高鐵線路物聯網安防系統設計

趙　凌

(鐵道警察學院 治安系，鄭州　450053)

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高鐵線路物聯網安防系統設計

趙凌

(鐵道警察學院 治安系，鄭州450053)

摘要：針對高鐵線路的低矮橋梁、路基、貫通地線、疏散通道和在建高鐵線路建材設備面臨的入侵破壞或被盜隱患等問題，分析了在這些方面安全防范發展物聯網的需求。而無線傳感器網絡和射頻識別技術是物聯網的關鍵技術，在缺乏持續電源供電的情況下對于入侵報警、被盜信息的采集和物體自身信息識別方面具有十分重要的應用空間，由此提出了高鐵線路物聯網安防系統。該系統結合物聯網體系結構，具有實時報警監控、及時反應制止的功能，有效地提升了高鐵線路技術防范能力，增強了高鐵線路民警治安防控戰斗力,最后討論了在實施過程中面臨的問題。

關鍵詞：高鐵線路；物聯網；安全防范；系統設計

當前，我國高鐵建設已進入快速發展時期[1]。與此同時，我國高鐵由于多分布在人口相對集中的區域，不法分子的翻越、盜竊或破壞行為給高鐵的行車安全和線路檢修人員的人身安全帶來巨大的威脅[2]。當前高鐵線路的安全防范措施多以物防和人防為主，漫長的高鐵線路一旦發生事故，不僅會造成人員傷亡、經濟損失[3]，還會給事故的取證、偵破工作帶來困難。

物聯網(internet of things， IOT)被稱為繼計算機、互聯網之后世界信息產業的第三次浪潮，其技術應用已遍及智能家居、智能安防、智能交通、環境監測、物流等領域[4-8]。2015年4月，中辦、國辦發布的《關于加強社會治安防控體系建設的意見》中指出，要加強對包括高鐵線路在內的重點部位的安全保衛。2015年7月，公安部在推進公安改革專題座談會上強調，要運用物聯網等新技術健全完善情報信息主導下的警務運行模式，堅持向科技信息化要警力、要戰斗力。2015年9月，全國社會治安防控體系建設工作會議再次強調，運用物聯網等新技術預防和減少公共安全事故的發生。由此可見，物聯網未來將為高鐵線路的安全防范工作提供全新思路。

1高鐵線路安防現狀及分析

就整體效果而言，當前我國高鐵線路的安全防范工作仍然以實體防范和人力防范為主，技術防范多集中在車站及各生產業務部門。隨著國際反恐形勢的日趨嚴峻，高鐵線路上出現了視頻監控、電子圍欄、紅外入侵報警等技防手段，但由于設置標準不統一、技防手段單一、資金投入不足、重建設輕維護等現象存在，以及室外環境惡劣、鐵路部門之間溝通不到位等方面原因，致使技防系統碎片化管理問題突出、聯防效果差、漏報警與誤報警事件時有發生，使得監控人員疲于應付，導致高鐵線路技術防范措施的作用無法充分發揮。

就工作職能而言，高鐵線路的安全防范主要考慮兩個方面：犯罪預防和損失預防。犯罪預防主要針對不法分子非法翻越、割斷或損毀防護圍欄進入高鐵線路軌道路面所實施的破壞行為，這種行為一旦發生，將隨時危及高速運行的動車組列車的行車安全；損失預防主要針對不法分子對高鐵線路軌道路面附屬的基本設施所實施的盜竊行為，這種行為會給線路檢修人員的人身安全、信號設備的同步運行、接觸網的供電系統帶來危害，可能危及動車組列車的行車安全。

綜上可知，不法分子的破壞和盜竊行為是以進入高鐵線路軌道路面為前提的，只有切斷重點的入侵路徑，才能最大限度地減少這些行為的發生。本文從高鐵線路的低矮橋梁、路基段、貫通地線、疏散通道及在建高鐵線路建材設備等4個方面的安全防范工作入手，依靠物聯網技術構建高鐵線路物聯網安防系統。

