基于無源智能鎖的高鐵柵欄門遠程控制系統(tǒng)的研發(fā)

李可東

（中國鐵路南寧局集團有限公司 科學技術研究所，南寧 530022）

高速鐵路要求線路兩側按標準設置防護柵欄進行全封閉管理，各專業(yè)人員上道作業(yè)時均需通過柵欄門進出，因而在柵欄門的管理上存在人員進出頻繁、多頭管理等問題，是制約高鐵運營安全管理的一個薄弱環(huán)節(jié)。

針對這一情況，各鐵路局集團公司陸續(xù)出臺相關管理辦法。南寧局集團有限公司（簡稱：南寧局）頒布了《高速鐵路防護柵欄管理辦法》[1]，制定了高鐵沿線柵欄門的使用方式與管理辦法，但由于高鐵柵欄門普遍使用普通機械掛鎖，只具有簡單的開閉鎖功能，無法實現(xiàn)遠程控制，因此在日常施工作業(yè)管理中存在以下問題：

（1）管理人員無法遠程控制柵欄門開關狀態(tài)，作業(yè)人員可提前開鎖違規(guī)進入線路，易發(fā)生安全事故；

（2）臺賬管理混亂、易丟失，管理人員無法準確地掌握管轄范圍內各柵欄門開閉鎖記錄，導致事后追責困難；

（3）柵欄門鑰匙集中在車站統(tǒng)一管理，工區(qū)和車站距離較遠，借、還鑰匙費時費力，緊急情況下無法及時開門；

（4）柵欄門采用多把機械鎖串連的形式，供工務、電務、供電、通信等部門使用，每把鎖須配備至少5把鑰匙，機械鑰匙數(shù)量龐大、管理困難，易產生錯借、丟失、違規(guī)復制等問題。

國內外智能鎖技術發(fā)展迅速，已在共享單車[2]、智能家居[3]和國家電網(wǎng)系統(tǒng)等領域得到廣泛應用。但智能鎖技術在鐵路柵欄門管理中的應用目前只集中在有源鎖具[4]，存在現(xiàn)場安裝取電難，施工成本高，后期維護難等問題。

綜上，為了加強對高鐵柵欄門的控制和管理，消除安全隱患，提高工作效率，本文基于無源智能鎖，研發(fā)了高鐵柵欄門遠程控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案設計和總體架構

1.1 方案設計

本文基于無源智能鎖進行系統(tǒng)研發(fā)，利用有源智能鑰匙給無源智能鎖供電的方式，解決有源鎖具存在的各種應用問題。

經(jīng)調研可知，目前有源智能鑰匙均集成了安全驗證芯片和內置可充電電池，按其技術特點的不同分為3種：全功能智能鑰匙[5]、半功能智能鑰匙[6]和簡單智能鑰匙+手機App，3種類型的特點比較如表1所示。

表1 3種有源智能鑰匙的特點比較列表

經(jīng)對比，簡單智能鑰匙+手機App的模式具有可靠性高、制造成本低、授權靈活等優(yōu)點。該模式中內嵌的低功耗藍牙技術[7]已發(fā)展成熟，在智能手機、共享單車和智能汽車等領域得到廣泛應用。結合手機App程序可實現(xiàn)授權到人、責權清晰，同時保證通信的方便可靠，符合當前高鐵柵欄門的管理目標。綜上，本系統(tǒng)采用無源智能鎖+有源智能鑰匙+手機App的方案。

1.2 總體構架

高鐵柵欄門遠程控制系統(tǒng)由無源智能鎖、智能鑰匙、手機App、指揮中心授權終端PC和云服務平臺構成。作業(yè)人員通過手機App提出開鎖申請，指揮中心授權人員在終端PC上批準授權，手機App在移動網(wǎng)絡支持下自動更新、獲得開鎖權限，并通過藍牙把權限傳送到智能鑰匙，智能鑰匙插入智能鎖孔即可開鎖，從而實現(xiàn)管理人員對智能鎖的遠程控制。系統(tǒng)總體構架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體構架圖

2 系統(tǒng)軟硬件組成

2.1 系統(tǒng)硬件組成

2.1.1 無源智能鎖

不同于傳統(tǒng)的電子鎖，無源智能鎖[8]無電源，該類智能鎖工作時電源由鑰匙提供。其鎖芯采用離合式結構，只有插入授權鑰匙解碼，帶動控制電機轉動，才能實現(xiàn)開鎖，鎖芯的電路芯片具有存儲開鎖日志的功能。

