高鐵作業巡查智能管控系統的研究與應用

鮑軍銀 中國鐵路上海局集團有限公司合肥電務段

1 研究背景及意義

目前高鐵檢修作業，需要通過通道門上道。然而作為設備管理單位進行設備檢修和應急搶修的重要通道，通道門的鑰匙管理，卻基本上還是采取傳統人工管理的方式。管理層無法通過系統進行管控，鑰匙平時使用混亂，難追責，隱患多。

以某高鐵維修段管理現狀為例：段調度中心保管管內通道門鑰匙1 套，各車間保管各自管內通道門鑰1 套，各工區保管各自管內通道門鑰匙3套。各級均安排有專人作為通道門鑰匙管理員，當有天窗作業計劃時（一般在0：00—04：00），作業負責人需向鑰匙管理員申請并領取所需通道門鑰匙，作業結束后需按時歸還鑰匙并在“通道門鑰匙使用登記簿”上進行登記，同時鑰匙管理員簽字確認?？梢钥闯?，目前的通道門鑰匙管理方式，需要管理單位內持有數量眾多的鑰匙，這種書面申請領取、歸還通道門鑰匙的管理模式，給管理帶來了眾多問題：①非常依賴鑰匙使用人員的責任心和業務素質，鑰匙存在較大的丟失、被盜的風險，極大威脅了高鐵運營安全；②工作過程不透明，不便于后期取證查詢；③歷史數據統計困難；④審批流程復雜，時間長，可能導致進度延誤；⑤因受時間、地點及人為等因素制約，工作流程難以高效流轉。

因此，為提高通道門鑰匙信息化管理水平，實現高鐵檢修作業的信息化、智能化，設計開發高鐵作業巡查智能管控系統。高鐵作業巡查智能管控系統通過RFID 探測技術，實現通道門鑰匙與鑰匙孔位一一對應，并且可以實時探測鑰匙是否在孔位上。通過指紋識別技術，實現申請作業鑰匙的授權領取，安全高效。同時在上道作業過程中可實現鑰匙使用的全流程卡控與追溯。

2 系統架構流程設計及關鍵技術

2.1 系統總體架構

高鐵作業巡查智能管控系統主要由以下 4 部分組成：智能鑰匙柜（設備終端）、云服務平臺（服務端）、WEB 管理平臺（管理員端）、APP 和微信平臺（用戶端）。系統總體架構如圖 1 所示:

圖1 高鐵作業巡查智能管控系統架構

（1）智能鑰匙柜：屬于系統硬件設備。智能鑰匙柜的主要功能是完成鑰匙的發放、歸還、記錄等操作；過程中進行鑰匙及使用人員的身份權限識別工作；執行開閉柜門、鑰匙的操作；鑰匙柜配有高清攝像機，可對操作人員進行抓拍記錄。

（2）云服務平臺：是智能鑰匙柜和管理員端、用戶端軟件信息流的匯聚點和傳輸紐帶。云服務平臺主要完成系統的數據處理和交互；存儲鑰匙使用人員的詳細資料、權限信息；記錄、分析智能鑰匙柜使用過程中產生的相關數據。

（3）APP 和微信端：主要由操作鑰匙的相關人員使用，其中包括使用鑰匙的工作人員和管理審批的工作人員。用戶端主要完成鑰匙使用時的申請及審批，任務信息記錄，消息通知及公告等日常操作；存儲作業過程中的作業信息、作業內容、作業時間和歷史操作等數據。

（4）WEB管理平臺：由系統的管理人員進行操作，可以對鑰匙和使用人員進行增設、注銷、權限配置、身份匹配等日常操作，還可以從云服務平臺獲取鑰匙領取、歸還記錄與使用人員相匹配的數據，并生成統計報表，以供取證和導出。

2.2 用戶身份設計

（1）維護員。主要負責設備部署與維護，可以配置鑰匙柜系統運行模式、服務端地址和連接方式等、初始化或重置數據、備份與恢復數據、添加管理員、刪除管理員、重置管理員信息。

