窄带物联网下高速铁路周界入侵报警系统应用探索



窄带物联网下高速铁路周界入侵报警系统应用探索

卢 强，王昕煜，杨江成，赵少博，何 江

摘 要：基于窄带物联网（NB-IoT）技术构建高速铁路周界入侵报警系统，介绍了系统总体方案、软硬件及接口设计，通过模拟试验从技术层面初步验证了该系统的可行性和实用性，并可实现与铁路综合视频监控系统的联动报警。

关键词：NB-IoT；周界入侵报警；脉冲电子围栏；振动光纤；激光对射

0 引言

我国高速铁路总营业里程和商业运营速度均居世界第一。高速铁路成网运行为社会发展赋能，给人们出行带来便利，同时也增加了铁路周界安防的压力，诸如非法入侵铁路防护范围、破坏轨旁设施、在铁轨上放置异物等行为均为严重的安全隐患。长期以来，我国铁路周界的安防主要依赖物理护栏阻隔和人工巡逻方式，一旦发生周界入侵险情，则难以及时发现并处理。

周界入侵报警系统（以下简称系统）能够对设防周界进行全天候的入侵监测和报警，当发生非法入侵或自然灾害导致的破坏时，能够实时、自动向管理平台发送报警信息，并且通过现场的声、光报警信号对入侵者形成心理震慑。

目前，发展相对成熟的前端探测技术有脉冲电子围栏、振动光纤、光波对射等，这些技术在轨道交通行业处于试点应用阶段，主要用于变电所、车辆段、桥梁等铁路重点区域的周界防护，代表性的应用案例有兰新二线周界入侵报警系统试点工程、杭黄高铁富阳牵引变电所周界入侵报警系统等。

高速铁路沿线环境复杂，周界范围长，现有相关系统的数据采集层大多采用有线通信方式进行数据传输，常见的数据线有低烟无卤阻燃电线和铠装光缆。有线数据通信方式在新建线及既有线的部署前期往往受通道、工期、成本等因素的制约，同时还存在因防区分散导致周界入侵信息难以集中上传和管理的问题，由此产生一定数量的信息孤岛，降低报警信息的及时性和有效性，尤其使无人值守区域的系统防护效果大打折扣。由此可见，单纯采用有线通信进行数据采集，在高速铁路周界入侵报警系统的现场实施过程中存在一定局限性。

著名历史地理学家张步天先生研究《山海经》20余年，他以深厚的学术功底、少年儿童的视角、通俗易懂的语言，对《山海经》进行了全新阐释。中国医学科学院药用植物研究所副研究员王秋玲不仅对《本草纲目》进行了精彩的阐释，还对原著中的认知局限和讹误进行了点评。

针对上述问题，本文将基于无线蜂窝网络构建的NB-IoT与有线通信技术相结合应用于高速铁路周界入侵报警系统，并通过模拟试验，分析该组网方案的可行性。

新兴的近代慈善事业实际上是近代城市慈善事业，是“以近代城市的兴起为依托、为载体的”[1]55。慈善义演作为近代慈善事业的重要活动形式之一，与近代都市文化的发展具有密不可分的联系，它产生于都市，并发展于社会近代化和城市化过程之中，而并非乡村地区，这是慈善义演作为近代慈善事业的表现形式的重要标志。从慈善义演的形式看，它是通过艺人演出的方式筹集资金来进行慈善救助的行为，而这种演出的形式，则是多种多样，但是从根本上说，艺术演出这种行为本身，便是要满足具有近代意义的都市社会的娱乐需要。首先，作为一种常规的筹募方式，一种普遍存在的慈善救助形式，它的发起要具备三个基本条件：

