鐵路安全防護門監控管理系統的設計與應用

徐炳輝

（國家能源集團朔黃鐵路發展有限責任公司原平分公司，山西忻州 034100）

0 引言

鐵路沿線設置防護網，防止閑雜人員進入，鐵路作業人員需經防護網門方能進入鐵路沿線從事作業等工作。現有的護網門加裝普通的統一式機械掛鎖，而機械掛鎖鑰匙則為專用的統一鑰匙，這種機械掛鎖易被惡意打開，且鑰匙多、管理難度大，鐵路員工可以拿到鑰匙，造成進入護網的人員繁雜，極易發生社會上的混雜人員進入鐵路沿線，增加各種路內外交通事故和違法犯罪活動發生的概率，給鐵路行車安全帶來極大的安全隱患。因此，現場迫切需要一種能夠自動對進出護網門的人員進行登記并綜合管理的裝置。

1 管理系統設計

1.1 系統組成

鐵路安全防護門智能耦合鎖及監控管理系統由硬件設備和軟件兩部分組成。硬件設備主要有智能耦合鎖、門狀態監控裝置；軟件主要有手機APP 用戶端和系統管理平臺和防火墻，系統組成如圖1 所示。

圖1 系統組成

1.2 系統工作原理及流程

管理員通過系統操作對護網門智能耦合鎖進行初始設置，包括對鎖具進行編號、歸類、命名，管理員利用管理平臺將設置好的智能耦合鎖的授權數據，通過云端服務器下放到作業人員手機APP 用戶端，授權數據包括工作人員的權限等級、開鎖的時間段等信息。作業人員收到此耦合鎖的授權數據后，打開手機APP 用戶端即可開啟對應的智能耦合鎖，未經授權的作業人員將無法開啟，作業人員可通過手機APP 用戶端掃描智能耦合鎖二維碼申請開鎖，管理員同意開鎖申請后，云端服務器自動下放授權數據到作業人員手機APP 用戶端，即可開啟智能耦合鎖。智能耦合鎖開啟記錄數據信息通過藍牙回傳至手機APP 用戶端，利用手機網絡自動將開鎖的數據信息上傳至云端服務器（如果當時開鎖人員的手機處于無網狀態，也不會影響順利開鎖，開鎖信息將會在有網絡狀態時再自動上傳）。

管理系統平臺根據要求統計智能耦合鎖的開啟人員、開啟次數、開啟時間段等信息，可以遠程掛失或修改授權數據。管理系統實現了智能耦合鎖的真正智能化使用和管理。監控系統實時監控護網門的日常狀態，定時上報護網門的狀態，護網門開啟后，管理系統平臺收到護網門開啟信息，管理系統軟件以彈窗形式顯示護網門開啟，并以聲、光報警，提示護網開啟，系統工作原理及流程如圖2 所示。

圖2 系統工作原理及流程

1.3 硬件設計

系統硬件主要由智能耦合鎖和護網門狀態監控裝置組成。

1.3.1 智能耦合鎖

智能耦合鎖由太陽能供電、單片機、微型驅動電機及電子鎖芯、藍牙模塊、鎖體、藍牙鑰匙和電子鑰匙組成。

（1）太陽能供電。系統主要通過太陽能電池的充放電，為藍牙模塊、單片機和微型電機等提供可靠的電源；充電電路整體設計思路為：在日光足夠充足的環境下，使用降壓功能電路使過高的太陽能輸出電壓通過電路編程轉換為適合使用的范圍。根據降壓電路所需的條件，以及鋰電池的條件需求，設計原理：在輸入電壓足夠高的時候，通過降壓芯片與外部電路的工作使得輸出電壓穩定在4.2 V，達到收集太陽能并給鋰電池充電的目的。

（2）單片機。單片機主要設計控制電路，用于控制微型電機的開啟。

（3）微型驅動電機及電子鎖芯。這是智能耦合鎖區別于其他電子鎖的主要標志，因為智能耦合鎖按照需求必須具有內外開鎖功能，因此鎖芯必須采取通體鎖芯，實現內外開鎖。

（4）藍牙模塊。藍牙模塊指集成藍牙功能的芯片，用于短距離的數據無線網絡通信，可以方便地和手機APP 的藍牙設備連接，實現與主模塊之間的數據互通，避免繁瑣的線纜連接，可與各類手機藍牙配對使用。藍牙鑰匙設計一個指示燈、一個照明燈；指示燈用來提示藍牙連接與操作信號。指示燈綠燈閃爍表示藍牙鑰匙的藍牙開關打開，等待手機搜索信號連接藍牙鑰匙。紅燈長亮：表示藍牙鑰匙與手機連接成功。綠燈長亮表示藍牙鑰匙接受到手機發出的操作信號。照明燈用于夜間照明，方便插入鑰匙孔內。

藍牙鑰匙與電子鑰匙的區別：①開鎖的方式不同：電子鑰匙插入鎖芯就可以直接開鎖，無需手機APP，開鎖方式相對簡單快捷；藍牙鑰匙需和手機APP 連接；②采用不同的供電方式：電子鑰匙內置2032 紐扣電池，藍牙鑰匙為充電電池；③開鎖信息傳輸不同：電子鑰匙開鎖后不能直接傳輸實時開鎖信息，只是記錄存儲在鎖芯內部，需要時必須通過藍牙鑰匙和手機APP 導出；而藍牙鑰匙可以直接通過手機APP 進行實時傳輸；④授權方式不同：電子鑰匙是用管理器來授權開鎖和取消開鎖權限，不可進行遠程授權，鑰匙需要插入鎖芯才能授權和取消授權，且授權不可設定開鎖時間段，只能設定能否開鎖。藍牙鑰匙授權方式是手機APP 遠程授權，授權時間可自由設定時間段。

