鐵路快運(yùn)貨物班列電子鎖技術(shù)研究

冉雄英

(中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司 貨運(yùn)部，北京 100860)

鐵路快運(yùn)貨物班列(以下簡稱“快運(yùn)班列”)是指在固定發(fā)到站間，有固定車次和運(yùn)行線路、明確的開行周期和運(yùn)行時刻，按客車化模式組織開行的貨物列車[1]?？爝\(yùn)班列所裝運(yùn)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(yùn)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(yè)，快運(yùn)班列需要在途中停站，停站時有貨物快裝快卸的作業(yè)，對貨物的實(shí)時位置信息追蹤和運(yùn)輸安全需求較高。

1 鐵路快運(yùn)貨物班列電子鎖技術(shù)分析

我國已建成的鐵路貨車追蹤系統(tǒng)依靠地面設(shè)備識別車號實(shí)現(xiàn)了大節(jié)點(diǎn)式追蹤，但仍然不能實(shí)時掌握貨車的位置信息，貨物在途中發(fā)生被盜、丟失等貨物損失情況時，只能在列車到達(dá)下一貨檢站后被發(fā)現(xiàn)，對于減少貨物損失要求和公安機(jī)關(guān)偵破案件造成一定困難。因此，迫切需要對貨物列車進(jìn)行安全監(jiān)控和追蹤技術(shù)研究。目前電子鎖在國內(nèi)一些行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，如海關(guān)的電子關(guān)鎖、石化行業(yè)的油罐車電子鎖等[2-3]，鐵路系統(tǒng)也對施封鎖的電子化應(yīng)用及RFID技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了探索和實(shí)踐[4-8]，因而應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)適用于鐵路貨物快運(yùn)班列的具有安全監(jiān)控及追蹤分析功能的電子鎖及配套系統(tǒng)。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)鐵路貨物快運(yùn)班列的運(yùn)輸特點(diǎn)，研發(fā)設(shè)計(jì)的設(shè)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(yùn)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(qiáng)度ABS塑料，硬件部分包含了衛(wèi)星定位模塊、移動公網(wǎng)通信模塊、紫蜂(ZigBee)通信模塊、電源管理模塊、電子鎖遠(yuǎn)程控制模塊等，可以用來遠(yuǎn)程監(jiān)測施封在車門上的車載電子鎖狀態(tài)，當(dāng)貨車行進(jìn)中定時上報電子鎖頭鎖緊信息、通信狀態(tài)、異常破鎖、定位位置等信息。在發(fā)生異常情況時可以依照中央信息系統(tǒng)通過GRPS移動公網(wǎng)下達(dá)的指令遠(yuǎn)程控制電子鎖進(jìn)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(yùn)車站現(xiàn)場配備一把或多把手持控制器，主要用于到站進(jìn)行開鎖作業(yè)。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(shí)現(xiàn)鎖閉車門、位置數(shù)據(jù)采集和Zigbee通信功能。鎖緊結(jié)構(gòu)由主控模塊、驅(qū)動電機(jī)、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(zhì)，鎖芯采用不銹鋼和鋁合金材質(zhì)，具有高可靠性、高強(qiáng)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(jī)械結(jié)構(gòu)部分集成在一個金屬盒內(nèi)，通過采用無線方式接收上位機(jī)命令，不需要額外復(fù)雜布線和供電，這就減少了由于數(shù)據(jù)線、電源線暴露在設(shè)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(dāng)上位機(jī)控制器需要跟電子鎖下位機(jī)交互時，采用無線通信方式，通信模塊將控制下達(dá)命令值傳輸至電子鎖。電子鎖控制模塊接收到上位機(jī)命令值后，判斷命令值內(nèi)容，結(jié)合光電傳感器、電磁傳感器等檢測開關(guān)狀態(tài)產(chǎn)生的檢測信號，產(chǎn)生脈沖電流驅(qū)動電機(jī)工作。當(dāng)完成上述動作后，控制模塊將相關(guān)數(shù)據(jù)存儲在本地，同時將結(jié)果通過通信模塊返回給上位機(jī)，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(yùn)貨物班列電子鎖操作流程