1 NB-IoT介绍

在目前物联网应用场景中，无线通信高速率业务主要使用3G/4G技术，中等速率业务主要使用GPRS技术。NB-IoT，即窄带物联网，是由3GPP标准化组织定义的一种专为物联网设计的窄带射频技术，属于LPWAN技术之一，适用于远距离低速率业务，具有信号覆盖范围广、多连接、低功耗和低成本的特点。NB-IoT占用约180 kHz的带宽，可以直接部署于LTE网络、GSM网络或UMTS网络。使用相同频段时，NB-IoT技术比现有网络增加约20 dB增益，覆盖面积达到现有技术的100倍，重传次数为16次；NB-IoT技术的一个扇区可以支撑10万个连接，使用同一基站时，较现有无线技术能够提供其50～100倍的接入数量；NB-IoT设备的电池寿命比现有设备的电池寿命提高了10年左右，并且提供较为全面的室内蜂窝数据连接。另外，NB-loT通过多种方法大幅降低了终端芯片的成本，例如将终端的工作带宽减小到200 kHz、将峰值的速率降低到100 kbps、规模化生产等。

(3)Stable rotating detonation combustion could also be initialized and sustained in a combustor with a nozzle,which signals a bright future for the application of rotating detonation to satellite orbit-control thrusters.

自工信部2017年发布《关于全面推进移动物联网（NB-IoT）建设发展的通知》以来，NB-IoT得到了国内3大通信运营商和华为等通信业巨头的大力推动，预计到2020年底，NB-IoT网络将实现全国普遍覆盖，实现面向室内、交通网络、地下管网等应用场景的深度覆盖，基站规模达到约150万个。

高潮和“诗的妾”就是这样，尽管知道彼此的手机号码，但两人从不直接通话，只是通过短信息和QQ交流。这或许是两人想保持更多的神秘感，以增强彼此吸引力的一种行为吧。

(3)结果通过对比可以发现，空调开始制冷的同时，两个区域内的压缩机的制冷速度都很快，工作驱动力十足。从第六分钟开始，由于前部区域乘客较少，且车内温度均已达到乘客的体感舒适度的标准，压缩机的工作方式就由最初的持续性工作变成了间隔性工作，以降低能耗。由此课间，电动汽车的智能空调系统能够有效减少对汽车电池驱动力的消耗。

2 周界入侵报警系统总体方案

针对高速铁路周界防护的各种需求，本系统主要由前端探测设备、NB-IoT设备、管理平台3部分构成。前端探测设备集成了脉冲电子围栏探测、振动光纤探测和光波对射探测设备；NB-IoT设备包括NB-IoT DTU模块和NB-IoT基站；管理平台包括路局监测终端、经授权的PC/手机等移动终端。

脉冲电子围栏探测技术通过合金线和杆件在前端构成5 000～10 000 V的脉冲电回路，当入侵行为引起电回路短路、断路、通信及电源故障时触发报警，兼具物理阻挡和心理威慑功能；振动光纤探测技术通过传感光纤中光路传输的变化采集入侵引起的振动信号，再将光信号转换为电信号触发报警；光波对射探测技术在发射器和接收器之间形成对射光束，入侵者遮挡光束即会触发报警。前端探测设备的报警主机将现场采集的模拟量或开关量报警信号转换为数字报警信号，其内置的算法可以过滤掉大部分无效报警信号，然后通过RS485总线将预处理后的数据发送给NB-IoT DTU。

NB-IoT DTU支持中国移动、中国联通和中国电信的NB-IoT网络接入，通过配置可以实现串口到网络的双向数据透明传输。NB-IoT DTU一般有网络透明传输、CoAP、UDC 3种工作模式。在网络透传模式下，终端设备可以通过该模块发送数据到网络上指定的服务器，也可以通过该模块接收来自服务器的数据，传输过程中数据不被解析；在CoAP模式下，终端设备通过该模块发送请求数据到指定的CoAP服务器，该模块对来自CoAP服务器的数据进行解析并将结果发至终端设备；UDC模式在网络透传模式上增加了特定的注册包和心跳包，并对数据进行了组包，相当于加入UDC协议的网络透传模式。NB-IoT DTU模块接收到报警主机发送的数据后实时转发给NB-IoT基站，NB-IoT基站最终将数据发送至互联网上指定IP和端口的服务器。