無源智能鎖的鎖芯、鎖體和鎖梁材質均選用SUS304，具有足夠的防壓、防剪能力和IP65級別防水等級， 工作溫度范圍為-20℃～70℃，可適應多雨水、溫度高等氣候特點。電子鎖芯采用無源空轉設計，鎖梁采用自動彈出式雙邊卡鎖承力結構，能防撬、防鉆。無源智能鎖如圖2所示。

圖2 無源智能鎖示意圖

2.1.2 智能鑰匙

智能鑰匙由藍牙模塊、電源管理模塊和控制模塊構成。鑰匙內部使用低功耗藍牙 ，內置可充電鋰電池。智能鑰匙在空閑時，藍牙一直處于廣播狀態(tài)。手機App藍牙搜索、連接鑰匙后，通過加密途徑授予鑰匙開鎖權限，在連接過程中，同時完成時間校準和日志上傳。開鎖時，將智能鑰匙插入無源智能鎖鎖孔，通過鑰匙上的觸點給鎖芯供電和進行通信。鎖芯被激活后，雙方根據(jù)ID號進行雙向秘鑰認證[9]，只有認證通過后才能開鎖。電源管理模塊主要對可充電電池進行管理。智能鑰匙如圖3所示。

圖3 智能鑰匙示意圖

2.2 系統(tǒng)軟件組成

系統(tǒng)軟件部分由云服務端程序和手機App（android）組成。云服務端程序安裝在遠程云服務器上，包括App接口、平臺網(wǎng)站、MySQL數(shù)據(jù)庫及Tomcat Web應用服務器。考慮到網(wǎng)絡安全防御[10]的專業(yè)性，數(shù)據(jù)保護與恢復的可靠性,以及運行狀態(tài)監(jiān)控的實時性，選用騰訊云服務器來完成與手機App、平臺（網(wǎng)站）的數(shù)據(jù)交互和處理。系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)流如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)流示意圖

2.2.1 平臺（網(wǎng)站）

平臺（網(wǎng)站）采用B/S結構，使用Java語言編寫 ,運用了 easyui、ajax、json、jquery、springmvc、mybatis等技術。平臺具有單作業(yè)授權、批量授權、作業(yè)狀態(tài)自動轉變、日志查詢、記錄查詢、用戶角色管理、權限設置、單位管理、柵欄門管理、智能鎖管理等功能。平臺（網(wǎng)站）界面如圖5所示。

圖5 平臺（網(wǎng)站）界面示意圖

2.2.2 手機App

手機App基于Android系統(tǒng)開發(fā)，使用Java語言編寫[11]，利用App接口與云端服務器連接通信，具有作業(yè)申請、藍牙搜索鑰匙、離線碼授權、進出門照片上傳、作業(yè)狀態(tài)自動轉換、鎖具信息管理、系統(tǒng)設置等功能。手機App界面如圖6所示。

3 系統(tǒng)作業(yè)流程和功能

3.1 系統(tǒng)作業(yè)流程

系統(tǒng)管理人員須事先在系統(tǒng)中錄入施工負責人員和管理授權人員信息，并匹配相對應的角色權限。系統(tǒng)作業(yè)基本流程如圖7所示。

（1）施工計劃得到批準后，施工負責人根據(jù)施工計劃在手機App上填寫作業(yè)申請，并通過移動網(wǎng)絡或Wi-Fi進行提交；

（2）指揮中心管理授權人員根據(jù)調度命令審核申請，決定授權或拒絕，若拒絕，則由施工負責人在手機App上修改后再次提交申請，若授權，則手機App通過移動網(wǎng)絡自動更新，獲得開鎖權限；

（3）手機App利用藍牙搜索并連接智能鑰匙，傳送開鎖權限；

（4）將智能鑰匙插入無源智能鎖中實現(xiàn)開鎖；

（5）進門后通過手機App上傳進門照片和日志文件，作業(yè)結束、出門閉鎖后，上傳出門照片和日志文件，并自動刪除鑰匙開鎖權限，從而結束本次施工作業(yè)。

圖6 手機App界面示意圖

圖7 作業(yè)基本流程示意圖

3.2 系統(tǒng)功能

3.2.1 藍牙在線開鎖和離線開鎖

根據(jù)智能鑰匙是否保存開鎖權限，可將開鎖模式分為藍牙在線開鎖模式和藍牙離線開鎖模式。藍牙在線開鎖是指鑰匙通過藍牙與手機App連接，在線獲得開鎖權限，開鎖時日志實時上傳，若藍牙斷開，則鑰匙丟失開鎖權限，無法開鎖。藍牙離線開鎖是指手機App通過藍牙連接下載權限至智能鑰匙，鑰匙不需連接藍牙即可實現(xiàn)開鎖，但開鎖日志需手動上傳。2種開鎖模式各有優(yōu)點，從使用方便的角度考慮，藍牙離線開鎖模式的體驗更好，是本系統(tǒng)的默認開鎖模式。

