高铁线路物联网安防系统设计

赵　凌

(铁道警察学院 治安系，郑州　450053)



高铁线路物联网安防系统设计

赵凌

(铁道警察学院 治安系，郑州450053)

摘要：针对高铁线路的低矮桥梁、路基、贯通地线、疏散通道和在建高铁线路建材设备面临的入侵破坏或被盗隐患等问题，分析了在这些方面安全防范发展物联网的需求。而无线传感器网络和射频识别技术是物联网的关键技术，在缺乏持续电源供电的情况下对于入侵报警、被盗信息的采集和物体自身信息识别方面具有十分重要的应用空间，由此提出了高铁线路物联网安防系统。该系统结合物联网体系结构，具有实时报警监控、及时反应制止的功能，有效地提升了高铁线路技术防范能力，增强了高铁线路民警治安防控战斗力,最后讨论了在实施过程中面临的问题。

关键词：高铁线路；物联网；安全防范；系统设计

当前，我国高铁建设已进入快速发展时期[1]。与此同时，我国高铁由于多分布在人口相对集中的区域，不法分子的翻越、盗窃或破坏行为给高铁的行车安全和线路检修人员的人身安全带来巨大的威胁[2]。当前高铁线路的安全防范措施多以物防和人防为主，漫长的高铁线路一旦发生事故，不仅会造成人员伤亡、经济损失[3]，还会给事故的取证、侦破工作带来困难。

物联网(internet of things， IOT)被称为继计算机、互联网之后世界信息产业的第三次浪潮，其技术应用已遍及智能家居、智能安防、智能交通、环境监测、物流等领域[4-8]。2015年4月，中办、国办发布的《关于加强社会治安防控体系建设的意见》中指出，要加强对包括高铁线路在内的重点部位的安全保卫。2015年7月，公安部在推进公安改革专题座谈会上强调，要运用物联网等新技术健全完善情报信息主导下的警务运行模式，坚持向科技信息化要警力、要战斗力。2015年9月，全国社会治安防控体系建设工作会议再次强调，运用物联网等新技术预防和减少公共安全事故的发生。由此可见，物联网未来将为高铁线路的安全防范工作提供全新思路。

1高铁线路安防现状及分析

就整体效果而言，当前我国高铁线路的安全防范工作仍然以实体防范和人力防范为主，技术防范多集中在车站及各生产业务部门。随着国际反恐形势的日趋严峻，高铁线路上出现了视频监控、电子围栏、红外入侵报警等技防手段，但由于设置标准不统一、技防手段单一、资金投入不足、重建设轻维护等现象存在，以及室外环境恶劣、铁路部门之间沟通不到位等方面原因，致使技防系统碎片化管理问题突出、联防效果差、漏报警与误报警事件时有发生，使得监控人员疲于应付，导致高铁线路技术防范措施的作用无法充分发挥。

就工作职能而言，高铁线路的安全防范主要考虑两个方面：犯罪预防和损失预防。犯罪预防主要针对不法分子非法翻越、割断或损毁防护围栏进入高铁线路轨道路面所实施的破坏行为，这种行为一旦发生，将随时危及高速运行的动车组列车的行车安全；损失预防主要针对不法分子对高铁线路轨道路面附属的基本设施所实施的盗窃行为，这种行为会给线路检修人员的人身安全、信号设备的同步运行、接触网的供电系统带来危害，可能危及动车组列车的行车安全。

综上可知，不法分子的破坏和盗窃行为是以进入高铁线路轨道路面为前提的，只有切断重点的入侵路径，才能最大限度地减少这些行为的发生。本文从高铁线路的低矮桥梁、路基段、贯通地线、疏散通道及在建高铁线路建材设备等4个方面的安全防范工作入手，依靠物联网技术构建高铁线路物联网安防系统。

