鐵路貨運(yùn)電子鎖安全監(jiān)控研究

張景利，叢志慶，李 麗

(1. 北京鐵路局 北京科學(xué)技術(shù)研究所，北京 100036；2.長(zhǎng)春晟源科技有限公司 研發(fā)部，吉林 長(zhǎng)春 130000)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，貨物運(yùn)輸量日益增加，公路、水路、航空的運(yùn)力也在迅猛發(fā)展，對(duì)鐵路運(yùn)輸形成強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)，改善鐵路運(yùn)輸安全監(jiān)管水平對(duì)提高鐵路競(jìng)爭(zhēng)力尤為重要。現(xiàn)有的鐵路列車(chē)追蹤系統(tǒng)僅能夠?qū)α熊?chē)運(yùn)行的大概區(qū)間進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)效性不強(qiáng)，不能及時(shí)傳遞列車(chē)運(yùn)行途中貨物被盜、車(chē)門(mén)被開(kāi)啟等安全信息，不能滿(mǎn)足鐵路客戶(hù)對(duì)貨物實(shí)時(shí)追蹤的要求[1]。針對(duì)上述情況，急需研制開(kāi)發(fā)一種具備安全監(jiān)控和追蹤分析的鐵路貨物列車(chē)電子鎖[2]。

1 電子鎖系統(tǒng)原理及功能

電子鎖系統(tǒng)由中央管理功能、數(shù)據(jù)交換模塊、掌上電腦 (PDA) 加解鎖、全球定位系統(tǒng) (GPS) 車(chē)輛管理、數(shù)據(jù)傳輸安全管理和短信網(wǎng)關(guān)等 6 大模塊組成。集成通用分組無(wú)線(xiàn)服務(wù)技術(shù) (GPRS)、GPS、紫蜂協(xié)議 (ZigBee)、基于位置服務(wù) (LBS) 技術(shù)于一體，對(duì)列車(chē)實(shí)行全程圖像化監(jiān)控[3]。電子鎖系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖1 電子鎖系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of electronic lock system

1.1 電子鎖系統(tǒng)工作原理

（1）上鎖。操作員在控制器上點(diǎn)擊上鎖按鈕，控制器通過(guò) GPRS 向中央管理系統(tǒng)申請(qǐng)上鎖，中央管理系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)證后返回上鎖命令給控制器，控制器向電子鎖發(fā)出上鎖命令，電子鎖通信單元接到上鎖無(wú)線(xiàn)信號(hào)后發(fā)給控制單元，控制單元立即查詢(xún)檢查開(kāi)關(guān) (傳感器) 齒條是否插入，得到已插入信號(hào)后，向電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元發(fā)出正向電流驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并推動(dòng)鎖舌前移，到位后傳感器向控制單元發(fā)出信號(hào)停止向電機(jī)供電完成上鎖動(dòng)作。同時(shí)，上鎖成功信息通過(guò)控制器 GPRS通信傳給中央管理系統(tǒng)[4]。

（2）開(kāi)鎖。作業(yè)人員在控制器上點(diǎn)擊開(kāi)鎖按鈕，控制器通過(guò) GPRS 向中央管理系統(tǒng)申請(qǐng)開(kāi)鎖，中央管理系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)證后返回開(kāi)鎖命令及開(kāi)鎖密碼給控制器，控制器向電子鎖發(fā)出開(kāi)鎖命令及密碼，電子鎖通信單元接到開(kāi)鎖無(wú)線(xiàn)信號(hào)后發(fā)給控制單元，控制單元向電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元發(fā)出反向電流驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并推動(dòng)鎖舌后移，到位后傳感器向控制單元發(fā)出信號(hào)停止向電機(jī)供電完成開(kāi)鎖動(dòng)作。同時(shí)開(kāi)鎖成功信息通過(guò)控制器 GPRS 通信傳給中央管理系統(tǒng)[5]。電子鎖工作原理如圖 2 所示。

1.2 電子鎖系統(tǒng)的功能

1.2.1 系統(tǒng)用戶(hù)管理

（1）用戶(hù)信息維護(hù)。錄入使用本系統(tǒng)的人員姓名，系統(tǒng)會(huì)分配一個(gè)編號(hào)作為登陸系統(tǒng)的賬號(hào)，同時(shí)生成登陸默認(rèn)密碼。

圖2 電子鎖工作原理圖Fig.2 Working principle of the electronic lock

（2）用戶(hù)部門(mén)維護(hù)。錄入使用本系統(tǒng)人員的部門(mén)信息，部門(mén)信息以樹(shù)狀分層顯示，如局→段→運(yùn)輸公司，用來(lái)配合人員權(quán)限分配。