1.1對低矮橋梁和路基安防現狀的分析

當高鐵線路遇到河流、公路、深谷、低地或另一條鐵路時因跨越需要修建橋梁，在不同的地理位置橋梁的高度不一樣。低矮橋梁是指橋梁高度在5 m左右，以利于攀爬為主要參考，應重點關注3種情況：① 橋梁兩端與路基連接的位置，有的間隙較大，外流人員或不法分子容易進入橋體梁箱內從事不法活動；② 經有線改造后成為客運專線的原有橋梁(或稱為梯梁)大多高度較低，且容易為不法分子攀爬至軌道路面提供條件；③ 新建客運專線的部分高度為5 m左右的橋梁。

路基是高鐵線路軌道的基礎，在路基和軌道附近有許多重要的線路設備，例如無砟軌道的扣件系統、道岔密貼檢查器、分線盒、補償電容器、道岔轉撤機等是很多盜竊分子覬覦的對象，一旦這些設備被盜，將引發接觸網斷電、通信中斷或信號紊亂，進而危及動車組列車的行車安全，后果十分嚴重。

當前，高鐵線路對低矮橋梁和路基的防入侵保護主要通過“圍欄+滾網”的方式實現。盡管高鐵線路各警務區都下設值班崗亭，但值班人員數量有限且低矮橋梁數量眾多、長時間徒步點線巡邏與高鐵線路大范圍實時防入侵監控的矛盾十分突出，使得巡線工作十分被動，無法實現主動預防。

1.2對貫通地線安防現狀的分析

通常情況下，貫通地線是由多根圓銅線同心式絞合而成，經常會被不法分子瘋狂盜割。由于貫通地線集等電位、信號同步、防雷及屏蔽等多功能于一體，一旦被盜割，將產生三大危害[9]：① 在接觸網環境下產生跨步電壓，檢修人員會有觸電危險；② 防雷不良將導致防雷設備失去避雷作用，當有設備遭受雷擊將會產生浪涌電壓，信號設備可能會被燒壞甚至引發火災，危及行車安全；③ 屏蔽地線不良將會引發設備在接觸網電壓環境下誤動，進而產生連鎖失效，造成嚴重后果。

當前對貫通地線的防盜割措施主要是將其置于電纜槽內，再用水泥蓋板壓蓋或再簡單封實，防護效果有限。同時，貫通地線沿高鐵線路延伸，多數被盜割位置地處偏遠，只有當巡線人員現場檢查時才會被發現，事故隱患難以及時排除。

1.3對疏散通道安防現狀的分析

近年來，高鐵線路的高架橋梁在數量上所占比重相對于普速鐵路大大增加。為了有效應對發生在橋上的突發事件，及時疏散、救援滯留旅客，高架橋梁配置應急救援疏散通道(以下簡稱疏散通道)是十分必要的。此外，高鐵線路的檢修人員在“天窗”期間，通過疏散通道進入高鐵線路也是疏散通道的另一個主要功能。

當前，我國高鐵線路的疏散通道以獨立梯道為主，已在京滬高鐵、鄭西客專、石太客專等高架橋梁中廣泛應用[10]。為了防止不法分子進入或攀爬至疏散通道，進而進入高鐵線路實施破壞或盜竊，通常的做法是在疏散通道接地處設置3 m左右的封閉式高墻，在高墻上方加裝滾網，3 m以上的梯道兩側加裝護欄，同時在附近設置帶有移動報警功能的視頻監控探頭監控疏散通道的人員出入行為。經實地調研發現，上述防入侵措施存在兩方面問題：① 護欄的隔離功能單一，并不能完全起到防入侵的功能，若強行攀爬可以進入疏散通道；② 各地監控探頭安裝位置不統一，有的設置在疏散通道接地處的正前方，有的設置在獨立梯道上方的橫跨中間，前者存在監控盲區，后者則經常受到飛鳥或落葉的困擾，遠程監控誤報頻發，監控人員疲于應對，致使視頻監控的形式大于目的。一旦有人入侵，有可能產生漏報警的情況。