2.1 操作流程

快運(yùn)班列使用電子鎖的操作流程分為發(fā)貨上鎖、在途巡檢、到站開鎖及應(yīng)急開鎖等關(guān)鍵環(huán)節(jié)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(fā)貨上鎖。內(nèi)勤貨運(yùn)員在接到裝車清單后，可在電子鎖中央管理系統(tǒng)中人工錄入本次運(yùn)輸相關(guān)的車次編號、電子鎖編號、班列編號等重點(diǎn)信息，如果中央管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)與鐵路運(yùn)輸相關(guān)系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口，以上信息數(shù)據(jù)可采用REST或WebService接口方式導(dǎo)入而無需人工錄入?，F(xiàn)場上鎖時外勤貨運(yùn)員將電子鎖攜帶到裝車現(xiàn)場，根據(jù)對應(yīng)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(guān)聯(lián)的車號信息，此時手持控制器顯示鎖號和車號關(guān)聯(lián)信息并提示外勤貨運(yùn)員核驗(yàn)和檢查，若核對無誤則進(jìn)行實(shí)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(guān)聯(lián)信息。關(guān)聯(lián)完成后手持控制器向監(jiān)控中心發(fā)送上鎖請求，監(jiān)控中心對上鎖請求進(jìn)行驗(yàn)證，并對加鎖的車站地點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn)，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(dá)鎖閉指令，電子鎖根據(jù)指令操作機(jī)械鎖閉裝置鎖閉電子鎖，相關(guān)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(jiān)控中心，系統(tǒng)會記錄上鎖時間等信息，最后當(dāng)電子鎖上鎖成功后手持控制器可以對關(guān)聯(lián)車號、鎖號信息及加鎖現(xiàn)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(jù)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(yùn)班列可以實(shí)現(xiàn)在途人工巡檢。當(dāng)快運(yùn)班列在運(yùn)輸過程中?？繒r，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(wǎng)方式將電子鎖狀態(tài)信息上傳到中央管理信息系統(tǒng)并記錄檢測日志。如果電子鎖出現(xiàn)開鎖等異常情況，中央管理信息系統(tǒng)可以通過短信方式向具有短信權(quán)限的相關(guān)人員推送異常信息，以進(jìn)行下一步的處置工作。②沒有隨車工作人員的快運(yùn)班列可以結(jié)合在列車上固定安裝的車載控制器，將采集的衛(wèi)星定位位置信息、接收到的各貨車上的電子鎖狀態(tài)信息以一定時間間隔通過GPRS移動公網(wǎng)傳到中央管理系統(tǒng)。中央管理系統(tǒng)結(jié)合GIS電子地圖技術(shù)，可以將采集的原始經(jīng)緯度信息轉(zhuǎn)換成具有鐵路屬性的車站、區(qū)段、行政區(qū)劃等信息，供管理人員在中央信息系統(tǒng)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(qū)段、車號等信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)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(dāng)快運(yùn)班列到站進(jìn)場后，外勤貨運(yùn)員使用配備的手持控制器對未卸貨的車門上電子鎖狀態(tài)進(jìn)行檢查和開鎖。如果狀態(tài)異常，如處于開鎖狀態(tài)，手持控制器會立馬產(chǎn)生告警信息并上傳至中央管理系統(tǒng)，此時系統(tǒng)推送給具有相關(guān)權(quán)限的管理用戶進(jìn)行處置，系統(tǒng)根據(jù)處置意見將該信息轉(zhuǎn)換成停止操作或繼續(xù)操作。如果狀態(tài)正常，手持控制器掃讀鎖號信息，同時采集經(jīng)緯度位置信息，向中央信息系統(tǒng)提出開鎖申請。中央信息系統(tǒng)接收到開鎖申請后，根據(jù)位置信息進(jìn)行審核，審核通過后下達(dá)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(dá)開鎖指令，電子鎖收到開鎖指令操作鎖閉結(jié)構(gòu)進(jìn)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(tǒng)。由于系統(tǒng)設(shè)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(quán)限，針對快運(yùn)班列貨物中途運(yùn)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(tǒng)，并經(jīng)系統(tǒng)審核后向手持控制器授權(quán)開鎖作業(yè)。倒裝、換裝重新上鎖完成后，系統(tǒng)記錄生成電子鎖加解鎖數(shù)據(jù)。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(yīng)急開鎖。在運(yùn)輸過程中由于各種特殊情況的發(fā)生，需要對電子鎖進(jìn)行應(yīng)急開鎖，綜合考慮各種因素條件，研究設(shè)計(jì)應(yīng)急碼開鎖、應(yīng)急遠(yuǎn)程開鎖和強(qiáng)力破壞開鎖3種應(yīng)急開鎖方式。①應(yīng)急碼開鎖。應(yīng)急碼開鎖適用于到站手持控制器開關(guān)鎖功能正常，但向后臺傳送數(shù)據(jù)功能故障時情景。此時外勤貨運(yùn)員可采用電話等方式聯(lián)系管理人員申請應(yīng)急碼開鎖，審核通過后向現(xiàn)場外勤貨運(yùn)員告知應(yīng)急碼，外勤貨運(yùn)員在手持控制器上輸入應(yīng)急碼即可。②應(yīng)急遠(yuǎn)程開鎖。應(yīng)急遠(yuǎn)程開鎖適用于到站手持控制器的開關(guān)鎖功能故障，但向后臺傳送數(shù)據(jù)功能正常情景。此時在手持控制器上點(diǎn)擊應(yīng)急遠(yuǎn)程開關(guān)鎖按鈕以申請使用配對的固定車載控制器遠(yuǎn)程應(yīng)急開鎖，車載控制器收到此指令后執(zhí)行此操作。③強(qiáng)力破壞開鎖。強(qiáng)力破壞開鎖適用于電子鎖發(fā)生機(jī)械或電機(jī)故障無法開鎖情景。此時使用液壓鉗剪斷鎖頭等方式強(qiáng)力破壞進(jìn)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(tǒng)進(jìn)行記錄。

