基于无源智能锁的高铁栅栏门远程控制系统的研发

2019-12-28李可东

铁路计算机应用 2019年12期

李可东

（中国铁路南宁局集团有限公司科学技术研究所，南宁 530022）

高速铁路要求线路两侧按标准设置防护栅栏进行全封闭管理，各专业人员上道作业时均需通过栅栏门进出，因而在栅栏门的管理上存在人员进出频繁、多头管理等问题，是制约高铁运营安全管理的一个薄弱环节。

针对这一情况，各铁路局集团公司陆续出台相关管理办法。南宁局集团有限公司（简称：南宁局）颁布了《高速铁路防护栅栏管理办法》[1]，制定了高铁沿线栅栏门的使用方式与管理办法，但由于高铁栅栏门普遍使用普通机械挂锁，只具有简单的开闭锁功能，无法实现远程控制，因此在日常施工作业管理中存在以下问题：

（1）管理人员无法远程控制栅栏门开关状态，作业人员可提前开锁违规进入线路，易发生安全事故；

（2）台账管理混乱、易丢失，管理人员无法准确地掌握管辖范围内各栅栏门开闭锁记录，导致事后追责困难；

（3）栅栏门钥匙集中在车站统一管理，工区和车站距离较远，借、还钥匙费时费力，紧急情况下无法及时开门；

（4）栅栏门采用多把机械锁串连的形式，供工务、电务、供电、通信等部门使用，每把锁须配备至少5把钥匙，机械钥匙数量庞大、管理困难，易产生错借、丢失、违规复制等问题。

国内外智能锁技术发展迅速，已在共享单车[2]、智能家居[3]和国家电网系统等领域得到广泛应用。但智能锁技术在铁路栅栏门管理中的应用目前只集中在有源锁具[4]，存在现场安装取电难，施工成本高，后期维护难等问题。

综上，为了加强对高铁栅栏门的控制和管理，消除安全隐患，提高工作效率，本文基于无源智能锁，研发了高铁栅栏门远程控制系统。

1 系统方案设计和总体架构

1.1 方案设计

本文基于无源智能锁进行系统研发，利用有源智能钥匙给无源智能锁供电的方式，解决有源锁具存在的各种应用问题。

经调研可知，目前有源智能钥匙均集成了安全验证芯片和内置可充电电池，按其技术特点的不同分为3种：全功能智能钥匙[5]、半功能智能钥匙[6]和简单智能钥匙+手机App，3种类型的特点比较如表1所示。

表1 3种有源智能钥匙的特点比较列表

经对比，简单智能钥匙+手机App的模式具有可靠性高、制造成本低、授权灵活等优点。该模式中内嵌的低功耗蓝牙技术[7]已发展成熟，在智能手机、共享单车和智能汽车等领域得到广泛应用。结合手机App程序可实现授权到人、责权清晰，同时保证通信的方便可靠，符合当前高铁栅栏门的管理目标。综上，本系统采用无源智能锁+有源智能钥匙+手机App的方案。

1.2 总体构架

高铁栅栏门远程控制系统由无源智能锁、智能钥匙、手机App、指挥中心授权终端PC和云服务平台构成。作业人员通过手机App提出开锁申请，指挥中心授权人员在终端PC上批准授权，手机App在移动网络支持下自动更新、获得开锁权限，并通过蓝牙把权限传送到智能钥匙，智能钥匙插入智能锁孔即可开锁，从而实现管理人员对智能锁的远程控制。系统总体构架如图1所示。

图1 系统总体构架图

2 系统软硬件组成

2.1 系统硬件组成

2.1.1 无源智能锁

不同于传统的电子锁，无源智能锁[8]无电源，该类智能锁工作时电源由钥匙提供。其锁芯采用离合式结构，只有插入授权钥匙解码，带动控制电机转动，才能实现开锁，锁芯的电路芯片具有存储开锁日志的功能。

无源智能锁的锁芯、锁体和锁梁材质均选用SUS304，具有足够的防压、防剪能力和IP65级别防水等级，工作温度范围为-20℃～70℃，可适应多雨水、温度高等气候特点。电子锁芯采用无源空转设计，锁梁采用自动弹出式双边卡锁承力结构，能防撬、防钻。无源智能锁如图2所示。

图2 无源智能锁示意图

2.1.2 智能钥匙

智能钥匙由蓝牙模块、电源管理模块和控制模块构成。钥匙内部使用低功耗蓝牙，内置可充电锂电池。智能钥匙在空闲时，蓝牙一直处于广播状态。手机App蓝牙搜索、连接钥匙后，通过加密途径授予钥匙开锁权限，在连接过程中，同时完成时间校准和日志上传。开锁时，将智能钥匙插入无源智能锁锁孔，通过钥匙上的触点给锁芯供电和进行通信。锁芯被激活后，双方根据ID号进行双向秘钥认证[9]，只有认证通过后才能开锁。电源管理模块主要对可充电电池进行管理。智能钥匙如图3所示。

图3 智能钥匙示意图

2.2 系统软件组成

系统软件部分由云服务端程序和手机App（android）组成。云服务端程序安装在远程云服务器上，包括App接口、平台网站、MySQL数据库及Tomcat Web应用服务器。考虑到网络安全防御[10]的专业性，数据保护与恢复的可靠性,以及运行状态监控的实时性，选用腾讯云服务器来完成与手机App、平台（网站）的数据交互和处理。系统软件数据流如图4所示。

