公安軌道交通多維立體防控物聯網系統研究

高彬 李剛 冉旭陽 陳明省 左禮宸 公安部第一研究所

引言

隨著社會經濟的快速發展，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，也帶來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務部門工作中最為關注的問題，如何保證軌道交通安全，實現“事前有效防范、事中快速響應、事后全面追溯”的新型警務工作模式，是公安軌道交通業務部門的核心工作。

軌道交通安全面臨的主要問題和風險有：面對重點站線早晚運營高峰，重大活動和節假日、治安事件以及運營故障引發的大客流，缺乏有效的預警和應對機制；同時在這些人員密集、客流量巨大的城市軌道交通卡口，由于警力有限和安檢設備的智能化程度較低等原因，對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，構建一套基于多維人員信息感知采集的多維立體防控物聯網系統，對通行人員的身份信息和隨身物品信息進行快速、全方位的采集，為公安軌道交通業務提供多方位、立體化的數據來源，滿足日常警務工作需求，推動智能警務模式的發展，在維護公共交通安全和社會穩定中發揮了重要作用。

一、整體架構

公安軌道交通多維立體防控物聯網系統如圖1所示，主要分為三層：感知層、網絡層和應用層。感知層主要負責公安軌道交通通行人員信息的感知采集，網絡層則負責將采集到的人員身份信息和物品信息通過交換機和網閘等安全設備接入公安專網，最終這些數據信息在應用層進行匯聚處理和匹配融合，為公安軌道交通警務應用提供服務。

感知層中以安檢門形態呈現的是由公安部第一研究所研發的最新一代多維人員信息感知門，可以實現對通行人員的身份信息和隨身物品快速無感感知采集，包含遠距離身份證卡快速采集、人臉圖像多角度采集、金屬探測、手機信息采集以及紅外熱成像測溫等主要功能。手持式身份證卡信息采集設備則作為感知門的有效補充，雙探測線圈可以根據不同場景在金屬探測和身份證卡信息采集之間切換，同樣達到感知采集的要求。

網絡層主要由單向隔離網閘和交換機等網絡安全設備組成，通過有線組網的方式，將感知層采集到的各類數據傳送至公安內網；應用層一方面將匯聚到的各類人員身份信息數據和物品信息等數據通過協議解析進行匹配融合處理，另一方面可以形成各類針對公安軌道交通業務的應用，形成完整的多維立體防控物聯網系統。

二、關鍵技術分析

（一）兼容時分復用的大功率射頻識別技術

為了保證對ISO/IEC14443TypeB協議的身份證卡的有效識讀距離達到35cm，并使天線范圍覆蓋整個人體，需要對射頻讀卡器進行特殊的優化設計，來滿足快速無感感知采集的要求。通過研究兼容時分復用的大功率射頻識別技術，優化調制解調電路設計，提高硬件電路的信息解調能力，增強身份證卡讀取距離，以提高識讀成功率；同時考慮在多線圈組成天線的情況下，射頻讀卡器的驅動能力和天線阻抗匹配等因素，對射頻電路部分優化設計以滿足實際需要。

射頻讀卡器與身份證卡的通信過程分為兩部分，如圖2所示，由基于Cortex-M3內核的高性能STM32主控芯片MCU將身份證卡協議命令經過編碼后通過SPI接口輸出到射頻讀卡芯片MFRC531，射頻讀卡芯片將接收的協議命令與13.56MHz載波進行調制，然后將調制后的信號通過MRF426放大器組成的功率放大電路進行功率放大，再經由特殊設計的射頻天線模塊將13.56MHz載波能量及身份證卡協議命令發射出去。由于射頻信號通過功率放大電路進行了放大，滿足了發送功率的條件，經過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載波信號通過帶通濾波器濾波進行幅值衰減，然后把輸出的信號送到射頻讀卡芯片進行解調。射頻讀卡芯片輸出身份證卡協議數字基帶信號，STM32主控芯片直接對該信號進行接收，完成身份證卡協議的解析，最終實現與身份證卡遠距離通信。

（二）時分復用的多線圈組合天線技術

通行人員隨身攜帶的身份證卡通過與射頻讀卡器輻射出13.56MHz電磁波耦合，產生交變電壓，該電壓經過整流、濾波和穩壓后，將給證卡的芯片提供直流電壓激活身份證卡芯片，實現無線鏈路鏈接，進行數據交換。由于是要快速無感的情況下對通行人員攜帶的身份證卡進行感知采集，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，才能達到最佳的識讀效果。為解決傳統的單組線圈組成的天線結構受證卡天線極化方向的影響，造成證卡識讀率不高的情況，研究時分復用的多線圈組合天線技術，設計適合應用的天線線型，優化線圈結構與設計，保持磁場的均勻性與穩定性，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。

當身份證卡天線的極化方向與天線線圈產生的電場方向一致時，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，大部分磁力線會垂直穿過身份證卡體，使身份證卡在磁場中耦合到最大的磁通量，感應到的能量最大，以達到最佳的讀取效果。

通過射頻讀卡器內部的天線切換控制電路，在標準規定范圍內增大發射輸出功率，控制組合矩形天線線圈以時分復用的方式快速輪流工作，保證各天線在其各自覆蓋范圍內提供均勻的能量，使身份證卡天線的極化方向與各天線線圈產生的電場方向偏離最小，實現身份證卡的多天線識讀，擴大了天線的讀取范圍，進而提高證卡感知采集的讀取成功率。