（3）用戶(hù)權(quán)限分配。為不同職能人員 (角色) 分配權(quán)限，包括使用功能模塊、數(shù)據(jù)查詢(xún)等。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)功能權(quán)限可以細(xì)化到增、刪、改。

1.2.2 車(chē)輛、車(chē)站信息管理

（1）車(chē)輛信息管理。車(chē)輛錄入信息包括車(chē)號(hào)、載重量等。

（2）車(chē)站信息管理。車(chē)站信息管理包括車(chē)站名稱(chēng)、編號(hào)、地址等，車(chē)站地理坐標(biāo)采集 (包括系統(tǒng)外)有以下 2 種方式：①現(xiàn)場(chǎng)手持采集器直接將坐標(biāo)數(shù)據(jù)存入中心數(shù)據(jù)庫(kù)。②在電子地圖上查找車(chē)站直接獲取坐標(biāo)數(shù)據(jù)存入中心數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.2.3 鉛封設(shè)備管理

（1）設(shè)備注冊(cè)。需要注冊(cè)的設(shè)備包括車(chē)載鎖控制器、車(chē)載電子鎖、手持控制器；注冊(cè)內(nèi)容包括設(shè)備編號(hào)、注冊(cè)時(shí)間。

（2）設(shè)備啟用。經(jīng)過(guò)注冊(cè)的設(shè)備才能啟用，對(duì)沒(méi)有啟用的設(shè)備操作，系統(tǒng)會(huì)拒絕，并給出提示。

1.2.4 工作流程管理

（1）系統(tǒng)操作。分為加鎖、解鎖、在途 3 個(gè)狀態(tài)。

（2）貨車(chē)變站。在實(shí)際工作中，可能發(fā)生貨車(chē)去往甲地，中途接到命令或發(fā)生緊急情況需去往乙站，經(jīng)過(guò)變站后貨車(chē)到達(dá)乙站能正常開(kāi)鎖卸貨。

（3）應(yīng)急開(kāi)鎖。貨車(chē)到達(dá)目的站開(kāi)鎖是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)器獲取開(kāi)鎖命令和密碼的，一旦網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問(wèn)題便無(wú)法開(kāi)鎖，此時(shí)可以向有此權(quán)限的部門(mén)獲取應(yīng)急開(kāi)鎖密碼開(kāi)鎖。

（4）遠(yuǎn)程開(kāi)鎖。經(jīng)過(guò)授權(quán)可以通過(guò)車(chē)載控制器實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)鎖。

1.2.5 監(jiān)控報(bào)警

在下列情況下可以發(fā)出監(jiān)控報(bào)警信號(hào)：①斷電、低電壓；②異常解鎖；③控制器故障；④異常停車(chē)。所有可以確認(rèn)到車(chē)的報(bào)警，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)在電子地圖上給予高亮顯示并閃爍。根據(jù)設(shè)置需發(fā)短信的則發(fā)短信。

1.2.6 GPS 車(chē)輛管理

（1）實(shí)時(shí)定位。車(chē)輛實(shí)時(shí)位置查詢(xún)。

（2）歷史軌跡。查詢(xún)、回放車(chē)輛歷史數(shù)據(jù)。

2 貨運(yùn)電子鎖系統(tǒng)關(guān)鍵組成及特點(diǎn)

2.1 車(chē)載電子鎖

車(chē)載電子鎖是安裝在貨運(yùn)列車(chē)上的重要部件，其外殼采用高強(qiáng)度鋁合金制造，具有強(qiáng)度高、耐腐蝕和抗沖擊能力。鎖芯的基本材料采用鋁合金+不銹鋼，強(qiáng)度高耐磨損不生銹。鎖緊機(jī)構(gòu)有電池、電機(jī)、齒輪、電路板、光電傳感器、電磁傳感器等組成。齒條(鎖舌) 由不銹鋼制造，抗破壞能力強(qiáng)[6]。

2.2 電子鎖控制器

電子鎖控制器主要由車(chē)載控制器、手持控制器和固定控制器組成。

（1）車(chē)載控制器同樣安裝在貨運(yùn)列車(chē)上，外殼用高強(qiáng)度丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物 (ABS) 塑料制造[7]。車(chē)載控制器集成了電子鎖控制、GPS 定位、GPRS + ZigBee (高、低頻) 通訊，主要用來(lái)監(jiān)控車(chē)載電子鎖狀態(tài)，在列車(chē)行進(jìn)中定時(shí)向中央管理系統(tǒng)上報(bào)電子鎖狀態(tài)信息，包括鎖舌是否鎖緊，是否被屏蔽，是否被破壞及 GPS 定位信息等。在發(fā)生緊急情況需要開(kāi)鎖時(shí)，有中央管理系統(tǒng)通過(guò) GPRS 向控制器發(fā)出開(kāi)鎖命令，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開(kāi)鎖。

