鐵路貨運電子鎖安全監控研究

張景利，叢志慶，李 麗

(1. 北京鐵路局 北京科學技術研究所，北京 100036；2.長春晟源科技有限公司 研發部，吉林 長春 130000)

隨著國民經濟快速發展，貨物運輸量日益增加，公路、水路、航空的運力也在迅猛發展，對鐵路運輸形成強有力的競爭，改善鐵路運輸安全監管水平對提高鐵路競爭力尤為重要?，F有的鐵路列車追蹤系統僅能夠對列車運行的大概區間進行監測，實效性不強，不能及時傳遞列車運行途中貨物被盜、車門被開啟等安全信息，不能滿足鐵路客戶對貨物實時追蹤的要求[1]。針對上述情況，急需研制開發一種具備安全監控和追蹤分析的鐵路貨物列車電子鎖[2]。

1 電子鎖系統原理及功能

電子鎖系統由中央管理功能、數據交換模塊、掌上電腦 (PDA) 加解鎖、全球定位系統 (GPS) 車輛管理、數據傳輸安全管理和短信網關等 6 大模塊組成。集成通用分組無線服務技術 (GPRS)、GPS、紫蜂協議 (ZigBee)、基于位置服務 (LBS) 技術于一體，對列車實行全程圖像化監控[3]。電子鎖系統體系結構如圖 1 所示。

圖1 電子鎖系統體系結構圖Fig.1 Structure diagram of electronic lock system

1.1 電子鎖系統工作原理

（1）上鎖。操作員在控制器上點擊上鎖按鈕，控制器通過 GPRS 向中央管理系統申請上鎖，中央管理系統經驗證后返回上鎖命令給控制器，控制器向電子鎖發出上鎖命令，電子鎖通信單元接到上鎖無線信號后發給控制單元，控制單元立即查詢檢查開關 (傳感器) 齒條是否插入，得到已插入信號后，向電機驅動單元發出正向電流驅動電機轉動并推動鎖舌前移，到位后傳感器向控制單元發出信號停止向電機供電完成上鎖動作。同時，上鎖成功信息通過控制器 GPRS通信傳給中央管理系統[4]。

（2）開鎖。作業人員在控制器上點擊開鎖按鈕，控制器通過 GPRS 向中央管理系統申請開鎖，中央管理系統經驗證后返回開鎖命令及開鎖密碼給控制器，控制器向電子鎖發出開鎖命令及密碼，電子鎖通信單元接到開鎖無線信號后發給控制單元，控制單元向電機驅動單元發出反向電流驅動電機轉動并推動鎖舌后移，到位后傳感器向控制單元發出信號停止向電機供電完成開鎖動作。同時開鎖成功信息通過控制器 GPRS 通信傳給中央管理系統[5]。電子鎖工作原理如圖 2 所示。

1.2 電子鎖系統的功能

1.2.1 系統用戶管理

（1）用戶信息維護。錄入使用本系統的人員姓名，系統會分配一個編號作為登陸系統的賬號，同時生成登陸默認密碼。

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

（2）用戶部門維護。錄入使用本系統人員的部門信息，部門信息以樹狀分層顯示，如局→段→運輸公司，用來配合人員權限分配。

（3）用戶權限分配。為不同職能人員 (角色) 分配權限，包括使用功能模塊、數據查詢等。基礎數據維護功能權限可以細化到增、刪、改。

1.2.2 車輛、車站信息管理

（1）車輛信息管理。車輛錄入信息包括車號、載重量等。

（2）車站信息管理。車站信息管理包括車站名稱、編號、地址等，車站地理坐標采集 (包括系統外)有以下 2 種方式：①現場手持采集器直接將坐標數據存入中心數據庫。②在電子地圖上查找車站直接獲取坐標數據存入中心數據庫。