（三）定向手機信息采集技術

手機信息包括IMEI（國際移動設備標識，手機設備唯一標識號）、IMSI（國際移動用戶識別碼，手機進入運營商網絡的標識）和MAC地址（接入Wi-Fi熱點的網卡信息）等。由于這類信息具有唯一性的特點，可以作為個人身份識別碼，快速篩查鎖定嫌疑人，因此在治安防控、暴恐防范領域發揮了重要作用。

2019年我國4G用戶數已達到12.3億戶，其中市場以TD-LTE為主，TD-LTE用戶規模占4G規模的70%以上。傳統的TD-LTE手機偵碼主要采用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，把手機從TD-LTE網絡干擾到GSM網絡，再在GSM網絡下采集。該方案的主要缺點是：TD-LTE網絡被完全干擾，對周邊的TD-LTE通信業務有較大的影響，且號碼還原率不高。

本系統采用TD-LTE直采方案，在SMALLCELL平臺上基于重選、TAU等原理，實現在LTE網絡上直接采號，該方案穩定性和效率高且不影響周邊正常通信業務，號碼還原準確率較高。將手機信息采集設備部署在多維人員信息采集設備的上方機柜內，使定向天線的輻射方向朝下，精準覆蓋整個通道內部，通過調節發射功率、優化天饋系統、定向天線精準覆蓋等技術手段遠程定向采集通行人員手機的IMEI、IMSI和MAC地址，既可作為篩查重點人員的技術手段，也可與其他身份信息，如人臉圖像、身份證信息進行關聯，為軌跡分析和綜合碰撞提供數據支持。

三、實現功能

多維人員信息感知門作為公安軌道交通多維立體防控物聯網系統中最重要的數據感知采集設備，以身份證卡信息的快速無感感知采集為主，兼顧人臉圖像多角度采集、金屬物品探測、手機信息采集及紅外熱成像測溫等功能。

通過安裝在感知門兩側的多組射頻天線和專用快速遠距離射頻讀卡器，實現多角度全覆蓋的身份證卡信息感知采集功能；在感知門兩側同時裝有金屬探測用的專用線圈，通過改進電源同步整流電路、緩沖電路和濾波設計等方法，減少電磁干擾，解決金屬探測天線與證件讀取天線之間的兼容問題，實現身份證卡和金屬探測的同步采集；通過兩側的高清數字相機，實現對通行人員人臉圖像的快速同步抓取，同時可通過紅外熱成像相機，即時獲取通行人員的實時體溫信息，并解決多攝像機之間圖形圖像的邏輯關系；通過設計精準定向覆蓋附近小范圍目標區域（5米~8米）的手機天線，采集通行人員隨身攜帶的手機信息。

公安軌道交通多維立體防控物聯網系統的軟件信息系統可以將前端感知采集設備采集到的各類數據通過數據中心匯聚匹配后，顯示在前端界面，可綜合顯示身份證卡信息、人臉圖像信息等報警信息。

四、應用效果

（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備部署應用在地鐵、長途汽車站、公交車站等公共交通出行的關鍵卡口位置，如圖7所示，構建立體化的防控感知體系。通過物聯網、大數據、人工智能等技術，全面感知通行人員的人臉、證件、手機、視頻等身份信息，數據信息在前端加密后傳輸到后端的數據中心，經過比對、分析等處理后，再通過公安內網將報警或者預警信息同步推送給指揮中心、派出所、警務室、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，集中警力處理報警或預警信息，向科技要警力，創新中求實效。

以多維人員信息采集設備部署在杭州地鐵“杭州東站”和“城站站”為例，通過公安軌道交通多維立體防控物聯網系統的搭建和使用，近一年來，駐站民警每日核錄數大幅提升，在針對重點人員的實時報警及事后追查等方面發揮了重要作用，提升了地鐵公安工作信息采集的多樣性，為大數據分析提供了全方位、立體化的基礎數據來源。

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（二）深化大數據應用，服務公安智能警務新模式

基于大數據技術，建設公安軌道交通數據管理中心，實現軌道交通業務和各數據的匯聚、存儲、分析和共享，通過大量數據挖掘和分析，實現人員、案事件綜合碰撞，獲取情報信息。通過多維人員信息采集設備采集的人臉圖像信息、身份證卡信息、手機信息，再結合其他來源的數據，如票卡、案事件等多項數據的時空挖掘，得到人員的身份證、MAC、票卡、案事件等多項信息，根據大數據分析人員伴隨關系與人員標簽。例如通過嫌疑人的照片，以圖搜圖得到更多的人像線索，進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，得到人員活動軌跡，形成軌跡地圖。可以分析獲取人員的活動規律，為抓捕嫌疑人提供行動依據，圖8展示了使用時空數據挖掘技術的大數據應用。

五、結語

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網系統，將圍繞前端感知、網絡安全傳輸和數據挖掘等重點技術繼續深入研究。前端感知方面擴展易燃易爆品等危險物的精細感知和遠距離虹膜動態采集等功能，實現多維度、多層次的數據感知與采集；繼續深入探索數據價值，提升服務公安公交業務的能力，打造平時能防、戰時易用的公安軌道交通多維立體防控物聯網系統，為公安軌道交通智能警務模式的發展和應用提供有力的數據保障。