鐵路快運貨物班列電子鎖技術研究

冉雄英

(中國鐵路北京局集團有限公司 貨運部，北京 100860)

鐵路快運貨物班列(以下簡稱“快運班列”)是指在固定發到站間，有固定車次和運行線路、明確的開行周期和運行時刻，按客車化模式組織開行的貨物列車[1]。快運班列所裝運貨物大部分為快遞、郵件等高附加值零散白貨，主要客戶為中鐵快運股份有限公司、中國郵政速遞物流股份有限公司、順豐速遞有限公司等快遞物流企業，快運班列需要在途中停站，停站時有貨物快裝快卸的作業，對貨物的實時位置信息追蹤和運輸安全需求較高。

1 鐵路快運貨物班列電子鎖技術分析

我國已建成的鐵路貨車追蹤系統依靠地面設備識別車號實現了大節點式追蹤，但仍然不能實時掌握貨車的位置信息，貨物在途中發生被盜、丟失等貨物損失情況時，只能在列車到達下一貨檢站后被發現，對于減少貨物損失要求和公安機關偵破案件造成一定困難。因此，迫切需要對貨物列車進行安全監控和追蹤技術研究。目前電子鎖在國內一些行業得到了廣泛應用，如海關的電子關鎖、石化行業的油罐車電子鎖等[2-3]，鐵路系統也對施封鎖的電子化應用及RFID技術的應用進行了探索和實踐[4-8]，因而應進一步加強適用于鐵路貨物快運班列的具有安全監控及追蹤分析功能的電子鎖及配套系統。

1.1 結構設計

根據鐵路貨物快運班列的運輸特點，研發設計的設備硬件部分由車載控制器模塊、手持控制器模塊和電子鎖模塊3部分組成。

車載控制器安裝在快運班列工作車上或其他具備安裝條件的合適位置，外殼采用高強度ABS塑料，硬件部分包含了衛星定位模塊、移動公網通信模塊、紫蜂(ZigBee)通信模塊、電源管理模塊、電子鎖遠程控制模塊等，可以用來遠程監測施封在車門上的車載電子鎖狀態，當貨車行進中定時上報電子鎖頭鎖緊信息、通信狀態、異常破鎖、定位位置等信息。在發生異常情況時可以依照中央信息系統通過GRPS移動公網下達的指令遠程控制電子鎖進行開鎖操作。車載控制器如圖1所示。

圖1 車載控制器Fig.1 Vehicle controller

手持控制器集成GPRS/WIFI+ZigBee (高、低頻)通信功能，在貨運車站現場配備一把或多把手持控制器，主要用于到站進行開鎖作業。手持控制器如圖2所示。

圖2 手持控制器Fig.2 Handheld controller

電子鎖作為硬件部分的核心模塊，實現鎖閉車門、位置數據采集和Zigbee通信功能。鎖緊結構由主控模塊、驅動電機、齒輪、電源控制、防爆可充電電池、光電傳感器、電磁傳感器等組成。外殼采用鋁合金材質，鎖芯采用不銹鋼和鋁合金材質，具有高可靠性、高強度、抗沖擊和抗腐蝕能力等特性。整個電子鎖通信、控制部分和機械結構部分集成在一個金屬盒內，通過采用無線方式接收上位機命令，不需要額外復雜布線和供電，這就減少了由于數據線、電源線暴露在設備外面易被硬性破壞或惡意破解的可能。電子鎖如圖3所示。

圖3 電子鎖Fig.3 Electronic lock

1.2 工作原理

電子鎖通信控制原理圖如圖4所示。當上位機控制器需要跟電子鎖下位機交互時，采用無線通信方式，通信模塊將控制下達命令值傳輸至電子鎖。電子鎖控制模塊接收到上位機命令值后，判斷命令值內容，結合光電傳感器、電磁傳感器等檢測開關狀態產生的檢測信號，產生脈沖電流驅動電機工作。當完成上述動作后，控制模塊將相關數據存儲在本地，同時將結果通過通信模塊返回給上位機，這就完成了一次通信、控制交互過程。