1.2.3 鉛封設備管理

（1）設備注冊。需要注冊的設備包括車載鎖控制器、車載電子鎖、手持控制器；注冊內容包括設備編號、注冊時間。

（2）設備啟用。經過注冊的設備才能啟用，對沒有啟用的設備操作，系統會拒絕，并給出提示。

1.2.4 工作流程管理

（1）系統操作。分為加鎖、解鎖、在途 3 個狀態。

（2）貨車變站。在實際工作中，可能發生貨車去往甲地，中途接到命令或發生緊急情況需去往乙站，經過變站后貨車到達乙站能正常開鎖卸貨。

（3）應急開鎖。貨車到達目的站開鎖是通過網絡向服務器獲取開鎖命令和密碼的，一旦網絡出現問題便無法開鎖，此時可以向有此權限的部門獲取應急開鎖密碼開鎖。

（4）遠程開鎖。經過授權可以通過車載控制器實現開關鎖。

1.2.5 監控報警

在下列情況下可以發出監控報警信號：①斷電、低電壓；②異常解鎖；③控制器故障；④異常停車。所有可以確認到車的報警，系統會及時在電子地圖上給予高亮顯示并閃爍。根據設置需發短信的則發短信。

1.2.6 GPS 車輛管理

（1）實時定位。車輛實時位置查詢。

（2）歷史軌跡。查詢、回放車輛歷史數據。

2 貨運電子鎖系統關鍵組成及特點

2.1 車載電子鎖

車載電子鎖是安裝在貨運列車上的重要部件，其外殼采用高強度鋁合金制造，具有強度高、耐腐蝕和抗沖擊能力。鎖芯的基本材料采用鋁合金+不銹鋼，強度高耐磨損不生銹。鎖緊機構有電池、電機、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[6]。

2.2 電子鎖控制器

電子鎖控制器主要由車載控制器、手持控制器和固定控制器組成。

（1）車載控制器同樣安裝在貨運列車上，外殼用高強度丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物 (ABS) 塑料制造[7]。車載控制器集成了電子鎖控制、GPS 定位、GPRS + ZigBee (高、低頻) 通訊，主要用來監控車載電子鎖狀態，在列車行進中定時向中央管理系統上報電子鎖狀態信息，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。在發生緊急情況需要開鎖時，有中央管理系統通過 GPRS 向控制器發出開鎖命令，可以實現遠程開鎖。

（2）手持控制器是專用手持機 (PDA) 集成微型電子鎖控制器，主要有貨運車長或相關人員用來開關鎖和檢查電子鎖狀態。

（3）固定控制器是安裝在鐵路兩側、貨場用來監控車載電子鎖狀態，經過授權也可以具備開關鎖功能，如果有車載控制器可以不使用固定控制器。

2.3 電子鎖性能特點

（1）電子鎖外殼采用高強度鋁合金制造，具有強度高、耐腐蝕和抗沖擊能力。

（2）鎖芯基本材料采用鋁合金+不銹鋼，強度高耐磨損不生銹。鎖緊機構有電池、電機、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。

（4）電路由低功耗單片機控制單元和微功耗ZigBee 無線收發單元組成；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 貨運電子鎖安全監控分析

鐵路貨運電子鎖安全監控主要采取發貨上鎖、在途巡檢、收貨解鎖和應急解鎖 4 個流程，鐵路貨運電子鎖安全監控流程圖如圖 3 所示。

3.1 發貨上鎖

（1）貨運員在接到裝車清單后，在電子鎖軟件系統中錄入，車次、班次、車號、客戶、到站、電子鎖號等信息，系統自動生成電子鎖流轉流程數據。如果有鐵路運輸系統接口，以上數據可以自動導入。

（2）貨運車長將電子鎖帶到現場，根據車號將電子鎖鎖到鉛封口處，并用手持機發出上鎖命令，此時手持機會提示電子鎖號和車號匹配信息并要求貨運員核對，信息正確后會繼續進行上鎖操作。如果不對，會停止上鎖并提示修改信息。上鎖成功信息通過無線網上傳到鉛封中央管理系統，系統記錄上鎖時間并啟動流程。

