高鐵作業(yè)巡查智能管控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

鮑軍銀 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司合肥電務(wù)段

1 研究背景及意義

目前高鐵檢修作業(yè)，需要通過通道門上道。然而作為設(shè)備管理單位進(jìn)行設(shè)備檢修和應(yīng)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(tǒng)人工管理的方式。管理層無法通過系統(tǒng)進(jìn)行管控，鑰匙平時(shí)使用混亂，難追責(zé)，隱患多。

以某高鐵維修段管理現(xiàn)狀為例：段調(diào)度中心保管管內(nèi)通道門鑰匙1 套，各車間保管各自管內(nèi)通道門鑰1 套，各工區(qū)保管各自管內(nèi)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(dāng)有天窗作業(yè)計(jì)劃時(shí)（一般在0：00—04：00），作業(yè)負(fù)責(zé)人需向鑰匙管理員申請并領(lǐng)取所需通道門鑰匙，作業(yè)結(jié)束后需按時(shí)歸還鑰匙并在“通道門鑰匙使用登記簿”上進(jìn)行登記，同時(shí)鑰匙管理員簽字確認(rèn)?？梢钥闯?，目前的通道門鑰匙管理方式，需要管理單位內(nèi)持有數(shù)量眾多的鑰匙，這種書面申請領(lǐng)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(zé)任心和業(yè)務(wù)素質(zhì)，鑰匙存在較大的丟失、被盜的風(fēng)險(xiǎn)，極大威脅了高鐵運(yùn)營安全；②工作過程不透明，不便于后期取證查詢；③歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)困難；④審批流程復(fù)雜，時(shí)間長，可能導(dǎo)致進(jìn)度延誤；⑤因受時(shí)間、地點(diǎn)及人為等因素制約，工作流程難以高效流轉(zhuǎn)。

因此，為提高通道門鑰匙信息化管理水平，實(shí)現(xiàn)高鐵檢修作業(yè)的信息化、智能化，設(shè)計(jì)開發(fā)高鐵作業(yè)巡查智能管控系統(tǒng)。高鐵作業(yè)巡查智能管控系統(tǒng)通過RFID 探測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)通道門鑰匙與鑰匙孔位一一對應(yīng)，并且可以實(shí)時(shí)探測鑰匙是否在孔位上。通過指紋識別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)申請作業(yè)鑰匙的授權(quán)領(lǐng)取，安全高效。同時(shí)在上道作業(yè)過程中可實(shí)現(xiàn)鑰匙使用的全流程卡控與追溯。

2 系統(tǒng)架構(gòu)流程設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

高鐵作業(yè)巡查智能管控系統(tǒng)主要由以下 4 部分組成：智能鑰匙柜（設(shè)備終端）、云服務(wù)平臺（服務(wù)端）、WEB 管理平臺（管理員端）、APP 和微信平臺（用戶端）。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖 1 所示:

圖1 高鐵作業(yè)巡查智能管控系統(tǒng)架構(gòu)

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

（2）云服務(wù)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(diǎn)和傳輸紐帶。云服務(wù)平臺主要完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和交互；存儲鑰匙使用人員的詳細(xì)資料、權(quán)限信息；記錄、分析智能鑰匙柜使用過程中產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)。

（3）APP 和微信端：主要由操作鑰匙的相關(guān)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(shí)的申請及審批，任務(wù)信息記錄，消息通知及公告等日常操作；存儲作業(yè)過程中的作業(yè)信息、作業(yè)內(nèi)容、作業(yè)時(shí)間和歷史操作等數(shù)據(jù)。

（4）WEB管理平臺：由系統(tǒng)的管理人員進(jìn)行操作，可以對鑰匙和使用人員進(jìn)行增設(shè)、注銷、權(quán)限配置、身份匹配等日常操作，還可以從云服務(wù)平臺獲取鑰匙領(lǐng)取、歸還記錄與使用人員相匹配的數(shù)據(jù)，并生成統(tǒng)計(jì)報(bào)表，以供取證和導(dǎo)出。