路局管理平台的用户可以利用电脑、手机通过访问网络IP远程查询所有管理范围内的周界入侵报警系统的监测信息，也可以对前端探测设备进行远程控制，从而实现路局级周界入侵监测信息的集中管理。

周界入侵报警系统结构如图1所示。

图1 系统结构

3 系统硬件

本设计采用单防区、六线制脉冲电子围栏探测设备，主要包括：WS-8008型报警主机、前端金属杆件、铝镁合金线、避雷器、接地桩、声光报警器等。每个防区的最大长度为200 m，具备触网报警、旁路报警、短路报警、断路报警、开关量输入报警、设备故障报警等功能。WS-8008型报警主机输出的高压脉冲电压在5 000～10 000 V之间步进可调，步长为2 500 V，脉冲间隔时间为1～1.5 s。

系统采用四防区振动光纤探测设备，主要包括：SIKERY-880型报警主机、传感光纤、通信光纤、采集器、终端盒、声光报警器等，每个防区最大长度为1 000 m，传感光纤与通信光纤分离敷设。

金石滩码头入口附近有两棵老榆树，都一搂粗细，一些到这儿旅游的人正忙着在树下拍照。付玉穿着一身杉杉牌的西装，挎着一个大包，站在那儿摆弄手机。她比三年前更有风度，有魅力。

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系统采用6束激光对射探测设备，主要包括：AL-6480C型报警主机、ABJ-100-6J型收发器、声光报警器等，每个防区最大长度为100 m。

以上3种报警主机均支持RS485总线通信，在满足RS485通信要求的前提下，地理位置相近的报警主机可共用NB-IoT DTU。

NB-IoT DTU采用USR-NB700模块，该模块支持中国电信NB-IoT网络，支持网络透明传输、CoAP、UDC三种工作模式；支持自定义注册包、多路心跳包、低电压电池保护等功能；支持超低功耗模式；支持基本指令集。

4 系统软件

4.1 数据

路局管理平台通过NB-IoT网络向前端探测设备发送设备控制信息，实现对前端探测设备的布防、撤防及阈值设置，前端探测设备按照控制信息完成动作后，向路局管理平台发送一条该防区的状态信息。设备控制信息包含防区ID、操作人员信息、控制指令等；防区状态信息包含防区ID、防区状态和自定义信息；报警信息包含线路名称、线路编码、设备名称、设备编码、防区ID、前端探测设备类型、报警时间、报警类型、报警受理时间、报警处理状态、报警有效性、报警处理完成时间、报警处理人信息和报警备注等。若防区状态未发生变化，前端探测设备每30 s向路局管理平台发送1次所有防区的状态信息；若某防区的状态发生变化，前端探测设备实时向路局管理平台发送该防区的状态信息。

考虑到管理平台客户端软件二次开发的需求，本设计选用USR-NB700模块的网络透传模式，用户不需要关注RS485接口数据与网络数据包之间的数据转换过程，只需通过简单的参数设置即可实现RS485接口设备与网络服务器之间的数据透明通信。USR-NB700模块支持Socket A和Socket B两路Socket连接，它们之间相互独立，通过编写AT指令便可实现数据收发。正常情况下，单个USR-NB700模块每小时收发的数据量为40～90 kB。USR-NB700的主要AT指令如表1所示。

表1 主要AT指令

指令功能 AT+WKMOD=NET设置工作模式为网络透传 AT+SOCKAEN=ON设置socket A为使能状态 AT+SOCKA=UDP,118.190.93.84,2317设置socket A为UDP Client AT+S保存

前端探测设备和路局管理平台间的通信数据报文帧格式见表2。

表2 报文帧格式

字节序报文内容编码方式说明 1-4数据包头0xFF0xFF0xFF0xFF4个字节的数据包头 5业务数据类型报文携带的数据类型 6数据版本默认0x01 7-23现场设备ID 24-27业务数据内容长度业务数据内容的长度 28-N业务数据内容UTF-8业务数据项组成的字符串 N+1异或校验码数据内容部分按位异或校验 N+2-N+5数据包尾0xDD0xDD0xDD0xDD4个字节的数据包尾

