公安軌道交通多維立體防控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)研究

高彬 李剛 冉旭陽(yáng) 陳明省 左禮宸 公安部第一研究所

引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，為緩解城市交通擁堵的狀況，在加快城市公共交通出行占比的同時(shí)，也帶來(lái)了一些影響安全的因素。其中，軌道交通安全是公安軌道交通業(yè)務(wù)部門(mén)工作中最為關(guān)注的問(wèn)題，如何保證軌道交通安全，實(shí)現(xiàn)“事前有效防范、事中快速響應(yīng)、事后全面追溯”的新型警務(wù)工作模式，是公安軌道交通業(yè)務(wù)部門(mén)的核心工作。

軌道交通安全面臨的主要問(wèn)題和風(fēng)險(xiǎn)有：面對(duì)重點(diǎn)站線早晚運(yùn)營(yíng)高峰，重大活動(dòng)和節(jié)假日、治安事件以及運(yùn)營(yíng)故障引發(fā)的大客流，缺乏有效的預(yù)警和應(yīng)對(duì)機(jī)制；同時(shí)在這些人員密集、客流量巨大的城市軌道交通卡口，由于警力有限和安檢設(shè)備的智能化程度較低等原因，對(duì)于人員身份信息的核查以及隨身物品信息的安檢效率還有待進(jìn)一步提高，也是向科技要警力的前沿陣地。在城市軌道交通卡口，構(gòu)建一套基于多維人員信息感知采集的多維立體防控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，對(duì)通行人員的身份信息和隨身物品信息進(jìn)行快速、全方位的采集，為公安軌道交通業(yè)務(wù)提供多方位、立體化的數(shù)據(jù)來(lái)源，滿足日常警務(wù)工作需求，推動(dòng)智能警務(wù)模式的發(fā)展，在維護(hù)公共交通安全和社會(huì)穩(wěn)定中發(fā)揮了重要作用。

一、整體架構(gòu)

公安軌道交通多維立體防控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)如圖1所示，主要分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層主要負(fù)責(zé)公安軌道交通通行人員信息的感知采集，網(wǎng)絡(luò)層則負(fù)責(zé)將采集到的人員身份信息和物品信息通過(guò)交換機(jī)和網(wǎng)閘等安全設(shè)備接入公安專(zhuān)網(wǎng)，最終這些數(shù)據(jù)信息在應(yīng)用層進(jìn)行匯聚處理和匹配融合，為公安軌道交通警務(wù)應(yīng)用提供服務(wù)。

感知層中以安檢門(mén)形態(tài)呈現(xiàn)的是由公安部第一研究所研發(fā)的最新一代多維人員信息感知門(mén)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)通行人員的身份信息和隨身物品快速無(wú)感感知采集，包含遠(yuǎn)距離身份證卡快速采集、人臉圖像多角度采集、金屬探測(cè)、手機(jī)信息采集以及紅外熱成像測(cè)溫等主要功能。手持式身份證卡信息采集設(shè)備則作為感知門(mén)的有效補(bǔ)充，雙探測(cè)線圈可以根據(jù)不同場(chǎng)景在金屬探測(cè)和身份證卡信息采集之間切換，同樣達(dá)到感知采集的要求。

網(wǎng)絡(luò)層主要由單向隔離網(wǎng)閘和交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備組成，通過(guò)有線組網(wǎng)的方式，將感知層采集到的各類(lèi)數(shù)據(jù)傳送至公安內(nèi)網(wǎng)；應(yīng)用層一方面將匯聚到的各類(lèi)人員身份信息數(shù)據(jù)和物品信息等數(shù)據(jù)通過(guò)協(xié)議解析進(jìn)行匹配融合處理，另一方面可以形成各類(lèi)針對(duì)公安軌道交通業(yè)務(wù)的應(yīng)用，形成完整的多維立體防控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

二、關(guān)鍵技術(shù)分析

（一）兼容時(shí)分復(fù)用的大功率射頻識(shí)別技術(shù)