1.3.2 護網狀態監控裝置

護網門狀態監控裝置由門磁感應模塊和傳輸模塊組成。

（1）門磁感應模塊。門磁是用來檢測門是否開啟的一個小型感應器，門磁傳感器安裝在鎖具鎖舌位置，它由兩部分組成：較小的部件為永磁體，內部有一塊永久磁鐵，用來產生恒定的磁場；較大的是無線門磁主體，它內部有一個常開型的干簧管，當永磁體和干簧管靠得很近時，無線門磁傳感器處于工作守候狀態，當永磁體離開干簧管一定距離后，無線門磁傳感器立即發射電信號。門磁感應模塊參數如下：尺寸：9.5 mm×22 mm；感應距離：15～25 mm；開關形式：常閉型、常開型；電氣參數：最大功率10 W，最高電壓100 V，最大電流0.5 A；外殼材料：ABS，白色；ABS，棕色；適用范圍：鐵質或金屬門磁。

（2）傳輸模塊。無線通信模塊是一種物聯網無線數據終端，利用公共運營商網絡為用戶提供無線長距離傳輸功能，采用高性能的工業級16/32 位通信處理器工業級無線模塊，以嵌入式實時操作系統為軟件支撐平臺，可直接連接串口設備，實現數據透明傳輸，將護網門狀態實時信息傳輸到監控管理平臺，以確保對防護門狀態的實時監控。

1.4 軟件設計

軟件系統主要包括手機APP 用戶端和管理系統平臺。

1.4.1 手機APP 用戶端

用戶在手機安裝該用戶端APP，使用該APP 來接收授權、開鎖、關鎖、采集數據、上傳記錄等日常操作。手機APP 開鎖功能是手機APP 用戶端基本的功能，手機APP 與智能耦合鎖藍牙建立連接，實現手機APP 用戶端直接開鎖。

1.4.2 管理系統平臺

管理系統平臺指管理部門或管理人員通過辦公室的計算機，對鎖具和員工進行信息管理和任務分配等操作。

管理系統平臺包括兩個獨立的部分：數據庫和PC 端操作系統。數據庫可以安裝在用戶指定的服務器，也可以使用云端服務；PC 端軟件用于對鎖具和員工進行管理，包括發送開鎖權限、采集鎖具狀態、統計員工記錄等功能。數據庫防火墻部署于應用服務器和數據庫之間。用戶必須通過該系統才能對數據庫進行訪問或管理。數據庫防火墻所采用的主動防御技術能夠主動實時監控、識別、告警、阻擋繞過企業網絡邊界防護的外部數據攻擊、來自于內部的高權限用戶的數據竊取、破壞、損壞等，從數據庫SQL 語句精細化控制的技術層面，提供一種主動安全防御措施，結合獨立于數據庫的安全訪問控制規則，幫助用戶應對來自內部和外部的數據安全威脅。

2 技術創新點

（1）智能耦合鎖鎖芯內置64 位加密芯片。此芯片是一款高速度、高性能64 位信息安全芯片，集成高速的安全算法和通信接口，摒棄傳統的數據加解密處理方式，使數據流加解密速度大幅提升。

（2）采用隔離艙結構，屏蔽開鎖工具，防止技術性盜開。鎖芯與鑰匙采用三觸點接觸進行數據信息核對，屏蔽開鎖工具，任何機械工具無法進行技術盜開。

（3）無源鎖芯，故障率低，穩定性好。鎖芯采用無源結構，當需要用智能鑰匙開鎖時，智能鑰匙為鎖芯提供電源，鎖芯與鑰匙進行數據信息核對，核對無誤后鎖芯啟動微電機轉動開啟門鎖，鎖芯的無源設計，降低了故障率，提高了穩定性。

（4）鑰匙無法復制，鑰匙丟失可自助掛失，安全無漏洞。鑰匙只有通過管理器針對某鎖芯授權設置后，才能開啟此鎖芯，未被授權的鎖芯或鑰匙無法開啟鎖芯，鑰匙和鎖芯為三觸點接觸，無法復制；鑰匙丟失后可通過管理器刪除此鑰匙的授權或通過管理系統平臺刪除此鑰匙。

（5）后臺管理系統對每一個護網門智能耦合鎖的鎖芯信息、授權信息、開門記錄、任何操作都有記錄，均可以溯源，記錄的信息都存儲在云端，無法偽造；遠程授權、遠程掛失，記錄自動上傳；加強對出入護網的管理、實時掌握護網門開關等信息，實現人員出入護網的數字化管理，將鐵路沿線護網門管理工作信息通過無線網絡自動匯總于管理平臺，方便防護網門的日常動態管理，提高管理水平，建立高效巡邏防控機制，全面構建人防、物防、技防的鐵路治安防控體系。

3 結束語

綜上所述，鐵路安全防護門智能耦合鎖及監控管理系統，綜合運用藍牙通信、信息網絡技術，將原有的機械鎖具開發為光電一體化的新型鎖具。一方面提高鐵路上護網門鎖體實用性，防止非法技術開啟；另一方面加強對出入護網門的管理，實時掌握出入護網門的工作人員的開關門等信息，實現人員進出護網門數字化管理。將工作人員出入護網門日常難以管理的工作自動匯總入管理平臺，供管理者掌握工作人員及護網門的狀態，提高管理能力，建立高效巡邏防控機制，全面構建人防、物防、技防的鐵路治安防控體系。