1.4對在建高鐵線路的建材設備安防現狀的分析

在高鐵修建的過程中，多數在建基礎設施尤其是鋼軌扣件、接觸網設備等大多以金屬材質為主。由于全線封閉的圍欄并沒有同期建成，以及管理中存在的問題，建材設備被盜情況屢見不鮮。

筆者在調研期間發現，在建高鐵建材設備并非無人看管，但看管人數單一，有的既是看管人員又是施工人員，且間歇停工期間大量建材設備置于室外，尤其是在路基段附近，導致不法分子很容易接近并實施盜竊。同時，隨著建設進度的不斷推進，建材設備的位置不是固定不變的，而是隨施工進度不斷發生變化，這也為建材設備的防入侵增加了看管難度。

2高鐵線路安防發展物聯網的需求分析

高鐵線路的安防現狀面臨的主要問題表現為：巡線人員無法實時掌握轄區是否有人入侵或攀爬眾多低矮橋梁；轄區何處區段的貫通地線被盜割；如何確定進出疏散通道的是高鐵線路的檢修人員而非陌生人或小動物的入侵；如何防止隨工期不斷發生位置變化的在建高鐵線路的建材設備被盜。

2.1對低矮橋梁和路基安防發展物聯網的需求分析

對任何一個值班崗亭來說，雖然轄區低矮橋梁數量眾多，但數量和方位是確定的。為便于巡查管理，給每一座低矮橋梁編號，例如在A崗亭下的第1，2，…，N個低矮橋梁可編號為A1, A2,…，AN，那么按照自上而下的管理模式，從鐵路公安局到各地方鐵路公安局，再到各鐵路公安處、派出所、警務區，最后到值班崗亭，轄區的任一座低矮橋梁都有一個編號，且該編號在全路范圍內是唯一的。

針對任意一座低矮橋梁的防入侵或攀爬，可在現有外圍護欄物防的基礎上，在圍欄與橋梁之間布設適當數量具有振動或壓力感知功能的傳感器節點，用以探測不法分子翻越或剪斷護欄后產生的振動或壓力信息。各無線傳感器節點通過自組織網絡將采集、融合后的數據信息傳遞給匯聚節點，并最終傳遞至監控中心。同時，該匯聚節點的數據信息與被防范橋梁編號、方位關聯，巡線人員可以實時定位入侵信息。現場示意圖見圖1。

圖1　低矮橋梁入侵報警示意圖

對于路基而言，防入侵的重點在路基外圍，可借助現有的圍欄，在其上安裝帶有定位和振動感知功能的無線傳感器節點，實現對入侵行為的遠程監控。通過獲取、判斷振動信號最強烈的節點所發射的信號來實時確認入侵行為的精確位置，從而實現快速機動響應。若有必要，還可在現場通過安裝監控探頭來確認是人為闖入還是小動物的誤闖，增強系統的魯棒性。現場示意圖見圖2。

圖2　路基入侵報警示意圖

2.2對貫通地線的安防發展物聯網的需求分析

一旦不法分子進入高鐵線路對貫通地線實施偷盜，就需要在第一時間獲取被盜現場的位置信息，以便及時接處警。需獲取的兩類信息包括：① 被盜割貫通地線的位置信息；② 貫通地線被取出后離開原電纜槽而引發的遠程報警信息。對于第1類信息，可通過關聯接觸網支柱編號信息和地理信息系統精確定位獲取；對于第2類信息，可通過防丟器原理獲取，分別在電纜槽的內部和貫通地線本身安裝成套的無線信號收發節點。這樣一方面滿足貫通地線出現設定位移后的報警需要；另一方面滿足發射遠程報警信號的需要。考慮到成本和無線傳感器網絡通信協議的優勢，可在數套節點中選擇一套具備發射遠程報警信號功能的節點。現場示意圖見圖3。