1.1对低矮桥梁和路基安防现状的分析

当高铁线路遇到河流、公路、深谷、低地或另一条铁路时因跨越需要修建桥梁，在不同的地理位置桥梁的高度不一样。低矮桥梁是指桥梁高度在5 m左右，以利于攀爬为主要参考，应重点关注3种情况：① 桥梁两端与路基连接的位置，有的间隙较大，外流人员或不法分子容易进入桥体梁箱内从事不法活动；② 经有线改造后成为客运专线的原有桥梁(或称为梯梁)大多高度较低，且容易为不法分子攀爬至轨道路面提供条件；③ 新建客运专线的部分高度为5 m左右的桥梁。

路基是高铁线路轨道的基础，在路基和轨道附近有许多重要的线路设备，例如无砟轨道的扣件系统、道岔密贴检查器、分线盒、补偿电容器、道岔转撤机等是很多盗窃分子觊觎的对象，一旦这些设备被盗，将引发接触网断电、通信中断或信号紊乱，进而危及动车组列车的行车安全，后果十分严重。

当前，高铁线路对低矮桥梁和路基的防入侵保护主要通过“围栏+滚网”的方式实现。尽管高铁线路各警务区都下设值班岗亭，但值班人员数量有限且低矮桥梁数量众多、长时间徒步点线巡逻与高铁线路大范围实时防入侵监控的矛盾十分突出，使得巡线工作十分被动，无法实现主动预防。

1.2对贯通地线安防现状的分析

通常情况下，贯通地线是由多根圆铜线同心式绞合而成，经常会被不法分子疯狂盗割。由于贯通地线集等电位、信号同步、防雷及屏蔽等多功能于一体，一旦被盗割，将产生三大危害[9]：① 在接触网环境下产生跨步电压，检修人员会有触电危险；② 防雷不良将导致防雷设备失去避雷作用，当有设备遭受雷击将会产生浪涌电压，信号设备可能会被烧坏甚至引发火灾，危及行车安全；③ 屏蔽地线不良将会引发设备在接触网电压环境下误动，进而产生连锁失效，造成严重后果。

当前对贯通地线的防盗割措施主要是将其置于电缆槽内，再用水泥盖板压盖或再简单封实，防护效果有限。同时，贯通地线沿高铁线路延伸，多数被盗割位置地处偏远，只有当巡线人员现场检查时才会被发现，事故隐患难以及时排除。

1.3对疏散通道安防现状的分析

近年来，高铁线路的高架桥梁在数量上所占比重相对于普速铁路大大增加。为了有效应对发生在桥上的突发事件，及时疏散、救援滞留旅客，高架桥梁配置应急救援疏散通道(以下简称疏散通道)是十分必要的。此外，高铁线路的检修人员在“天窗”期间，通过疏散通道进入高铁线路也是疏散通道的另一个主要功能。

当前，我国高铁线路的疏散通道以独立梯道为主，已在京沪高铁、郑西客专、石太客专等高架桥梁中广泛应用[10]。为了防止不法分子进入或攀爬至疏散通道，进而进入高铁线路实施破坏或盗窃，通常的做法是在疏散通道接地处设置3 m左右的封闭式高墙，在高墙上方加装滚网，3 m以上的梯道两侧加装护栏，同时在附近设置带有移动报警功能的视频监控探头监控疏散通道的人员出入行为。经实地调研发现，上述防入侵措施存在两方面问题：① 护栏的隔离功能单一，并不能完全起到防入侵的功能，若强行攀爬可以进入疏散通道；② 各地监控探头安装位置不统一，有的设置在疏散通道接地处的正前方，有的设置在独立梯道上方的横跨中间，前者存在监控盲区，后者则经常受到飞鸟或落叶的困扰，远程监控误报频发，监控人员疲于应对，致使视频监控的形式大于目的。一旦有人入侵，有可能产生漏报警的情况。

1.4对在建高铁线路的建材设备安防现状的分析

在高铁修建的过程中，多数在建基础设施尤其是钢轨扣件、接触网设备等大多以金属材质为主。由于全线封闭的围栏并没有同期建成，以及管理中存在的问题，建材设备被盗情况屡见不鲜。