4.2 接口

路局管理平台通过访问互联网IP与前端探测设备建立通信，其他用户取得系统授权后，可通过路局数据中心的信息交互接口获取本系统数据。

系统外部通信接口主要包括铁路综合视频监控系统接口和铁路时间同步网接口。系统管理平台接收到前端探测设备发送的入侵报警信息后，向铁路综合视频监控系统发送报警联动信息，调取报警视频请求。铁路综合视频监控系统收到报警请求后，通过铁路数据通信网向本系统管理平台发送报警现场的视频数据，同时进行联动报警。本系统通过铁路时间同步网接口获取NTP类型的时间信号。这2个接口均通过路局数据中心的信息交互接口实现，具体过程符合TJ/DW 022-2013《铁路综合视频监控系统技术规范（V1.0）》（铁总运[2013]71号）、TJ/DW 023-2008《铁路时间同步网技术条件（V1.0）》（运基通信[2008]599号）等技术条件和标准要求。

4.3 软件设计

软件设计基于模块化、简单、灵活、稳定为核心，通过组态化的快速配置满足不同应用场景、类型报警功能的需求。服务端程序采用.NET的动态反射机制，结合AOP面向切面编程及IOC控制反转思想，实现了可灵活配置的插件式框架，可通过修改配置文件选择性地加载并注入对应厂商设备协议处理模块；客户端程序采用可视化的操作方法，可快速、灵活地完成系统配置和管理。软件主要具备防区管理、设备管理、用户管理、报警日志查询、系统健康诊断、2D/3D地图等功能。

软件的部分报警判定算法流程见图2。

图2 报警判定算法流程

5 系统测试

5.1 测试方案

系统测试在中铁电气化局集团有限公司西安某试验场进行，该试验场周界安装了与当前高速铁路周界完全相同的护栏，可进行高速铁路周界入侵报警系统的上道前全真模拟试验。现场分别设置了脉冲电子围栏探测设备、振动光纤探测设备和激光对射探测设备。脉冲电子围栏防区长度为12 m，划分为2个防区，前端杆件采用侧装的方式，与墙体垂直方向夹角为30°；振动光纤防区长度为36 m，划分为4个防区，采用挂网的安装方式；激光对射防区长度为3 m，共1个防区。数据中心及管理平台与试验场直线距离为300 m。试验场既有视频监控系统在每个防区范围内均布置了至少1台高清网络摄像机，能够全方位实时监控试验场周界。既有视频监控系统与周界入侵报警系统在数据中心的核心交换机上通过TCP/IP协议进行数据交互。

试验在3种探测设备安装完毕后开始，对气候环境无特殊要求，主要考察对象（脉冲电子围栏、振动光纤和光波对射探测设备）的功能有效性及工作稳定性。系统正常布防状态下的软件主界面如图3所示。

图3 正常布防状态下的软件主界面

5.2 测试内容

测试内容包括：报警试验、精度试验、多点试验、干扰试验、主机特性试验、报警响应试验、声光联动试验和视频联动试验。

5.3 测试结果

经测试，在报警试验、多点试验、声光联动试验和视频联动试验中，系统100%对全部模拟入侵行为进行了报警，并且能够正常触发声光报警器、调取防区的实时视频监控画面。

在精度试验中，脉冲电子围栏探测设备均能够精确上报入侵行为发生的防区编号。在一次模拟入侵振动光纤2号防区试验中，管理平台显示振动光纤2号、3号防区同时发生了报警。经分析，引起防区间串扰的原因是该试验场的每个振动光纤防区长度仅为9 m，根据振动光纤探测设备在油气管道、大型库区等场景的实施经验，单个防区的合理长度应不小于80 m。