圖3　貫通地線防盜報警示意圖

2.3對疏散通道的安防發展物聯網的需求分析

針對疏散通道在防入侵方面面臨的2個問題，可采取3種措施：① 在獨立梯道的護欄周圍加裝具有遠程報警功能的電子圍欄，一旦有入侵者強行攀爬可在高壓脈沖的作用下阻止其非法進入；② 設置紅外微波防入侵報警裝置，功能方面與視頻監控聯動發揮作用，以避免移動的小動物或落葉誤入監控區域引發誤報警，同時也可在監控盲區實現無死角防范；③ 考慮到高鐵線路的檢修人員定期進出獨立梯道也會引起誤報警，可將實體鎖具門改為內外刷卡門，相應的檢修人員配置具有身份識別功能的卡片，一旦有檢修人員持卡進出，獨立梯道的入侵報警功能將自動屏蔽，遠程監控中心可實時記錄在該疏散通道進出檢修人員的信息，為監督考核提供相關依據。此外，為防止尾隨，可在刷卡門附近設置類似“請注意！請注意！門未上鎖”的現場語音報警提示喇叭。疏散通道入侵報警結構如圖4所示。

圖4　疏散通道入侵報警結構示意圖

2.4對在建高鐵線路的建材設備的安防發展物聯網的需求分析

對在建高鐵線路的建材設備在停工期間的防盜措施需要考慮以下3個方面：① 建材設備隨著工程進度的不斷推進，其安放位置會不斷變化，但其放置的相對范圍不會變化太大，為此可在其周圍設置防入侵報警系統，尤其是在停工期間及時設防即可防范人為盜竊；② 考慮到安放位置的不斷變化，入侵報警系統需做到方便安裝和拆卸；③ 給建材設備編碼可實現質量追蹤溯源，從而實現系統化、模塊化管理。無線傳感器網絡節點具有無線自組織、成本低、可長時間工作的特點，通過射頻識別技術識別建材設備可滿足上述考慮。為此，可在相關建材設備周圍安放適當數量的具有壓力或振動感知功能的無線傳感器節點，形成封閉式入侵報警區，若有非法入侵行為發生，現場看管人員即可在第一時間通過警報裝置或固定電話、短信獲取入侵信息，并確認是否為誤報警。必要情況下，遠程監控中心可及時到達現場制止不法行為。建材設備防盜報警功能見圖5。

3高鐵線路物聯網安防系統設計

3.1物聯網安防的優勢

物聯網技術體系自下而上包括感知層、網絡層和應用層，可通過多種傳感器、定位與掃描裝置、視頻識別技術實現物體及其相關特征信息的采集，利用無線通信網絡(例如：WSN-Wireless Sensor Networks無線傳感器網絡、WLAN-Wireless Local Area Network無線局域網或WiFi-Wireless Fidelity網絡)實現物物、物人之間的實時通信，從而達到智能化識別、定位、跟蹤及管理的目的，是互聯網的拓展應用[11]。

物聯網安防的優勢主要體現在4個方面：① 終端體積小，便于安裝且價格低廉；② 可集成多種傳感器，獨立組網運行；③ 功耗低，適合長期不間斷工作；④ 集多種數據信息融合、智能化處理、遠程報警監控功能于一體。由此可知，在高鐵線路實施物聯網安防是切實可行的。

圖5　建材設備防盜報警功能示意圖

3.2系統總體設計

針對當前高鐵線路安防發展物聯網的需求，結合物聯網安防的優勢，提出了高鐵線路物聯網安防系統總體架構，如圖6所示。

圖6　高鐵線路物聯網安防系統總體架構

3.3系統功能

1) 感知層：RFID技術可以實現對橋梁、接觸網支柱、高鐵線路檢修人員身份的識別；通過布設在低矮橋梁附近、接觸網支柱附近的電纜槽，高鐵線路圍欄附近、疏散通道附近以及在建高鐵線路建材與設備附近的無線傳感器節點可實現振動或壓力、位移等數據信息的采集和融合。