笔者在调研期间发现，在建高铁建材设备并非无人看管，但看管人数单一，有的既是看管人员又是施工人员，且间歇停工期间大量建材设备置于室外，尤其是在路基段附近，导致不法分子很容易接近并实施盗窃。同时，随着建设进度的不断推进，建材设备的位置不是固定不变的，而是随施工进度不断发生变化，这也为建材设备的防入侵增加了看管难度。

2高铁线路安防发展物联网的需求分析

高铁线路的安防现状面临的主要问题表现为：巡线人员无法实时掌握辖区是否有人入侵或攀爬众多低矮桥梁；辖区何处区段的贯通地线被盗割；如何确定进出疏散通道的是高铁线路的检修人员而非陌生人或小动物的入侵；如何防止随工期不断发生位置变化的在建高铁线路的建材设备被盗。

2.1对低矮桥梁和路基安防发展物联网的需求分析

对任何一个值班岗亭来说，虽然辖区低矮桥梁数量众多，但数量和方位是确定的。为便于巡查管理，给每一座低矮桥梁编号，例如在A岗亭下的第1，2，…，N个低矮桥梁可编号为A1, A2,…，AN，那么按照自上而下的管理模式，从铁路公安局到各地方铁路公安局，再到各铁路公安处、派出所、警务区，最后到值班岗亭，辖区的任一座低矮桥梁都有一个编号，且该编号在全路范围内是唯一的。

针对任意一座低矮桥梁的防入侵或攀爬，可在现有外围护栏物防的基础上，在围栏与桥梁之间布设适当数量具有振动或压力感知功能的传感器节点，用以探测不法分子翻越或剪断护栏后产生的振动或压力信息。各无线传感器节点通过自组织网络将采集、融合后的数据信息传递给汇聚节点，并最终传递至监控中心。同时，该汇聚节点的数据信息与被防范桥梁编号、方位关联，巡线人员可以实时定位入侵信息。现场示意图见图1。

图1　低矮桥梁入侵报警示意图

对于路基而言，防入侵的重点在路基外围，可借助现有的围栏，在其上安装带有定位和振动感知功能的无线传感器节点，实现对入侵行为的远程监控。通过获取、判断振动信号最强烈的节点所发射的信号来实时确认入侵行为的精确位置，从而实现快速机动响应。若有必要，还可在现场通过安装监控探头来确认是人为闯入还是小动物的误闯，增强系统的鲁棒性。现场示意图见图2。

图2　路基入侵报警示意图

2.2对贯通地线的安防发展物联网的需求分析

一旦不法分子进入高铁线路对贯通地线实施偷盗，就需要在第一时间获取被盗现场的位置信息，以便及时接处警。需获取的两类信息包括：① 被盗割贯通地线的位置信息；② 贯通地线被取出后离开原电缆槽而引发的远程报警信息。对于第1类信息，可通过关联接触网支柱编号信息和地理信息系统精确定位获取；对于第2类信息，可通过防丢器原理获取，分别在电缆槽的内部和贯通地线本身安装成套的无线信号收发节点。这样一方面满足贯通地线出现设定位移后的报警需要；另一方面满足发射远程报警信号的需要。考虑到成本和无线传感器网络通信协议的优势，可在数套节点中选择一套具备发射远程报警信号功能的节点。现场示意图见图3。

图3　贯通地线防盗报警示意图

2.3对疏散通道的安防发展物联网的需求分析

针对疏散通道在防入侵方面面临的2个问题，可采取3种措施：① 在独立梯道的护栏周围加装具有远程报警功能的电子围栏，一旦有入侵者强行攀爬可在高压脉冲的作用下阻止其非法进入；② 设置红外微波防入侵报警装置，功能方面与视频监控联动发挥作用，以避免移动的小动物或落叶误入监控区域引发误报警，同时也可在监控盲区实现无死角防范；③ 考虑到高铁线路的检修人员定期进出独立梯道也会引起误报警，可将实体锁具门改为内外刷卡门，相应的检修人员配置具有身份识别功能的卡片，一旦有检修人员持卡进出，独立梯道的入侵报警功能将自动屏蔽，远程监控中心可实时记录在该疏散通道进出检修人员的信息，为监督考核提供相关依据。此外，为防止尾随，可在刷卡门附近设置类似“请注意！请注意！门未上锁”的现场语音报警提示喇叭。疏散通道入侵报警结构如图4所示。