2.2 應(yīng)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(tǒng)技術(shù)方案，可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)貨物在途中發(fā)生被盜、丟失等貨物損失情況時，第一時間獲知貨物的實(shí)時位置信息，有助于減少貨物損失數(shù)量，進(jìn)而提高鐵路貨運(yùn)運(yùn)輸安全管理水平。經(jīng)過在中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司管內(nèi)環(huán)線快運(yùn)班列一段時間的試用，電子鎖硬件設(shè)備質(zhì)量、可靠性、穩(wěn)定性及中央信息系統(tǒng)的功能均得到有效驗(yàn)證。設(shè)備穩(wěn)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(shè)計(jì)構(gòu)造合理，堅(jiān)固耐腐蝕。列車在發(fā)站裝車、途中運(yùn)行、待避、到站卸車作業(yè)過程中電子鎖能夠很好地起到鎖閉作用，未出現(xiàn)貨物被盜情況。中央信息系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，快運(yùn)班列全程作業(yè)過程均可查詢監(jiān)控，未出現(xiàn)系統(tǒng)癱瘓等問題，為日常作業(yè)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(jié)束語

在快裝快卸、對貨物的實(shí)時位置信息追蹤和運(yùn)輸安全需求較高的快運(yùn)班列應(yīng)用場景下，采用研究設(shè)計(jì)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(shù)要求，實(shí)現(xiàn)快運(yùn)班列列車全程化實(shí)時追蹤監(jiān)控目標(biāo)，改善快運(yùn)班列追蹤定位的效果和客戶服務(wù)質(zhì)量，有效解決快運(yùn)班列運(yùn)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(shù)方案還可以提高車站工作人員作業(yè)效率，降低勞動強(qiáng)度，在提高鐵路運(yùn)輸、運(yùn)到時限管理、實(shí)時位置追蹤等方面具有良好的應(yīng)用意義和推廣前景。