為了保證對(duì)ISO/IEC14443TypeB協(xié)議的身份證卡的有效識(shí)讀距離達(dá)到35cm，并使天線范圍覆蓋整個(gè)人體，需要對(duì)射頻讀卡器進(jìn)行特殊的優(yōu)化設(shè)計(jì)，來(lái)滿足快速無(wú)感感知采集的要求。通過(guò)研究兼容時(shí)分復(fù)用的大功率射頻識(shí)別技術(shù)，優(yōu)化調(diào)制解調(diào)電路設(shè)計(jì)，提高硬件電路的信息解調(diào)能力，增強(qiáng)身份證卡讀取距離，以提高識(shí)讀成功率；同時(shí)考慮在多線圈組成天線的情況下，射頻讀卡器的驅(qū)動(dòng)能力和天線阻抗匹配等因素，對(duì)射頻電路部分優(yōu)化設(shè)計(jì)以滿足實(shí)際需要。

射頻讀卡器與身份證卡的通信過(guò)程分為兩部分，如圖2所示，由基于Cortex-M3內(nèi)核的高性能STM32主控芯片MCU將身份證卡協(xié)議命令經(jīng)過(guò)編碼后通過(guò)SPI接口輸出到射頻讀卡芯片MFRC531，射頻讀卡芯片將接收的協(xié)議命令與13.56MHz載波進(jìn)行調(diào)制，然后將調(diào)制后的信號(hào)通過(guò)MRF426放大器組成的功率放大電路進(jìn)行功率放大，再經(jīng)由特殊設(shè)計(jì)的射頻天線模塊將13.56MHz載波能量及身份證卡協(xié)議命令發(fā)射出去。由于射頻信號(hào)通過(guò)功率放大電路進(jìn)行了放大，滿足了發(fā)送功率的條件，經(jīng)過(guò)能夠承受大功率的射頻天線輻射到空間，因而身份證卡可以在遠(yuǎn)離射頻天線的空間被激活。

射頻天線將接收到的攜帶身份證卡信息的13.56MHz載波信號(hào)通過(guò)帶通濾波器濾波進(jìn)行幅值衰減，然后把輸出的信號(hào)送到射頻讀卡芯片進(jìn)行解調(diào)。射頻讀卡芯片輸出身份證卡協(xié)議數(shù)字基帶信號(hào)，STM32主控芯片直接對(duì)該信號(hào)進(jìn)行接收，完成身份證卡協(xié)議的解析，最終實(shí)現(xiàn)與身份證卡遠(yuǎn)距離通信。

（二）時(shí)分復(fù)用的多線圈組合天線技術(shù)

通行人員隨身攜帶的身份證卡通過(guò)與射頻讀卡器輻射出13.56MHz電磁波耦合，產(chǎn)生交變電壓，該電壓經(jīng)過(guò)整流、濾波和穩(wěn)壓后，將給證卡的芯片提供直流電壓激活身份證卡芯片，實(shí)現(xiàn)無(wú)線鏈路鏈接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。由于是要快速無(wú)感的情況下對(duì)通行人員攜帶的身份證卡進(jìn)行感知采集，因此身份證卡里天線的極化方向要與射頻讀卡器的電磁波信息相匹配，才能達(dá)到最佳的識(shí)讀效果。為解決傳統(tǒng)的單組線圈組成的天線結(jié)構(gòu)受證卡天線極化方向的影響，造成證卡識(shí)讀率不高的情況，研究時(shí)分復(fù)用的多線圈組合天線技術(shù)，設(shè)計(jì)適合應(yīng)用的天線線型，優(yōu)化線圈結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)，保持磁場(chǎng)的均勻性與穩(wěn)定性，既保證身份證卡的讀取距離和效果，又滿足多組天線異步工作的要求。

當(dāng)身份證卡天線的極化方向與天線線圈產(chǎn)生的電場(chǎng)方向一致時(shí)，也就是身份證卡垂直于大矩形天線線圈（天線尺寸40cm×100cm）中心法線時(shí)，大部分磁力線會(huì)垂直穿過(guò)身份證卡體，使身份證卡在磁場(chǎng)中耦合到最大的磁通量，感應(yīng)到的能量最大，以達(dá)到最佳的讀取效果。

通過(guò)射頻讀卡器內(nèi)部的天線切換控制電路，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)增大發(fā)射輸出功率，控制組合矩形天線線圈以時(shí)分復(fù)用的方式快速輪流工作，保證各天線在其各自覆蓋范圍內(nèi)提供均勻的能量，使身份證卡天線的極化方向與各天線線圈產(chǎn)生的電場(chǎng)方向偏離最小，實(shí)現(xiàn)身份證卡的多天線識(shí)讀，擴(kuò)大了天線的讀取范圍，進(jìn)而提高證卡感知采集的讀取成功率。