（2）管理員。用于管理鑰匙與用戶，可以添加、刪除、修改、查詢所有普通用戶與鑰匙的信息（包括鑰匙的名稱、說明、鎖位、當前狀態與用戶的身份信息、權限、密碼等），可以查詢所有使用日志，還可以修改自己的個人信息與添加其他管理員。

（3）普通用戶。用于日常取還鑰匙，可以查看有權限取還的鑰匙的信息（如果鑰匙已被借可以提供借用人的聯系信息），也可以修改自己的部分身份認證信息與聯系方式。

2.3 鑰匙管理流程

鑰匙領取人員需事先在系統中錄入身份信息，并匹配相對應權限的鑰匙。當人員需領取鑰匙時，先使用APP 或微信小程序添加使用申請，填寫申請事由、申請時間、通道號、申請人。審批人在設備上收到申請后，可進行審批。審批通過后，申請人可通過指紋、刷卡或密碼驗證身份，驗證成功后，柜門鎖自動打開。此時，在鑰匙柜終端上點擊要領取的鑰匙圖標或按鑰匙對應編號，選擇好鑰匙后即可取走鑰匙，再關閉柜門。歸還鑰匙時，在身份驗證通過后，柜門開啟，插入鑰匙，RFID 驗證鑰匙身份信息與鎖孔相匹配后，電控鎖自動鎖死該鑰匙栓，系統語音提示歸還成功后，再關閉柜門。在整個過程中攝像機會自動開啟錄像，錄像文件隨鑰匙領取記錄一起上傳至服務器，以便后期查詢取證.

2.4 關鍵技術

（1）基于RFID 的鑰匙管理。智能鑰匙柜中的每把鑰匙都配備有RFID 鑰匙牌，通過RFID 的智能識別，可以實現鑰匙的定點定位管理；系統會自動記錄鑰匙在位、離位、錯位狀態；錯位放置鑰匙時，鑰匙柜會進行預警提示，防止放錯位置，保證鑰匙使用規范。

（2）基于鎖控裝置的鑰匙管理。鑰匙的存放位置處帶有鎖控功能，鑰匙的使用權限可以分配到每把鑰匙。只有通過管理員授權認證后，才能從鎖控裝置中領取或歸還鑰匙；鑰匙動作（領用與歸還）與人員信息綁定，自動記錄領用記錄，實現鑰匙跟蹤監測；同時還可設置鑰匙借用策略，若超期未還，進行報警提示。

（3）多重認證的鑰匙管理。鑰匙存取支持指紋識別，刷卡，密碼等多種身份認證方式。只有通過系統認證后，鑰匙柜才會打開柜門并記錄每次的工作數據信息。領用和歸還鑰匙均會觸發攝像頭抓拍工作，自動記錄人員操作的視頻畫面，保證鑰匙使用的高安全性。

（4）軟件系統管控的鑰匙管理。系統采用B/S 框架模式設計，系統操作方便，系統為每把鑰匙建立檔案、監控鑰匙實時狀態，追蹤鑰匙使用記錄、設置人員權限等。

3 主要功能模塊說明

鑰匙柜采用linux 系統設計，每個鑰匙栓上都嵌入RFID芯片，通過RFID 讀卡器識別，取鑰匙和還鑰匙通過電磁鐵控制。主控板是基于NXP i.MX6ULL 系列處理器設計的一款低功耗、高性能的嵌入式SOM。MPU 主頻高達800 MHz，512 MB 的 DDR3 內存，存儲有 8GB eMMC。采用 7 寸 RGB 電容觸摸屏、500萬像素的OV5640攝像頭、移遠EC20CEFAG的4G模塊，WM8960CGEFL音頻編解碼以及USB、RS232、RS485通信模塊。系統框圖如圖2所示：

圖2 主控板系統框圖

linux系統核心MPU：主控板采用I.MX6ULL，是NXP出品的一款針對HMI、IOT等領域的MPU，最高主頻800MHz，內核采用ARM 的Cortex-A7，集成電源管理。RAM 方面I.MX6ULL 支持 16 位 LPDDR2、DDR3 和 DDR3L，flash 方面支持NAND flash、NOR flash，eMMC等。外設資源豐富，支持I2C、SPI、CAN、NET、UART、ADC、SAI等接口。