（2）手持控制器是專(zhuān)用手持機(jī) (PDA) 集成微型電子鎖控制器，主要有貨運(yùn)車(chē)長(zhǎng)或相關(guān)人員用來(lái)開(kāi)關(guān)鎖和檢查電子鎖狀態(tài)。

（3）固定控制器是安裝在鐵路兩側(cè)、貨場(chǎng)用來(lái)監(jiān)控車(chē)載電子鎖狀態(tài)，經(jīng)過(guò)授權(quán)也可以具備開(kāi)關(guān)鎖功能，如果有車(chē)載控制器可以不使用固定控制器。

2.3 電子鎖性能特點(diǎn)

（1）電子鎖外殼采用高強(qiáng)度鋁合金制造，具有強(qiáng)度高、耐腐蝕和抗沖擊能力。

（2）鎖芯基本材料采用鋁合金+不銹鋼，強(qiáng)度高耐磨損不生銹。鎖緊機(jī)構(gòu)有電池、電機(jī)、齒輪、電路板、光電傳感器、電磁傳感器等組成。

（3）齒條由不銹鋼制造，抗破壞能力強(qiáng)。

（4）電路由低功耗單片機(jī)控制單元和微功耗ZigBee 無(wú)線(xiàn)收發(fā)單元組成；電源為高功率鋰亞硫酰氯電池，工作溫度 -40℃～85℃，電壓 3.6V，容量3Ah。

3 貨運(yùn)電子鎖安全監(jiān)控分析

鐵路貨運(yùn)電子鎖安全監(jiān)控主要采取發(fā)貨上鎖、在途巡檢、收貨解鎖和應(yīng)急解鎖 4 個(gè)流程，鐵路貨運(yùn)電子鎖安全監(jiān)控流程圖如圖 3 所示。

3.1 發(fā)貨上鎖

（1）貨運(yùn)員在接到裝車(chē)清單后，在電子鎖軟件系統(tǒng)中錄入，車(chē)次、班次、車(chē)號(hào)、客戶(hù)、到站、電子鎖號(hào)等信息，系統(tǒng)自動(dòng)生成電子鎖流轉(zhuǎn)流程數(shù)據(jù)。如果有鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)接口，以上數(shù)據(jù)可以自動(dòng)導(dǎo)入。

（2）貨運(yùn)車(chē)長(zhǎng)將電子鎖帶到現(xiàn)場(chǎng)，根據(jù)車(chē)號(hào)將電子鎖鎖到鉛封口處，并用手持機(jī)發(fā)出上鎖命令，此時(shí)手持機(jī)會(huì)提示電子鎖號(hào)和車(chē)號(hào)匹配信息并要求貨運(yùn)員核對(duì)，信息正確后會(huì)繼續(xù)進(jìn)行上鎖操作。如果不對(duì)，會(huì)停止上鎖并提示修改信息。上鎖成功信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)上傳到鉛封中央管理系統(tǒng)，系統(tǒng)記錄上鎖時(shí)間并啟動(dòng)流程。

（3）電子鎖上鎖成功后可以拍照備案。貨車(chē)全部施封完畢后，貨運(yùn)員、班長(zhǎng)或其他需要確認(rèn)的人可以在電腦軟件系統(tǒng)簽字確認(rèn)，并打印現(xiàn)場(chǎng)施封記錄表備案。

3.2 在途巡檢

圖3 鐵路貨運(yùn)電子鎖安全監(jiān)控流程圖Fig.3 Work flow chart of railway freight safety monitoring system

（1）人工巡檢。沿途停靠站檢測(cè)人員可以使用手持控制器檢查電子鎖狀態(tài)，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)將電子鎖的狀態(tài)上傳到電子鎖中央管理系統(tǒng)形成報(bào)告，如果電子鎖狀態(tài)異常會(huì)根據(jù)異常等級(jí)發(fā)出報(bào)警信息。報(bào)警信息可以通過(guò)短信等方式發(fā)給相關(guān)管理人員或貨主[8]。