图4 系统软件数据流示意图

2.2.1 平台（网站）

平台（网站）采用B/S结构，使用Java语言编写 ,运用了 easyui、ajax、json、jquery、springmvc、mybatis等技术。平台具有单作业授权、批量授权、作业状态自动转变、日志查询、记录查询、用户角色管理、权限设置、单位管理、栅栏门管理、智能锁管理等功能。平台（网站）界面如图5所示。

图5 平台（网站）界面示意图

2.2.2 手机App

手机App基于Android系统开发，使用Java语言编写[11]，利用App接口与云端服务器连接通信，具有作业申请、蓝牙搜索钥匙、离线码授权、进出门照片上传、作业状态自动转换、锁具信息管理、系统设置等功能。手机App界面如图6所示。

3 系统作业流程和功能

3.1 系统作业流程

系统管理人员须事先在系统中录入施工负责人员和管理授权人员信息，并匹配相对应的角色权限。系统作业基本流程如图7所示。

（1）施工计划得到批准后，施工负责人根据施工计划在手机App上填写作业申请，并通过移动网络或Wi-Fi进行提交；

（2）指挥中心管理授权人员根据调度命令审核申请，决定授权或拒绝，若拒绝，则由施工负责人在手机App上修改后再次提交申请，若授权，则手机App通过移动网络自动更新，获得开锁权限；

（3）手机App利用蓝牙搜索并连接智能钥匙，传送开锁权限；

（4）将智能钥匙插入无源智能锁中实现开锁；

（5）进门后通过手机App上传进门照片和日志文件，作业结束、出门闭锁后，上传出门照片和日志文件，并自动删除钥匙开锁权限，从而结束本次施工作业。

图6 手机App界面示意图

图7 作业基本流程示意图

3.2 系统功能

3.2.1 蓝牙在线开锁和离线开锁

根据智能钥匙是否保存开锁权限，可将开锁模式分为蓝牙在线开锁模式和蓝牙离线开锁模式。蓝牙在线开锁是指钥匙通过蓝牙与手机App连接，在线获得开锁权限，开锁时日志实时上传，若蓝牙断开，则钥匙丢失开锁权限，无法开锁。蓝牙离线开锁是指手机App通过蓝牙连接下载权限至智能钥匙，钥匙不需连接蓝牙即可实现开锁，但开锁日志需手动上传。2种开锁模式各有优点，从使用方便的角度考虑，蓝牙离线开锁模式的体验更好，是本系统的默认开锁模式。

3.2.2 离线码开锁

高铁线路实现了全面的GSM-R网络覆盖，可以通过手持终端进行稳定的语音和短信通信，但铁路线路上并未实现移动网络的全覆盖。部分线路属于山区铁路，地理环境条件复杂，个别运行区段移动网络信号弱，甚至没有信号。离线码开锁功能有效解决了没有移动网络的问题。指挥中心授权人员在PC端平台上授权并生成离线码，通过手持终端语音或短信把离线授权码发送至现场施工人员，现场施工人员在手机App上输入离线授权码即可得到开锁权限，实现开锁，在预先设置的天窗点+延迟时间后，钥匙开锁权限自动失效。

3.2.3 开锁信息存储

智能钥匙内置可存储芯片，记录开锁信息，包括开锁时间、栅栏门编号、锁编号、授权天窗点、作业负责人等。手机App连接钥匙时自动或手动上传开锁日志至云服务器数据库。保存的开锁信息反映真实的开锁情况，有利于事后查询和分析统计。

3.2.4 作业状态自动变更

在PC端授权页面和手机App上均可查看当前作业状态。施工作业分为4种状态，包括待授权、作业时间已过/晚点未进门、作业已授权可开锁和已进门/作业完成。分别用不同的背景颜色来区分和提醒，每当作业状态改变时，手机App和PC机界面作业状态颜色均自动转变。作业天窗点已过且作业未结束（未上传出门照片）的情况下，作业状态栏底色变为红色，手机App会发出持续震动和弹出文字提示框进行提醒。

3.2.5 用户权限配置

系统用户角色管理及权限分配灵活，在平台（网站）上可给不同部门人员分配用户角色和相应权限，授予其申请作业、批准授权和查看日志等功能。申请和授权均可指定线路区间范围，各部门的授权人员在平台（网站）上只能查看和授权本部门作业人员的申请，无法查看其他部门作业申请，更无法进行授权，从而实现各部门独立管理。

3.2.6 多作业申请

考虑到多组作业人员进出栅栏门会出现重叠申请的情况，系统的作业申请功能包含动力车进出、多组进出和重复申请等选项。考虑到指挥中心授权人员工作繁忙、任务多，系统设计了单作业授权和批量授权方式，供灵活选择，可有效减轻指挥人员的授权工作负担，提高工作效率。

4 应用情况

系统于2018年9月开始在南宁局南广线和柳南客专的南宁—南宁东区间范围内试用，这2个区间进出频繁的高铁栅栏门共有10处。6个多月的应用表明，该系统使作业申请和授权简单便捷、开锁迅速可靠、记录齐全、管理方便，有效地消除高铁栅栏门管理盲区，优化钥匙管理流程，提高了施工作业进出栅栏门的效率，实现高铁栅栏门锁具的智能化、网络化、信息化管理。