7 寸 RGB 電容觸摸屏：采用 GT911 電容觸控芯片，GT911是專為7″～8″設計的新一代5 點電容觸控方案，擁有26 個驅動通道和14個感應通道，以滿足更高的touch精度要求；同時內置電容檢測電路及高性能MPU。特點：①觸摸掃描頻率：100 Hz；②觸摸點坐標實時輸出；③統一軟件版本適用于多種尺寸的電容屏；④單電源供電，內置1.8V LDO；⑤Flash 工藝制程，支持在線燒錄。芯片原理圖如圖3所示：

圖3 電容屏芯片原理圖

攝像頭：500W 像素的OV5640攝像頭模塊，采用1/4寸的百萬高清CMOS傳感器制作。具有高靈敏度、高靈活性、支持JPEG 輸出等特點。并且支持曝光、白平衡、色度、飽和度、對比度等眾多參數設置，支持JPEG/RGB565格式輸出。模塊特點:①高靈敏度、低電壓適合嵌入式應用；②標準的SCCB 接口，兼容I2C接口；③支持自動曝光控制、自動增益控制、自動白平衡、自動消除燈光條紋、自動黑電平校準，圖像質量控制包括色飽和度、色相、銳度等設置；④支持圖像縮放、平移和窗口設置；⑤支持圖像壓縮，即可輸出JPEG 圖像數據；⑥自帶嵌入式微處理。模組原理圖如圖4所示;

圖4 攝像圖模組原理圖

4G 通信模塊：采用移遠的EC20CEFAG 模塊，設計成通用的板載PCIe 接口，支持PCI Express Mini Card 接口的LET模塊，采用LTE 3GPP Rel.11 技術，支持最大下行速率150Mbps 和最大上行速率50Mbps，移遠通信多網絡制式LTE Cat 3 EC20 Mini PCIe-C 模塊和Cat 4 EC20 R2.0 Mini PCIe-C模塊，實現了從3G 網絡向4G 網絡的輕松平滑過度。EC20 R2.1 Mini PCIe-C 模塊模塊能夠向后兼容現存的EDGE 和GSM/GPRS 網絡，以確保在缺乏3G 和4G 網絡的偏遠地區也能正常工作。PCle接口設計及SIM卡設計如圖5、圖6所示：

圖5 PCle接口設計

圖6 SIM卡設計

RFID 讀卡識別和電磁鐵控制鑰匙栓：模塊采用STM8S103F3P6單片機控制，采用NXP的射頻卡RC522芯片，RC522 是一款基于頻率 13.56 MHz 的 IC 卡/S50/S70/M1 卡/復旦M1 卡的讀寫芯片，能夠對這些卡進行塊讀和塊寫，以及扇區讀和扇區寫，以及卡片各個扇區的加密，同時支持針對CPU 卡的識別和CPU 卡的卡片序列號的讀取，與主控制之間采用RS485通信接口。STM8S103F3P6電路設計、RS485接口電路設計、RC522 電路設計、電磁鐵驅動電路設計分別如圖7、8、9、10所示：

圖7 STM8S103F3P6電路設計

圖8 RS485接口電路設計

圖9 RC522電路設計

圖10 電磁鐵驅動電路設計

4 結語

高鐵作業巡查智能管控系統融合了信息化管理的新理念，對高鐵作業通道門鑰匙進行全方位、科學化的集中管理，具有智能、安全、便捷、高效等特點。系統基于物聯網技術、RFID射頻感應技術、云服務技術、數據庫技術等研制而成，是集鑰匙保管、自助取還、自動記錄、追溯查詢等功能于一體的智能化管理系統。本系統應用前景廣泛，安全性、便捷性大大優于人工，降低了人力成本和時間成本。后續技術研發可以融入大數據技術，不斷優化系統所管理的物品流通效率，同時利用區塊鏈技術增強系統的安全穩定性，利用模塊化技術使系統的應用場景更加廣泛，開拓新市場空間，降低研發成本。