2.2 用戶身份設(shè)計(jì)

（1）維護(hù)員。主要負(fù)責(zé)設(shè)備部署與維護(hù)，可以配置鑰匙柜系統(tǒng)運(yùn)行模式、服務(wù)端地址和連接方式等、初始化或重置數(shù)據(jù)、備份與恢復(fù)數(shù)據(jù)、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(dāng)前狀態(tài)與用戶的身份信息、權(quán)限、密碼等），可以查詢所有使用日志，還可以修改自己的個(gè)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(quán)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(lián)系信息），也可以修改自己的部分身份認(rèn)證信息與聯(lián)系方式。

2.3 鑰匙管理流程

鑰匙領(lǐng)取人員需事先在系統(tǒng)中錄入身份信息，并匹配相對應(yīng)權(quán)限的鑰匙。當(dāng)人員需領(lǐng)取鑰匙時(shí)，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(shí)間、通道號、申請人。審批人在設(shè)備上收到申請后，可進(jìn)行審批。審批通過后，申請人可通過指紋、刷卡或密碼驗(yàn)證身份，驗(yàn)證成功后，柜門鎖自動打開。此時(shí)，在鑰匙柜終端上點(diǎn)擊要領(lǐng)取的鑰匙圖標(biāo)或按鑰匙對應(yīng)編號，選擇好鑰匙后即可取走鑰匙，再關(guān)閉柜門。歸還鑰匙時(shí)，在身份驗(yàn)證通過后，柜門開啟，插入鑰匙，RFID 驗(yàn)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(tǒng)語音提示歸還成功后，再關(guān)閉柜門。在整個(gè)過程中攝像機(jī)會自動開啟錄像，錄像文件隨鑰匙領(lǐng)取記錄一起上傳至服務(wù)器，以便后期查詢?nèi)∽C.

2.4 關(guān)鍵技術(shù)

（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(shí)現(xiàn)鑰匙的定點(diǎn)定位管理；系統(tǒng)會自動記錄鑰匙在位、離位、錯(cuò)位狀態(tài)；錯(cuò)位放置鑰匙時(shí)，鑰匙柜會進(jìn)行預(yù)警提示，防止放錯(cuò)位置，保證鑰匙使用規(guī)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(quán)限可以分配到每把鑰匙。只有通過管理員授權(quán)認(rèn)證后，才能從鎖控裝置中領(lǐng)取或歸還鑰匙；鑰匙動作（領(lǐng)用與歸還）與人員信息綁定，自動記錄領(lǐng)用記錄，實(shí)現(xiàn)鑰匙跟蹤監(jiān)測；同時(shí)還可設(shè)置鑰匙借用策略，若超期未還，進(jìn)行報(bào)警提示。

（3）多重認(rèn)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(rèn)證方式。只有通過系統(tǒng)認(rèn)證后，鑰匙柜才會打開柜門并記錄每次的工作數(shù)據(jù)信息。領(lǐng)用和歸還鑰匙均會觸發(fā)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(tǒng)管控的鑰匙管理。系統(tǒng)采用B/S 框架模式設(shè)計(jì)，系統(tǒng)操作方便，系統(tǒng)為每把鑰匙建立檔案、監(jiān)控鑰匙實(shí)時(shí)狀態(tài)，追蹤鑰匙使用記錄、設(shè)置人員權(quán)限等。

3 主要功能模塊說明

鑰匙柜采用linux 系統(tǒng)設(shè)計(jì)，每個(gè)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(shè)計(jì)的一款低功耗、高性能的嵌入式SOM。MPU 主頻高達(dá)800 MHz，512 MB 的 DDR3 內(nèi)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(yuǎn)EC20CEFAG的4G模塊，WM8960CGEFL音頻編解碼以及USB、RS232、RS485通信模塊。系統(tǒng)框圖如圖2所示：

