鐵路貨運電子鎖安全監(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.長春晟源科技有限公司 研發(fā)部，吉林 長春 130000)

隨著國民經(jīng)濟快速發(fā)展，貨物運輸量日益增加，公路、水路、航空的運力也在迅猛發(fā)展，對鐵路運輸形成強有力的競爭，改善鐵路運輸安全監(jiān)管水平對提高鐵路競爭力尤為重要?，F(xiàn)有的鐵路列車追蹤系統(tǒng)僅能夠?qū)α熊囘\行的大概區(qū)間進行監(jiān)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(fā)一種具備安全監(jiān)控和追蹤分析的鐵路貨物列車電子鎖[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。集成通用分組無線服務(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，對列車實行全程圖像化監(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擊上鎖按鈕，控制器通過 GPRS 向中央管理系統(tǒng)申請上鎖，中央管理系統(tǒng)經(jīng)驗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線信號后發(fā)給控制單元，控制單元立即查詢檢查開關(guān) (傳感器) 齒條是否插入，得到已插入信號后，向電機驅(qū)動單元發(fā)出正向電流驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動并推動鎖舌前移，到位后傳感器向控制單元發(fā)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(tǒng)[4]。

（2）開鎖。作業(yè)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(tǒng)申請開鎖，中央管理系統(tǒng)經(jīng)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(fā)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(fā)給控制單元，控制單元向電機驅(qū)動單元發(fā)出反向電流驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動并推動鎖舌后移，到位后傳感器向控制單元發(fā)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(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)用戶管理

（1）用戶信息維護。錄入使用本系統(tǒng)的人員姓名，系統(tǒng)會分配一個編號作為登陸系統(tǒng)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(tǒng)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(quán)限分配。

（3）用戶權(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)查詢等。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護功能權(quán)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(tǒng)外)有以下 2 種方式：①現(xiàn)場手持采集器直接將坐標數(shù)據(jù)存入中心數(shù)據(jù)庫。②在電子地圖上查找車站直接獲取坐標數(shù)據(jù)存入中心數(shù)據(jù)庫。

1.2.3 鉛封設(shè)備管理

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

（2）設(shè)備啟用。經(jīng)過注冊的設(shè)備才能啟用，對沒有啟用的設(shè)備操作，系統(tǒng)會拒絕，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 個狀態(tài)。

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

（3）應(yīng)急開鎖。貨車到達目的站開鎖是通過網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)器獲取開鎖命令和密碼的，一旦網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題便無法開鎖，此時可以向有此權(quán)限的部門獲取應(yīng)急開鎖密碼開鎖。

（4）遠程開鎖。經(jīng)過授權(quán)可以通過車載控制器實現(xiàn)開關(guān)鎖。

1.2.5 監(jiān)控報警

在下列情況下可以發(fā)出監(jiān)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(tǒng)會及時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(shù)據(jù)。

2 貨運電子鎖系統(tǒng)關(guān)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(gòu)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(jiān)控車載電子鎖狀態(tài)，在列車行進中定時向中央管理系統(tǒng)上報電子鎖狀態(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)生緊急情況需要開鎖時，有中央管理系統(tǒng)通過 GPRS 向控制器發(fā)出開鎖命令，可以實現(xiàn)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(guān)人員用來開關(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)、貨場用來監(jiān)控車載電子鎖狀態(tài)，經(jīng)過授權(quán)也可以具備開關(guān)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(gòu)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(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 貨運電子鎖安全監(jiān)控分析

鐵路貨運電子鎖安全監(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 個流程，鐵路貨運電子鎖安全監(jiān)控流程圖如圖 3 所示。

3.1 發(fā)貨上鎖

（1）貨運員在接到裝車清單后，在電子鎖軟件系統(tǒng)中錄入，車次、班次、車號、客戶、到站、電子鎖號等信息，系統(tǒng)自動生成電子鎖流轉(zhuǎn)流程數(shù)據(jù)。如果有鐵路運輸系統(tǒng)接口，以上數(shù)據(jù)可以自動導(dǎo)入。

（2）貨運車長將電子鎖帶到現(xiàn)場，根據(jù)車號將電子鎖鎖到鉛封口處，并用手持機發(fā)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(xù)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(wǎng)上傳到鉛封中央管理系統(tǒng)，系統(tǒng)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(tǒng)簽字確認，并打印現(xiàn)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(jiān)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(tài)，并通過無線網(wǎng)將電子鎖的狀態(tài)上傳到電子鎖中央管理系統(tǒng)形成報告，如果電子鎖狀態(tài)異常會根據(jù)異常等級發(fā)出報警信息。報警信息可以通過短信等方式發(fā)給相關(guān)管理人員或貨主[8]。

（2）自動巡檢。可以使用安裝在鐵路相應(yīng)位置的固定控制器實現(xiàn)不停車檢查電子鎖狀態(tài)，固定控制器能快速將經(jīng)過的列車上電子鎖狀態(tài)讀出，并上傳到中央管理系統(tǒng)。這樣通過電子鎖系統(tǒng)提供的查詢功能可以知道貨物施封狀態(tài)，也可以知道貨物到達的區(qū)間位置。此外，也可以在列車工作車上安裝車載控制器，監(jiān)控列車電子鎖狀態(tài)，并定期通過 GPRS 或 3G網(wǎng)上傳到中央管理系統(tǒng)。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(fā)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(tài)進行檢查和開鎖，如果現(xiàn)場電子鎖是開鎖狀態(tài)，手持控制器會發(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)場電子鎖狀態(tài)正常，手持控制器將開鎖信息上傳中央管理系統(tǒng)，系統(tǒng)驗證數(shù)據(jù)后發(fā)出開鎖命令，開鎖成功系統(tǒng)自動完成本次電子鎖貨運流轉(zhuǎn)。

（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(tǒng)重新生成電子鎖流轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)繼續(xù)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(yīng)急解鎖

（1）遠程應(yīng)急解鎖。①當?shù)秸臼殖挚刂破鏖_關(guān)鎖功能故障，但聯(lián)網(wǎng)功能正常，可以在控制器上點擊遠程開關(guān)鎖按鈕，申請使用車載控制器實現(xiàn)遠程開關(guān)鎖。②貨車在中途發(fā)生緊急狀況需要開車門卸貨時，可以打電話給有關(guān)部門申請遠程開鎖，經(jīng)授權(quán)的有關(guān)人員在電腦鉛封系統(tǒng)上使用遠程開鎖功能向列車控制器發(fā)出解鎖命令開鎖。

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

（3）強力破壞解鎖。當電子鎖發(fā)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(jié)束語

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

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