图4　疏散通道入侵报警结构示意图

2.4对在建高铁线路的建材设备的安防发展物联网的需求分析

对在建高铁线路的建材设备在停工期间的防盗措施需要考虑以下3个方面：① 建材设备随着工程进度的不断推进，其安放位置会不断变化，但其放置的相对范围不会变化太大，为此可在其周围设置防入侵报警系统，尤其是在停工期间及时设防即可防范人为盗窃；② 考虑到安放位置的不断变化，入侵报警系统需做到方便安装和拆卸；③ 给建材设备编码可实现质量追踪溯源，从而实现系统化、模块化管理。无线传感器网络节点具有无线自组织、成本低、可长时间工作的特点，通过射频识别技术识别建材设备可满足上述考虑。为此，可在相关建材设备周围安放适当数量的具有压力或振动感知功能的无线传感器节点，形成封闭式入侵报警区，若有非法入侵行为发生，现场看管人员即可在第一时间通过警报装置或固定电话、短信获取入侵信息，并确认是否为误报警。必要情况下，远程监控中心可及时到达现场制止不法行为。建材设备防盗报警功能见图5。

3高铁线路物联网安防系统设计

3.1物联网安防的优势

物联网技术体系自下而上包括感知层、网络层和应用层，可通过多种传感器、定位与扫描装置、视频识别技术实现物体及其相关特征信息的采集，利用无线通信网络(例如：WSN-Wireless Sensor Networks无线传感器网络、WLAN-Wireless Local Area Network无线局域网或WiFi-Wireless Fidelity网络)实现物物、物人之间的实时通信，从而达到智能化识别、定位、跟踪及管理的目的，是互联网的拓展应用[11]。

物联网安防的优势主要体现在4个方面：① 终端体积小，便于安装且价格低廉；② 可集成多种传感器，独立组网运行；③ 功耗低，适合长期不间断工作；④ 集多种数据信息融合、智能化处理、远程报警监控功能于一体。由此可知，在高铁线路实施物联网安防是切实可行的。

图5　建材设备防盗报警功能示意图

3.2系统总体设计

针对当前高铁线路安防发展物联网的需求，结合物联网安防的优势，提出了高铁线路物联网安防系统总体架构，如图6所示。

图6　高铁线路物联网安防系统总体架构

3.3系统功能

1) 感知层：RFID技术可以实现对桥梁、接触网支柱、高铁线路检修人员身份的识别；通过布设在低矮桥梁附近、接触网支柱附近的电缆槽，高铁线路围栏附近、疏散通道附近以及在建高铁线路建材与设备附近的无线传感器节点可实现振动或压力、位移等数据信息的采集和融合。

2) 网络层：WSN、WLAN可将高铁线路来自感知层的信息传递给应用层用户进行分析和处理。同时，WiFi用户也可借助3G或4G电信网络轻松实现对各种入侵、盗窃或破坏行为信息的获取和共享。

3) 应用层：基于地理信息系统(geographic information system，GIS)综合信息模块可以准确定位感知层信息的来源，为应用层用户发现和制止破坏行为提供位置导向；电源检测模块可实时显示布设的各无线传感器节点的剩余电量，为及时更换节点电源、保障整个系统的长期有效运行提供参考；中心控制模块用以协调低矮桥梁、路基、疏散通道的入侵报警系统和贯通地线、在建高铁建材设备的防盗报警系统同步工作，并为用户终端提供有效信息显示接口，使铁路公安局、各地方铁路公安局(处、所、警务区、值班岗亭)按照不同的权限实现高铁线路安防信息的有效查询和预警通知信息的接收，为进一步制止不法行为提供有力的决策依据。