在干扰试验中，模拟了强降水、震动、大风3种干扰因素，脉冲电子围栏均未受到干扰因素的影响，振动光纤探测设备出现1次震动干扰和1次大风误报警。经分析，振动光纤探测方式易受传感光纤的安装工艺影响，其本身的技术原理也存在一定局限性。但本设计通过视频联动调取现场实时视频监控画面进行报警人工复核，能够极大程度降低该类因素引起的误报率。

钾肥观察家认为，通过大规模实施混合所有制，未来国企、民企的楚河汉界不会再泾渭分明，而是你中有我，我中有你，这将极大地改写国企的股权结构与秩序，用更少资本撬动更大的资源。这无疑是一种“双赢”。

在主机特性试验中，采用UT-P21高压探头和MDO3012示波器对脉冲电子围栏前端铝镁合金线上任意位置的脉冲电压进行测量，测得实际脉冲电压为5.4～5.6 kV（GB/T 7946-2015《脉冲电子围栏及其安装和安全运行》要求为4.5～10 kV）。

综合考虑样本国家的地域位置、经济状况、文化以及数学教育背景等因素，除中国之外选取了5个代表性国家：澳大利亚、英国、新加坡、美国、南非（选取的6个国家以国家代码首字母进行排序，分别是澳大利亚、中国、英国、新加坡、美国、南非），6个国家基础教育阶段主体学制以及研究选取的国家数学课程标准文本如下（为了全文行文一致，各国均根据学制按年级顺序排列）．

在报警响应试验中，从现场触发到管理平台完整显示报警信息的时间为3～4 s（GB/T 7946-2015《脉冲电子围栏及其安装和安全运行》要求为5 s）。

以上试验结果证明，基于NB-IoT构建的高速铁路周界入侵报警系统能够满足相关标准、技术条件要求及现场需求，具有一定可行性和实用性。

6 结语

高速铁路在国民经济中发挥日益重要的作用，周界安防需求将不断增大，应用周界入侵报警系统能够有效保障运营安全，使人防、物防、技防达到最优匹配。NB-IoT技术相对于Zigbee、WiFi、LoRa等物联网无线通信技术，在性能、成本和数据安全方面具有独特优势。在技术层面，NB-IoT与既有的铁路数据通信网结合使用，能够更方便地解决周界入侵报警系统推广应用过程中的信息孤岛等问题，可以成为高速铁路智能化建设的新生力量。

计算认知思想建基于计算机科学技术应用的基础之上，但是，计算认知的历史背景源远流长，甚至可以追溯到古希腊时代。从古希腊肇始的数学理性传统在伽利略、笛卡尔那里进一步发扬光大，一直延续到现代计算机科学的兴起。“计算”作为当代计算主义最为核心的概念，就是在这样的历史背景下发展起来的。

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[2] 尤立江. 铁路周界入侵报警系统[J]. 中国铁路，2015（7）：66-68.

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[4] 张万春，陆婷，高音. NB-IoT系统现状与发展[J]. 中兴通讯技术，2017，23（1）：10-14.

[5] 徐梦妹. 高速铁路周界入侵报警系统运用分析[J]. 中国安全科学学报，2018（s1）.

Abstract:Alarm system for high speed railway boundary infringement is built on the basis of the technology of narrow band internet of things (NB-IoT). The system overall scheme, software and hardware and interface design are introduced, the simulation test has been made initially to verify the feasibility and practicality of the system in terms of technology, and the system is able to realize linkage alarming together with the railway integrated video monitoring system.

Key words:NB-IoT; alarm for infringement of boundary; pulse electric fence; optic fiber vibration sensor; laser correlation

中图分类号：TP277

文献标识码：B

文章编号：1007-936X(2019)03-0090-04

DOI：10.19587/j.cnki.1007-936x.2019.03.023

收稿日期：2018-11-14

作者简介：卢 强.中铁电气化局集团有限公司智能交通技术分公司，助理工程师；

王昕煜.中铁电气化局集团有限公司智能交通技术分公司，高级工程师；

杨江成，赵少博，何 江.中铁电气化局集团有限公司智能交通技术分公司，工程师。