемы приходится разрабатывать специальные схемы термостабилизации параметров и т.д.
Неправильная установка датчика.
Несоблюдение требований документации на прибор при монтаже датчика может привести к искажению зоны обнаружения,
например при наличии препятствий для микроволновых датчиков.
Известен случай, когда микроволновый датчик был экранирован металлическим листом почти со всех сторон (за исключением месторасположения излучателя),
и после нескольких недель излучатель перегорел из-за большой мощности принимаемого (экранированного) сигнала.
Неправильная настройка датчика может привести к выходу зоны обнаружения датчика за пределы охраняемой зоны,
особенно в помещениях со сложной конфигурацией. Этo приведет к тому, что такой датчик будет срабатывать, например, при нахождении людей в соседних помещениях.
Недостатки алгоритма обработки сигналов обычно связаны с тем, что при разработке датчика обычно идет борьба между повышением распознавания и отсечением помех.
Чем выше чувствительность датчика тем, как правило, выше распознавание, но и выше уровень помех.
Некоторые алгоритмы не учитывают даже стандартные помехи: звонок телефона для ультразвукового датчика, восходящие тепловые потоки
от батарей центрального отопления для пассивных инфракрасных датчиков и т.д.
Некачественное техобслуживание может привести, например, к запылению или загрязнению частей датчика.
Крепление датчика может ослабнуть, что может привести к изменению зоны обнаружения.
Внешние помехи вызываются возмущениями среды. Перечень их довольно разнообразен.
По происхождению их можно разделить на естественные и техногенные.
Какие же физические условия могут оказать влияние на работу датчиков? Это в первую очередь:
- состояние атмосферы (изменения температуры, влажности воздуха, порывы ветра, дождь, солнечная радиация и т.д.);
- электромагнитные наводки (помехи от ЛЭП, радиостанций, электропроводки);
- посторонние объекты в охраняемой зоне (птицы, мелкие животные и пр.)
- параллельная работа нескольких датчике.
Перечень основных помех, влияющих на работу датчиков охранной сигнализации, приведен в табл. 1.
Таблица 1.
Перечень основных помех, влияющих на работу датчиков охранной сигнализации
Следует заметить, что разные типы датчиков имеют разную чувствительность к помехам (рис. 2).
Это объясняется, в первую очередь, физикой процесса обнаружения в каждом конкретном случае.
Рис. 2.
Селективная чувствительность датчиков к различным помехам
Приведем примеры воздействия внешних помех на работу датчиков.
Был случай, когда пассивные инфракрасные датчики часто срабатывали ночью, но не было ни нарушителей, ни явных внешних воздействий.
Тревожная группа никогда никого не ловила. Сотрудники СБ остались ночью дежурить, и через час как стемнело, мимо датчиков стали бегать кошки.
Как только включилась сирена, кошки сразу убежали. Потом снова пришли. Это повторилось несколько раз.
Так выяснилось, кто является «нарушителем» на объекте.
Также был случай, когда микроволновый датчик начал давать ложные срабатывания в пустом хранилище.
Сотрудник СБ, находясь рядом заметил, что мигание люминесцентной лампы совпадает со срабатыванием датчика (ему сообщали по рации о срабатывании датчика).
Оказалось, что информационные цепи датчика проходят рядом с цепями питания лампы.
Обобщая сказанное, задачу достижения оптимального уровня помехоустойчивости можно сформулировать так:
достижение требуемой вероятности детекции при минимальной частоте ложных тревог.
К типовым методам повышения помехоустойчивости можно отнести следующие:
- Меры по оптимальной установке датчика.
- Регулировка размеров охраняемой зоны.
- Компенсационные схемы мостового типа.
- Логическая коммутация выходных сигналов (датчики с «логикой»).
- Анализ ложных срабатываний.
- Регламентное обслуживание.
- Использование телевизионных средств наблюдения (ТСН) для подтверждения вторжения.
Рассмотрим примеры применения каждого метода.
Меры по оптимальной установке датчика. Оптимальную установку датчиков рассмотрим на примере акустических датчиков разбития стекла.
В качестве мер, направленных на увеличение помехоустойчивости, можно указать следующие:
* устанавливать датчик не ниже 2 метров от пола (чтобы он не оказался отгорожен чем-нибудь от стекла);
* не устанавливать датчик на той же стене, где расположено стекло;
* использовать один датчик на каждое помещение;
* не использовать датчик для охраны стекол, имеющих видимые повреждения;
* не использовать датчики в комнатах с источниками громких звуков.
Необходимо также стараться уменьшить воздействие внешних помех на работу датчика, например,
— устанавливать навес над уличным датчиком,
— закрывать форточки в помещениях с инфракрасными пассивными датчиками;
— не направлять их на пол, если там могут бегать мелкие животные;
— не направлять на прямой солнечный свет;
— устанавливать уличные датчики на стойках в местах выпадения большого количества снега и т.д.
Также необходимо стараться устанавливать ультразвуковой или микроволновый датчик так,
чтобы путь движения нарушителя был направлен в сторону датчика или от него.
Регулировка размеров охраняемой зоны.
Представим себе микроволновый двухпозиционный датчик.
Его охраняемая зона представляет собой вытянутый эллипсоид вращения до нескольких десятков метров длиной и несколько метров в поперечнике.
При использовании такого датчика для охраны замкнутых помещений возникает проблема помех от расположенных по соседству помещений, коридоров и т.д.
Дело в том, что оконные стекла, тонкие перегородки из фанеры, досок обладают высокой радиопрозрачностью в используемом диапазоне частот.
Существует несколько способов борьбы с этим:
* регулировка чувствительности датчика;
* различные варианты ориентации приемных и передающих антенн
* применение сильнонаправленных антенн;
* установка радионепрозрачных экранов, сеток и т.д.
