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(jīng)濟的快速發(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，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(yè)務(wù)部門工作中最為關(guān)注的問題，如何保證軌道交通安全，實現(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(jié)假日、治安事件以及運營故障引發(fā)的大客流，缺乏有效的預警和應(yīng)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(shè)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(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(yè)務(wù)提供多方位、立體化的數(shù)據(jù)來源，滿足日常警務(wù)工作需求，推動智能警務(wù)模式的發(fā)展，在維護公共交通安全和社會穩(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。感知層主要負責公安軌道交通通行人員信息的感知采集，網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)閘等安全設(shè)備接入公安專網(wǎng)，最終這些數(shù)據(jù)信息在應(yīng)用層進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，可以實現(xiàn)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(shè)備則作為感知門的有效補充，雙探測線圈可以根據(jù)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(wǎng)絡(luò)層主要由單向隔離網(wǎng)閘和交換機等網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備組成，通過有線組網(wǎng)的方式，將感知層采集到的各類數(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人員身份信息數(shù)據(jù)和物品信息等數(shù)據(jù)通過協(xié)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(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）兼容時分復用的大功率射頻識別技術(shù)

為了保證對ISO/IEC14443TypeB協(xié)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(yōu)化設(shè)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(shù)，優(yōu)化調(diào)制解調(diào)電路設(shè)計，提高硬件電路的信息解調(diào)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(qū)動能力和天線阻抗匹配等因素，對射頻電路部分優(yōu)化設(shè)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(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(xié)議命令與13.56MHz載波進行調(diào)制，然后將調(diào)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(jīng)由特殊設(shè)計的射頻天線模塊將13.56MHz載波能量及身份證卡協(xié)議命令發(fā)射出去。由于射頻信號通過功率放大電路進行了放大，滿足了發(fā)送功率的條件，經(jīng)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(diào)。射頻讀卡芯片輸出身份證卡協(xié)議數(shù)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(xié)議的解析，最終實現(xiàn)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(shù)

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(chǎn)生交變電壓，該電壓經(jīng)過整流、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，實現(xiàn)無線鏈路鏈接，進行數(shù)據(jù)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(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，造成證卡識讀率不高的情況，研究時分復用的多線圈組合天線技術(shù)，設(shè)計適合應(yīng)用的天線線型，優(yōu)化線圈結(jié)構(gòu)與設(shè)計，保持磁場的均勻性與穩(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。

當身份證卡天線的極化方向與天線線圈產(chǎn)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(yīng)到的能量最大，以達到最佳的讀取效果。

通過射頻讀卡器內(nèi)部的天線切換控制電路，在標準規(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(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)生的電場方向偏離最小，實現(xiàn)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(shù)

手機信息包括IMEI（國際移動設(shè)備標識，手機設(shè)備唯一標識號）、IMSI（國際移動用戶識別碼，手機進入運營商網(wǎng)絡(luò)的標識）和MAC地址（接入Wi-Fi熱點的網(wǎng)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(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。

2019年我國4G用戶數(shù)已達到12.3億戶，其中市場以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(wǎng)絡(luò)干擾到GSM網(wǎng)絡(luò)，再在GSM網(wǎng)絡(luò)下采集。該方案的主要缺點是：TD-LTE網(wǎng)絡(luò)被完全干擾，對周邊的TD-LTE通信業(yè)務(wù)有較大的影響，且號碼還原率不高。

本系統(tǒng)采用TD-LTE直采方案，在SMALLCELL平臺上基于重選、TAU等原理，實現(xiàn)在LTE網(wǎng)絡(luò)上直接采號，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)，號碼還原準確率較高。將手機信息采集設(shè)備部署在多維人員信息采集設(shè)備的上方機柜內(nèi)，使定向天線的輻射方向朝下，精準覆蓋整個通道內(nèi)部，通過調(diào)節(jié)發(fā)射功率、優(yōu)化天饋系統(tǒng)、定向天線精準覆蓋等技術(shù)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(shù)手段，也可與其他身份信息，如人臉圖像、身份證信息進行關(guān)聯(lián)，為軌跡分析和綜合碰撞提供數(shù)據(jù)支持。

三、實現(xiàn)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(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(cè)的多組射頻天線和專用快速遠距離射頻讀卡器，實現(xiàn)多角度全覆蓋的身份證卡信息感知采集功能；在感知門兩側(cè)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(shè)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(xiàn)身份證卡和金屬探測的同步采集；通過兩側(cè)的高清數(shù)字相機，實現(xiàn)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(guān)系；通過設(shè)計精準定向覆蓋附近小范圍目標區(qū)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(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)備采集到的各類數(shù)據(jù)通過數(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、長途汽車站、公交車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、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)過比對、分析等處理后，再通過公安內(nèi)網(wǎng)將報警或者預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，集中警力處理報警或預警信息，向科技要警力，創(chuàng)新中求實效。

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，駐站民警每日核錄數(shù)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(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，實現(xiàn)軌道交通業(yè)務(wù)和各數(shù)據(jù)的匯聚、存儲、分析和共享，通過大量數(shù)據(jù)挖掘和分析，實現(xiàn)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(shè)備采集的人臉圖像信息、身份證卡信息、手機信息，再結(jié)合其他來源的數(shù)據(jù)，如票卡、案事件等多項數(shù)據(jù)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(jù)大數(shù)據(jù)分析人員伴隨關(guān)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?？梢苑治霁@取人員的活動規(guī)律，為抓捕嫌疑人提供行動依據(jù)，圖8展示了使用時空數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的大數(shù)據(jù)應(yīng)用。

五、結(jié)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(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)挖掘等重點技術(shù)繼續(xù)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(tài)采集等功能，實現(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)價值，提升服務(wù)公安公交業(yè)務(wù)的能力，打造平時能防、戰(zhàn)時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。