（三）定向手機(jī)信息采集技術(shù)

手機(jī)信息包括IMEI（國(guó)際移動(dòng)設(shè)備標(biāo)識(shí)，手機(jī)設(shè)備唯一標(biāo)識(shí)號(hào)）、IMSI（國(guó)際移動(dòng)用戶識(shí)別碼，手機(jī)進(jìn)入運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)識(shí)）和MAC地址（接入Wi-Fi熱點(diǎn)的網(wǎng)卡信息）等。由于這類(lèi)信息具有唯一性的特點(diǎn)，可以作為個(gè)人身份識(shí)別碼，快速篩查鎖定嫌疑人，因此在治安防控、暴恐防范領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。

2019年我國(guó)4G用戶數(shù)已達(dá)到12.3億戶，其中市場(chǎng)以TD-LTE為主，TD-LTE用戶規(guī)模占4G規(guī)模的70%以上。傳統(tǒng)的TD-LTE手機(jī)偵碼主要采用TD-LTE寬帶掃頻干擾+GSM采集方案：首先在TD-LTE頻段上施加干擾信號(hào)，把手機(jī)從TD-LTE網(wǎng)絡(luò)干擾到GSM網(wǎng)絡(luò)，再在GSM網(wǎng)絡(luò)下采集。該方案的主要缺點(diǎn)是：TD-LTE網(wǎng)絡(luò)被完全干擾，對(duì)周邊的TD-LTE通信業(yè)務(wù)有較大的影響，且號(hào)碼還原率不高。

本系統(tǒng)采用TD-LTE直采方案，在SMALLCELL平臺(tái)上基于重選、TAU等原理，實(shí)現(xiàn)在LTE網(wǎng)絡(luò)上直接采號(hào)，該方案穩(wěn)定性和效率高且不影響周邊正常通信業(yè)務(wù)，號(hào)碼還原準(zhǔn)確率較高。將手機(jī)信息采集設(shè)備部署在多維人員信息采集設(shè)備的上方機(jī)柜內(nèi)，使定向天線的輻射方向朝下，精準(zhǔn)覆蓋整個(gè)通道內(nèi)部，通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)射功率、優(yōu)化天饋系統(tǒng)、定向天線精準(zhǔn)覆蓋等技術(shù)手段遠(yuǎn)程定向采集通行人員手機(jī)的IMEI、IMSI和MAC地址，既可作為篩查重點(diǎn)人員的技術(shù)手段，也可與其他身份信息，如人臉圖像、身份證信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，為軌跡分析和綜合碰撞提供數(shù)據(jù)支持。

三、實(shí)現(xiàn)功能

多維人員信息感知門(mén)作為公安軌道交通多維立體防控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中最重要的數(shù)據(jù)感知采集設(shè)備，以身份證卡信息的快速無(wú)感感知采集為主，兼顧人臉圖像多角度采集、金屬物品探測(cè)、手機(jī)信息采集及紅外熱成像測(cè)溫等功能。

通過(guò)安裝在感知門(mén)兩側(cè)的多組射頻天線和專(zhuān)用快速遠(yuǎn)距離射頻讀卡器，實(shí)現(xiàn)多角度全覆蓋的身份證卡信息感知采集功能；在感知門(mén)兩側(cè)同時(shí)裝有金屬探測(cè)用的專(zhuān)用線圈，通過(guò)改進(jìn)電源同步整流電路、緩沖電路和濾波設(shè)計(jì)等方法，減少電磁干擾，解決金屬探測(cè)天線與證件讀取天線之間的兼容問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)身份證卡和金屬探測(cè)的同步采集；通過(guò)兩側(cè)的高清數(shù)字相機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)通行人員人臉圖像的快速同步抓取，同時(shí)可通過(guò)紅外熱成像相機(jī)，即時(shí)獲取通行人員的實(shí)時(shí)體溫信息，并解決多攝像機(jī)之間圖形圖像的邏輯關(guān)系；通過(guò)設(shè)計(jì)精準(zhǔn)定向覆蓋附近小范圍目標(biāo)區(qū)域（5米~8米）的手機(jī)天線，采集通行人員隨身攜帶的手機(jī)信息。