（2）自動(dòng)巡檢。可以使用安裝在鐵路相應(yīng)位置的固定控制器實(shí)現(xiàn)不停車(chē)檢查電子鎖狀態(tài)，固定控制器能快速將經(jīng)過(guò)的列車(chē)上電子鎖狀態(tài)讀出，并上傳到中央管理系統(tǒng)。這樣通過(guò)電子鎖系統(tǒng)提供的查詢(xún)功能可以知道貨物施封狀態(tài)，也可以知道貨物到達(dá)的區(qū)間位置。此外，也可以在列車(chē)工作車(chē)上安裝車(chē)載控制器，監(jiān)控列車(chē)電子鎖狀態(tài)，并定期通過(guò) GPRS 或 3G網(wǎng)上傳到中央管理系統(tǒng)。車(chē)載控制器配有 GPS 定位模塊，方便查詢(xún)?cè)谕矩浳餃?zhǔn)確位置。電子鎖報(bào)警可以在電子地圖上顯示，管理人員可以查詢(xún)電子地圖知道報(bào)警發(fā)出的位置、車(chē)次、車(chē)號(hào)等信息[9]。

3.3 收貨解鎖

（1）運(yùn)送貨物的車(chē)輛到站后，由貨運(yùn)車(chē)長(zhǎng)用手持控制器對(duì)電子鎖狀態(tài)進(jìn)行檢查和開(kāi)鎖，如果現(xiàn)場(chǎng)電子鎖是開(kāi)鎖狀態(tài)，手持控制器會(huì)發(fā)出警告信息，并將狀態(tài)信息上傳給中央管理系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)相關(guān)人員給出處理意見(jiàn)后，將此次流轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成停止流程或繼續(xù)流轉(zhuǎn)狀態(tài)。如果現(xiàn)場(chǎng)電子鎖狀態(tài)正常，手持控制器將開(kāi)鎖信息上傳中央管理系統(tǒng)，系統(tǒng)驗(yàn)證數(shù)據(jù)后發(fā)出開(kāi)鎖命令，開(kāi)鎖成功系統(tǒng)自動(dòng)完成本次電子鎖貨運(yùn)流轉(zhuǎn)。

（2）可以在中途到站打開(kāi)鎖，卸完貨或新裝貨后重新上鎖，系統(tǒng)重新生成電子鎖流轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)繼續(xù)運(yùn)行。

（3）貨物在未到達(dá)目的站之前的沿途車(chē)站的手持控制器不能開(kāi)啟電子鎖，只有目的站的控制器才能開(kāi)鎖。

3.4 應(yīng)急解鎖

（1）遠(yuǎn)程應(yīng)急解鎖。①當(dāng)?shù)秸臼殖挚刂破鏖_(kāi)關(guān)鎖功能故障，但聯(lián)網(wǎng)功能正常，可以在控制器上點(diǎn)擊遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)鎖按鈕，申請(qǐng)使用車(chē)載控制器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)鎖。②貨車(chē)在中途發(fā)生緊急狀況需要開(kāi)車(chē)門(mén)卸貨時(shí)，可以打電話(huà)給有關(guān)部門(mén)申請(qǐng)遠(yuǎn)程開(kāi)鎖，經(jīng)授權(quán)的有關(guān)人員在電腦鉛封系統(tǒng)上使用遠(yuǎn)程開(kāi)鎖功能向列車(chē)控制器發(fā)出解鎖命令開(kāi)鎖。

（2）應(yīng)急碼解鎖。當(dāng)?shù)秸臼殖挚刂破鏖_(kāi)關(guān)鎖功能正常，但聯(lián)網(wǎng)功能故障時(shí)，可以打電話(huà)給有關(guān)部門(mén)申請(qǐng)應(yīng)急碼開(kāi)鎖，在手持控制器上點(diǎn)擊應(yīng)急碼開(kāi)鎖按鈕，輸入應(yīng)急碼開(kāi)鎖。

（3）強(qiáng)力破壞解鎖。當(dāng)電子鎖發(fā)生故障無(wú)法開(kāi)鎖時(shí)，只能使用強(qiáng)力破壞手段，如使用液壓鉗剪斷鎖舌。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)鐵路貨運(yùn)電子鎖監(jiān)控系統(tǒng)的研究，實(shí)現(xiàn)了對(duì)列車(chē)實(shí)行全程化、圖像化的監(jiān)控。通過(guò)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)由人控變機(jī)控的轉(zhuǎn)變，在確保鐵路貨物運(yùn)輸安全的前提下，提高了作業(yè)效率，降低了工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，控制了成本。隨著鐵路發(fā)展逐步進(jìn)入信息化時(shí)代，要求鐵路應(yīng)加快采用信息化技術(shù)、提高鐵路貨運(yùn)安全監(jiān)控水平。鐵路貨運(yùn)電子鎖監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)用中應(yīng)不斷積累經(jīng)驗(yàn)，更好地滿(mǎn)足鐵路貨運(yùn)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需求。

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