電子掛鎖
——新型門禁管理系統(tǒng)在故宮博物院的應(yīng)用

引言

故宮博物院是具有600年歷史的明清兩代各朝帝王的皇宮禁地，占地面積約72萬(wàn)多平方米，擁有宮殿堂閣等近萬(wàn)間，墻連房，院套院，建筑規(guī)模宏大、結(jié)構(gòu)獨(dú)特、氣勢(shì)雄偉，是全國(guó)最大的文物古建筑群，既是國(guó)家重點(diǎn)文物保護(hù)單位、世界文化遺產(chǎn)，又是5A級(jí)風(fēng)景旅游景區(qū)和愛國(guó)主義教育基地。故宮是集古建筑、文物收藏、保護(hù)、陳列展覽一體的大型國(guó)家級(jí)博物館，收藏文物180萬(wàn)件，藏品占全國(guó)文物系統(tǒng)館藏總量的1/10，其中一級(jí)文物占全國(guó)文物系統(tǒng)館藏一級(jí)品的1/6。作為不可再生資源的文化遺產(chǎn)，故宮建筑、園林本身及其館藏珍品，在防盜、防火、防破壞為中心的安全保衛(wèi)工作方面，顯得尤為重要。2013年4月，旨在解決故宮存在的火災(zāi)隱患、盜竊隱患、震災(zāi)隱患、藏品自然損壞隱患、文物庫(kù)房隱患、基礎(chǔ)設(shè)施隱患、觀眾安全隱患等七大安全問題的“平安故宮”工程被批準(zhǔn)立項(xiàng)，其中門禁系統(tǒng)升級(jí)改造項(xiàng)目是“平安故宮”工程安全防范新系統(tǒng)的重要組成部分，該項(xiàng)目的核心是為故宮量身定制一把“電子門鎖”，提升出入口管理的安全性。

一、項(xiàng)目背景

作為現(xiàn)代化安全管理系統(tǒng)的重要組成，門禁系統(tǒng)早已超越了單純的門道及鑰匙管理，它已經(jīng)逐漸發(fā)展成為一套完整的出入管理系統(tǒng)，在工作環(huán)境安全、人事考勤管理等行政管理工作中發(fā)揮著較大的作用。但因?yàn)楣蕦m古建筑環(huán)境的特殊性，大門厚重不便于安裝閉門器，且出于古建保護(hù)的角度考慮，電控鎖、讀卡器等設(shè)備安裝也不可避免的會(huì)對(duì)古建筑造成一定程度的破壞，因此故宮的出入管理長(zhǎng)期以來(lái)是靠一套鑰匙領(lǐng)用程序，通過對(duì)上千把機(jī)械掛鎖的管理來(lái)實(shí)現(xiàn)。但在實(shí)際應(yīng)用中，存在著一些不足，一是機(jī)械掛鎖防盜性能差，稍微具備專業(yè)知識(shí)的人員或者借助專業(yè)開鎖工具，即可打開；二是開啟與閉合不能始終處于受控狀態(tài)，中控室值班人員無(wú)法隨時(shí)掌握每個(gè)部位的即時(shí)安全情況；三是機(jī)械掛鎖起不到應(yīng)急作用，故宮內(nèi)一些區(qū)域古建筑緊密相連，建筑結(jié)構(gòu)間高墻矮墻相互交錯(cuò)，主殿、配殿、耳房、夾道眾多復(fù)雜，一旦發(fā)生火災(zāi)等突發(fā)事件，需要領(lǐng)用數(shù)把甚至數(shù)十把鑰匙才能打開各路通道以配合各支應(yīng)急搶險(xiǎn)隊(duì)伍，從應(yīng)急處置的角度考慮，在鑰匙領(lǐng)用和門鎖開啟的環(huán)節(jié)均有待提高；四是在開放展覽、庫(kù)房檢查、設(shè)備維修等日常工作中，也經(jīng)常需要領(lǐng)用大量鑰匙，給工作帶來(lái)不便。

二、設(shè)計(jì)思路

結(jié)合故宮的實(shí)際情況，電子門鎖的設(shè)計(jì)原則和需要的功能包括：

1、鎖具安裝不能破壞原有門的結(jié)構(gòu)，安裝方式與原有機(jī)械掛鎖的安裝方式要保持一致，做到完全兼容替換。

2、防火工作是故宮安全保衛(wèi)工作的重中之重，考慮到防火要求，鎖具應(yīng)采用直流供電，如電池供電，但要通過低功耗的設(shè)計(jì)盡量延長(zhǎng)電池使用壽命。

3、管線安裝對(duì)古建筑同樣會(huì)造成一定程度的破壞，因此鎖具的信號(hào)傳輸應(yīng)采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

4、鎖具的開啟、閉合能夠與中控室進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，系統(tǒng)可發(fā)出報(bào)警信息、在地圖上顯示報(bào)警位置、聯(lián)動(dòng)周圍攝像機(jī)進(jìn)行圖像復(fù)核。

5、可與“鑰匙管理系統(tǒng)”對(duì)接，實(shí)現(xiàn)領(lǐng)用人+電子鑰匙+領(lǐng)用時(shí)間+開鎖時(shí)間+閉鎖時(shí)間+歸還鑰匙時(shí)間的閉環(huán)管理，如領(lǐng)用人在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未正常鎖閉或未歸還電子鑰匙，系統(tǒng)將發(fā)出告警信息。

6、可對(duì)鑰匙進(jìn)行分級(jí)授權(quán)管理，可限定哪些人在哪些時(shí)段可以使用哪些鑰匙。

7、一把鑰匙可以設(shè)定開啟多把門鎖，便于日常領(lǐng)用與應(yīng)急處置，在要害部門如中控室、鑰匙房可留存應(yīng)急處置專用電子鑰匙，可開啟全院門鎖。