4结束语

本文基于物联网体系结构设计了一款高铁线路物联网安防系统，将高铁线路的入侵破坏和盗窃等“隐藏”行为信息“显现”出来，起到准确预警打击的作用，使高铁线路民警的治安防控工作由“被动”变为“主动”，从而有效提高治安防控的战斗力。在具体的实施过程中需要面对的一些问题包括：在野外恶劣环境的条件下如何设计和安装无线传感器节点及其附属设备；在高强度的电磁环境下，节点能否有效协同工作；如何优化节点路由算法，最大限度地延长系统的生命期；高铁线路中大量传感器节点的布设是否会对动车组列车的行车安全带来安全隐患等。

参考文献：

[1]中国网.铁总:2015年我国快速铁路网将覆盖50万人以上城市[EB/OL].[2014-12-25].http://news.china.com.cn/txt/2015-02/12/content_34806974.htm.[2]尹航,李远富,曾宪云.基于GIS技术的困难艰险山区高铁安全预警系统研究[J].铁道标准设计,2013(11):25-30.

[3]田丰,毕军.京沪高铁运营对沿线人群噪声影响[J].南京大学学报(自然科学),2014(4):440-446.

[4]钟章队，谢健骊，李翠然．铁路物联网[M]．北京：中国铁道出版社，2014.

[5]赵凌.铁路货运物联网安防系统的设计[J].重庆理工大学学报(自然科学),2013(6):111-115,121．

[6]赵凌,张冰菲.物联网框架下城市道路交通拥堵导引系统设计[J].重庆理工大学学报(自然科学),2015(2):103-109.

[7]宣杭.基于物联网的智能家居监控系统的开发[J].电源技术,2015(4)：836-837.

[8]冯立波,左国超,杨存基，等.基于物联网的农村污水监测系统设计研究[J].环境工程学报,2015(2):175-181.

[9]黄志鹏.信号综合贯通地线盗割案件的现场勘验[J].铁道警官高等专科学校学报,2011(4):23-26.

[10]项琴,李远富,周攀.山区高速铁路桥梁疏散通道的建设模式研究[J].中国安全科学学报,2013(5):101-107.

[11]中国物联网发展研究中心．中国物联网产业发展年度蓝皮书(2012)[R]．无锡：中国物联网发展研究中心，2012.

(责任编辑杨黎丽)

Design of High-Speed Rail Line Security System Based on Internet of Things

ZHAO Ling

(Public Security Department, Railway Police College, Zhengzhou 450053, China)

Abstract:Low bridges, subgrade, the links up of grounding wire, evacuation exits, materials and equipment in construction of the high-speed rail line are confronting problems of intrusion and being stolen, or some other problems, which are later analyzed on requirement of developing internet of things in security protection. As we known, WSN and RFID are key technologies of internet of things which have very important amplitude application in intrusion alarm, stolen information collection and objects self-recognition in lack of sustainable power supply circumstances. By referring to these, it put forward high-speed rail line security system based on internet of things. This system combined with architecture of internet of things,and has the function in real-time alarm supervision and response suppression, which will hoist capacity of technique prevention in high-speed rail line, and what’s more, the security prevention and control ability to the high-speed rail line police. At last, problems which will be faced with during the implementation process were discussed.

Key words:high-speed rail line; internet of things; security protection; system design

收稿日期：2016-01-18

基金项目：公安部应用创新项目(2013YYCXTJXY109)；河南省科技发展计划项目(122400450334)；中央高校基本科研业务经费项目(2015TJJBKY009)；河南省社科联项目(SKL-2015-699)

作者简介：赵凌(1982—)，男，硕士，讲师，主要从事安全技术防范、物联网方面的研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.05.017

中图分类号：TP393

文献标识码：A

文章编号：1674-8425(2016)05-0096-06

引用格式：赵凌.高铁线路物联网安防系统设计[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2016(5):96-101.

Citation format：ZHAO Ling.Design of High-Speed Rail Line Security System Based on Internet of Things[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(5):96-101.