公安軌道交通多維立體防控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的軟件信息系統(tǒng)可以將前端感知采集設(shè)備采集到的各類(lèi)數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)中心匯聚匹配后，顯示在前端界面，可綜合顯示身份證卡信息、人臉圖像信息等報(bào)警信息。

四、應(yīng)用效果

（一）立體防控感知，解放警力、提升效能

將多維人員信息采集設(shè)備部署應(yīng)用在地鐵、長(zhǎng)途汽車(chē)站、公交車(chē)站等公共交通出行的關(guān)鍵卡口位置，如圖7所示，構(gòu)建立體化的防控感知體系。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，全面感知通行人員的人臉、證件、手機(jī)、視頻等身份信息，數(shù)據(jù)信息在前端加密后傳輸?shù)胶蠖说臄?shù)據(jù)中心，經(jīng)過(guò)比對(duì)、分析等處理后，再通過(guò)公安內(nèi)網(wǎng)將報(bào)警或者預(yù)警信息同步推送給指揮中心、派出所、警務(wù)室、一線警員，可以最大程度地解放警力，將民警從日常核錄工作中解放出來(lái)，集中警力處理報(bào)警或預(yù)警信息，向科技要警力，創(chuàng)新中求實(shí)效。

以多維人員信息采集設(shè)備部署在杭州地鐵“杭州東站”和“城站站”為例，通過(guò)公安軌道交通多維立體防控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的搭建和使用，近一年來(lái)，駐站民警每日核錄數(shù)大幅提升，在針對(duì)重點(diǎn)人員的實(shí)時(shí)報(bào)警及事后追查等方面發(fā)揮了重要作用，提升了地鐵公安工作信息采集的多樣性，為大數(shù)據(jù)分析提供了全方位、立體化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源。

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（二）深化大數(shù)據(jù)應(yīng)用，服務(wù)公安智能警務(wù)新模式

基于大數(shù)據(jù)技術(shù)，建設(shè)公安軌道交通數(shù)據(jù)管理中心，實(shí)現(xiàn)軌道交通業(yè)務(wù)和各數(shù)據(jù)的匯聚、存儲(chǔ)、分析和共享，通過(guò)大量數(shù)據(jù)挖掘和分析，實(shí)現(xiàn)人員、案事件綜合碰撞，獲取情報(bào)信息。通過(guò)多維人員信息采集設(shè)備采集的人臉圖像信息、身份證卡信息、手機(jī)信息，再結(jié)合其他來(lái)源的數(shù)據(jù)，如票卡、案事件等多項(xiàng)數(shù)據(jù)的時(shí)空挖掘，得到人員的身份證、MAC、票卡、案事件等多項(xiàng)信息，根據(jù)大數(shù)據(jù)分析人員伴隨關(guān)系與人員標(biāo)簽。例如通過(guò)嫌疑人的照片，以圖搜圖得到更多的人像線索，進(jìn)而得到更多維度的信息，包括刷卡記錄、MAC采集記錄等，多維線索碰撞串并，得到人員活動(dòng)軌跡，形成軌跡地圖?？梢苑治霁@取人員的活動(dòng)規(guī)律，為抓捕嫌疑人提供行動(dòng)依據(jù)，圖8展示了使用時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的大數(shù)據(jù)應(yīng)用。

五、結(jié)語(yǔ)

基于多維人員信息采集的公安軌道交通多維立體防控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，將圍繞前端感知、網(wǎng)絡(luò)安全傳輸和數(shù)據(jù)挖掘等重點(diǎn)技術(shù)繼續(xù)深入研究。前端感知方面擴(kuò)展易燃易爆品等危險(xiǎn)物的精細(xì)感知和遠(yuǎn)距離虹膜動(dòng)態(tài)采集等功能，實(shí)現(xiàn)多維度、多層次的數(shù)據(jù)感知與采集；繼續(xù)深入探索數(shù)據(jù)價(jià)值，提升服務(wù)公安公交業(yè)務(wù)的能力，打造平時(shí)能防、戰(zhàn)時(shí)易用的公安軌道交通多維立體防控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，為公安軌道交通智能警務(wù)模式的發(fā)展和應(yīng)用提供有力的數(shù)據(jù)保障。