3.2.2 離線碼開鎖

高鐵線路實現(xiàn)了全面的GSM-R網(wǎng)絡覆蓋，可以通過手持終端進行穩(wěn)定的語音和短信通信，但鐵路線路上并未實現(xiàn)移動網(wǎng)絡的全覆蓋。部分線路屬于山區(qū)鐵路，地理環(huán)境條件復雜，個別運行區(qū)段移動網(wǎng)絡信號弱，甚至沒有信號。離線碼開鎖功能有效解決了沒有移動網(wǎng)絡的問題。指揮中心授權人員在PC端平臺上授權并生成離線碼，通過手持終端語音或短信把離線授權碼發(fā)送至現(xiàn)場施工人員，現(xiàn)場施工人員在手機App上輸入離線授權碼即可得到開鎖權限，實現(xiàn)開鎖，在預先設置的天窗點+延遲時間后，鑰匙開鎖權限自動失效。

3.2.3 開鎖信息存儲

智能鑰匙內置可存儲芯片，記錄開鎖信息，包括開鎖時間、柵欄門編號、鎖編號、授權天窗點、作業(yè)負責人等。手機App連接鑰匙時自動或手動上傳開鎖日志至云服務器數(shù)據(jù)庫。保存的開鎖信息反映真實的開鎖情況，有利于事后查詢和分析統(tǒng)計。

3.2.4 作業(yè)狀態(tài)自動變更

在PC端授權頁面和手機App上均可查看當前作業(yè)狀態(tài)。施工作業(yè)分為4種狀態(tài)，包括待授權、作業(yè)時間已過/晚點未進門、作業(yè)已授權可開鎖和已進門/作業(yè)完成。分別用不同的背景顏色來區(qū)分和提醒，每當作業(yè)狀態(tài)改變時，手機App和PC機界面作業(yè)狀態(tài)顏色均自動轉變。作業(yè)天窗點已過且作業(yè)未結束（未上傳出門照片）的情況下，作業(yè)狀態(tài)欄底色變?yōu)榧t色，手機App會發(fā)出持續(xù)震動和彈出文字提示框進行提醒。

3.2.5 用戶權限配置

系統(tǒng)用戶角色管理及權限分配靈活，在平臺（網(wǎng)站）上可給不同部門人員分配用戶角色和相應權限，授予其申請作業(yè)、批準授權和查看日志等功能。申請和授權均可指定線路區(qū)間范圍，各部門的授權人員在平臺（網(wǎng)站）上只能查看和授權本部門作業(yè)人員的申請，無法查看其他部門作業(yè)申請，更無法進行授權，從而實現(xiàn)各部門獨立管理。

3.2.6 多作業(yè)申請

考慮到多組作業(yè)人員進出柵欄門會出現(xiàn)重疊申請的情況，系統(tǒng)的作業(yè)申請功能包含動力車進出、多組進出和重復申請等選項。考慮到指揮中心授權人員工作繁忙、任務多，系統(tǒng)設計了單作業(yè)授權和批量授權方式，供靈活選擇，可有效減輕指揮人員的授權工作負擔，提高工作效率。

4 應用情況

系統(tǒng)于2018年9月開始在南寧局南廣線和柳南客專的南寧—南寧東區(qū)間范圍內試用，這2個區(qū)間進出頻繁的高鐵柵欄門共有10處。6個多月的應用表明，該系統(tǒng)使作業(yè)申請和授權簡單便捷、開鎖迅速可靠、記錄齊全、管理方便，有效地消除高鐵柵欄門管理盲區(qū)，優(yōu)化鑰匙管理流程，提高了施工作業(yè)進出柵欄門的效率，實現(xiàn)高鐵柵欄門鎖具的智能化、網(wǎng)絡化、信息化管理。

5 結束語

高鐵柵欄門遠程控制系統(tǒng)利用智能鎖和智能鑰匙的相關技術，綜合運用藍牙通信、遠程控制、云服務器等技術手段進行研發(fā)，是集作業(yè)申請、授權、日志記錄、數(shù)據(jù)查詢等功能于一體的智能化管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)強化了高鐵柵欄門的安全管理、簡化了作業(yè)申請授權手續(xù)、優(yōu)化了鑰匙管理流程，達到了提質增效的目的，具有很好的推廣前景。

下一步可考慮融合高鐵線路地理信息系統(tǒng)和鑰匙智能管理系統(tǒng)[12]，實現(xiàn)柵欄門智能鎖開啟狀態(tài)的圖形化顯示和智能鑰匙位置的實時跟蹤。