冉雄英

(中國(guó)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(jiǎn)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(kāi)行周期和運(yùn)行時(shí)刻，按客車化模式組織開(kāi)行的貨物列車[1]。快運(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(guó)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(shí)有貨物快裝快卸的作業(yè)，對(duì)貨物的實(shí)時(shí)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(guó)已建成的鐵路貨車追蹤系統(tǒng)依靠地面設(shè)備識(shí)別車號(hào)實(shí)現(xiàn)了大節(jié)點(diǎn)式追蹤，但仍然不能實(shí)時(shí)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(shí)，只能在列車到達(dá)下一貨檢站后被發(fā)現(xiàn)，對(duì)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(duì)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(guó)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(duì)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(dòng)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(lái)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)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(shí)上報(bào)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(shí)可以依照中央信息系統(tǒng)通過(guò)GRPS移動(dòng)公網(wǎng)下達(dá)的指令遠(yuǎn)程控制電子鎖進(jìn)行開(kāi)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(chǎng)配備一把或多把手持控制器，主要用于到站進(jìn)行開(kāi)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(dòng)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(gè)電子鎖通信、控制部分和機(jī)械結(jié)構(gòu)部分集成在一個(gè)金屬盒內(nèi)，通過(guò)采用無(wú)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(shí)，采用無(wú)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(cè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)產(chǎn)生的檢測(cè)信號(hào)，產(chǎn)生脈沖電流驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。當(dāng)完成上述動(dòng)作后，控制模塊將相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地，同時(shí)將結(jié)果通過(guò)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(guò)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(kāi)鎖及應(yīng)急開(kāi)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(hào)、電子鎖編號(hào)、班列編號(hào)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(wú)需人工錄入?，F(xiàn)場(chǎng)上鎖時(shí)外勤貨運(yùn)員將電子鎖攜帶到裝車現(xiàn)場(chǎng)，根據(jù)對(duì)應(yīng)的貨車車號(hào)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(hào)信息，輸入關(guān)聯(lián)的車號(hào)信息，此時(shí)手持控制器顯示鎖號(hào)和車號(hào)關(guān)聯(lián)信息并提示外勤貨運(yùn)員核驗(yàn)和檢查，若核對(duì)無(wú)誤則進(jìn)行實(shí)際上鎖操作，如果錯(cuò)誤則手持控制器會(huì)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(qǐng)求，監(jiān)控中心對(duì)上鎖請(qǐng)求進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)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(guò)ZigBee無(wú)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(huì)記錄上鎖時(shí)間等信息，最后當(dāng)電子鎖上鎖成功后手持控制器可以對(duì)關(guān)聯(lián)車號(hào)、鎖號(hào)信息及加鎖現(xiàn)場(chǎng)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(guò)程中?？繒r(shí)，隨車工作人員可以使用配備的手持控制器檢測(cè)施封在貨車車門上的電子鎖是否正常工作，并且通過(guò)GPRS移動(dòng)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(cè)日志。如果電子鎖出現(xiàn)開(kāi)鎖等異常情況，中央管理信息系統(tǒng)可以通過(guò)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(méi)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(shí)間間隔通過(guò)GPRS移動(dòng)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(hào)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(kāi)鎖。當(dāng)快運(yùn)班列到站進(jìn)場(chǎng)后，外勤貨運(yùn)員使用配備的手持控制器對(duì)未卸貨的車門上電子鎖狀態(tài)進(jìn)行檢查和開(kāi)鎖。如果狀態(tài)異常，如處于開(kāi)鎖狀態(tài)，手持控制器會(huì)立馬產(chǎn)生告警信息并上傳至中央管理系統(tǒng)，此時(shí)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(jiàn)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(hào)信息，同時(shí)采集經(jīng)緯度位置信息，向中央信息系統(tǒng)提出開(kāi)鎖申請(qǐng)。中央信息系統(tǒng)接收到開(kāi)鎖申請(qǐng)后，根據(jù)位置信息進(jìn)行審核，審核通過(guò)后下達(dá)開(kāi)鎖密鑰給手持控制器，手持控制器接收到開(kāi)鎖密鑰后向電子鎖下達(dá)開(kāi)鎖指令，電子鎖收到開(kāi)鎖指令操作鎖閉結(jié)構(gòu)進(jìn)行開(kāi)啟，開(kāi)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(kāi)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(kāi)啟車門上電子鎖的權(quán)限，針對(duì)快運(yùn)班列貨物中途運(yùn)輸過(guò)程中需要倒裝或換裝整理等情況，工作人員需將開(kāi)鎖申請(qǐng)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(kāi)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(kāi)鎖流程示意圖如圖7所示。

圖7 開(kāi)鎖流程示意圖Fig.7 Diagram of unlocking process

（4）應(yīng)急開(kāi)鎖。在運(yùn)輸過(guò)程中由于各種特殊情況的發(fā)生，需要對(duì)電子鎖進(jìn)行應(yīng)急開(kāi)鎖，綜合考慮各種因素條件，研究設(shè)計(jì)應(yīng)急碼開(kāi)鎖、應(yīng)急遠(yuǎn)程開(kāi)鎖和強(qiáng)力破壞開(kāi)鎖3種應(yīng)急開(kāi)鎖方式。①應(yīng)急碼開(kāi)鎖。應(yīng)急碼開(kāi)鎖適用于到站手持控制器開(kāi)關(guān)鎖功能正常，但向后臺(tái)傳送數(shù)據(jù)功能故障時(shí)情景。此時(shí)外勤貨運(yùn)員可采用電話等方式聯(lián)系管理人員申請(qǐng)應(yīng)急碼開(kāi)鎖，審核通過(guò)后向現(xiàn)場(chǎng)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(kāi)鎖。應(yīng)急遠(yuǎn)程開(kāi)鎖適用于到站手持控制器的開(kāi)關(guān)鎖功能故障，但向后臺(tái)傳送數(shù)據(jù)功能正常情景。此時(shí)在手持控制器上點(diǎn)擊應(yīng)急遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)鎖按鈕以申請(qǐng)使用配對(duì)的固定車載控制器遠(yuǎn)程應(yīng)急開(kāi)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(kāi)鎖。強(qiáng)力破壞開(kāi)鎖適用于電子鎖發(fā)生機(jī)械或電機(jī)故障無(wú)法開(kāi)鎖情景。此時(shí)使用液壓鉗剪斷鎖頭等方式強(qiáng)力破壞進(jìn)行開(kāi)鎖，并將電子鎖故障信息通過(guò)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(shí)，第一時(shí)間獲知貨物的實(shí)時(shí)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(guò)在中國(guó)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(shí)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(guò)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(guò)程均可查詢監(jiān)控，未出現(xiàn)系統(tǒng)癱瘓等問(wèn)題，為日常作業(yè)管理及績(jī)效考核等方面搭建了較為全面的信息管理平臺(tái)。

3 結(jié)束語(yǔ)

在快裝快卸、對(duì)貨物的實(shí)時(shí)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(chǎng)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(wú)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(shí)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(guò)程中的列車追蹤、貨物智能防盜等問(wèn)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(dòng)強(qiáng)度，在提高鐵路運(yùn)輸、運(yùn)到時(shí)限管理、實(shí)時(shí)位置追蹤等方面具有良好的應(yīng)用意義和推廣前景。