2) 網絡層：WSN、WLAN可將高鐵線路來自感知層的信息傳遞給應用層用戶進行分析和處理。同時，WiFi用戶也可借助3G或4G電信網絡輕松實現對各種入侵、盜竊或破壞行為信息的獲取和共享。

3) 應用層：基于地理信息系統(geographic information system，GIS)綜合信息模塊可以準確定位感知層信息的來源，為應用層用戶發現和制止破壞行為提供位置導向；電源檢測模塊可實時顯示布設的各無線傳感器節點的剩余電量，為及時更換節點電源、保障整個系統的長期有效運行提供參考；中心控制模塊用以協調低矮橋梁、路基、疏散通道的入侵報警系統和貫通地線、在建高鐵建材設備的防盜報警系統同步工作，并為用戶終端提供有效信息顯示接口，使鐵路公安局、各地方鐵路公安局(處、所、警務區、值班崗亭)按照不同的權限實現高鐵線路安防信息的有效查詢和預警通知信息的接收，為進一步制止不法行為提供有力的決策依據。

4結束語

本文基于物聯網體系結構設計了一款高鐵線路物聯網安防系統，將高鐵線路的入侵破壞和盜竊等“隱藏”行為信息“顯現”出來，起到準確預警打擊的作用，使高鐵線路民警的治安防控工作由“被動”變為“主動”，從而有效提高治安防控的戰斗力。在具體的實施過程中需要面對的一些問題包括：在野外惡劣環境的條件下如何設計和安裝無線傳感器節點及其附屬設備；在高強度的電磁環境下，節點能否有效協同工作；如何優化節點路由算法，最大限度地延長系統的生命期；高鐵線路中大量傳感器節點的布設是否會對動車組列車的行車安全帶來安全隱患等。

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[10]項琴,李遠富,周攀.山區高速鐵路橋梁疏散通道的建設模式研究[J].中國安全科學學報,2013(5):101-107.

[11]中國物聯網發展研究中心．中國物聯網產業發展年度藍皮書(2012)[R]．無錫：中國物聯網發展研究中心，2012.

(責任編輯楊黎麗)

Design of High-Speed Rail Line Security System Based on Internet of Things

ZHAO Ling

(Public Security Department, Railway Police College, Zhengzhou 450053, China)

Abstract:Low bridges, subgrade, the links up of grounding wire, evacuation exits, materials and equipment in construction of the high-speed rail line are confronting problems of intrusion and being stolen, or some other problems, which are later analyzed on requirement of developing internet of things in security protection. As we known, WSN and RFID are key technologies of internet of things which have very important amplitude application in intrusion alarm, stolen information collection and objects self-recognition in lack of sustainable power supply circumstances. By referring to these, it put forward high-speed rail line security system based on internet of things. This system combined with architecture of internet of things,and has the function in real-time alarm supervision and response suppression, which will hoist capacity of technique prevention in high-speed rail line, and what’s more, the security prevention and control ability to the high-speed rail line police. At last, problems which will be faced with during the implementation process were discussed.

Key words:high-speed rail line; internet of things; security protection; system design

收稿日期：2016-01-18

基金項目：公安部應用創新項目(2013YYCXTJXY109)；河南省科技發展計劃項目(122400450334)；中央高校基本科研業務經費項目(2015TJJBKY009)；河南省社科聯項目(SKL-2015-699)

作者簡介：趙凌(1982—)，男，碩士，講師，主要從事安全技術防范、物聯網方面的研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.05.017

中圖分類號：TP393

文獻標識碼：A

文章編號：1674-8425(2016)05-0096-06

引用格式：趙凌.高鐵線路物聯網安防系統設計[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(5):96-101.

Citation format：ZHAO Ling.Design of High-Speed Rail Line Security System Based on Internet of Things[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(5):96-101.