Компенсационные схемы мостового типа обычно строят таким образом, чтобы сигналы от помех взаимно компенсировали друг друга.
Представим себе сейсмический датчик гидравлического типа; регистрирующий изменение давления при движении нарушителя.
Чувствительный элемент такого датчика представляет собой два шланга с жидкостью по одному на каждый фланг,
подключенных к дифференциальному измерителю давления, представляющему собой первичный преобразователь сигналов (рис. 3).
Рис. 3. Гидравлический датчик давления
Помехи, вызванные сейсмическими колебания почвы, воздействуя одновременно на оба фланга, вычитаются, тем самым взаимно компенсируя друг друга.
Движущийся человек воздействует на один фланг, поэтому сигнал от него выделяется в качестве полезного.
Аналогичные методы широко применяются в емкостных датчиках, там они конструктивно реализуются в виде разделения одной распределенной антенной системы
на несколько изолированных антенн с последующим включением их по мостовой схеме.
Логическая коммутация выходных сигналов. В последнее время широко используются комбинированные датчики с «логикой»,
т.е. с логической обработкой выходных сигналов. Это позволяет повысить достоверность обнаружения. В основном используются схемы ИЛИ (1 из 2), И (2 из 2), 2 из 3 и т.д.
Рассмотрим, например, схему ИЛИ (рис. 4).
Пусть датчики описаны следующими параметрами: P1,T1, Р2, Т2.
Сигнал на выходе схемы появится, когда есть сигнал на каком-то из входов.
Вероятность обнаружения и наработка на ложное срабатывание в этом случае:
Рис. 4. Соединение датчиков по схеме «ИЛИ»
При соединении датчиков по схеме «ИЛИ» повышается вероятность обнаружения, но снижается время наработки на ложное срабатывание.
Популярными в последнее время стали комбинированные датчики со схемой «И», работающие на разных принципах действия.
Сигнал на выходе такой схемы появится, когда есть сигналы на обоих входах (рис.5).
При таком соединении значительно увеличивается наработка на ложное срабатывание — датчики реагируют на разные помехи,
а совместное воздействие помех разного типа маловероятно. Вероятность обнаружения и время ложного срабатывания при таком соединении:
Рис. 5. Соединение датчиков по схеме «И»
Здесь ? — время памяти системы. Если сработал один датчик и через время ? не сработал второй, тревога сбрасывается.
Тем самым повышается достоверность обнаружения.
На сегодняшнее время популярны датчики серии DT (Dual Technology) — в них совмещены инфракрасный и микроволновой датчики обнаружения.
По опыту применения авторами 100 датчиков этого типа за год не было ни одного ложного срабатывания.
Перспективными являются схемы, работающие по принципу «два из трех» (2/3). В таком случае сигнал тревоги выдается при срабатывании любых двух датчиков.
При грамотном подборе датчиков можно получить значительный выигрыш в помехоустойчивости.
Анализ ложных срабатываний позволяет понять причины их возникновения на основе статистического анализа.
Для этого целесообразно вести журнал ложных срабатываний. Его удобно вести, например, в базе данных «Access».
Для этого необходимо создать для каждого датчика форму, где указаны его основные характеристики: название, месторасположение, настройка чувствительности.
Для данной формы необходимо сделать таблицу, в которой можно будет вносить информацию о ложных срабатываниях: дату, время, тип помехи.
После заполнения журнала очень удобно проводить его статистический анализ с применением встроенных в «Access» функций.
На основе анализа данных таблицы можно выделить:
* сезонные помехи, для данной климатической области;
* периодические помехи, связанные с определенными помехами;
* случайные помехи;
* температурную, влажностную зависимость для конкретного типа датчиков;
* желательные настройки для данного времени года.
Регламентное обслуживание является одним из главных факторов поддержания работоспособности приборов на должном уровне.
Тщательное соблюдение еженедельных, квартальных, полугодовых и годовых регламентов позволяет, как продлить срок службы датчика, так и повысить его помехоустойчивость.
Например, инфракрасные датчики необходимо протирать раз в неделю, и чаще в запыленных помещениях.
Раз в полгода необходимо проверять зону обнаружения, качество крепления прибора, например на стене.
Также раз в год необходимо продувать датчики пылесосом, сметать кистью пыль с микросхем, проверять сопротивление изоляции.
И, конечно, необходимо проводить ежемесячные контрольные проверки срабатываний датчиков.
Использование ТСН позволяет «увеличить» помехоустойчивость датчиков за счет наблюдения за охраняемой зоной.
Если оператор не видит проникновения, то тревожную группу можно не высылать. Однако здесь следует предостеречь от использования такой схемы,
когда не ведется постоянное наблюдение за зоной. Особенно, если телекамера включается в момент срабатывания или оператор должен переключить монитор на нужный участок.
Если нарушитель будет преодолевать рубеж, например периметр, около телекамеры, то он будет в поле зрения телекамеры меньше секунды и оператор может не успеть его заметить. Такую схему желательно применять при цифровом телевидении, где можно сразу «отмотать» назад и посмотреть наличие нарушителя.
Таким образом, можно утверждать, что на сегодняшний день используется много различных методов повышения помехоустойчивости датчиков.
Выше были рассмотрены только самые распространенные из них. Но задачу достоверного различения человека и животного, сигнала от помехи нельзя назвать решенной.
Особенно это касается уличных датчиков, работающих в жестких климатических условиях. Поэтому эта проблема продолжает оставаться актуальной.
И ведущим направлением в ее решении становится совершенствование аппаратурных методов, т.е. разработка более эффективных алгоритмов обработки сигналов.
Об авторах: О. Панин, независимый эксперт С. Журин, к.т.н., доцент РГГУ