圖2 主控板系統(tǒng)框圖

linux系統(tǒng)核心MPU：主控板采用I.MX6ULL，是NXP出品的一款針對HMI、IOT等領(lǐng)域的MPU，最高主頻800MHz，內(nèi)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(shè)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(shè)計(jì)的新一代5 點(diǎn)電容觸控方案，擁有26 個(gè)驅(qū)動通道和14個(gè)感應(yīng)通道，以滿足更高的touch精度要求；同時(shí)內(nèi)置電容檢測電路及高性能MPU。特點(diǎn)：①觸摸掃描頻率：100 Hz；②觸摸點(diǎn)坐標(biāo)實(shí)時(shí)輸出；③統(tǒng)一軟件版本適用于多種尺寸的電容屏；④單電源供電，內(nèi)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(diǎn)。并且支持曝光、白平衡、色度、飽和度、對比度等眾多參數(shù)設(shè)置，支持JPEG/RGB565格式輸出。模塊特點(diǎn):①高靈敏度、低電壓適合嵌入式應(yīng)用；②標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)，圖像質(zhì)量控制包括色飽和度、色相、銳度等設(shè)置；④支持圖像縮放、平移和窗口設(shè)置；⑤支持圖像壓縮，即可輸出JPEG 圖像數(shù)據(jù)；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(yuǎn)的EC20CEFAG 模塊，設(shè)計(jì)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(shù)，支持最大下行速率150Mbps 和最大上行速率50Mbps，移遠(yuǎn)通信多網(wǎng)絡(luò)制式LTE Cat 3 EC20 Mini PCIe-C 模塊和Cat 4 EC20 R2.0 Mini PCIe-C模塊，實(shí)現(xiàn)了從3G 網(wǎng)絡(luò)向4G 網(wǎng)絡(luò)的輕松平滑過度。EC20 R2.1 Mini PCIe-C 模塊模塊能夠向后兼容現(xiàn)存的EDGE 和GSM/GPRS 網(wǎng)絡(luò)，以確保在缺乏3G 和4G 網(wǎng)絡(luò)的偏遠(yuǎn)地區(qū)也能正常工作。PCle接口設(shè)計(jì)及SIM卡設(shè)計(jì)如圖5、圖6所示：

圖5 PCle接口設(shè)計(jì)

圖6 SIM卡設(shè)計(jì)

RFID 讀卡識別和電磁鐵控制鑰匙栓：模塊采用STM8S103F3P6單片機(jī)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(fù)旦M1 卡的讀寫芯片，能夠?qū)@些卡進(jìn)行塊讀和塊寫，以及扇區(qū)讀和扇區(qū)寫，以及卡片各個(gè)扇區(qū)的加密，同時(shí)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(shè)計(jì)、RS485接口電路設(shè)計(jì)、RC522 電路設(shè)計(jì)、電磁鐵驅(qū)動電路設(shè)計(jì)分別如圖7、8、9、10所示：

圖7 STM8S103F3P6電路設(shè)計(jì)

圖8 RS485接口電路設(shè)計(jì)

圖9 RC522電路設(shè)計(jì)

圖10 電磁鐵驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

4 結(jié)語

高鐵作業(yè)巡查智能管控系統(tǒng)融合了信息化管理的新理念，對高鐵作業(yè)通道門鑰匙進(jìn)行全方位、科學(xué)化的集中管理，具有智能、安全、便捷、高效等特點(diǎn)。系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、RFID射頻感應(yīng)技術(shù)、云服務(wù)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)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(tǒng)。本系統(tǒng)應(yīng)用前景廣泛，安全性、便捷性大大優(yōu)于人工，降低了人力成本和時(shí)間成本。后續(xù)技術(shù)研發(fā)可以融入大數(shù)據(jù)技術(shù)，不斷優(yōu)化系統(tǒng)所管理的物品流通效率，同時(shí)利用區(qū)塊鏈技術(shù)增強(qiáng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，利用模塊化技術(shù)使系統(tǒng)的應(yīng)用場景更加廣泛，開拓新市場空間，降低研發(fā)成本。