（3）電子鎖上鎖成功后可以拍照備案。貨車全部施封完畢后，貨運員、班長或其他需要確認的人可以在電腦軟件系統簽字確認，并打印現場施封記錄表備案。

3.2 在途巡檢

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

（1）人工巡檢。沿途?？空緳z測人員可以使用手持控制器檢查電子鎖狀態，并通過無線網將電子鎖的狀態上傳到電子鎖中央管理系統形成報告，如果電子鎖狀態異常會根據異常等級發出報警信息。報警信息可以通過短信等方式發給相關管理人員或貨主[8]。

（2）自動巡檢?？梢允褂冒惭b在鐵路相應位置的固定控制器實現不停車檢查電子鎖狀態，固定控制器能快速將經過的列車上電子鎖狀態讀出，并上傳到中央管理系統。這樣通過電子鎖系統提供的查詢功能可以知道貨物施封狀態，也可以知道貨物到達的區間位置。此外，也可以在列車工作車上安裝車載控制器，監控列車電子鎖狀態，并定期通過 GPRS 或 3G網上傳到中央管理系統。車載控制器配有 GPS 定位模塊，方便查詢在途貨物準確位置。電子鎖報警可以在電子地圖上顯示，管理人員可以查詢電子地圖知道報警發出的位置、車次、車號等信息[9]。

3.3 收貨解鎖

（1）運送貨物的車輛到站后，由貨運車長用手持控制器對電子鎖狀態進行檢查和開鎖，如果現場電子鎖是開鎖狀態，手持控制器會發出警告信息，并將狀態信息上傳給中央管理系統，系統根據相關人員給出處理意見后，將此次流轉數據轉換成停止流程或繼續流轉狀態。如果現場電子鎖狀態正常，手持控制器將開鎖信息上傳中央管理系統，系統驗證數據后發出開鎖命令，開鎖成功系統自動完成本次電子鎖貨運流轉。

（2）可以在中途到站打開鎖，卸完貨或新裝貨后重新上鎖，系統重新生成電子鎖流轉數據繼續運行。

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

3.4 應急解鎖

（1）遠程應急解鎖。①當到站手持控制器開關鎖功能故障，但聯網功能正常，可以在控制器上點擊遠程開關鎖按鈕，申請使用車載控制器實現遠程開關鎖。②貨車在中途發生緊急狀況需要開車門卸貨時，可以打電話給有關部門申請遠程開鎖，經授權的有關人員在電腦鉛封系統上使用遠程開鎖功能向列車控制器發出解鎖命令開鎖。

（2）應急碼解鎖。當到站手持控制器開關鎖功能正常，但聯網功能故障時，可以打電話給有關部門申請應急碼開鎖，在手持控制器上點擊應急碼開鎖按鈕，輸入應急碼開鎖。

（3）強力破壞解鎖。當電子鎖發生故障無法開鎖時，只能使用強力破壞手段，如使用液壓鉗剪斷鎖舌。

4 結束語

通過對鐵路貨運電子鎖監控系統的研究，實現了對列車實行全程化、圖像化的監控。通過作業現場由人控變機控的轉變，在確保鐵路貨物運輸安全的前提下，提高了作業效率，降低了工作人員勞動強度，控制了成本。隨著鐵路發展逐步進入信息化時代，要求鐵路應加快采用信息化技術、提高鐵路貨運安全監控水平。鐵路貨運電子鎖監控系統在實際運用中應不斷積累經驗，更好地滿足鐵路貨運作業現場的需求。

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[4]顧永軍，齊敬敬.基于 JQuery 技術的鐵路貨運安全檢查系統設計[J].無線互聯科技，2016(3)：32-33.

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[8]李靈玲.基于 LTE 的列車無線定位方法研究[D].北京：北京交通大學，2014.

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