圖4 電子鎖通信控制原理圖Fig.4 Communication control principle design of electronic lock

2 鐵路快運貨物班列電子鎖操作流程

2.1 操作流程

快運班列使用電子鎖的操作流程分為發貨上鎖、在途巡檢、到站開鎖及應急開鎖等關鍵環節步驟。電子鎖使用操作流程圖如圖5所示。

圖5 電子鎖使用操作流程圖Fig.5 Work flow diagram for use of electronic lock

（1）發貨上鎖。內勤貨運員在接到裝車清單后，可在電子鎖中央管理系統中人工錄入本次運輸相關的車次編號、電子鎖編號、班列編號等重點信息，如果中央管理系統可實現與鐵路運輸相關系統數據接口，以上信息數據可采用REST或WebService接口方式導入而無需人工錄入。現場上鎖時外勤貨運員將電子鎖攜帶到裝車現場，根據對應的貨車車號將電子鎖施封到車門處，手持控制器掃描電子鎖正面讀取電子鎖號信息，輸入關聯的車號信息，此時手持控制器顯示鎖號和車號關聯信息并提示外勤貨運員核驗和檢查，若核對無誤則進行實際上鎖操作，如果錯誤則手持控制器會停止上鎖并提示修改關聯信息。關聯完成后手持控制器向監控中心發送上鎖請求，監控中心對上鎖請求進行驗證，并對加鎖的車站地點進行確認，返回允許上鎖命令給手持控制器。手持控制器通過ZigBee無線方式向電子鎖下達鎖閉指令，電子鎖根據指令操作機械鎖閉裝置鎖閉電子鎖，相關鎖閉成功信息回傳至手持控制器，手持控制器將鎖閉成功信息上傳至監控中心，系統會記錄上鎖時間等信息，最后當電子鎖上鎖成功后手持控制器可以對關聯車號、鎖號信息及加鎖現場拍照留底，這就完成一次完整的上鎖操作流程。上鎖流程示意圖如圖6所示。

（2）在途巡檢。在途巡檢根據是否有隨車工作人員而流程不同。①有隨車工作人員的鐵路貨物快運班列可以實現在途人工巡檢。當快運班列在運輸過程中停靠時，隨車工作人員可以使用配備的手持控制器檢測施封在貨車車門上的電子鎖是否正常工作，并且通過GPRS移動公網方式將電子鎖狀態信息上傳到中央管理信息系統并記錄檢測日志。如果電子鎖出現開鎖等異常情況，中央管理信息系統可以通過短信方式向具有短信權限的相關人員推送異常信息，以進行下一步的處置工作。②沒有隨車工作人員的快運班列可以結合在列車上固定安裝的車載控制器，將采集的衛星定位位置信息、接收到的各貨車上的電子鎖狀態信息以一定時間間隔通過GPRS移動公網傳到中央管理系統。中央管理系統結合GIS電子地圖技術，可以將采集的原始經緯度信息轉換成具有鐵路屬性的車站、區段、行政區劃等信息，供管理人員在中央信息系統以電子地圖圖形化的方式查詢電子鎖所在的鐵路車站站名、區段、車號等信息，實現數據信息的可視化管理。