8、電子鑰匙和鎖具均具有開啟、閉合記錄查詢功能。

9、電子鑰匙丟失可進(jìn)行掛失處理，遠(yuǎn)程關(guān)閉對(duì)鑰匙的授權(quán)，無(wú)法再進(jìn)行開啟。

三、系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由電子掛鎖、電子鑰匙、智能手持機(jī)、無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)器、無(wú)線接收主機(jī)、電子鑰匙讀寫器、報(bào)警系統(tǒng)服務(wù)軟件等七部分組成。

1、電子掛鎖：具備電子鑰匙ID合法性識(shí)別、電子鑰匙有效時(shí)間識(shí)別、電子鑰匙時(shí)間窗識(shí)別等功能。并通過無(wú)線報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與中控室的無(wú)線連接，實(shí)時(shí)掌握掛鎖的啟閉狀態(tài)，并具備自動(dòng)記錄和事后查詢功能。電子掛鎖使用的射頻傳輸部分采用電量需求極低的設(shè)計(jì)，大幅延長(zhǎng)了電池供電時(shí)間。在系統(tǒng)工作過程中，電子掛鎖大部分時(shí)間處于低功耗休眠狀態(tài)，其中無(wú)線通信部分的休眠功耗低于5微安，在每天每個(gè)電子掛鎖至少4次啟閉操作并且支持臨時(shí)開關(guān)的條件下，電池至少可以使用2年時(shí)間。

圖1 電子掛鎖

2、電子鑰匙：預(yù)留接口與電子掛鎖通訊。高保密性無(wú)法復(fù)制和非法讀取，經(jīng)過系統(tǒng)授權(quán)后可以匹配無(wú)限制數(shù)量的電子掛鎖，并同時(shí)具備電子鑰匙分級(jí)授權(quán)管理、電子鑰匙掛失管理、電子鑰匙有效時(shí)間管理、電子鑰匙時(shí)間窗管理等分級(jí)管理功能。內(nèi)置存儲(chǔ)芯片，能夠存儲(chǔ)1000條開鎖記錄。外置標(biāo)準(zhǔn)Mini USB接口，能夠?qū)﹄娮予€匙進(jìn)行充電、授權(quán)管理。

圖2 電子鑰匙

3、智能指紋手持機(jī)：具備注冊(cè)電子掛鎖、電子鑰匙ID授權(quán)、電子掛鎖時(shí)間校對(duì)、采集提取開鎖記錄、電子鑰匙掛失等功能。升級(jí)后可采用靜脈識(shí)別技術(shù)。

圖3 智能指紋手持機(jī)

4、無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)器：無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)器和其相連的多個(gè)電子掛鎖組成一個(gè)星型通信網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)電子掛鎖啟閉及異常報(bào)警等信息的采集與傳輸。接掛鎖發(fā)出的無(wú)線報(bào)警信號(hào)和數(shù)據(jù)，并經(jīng)智能判斷處理，自動(dòng)發(fā)送諸如掛鎖開啟時(shí)間、掛鎖閉合時(shí)間、非法開啟、電池低電壓等報(bào)警信號(hào)到中控室的報(bào)警接收主機(jī)上。電子掛鎖具備無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能，配合遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控掛鎖的狀態(tài)并實(shí)時(shí)上傳開鎖、鎖閉、非法開啟等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與中控室的無(wú)線連接，通過LORA傳輸技術(shù)和擴(kuò)頻通信技術(shù)，提高傳輸距離和抗干擾性，通過數(shù)據(jù)加密技術(shù)提高數(shù)據(jù)傳輸安全性和可靠性。

5、報(bào)警接收主機(jī)：在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中位于無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)器和服務(wù)器之間，通過無(wú)線通訊鏈路與無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)器雙向通訊，通過TCP/IP與服務(wù)器雙向通訊。接收天線具備工業(yè)級(jí)防雷設(shè)計(jì)，保證抗雷擊干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)故宮博物院多發(fā)雷區(qū)現(xiàn)狀。

為保障報(bào)警系統(tǒng)24小時(shí)無(wú)間隙工作，系統(tǒng)需配備1000VA不間斷電源。

6、電子鑰匙讀寫器：用于系統(tǒng)管理軟件設(shè)置電子鑰匙ID及時(shí)間數(shù)據(jù)等。

7、系統(tǒng)管理軟件：具備電子鑰匙注冊(cè)、電子掛鎖設(shè)備注冊(cè)、電子鑰匙時(shí)間授權(quán)管理、操作人員登記注冊(cè)、電子鑰匙授權(quán)及掛失、開鎖記錄查詢等功能。系統(tǒng)將電子掛鎖非法開啟信息以UDP協(xié)議的傳輸方式輸送給入侵報(bào)警系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過電子掛鎖的位置與視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)建立一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)非法開鎖自動(dòng)聯(lián)動(dòng)切換攝像機(jī)畫面，供中控室值班員迅速判斷現(xiàn)場(chǎng)情況。

圖4 系統(tǒng)管理軟件

圖5 系統(tǒng)架構(gòu)圖

四、工作流程

1、電子掛鎖啟用流程

2、電子鑰匙授權(quán)流程

3、鑰匙領(lǐng)用流程

[1]王振，門禁系統(tǒng)在博物館的應(yīng)用，信息安全與技術(shù)2015（1）。

[2]文世敏等，校園智能門禁電子門鎖系統(tǒng)解決方案，科技信息2013（13）。