圖6 上鎖流程示意圖Fig.6 Diagram of locking process

（3）到站開鎖。當快運班列到站進場后，外勤貨運員使用配備的手持控制器對未卸貨的車門上電子鎖狀態進行檢查和開鎖。如果狀態異常，如處于開鎖狀態，手持控制器會立馬產生告警信息并上傳至中央管理系統，此時系統推送給具有相關權限的管理用戶進行處置，系統根據處置意見將該信息轉換成停止操作或繼續操作。如果狀態正常，手持控制器掃讀鎖號信息，同時采集經緯度位置信息，向中央信息系統提出開鎖申請。中央信息系統接收到開鎖申請后，根據位置信息進行審核，審核通過后下達開鎖密鑰給手持控制器，手持控制器接收到開鎖密鑰后向電子鎖下達開鎖指令，電子鎖收到開鎖指令操作鎖閉結構進行開啟，開啟成功后返回成功信息給手持控制器，手持控制器再上傳開啟成功信息至中央信息系統。由于系統設定只有每次班列到站的手持控制器具有開啟車門上電子鎖的權限，針對快運班列貨物中途運輸過程中需要倒裝或換裝整理等情況，工作人員需將開鎖申請信息提交至中央管理系統，并經系統審核后向手持控制器授權開鎖作業。倒裝、換裝重新上鎖完成后，系統記錄生成電子鎖加解鎖數據。開鎖流程示意圖如圖7所示。

圖7 開鎖流程示意圖Fig.7 Diagram of unlocking process

（4）應急開鎖。在運輸過程中由于各種特殊情況的發生，需要對電子鎖進行應急開鎖，綜合考慮各種因素條件，研究設計應急碼開鎖、應急遠程開鎖和強力破壞開鎖3種應急開鎖方式。①應急碼開鎖。應急碼開鎖適用于到站手持控制器開關鎖功能正常，但向后臺傳送數據功能故障時情景。此時外勤貨運員可采用電話等方式聯系管理人員申請應急碼開鎖，審核通過后向現場外勤貨運員告知應急碼，外勤貨運員在手持控制器上輸入應急碼即可。②應急遠程開鎖。應急遠程開鎖適用于到站手持控制器的開關鎖功能故障，但向后臺傳送數據功能正常情景。此時在手持控制器上點擊應急遠程開關鎖按鈕以申請使用配對的固定車載控制器遠程應急開鎖，車載控制器收到此指令后執行此操作。③強力破壞開鎖。強力破壞開鎖適用于電子鎖發生機械或電機故障無法開鎖情景。此時使用液壓鉗剪斷鎖頭等方式強力破壞進行開鎖，并將電子鎖故障信息通過手持控制器上傳至中央信息管理系統進行記錄。

2.2 應用效果

采用具有加解鎖、定位功能的電子鎖及配套中央信息系統技術方案，可以實現當貨物在途中發生被盜、丟失等貨物損失情況時，第一時間獲知貨物的實時位置信息，有助于減少貨物損失數量，進而提高鐵路貨運運輸安全管理水平。經過在中國鐵路北京局集團有限公司管內環線快運班列一段時間的試用，電子鎖硬件設備質量、可靠性、穩定性及中央信息系統的功能均得到有效驗證。設備穩定性能良好，在室外高溫、低溫條件下均能正常工作，防拆、防震、防水等設計構造合理，堅固耐腐蝕。列車在發站裝車、途中運行、待避、到站卸車作業過程中電子鎖能夠很好地起到鎖閉作用，未出現貨物被盜情況。中央信息系統運行穩定，快運班列全程作業過程均可查詢監控，未出現系統癱瘓等問題，為日常作業管理及績效考核等方面搭建了較為全面的信息管理平臺。

3 結束語

在快裝快卸、對貨物的實時位置信息追蹤和運輸安全需求較高的快運班列應用場景下，采用研究設計的電子鎖方案，可以滿足快速定位追蹤、無線通信傳輸、低功耗工作、高可靠性工作等技術要求，實現快運班列列車全程化實時追蹤監控目標，改善快運班列追蹤定位的效果和客戶服務質量，有效解決快運班列運輸過程中的列車追蹤、貨物智能防盜等問題。采用該電子鎖技術方案還可以提高車站工作人員作業效率，降低勞動強度，在提高鐵路運輸、運到時限管理、實時位置追蹤等方面具有良好的應用意義和推廣前景。