铁路货运电子锁安全监控研究

张景利，丛志庆，李 丽

(1. 北京铁路局 北京科学技术研究所，北京 100036；2.长春晟源科技有限公司 研发部，吉林 长春 130000)

随着国民经济快速发展，货物运输量日益增加，公路、水路、航空的运力也在迅猛发展，对铁路运输形成强有力的竞争，改善铁路运输安全监管水平对提高铁路竞争力尤为重要。现有的铁路列车追踪系统仅能够对列车运行的大概区间进行监测，实效性不强，不能及时传递列车运行途中货物被盗、车门被开启等安全信息，不能满足铁路客户对货物实时追踪的要求[1]。针对上述情况，急需研制开发一种具备安全监控和追踪分析的铁路货物列车电子锁[2]。

1 电子锁系统原理及功能

电子锁系统由中央管理功能、数据交换模块、掌上电脑 (PDA) 加解锁、全球定位系统 (GPS) 车辆管理、数据传输安全管理和短信网关等 6 大模块组成。集成通用分组无线服务技术 (GPRS)、GPS、紫蜂协议 (ZigBee)、基于位置服务 (LBS) 技术于一体，对列车实行全程图像化监控[3]。电子锁系统体系结构如图 1 所示。

图1 电子锁系统体系结构图Fig.1 Structure diagram of electronic lock system

1.1 电子锁系统工作原理

（1）上锁。操作员在控制器上点击上锁按钮，控制器通过 GPRS 向中央管理系统申请上锁，中央管理系统经验证后返回上锁命令给控制器，控制器向电子锁发出上锁命令，电子锁通信单元接到上锁无线信号后发给控制单元，控制单元立即查询检查开关 (传感器) 齿条是否插入，得到已插入信号后，向电机驱动单元发出正向电流驱动电机转动并推动锁舌前移，到位后传感器向控制单元发出信号停止向电机供电完成上锁动作。同时，上锁成功信息通过控制器 GPRS通信传给中央管理系统[4]。

（2）开锁。作业人员在控制器上点击开锁按钮，控制器通过 GPRS 向中央管理系统申请开锁，中央管理系统经验证后返回开锁命令及开锁密码给控制器，控制器向电子锁发出开锁命令及密码，电子锁通信单元接到开锁无线信号后发给控制单元，控制单元向电机驱动单元发出反向电流驱动电机转动并推动锁舌后移，到位后传感器向控制单元发出信号停止向电机供电完成开锁动作。同时开锁成功信息通过控制器 GPRS 通信传给中央管理系统[5]。电子锁工作原理如图 2 所示。

1.2 电子锁系统的功能

1.2.1 系统用户管理

（1）用户信息维护。录入使用本系统的人员姓名，系统会分配一个编号作为登陆系统的账号，同时生成登陆默认密码。

图2 电子锁工作原理图Fig.2 Working principle of the electronic lock

（2）用户部门维护。录入使用本系统人员的部门信息，部门信息以树状分层显示，如局→段→运输公司，用来配合人员权限分配。

（3）用户权限分配。为不同职能人员 (角色) 分配权限，包括使用功能模块、数据查询等。基础数据维护功能权限可以细化到增、删、改。

1.2.2 车辆、车站信息管理

（1）车辆信息管理。车辆录入信息包括车号、载重量等。

（2）车站信息管理。车站信息管理包括车站名称、编号、地址等，车站地理坐标采集 (包括系统外)有以下 2 种方式：①现场手持采集器直接将坐标数据存入中心数据库。②在电子地图上查找车站直接获取坐标数据存入中心数据库。

1.2.3 铅封设备管理

（1）设备注册。需要注册的设备包括车载锁控制器、车载电子锁、手持控制器；注册内容包括设备编号、注册时间。

（2）设备启用。经过注册的设备才能启用，对没有启用的设备操作，系统会拒绝，并给出提示。

1.2.4 工作流程管理

（1）系统操作。分为加锁、解锁、在途 3 个状态。

（2）货车变站。在实际工作中，可能发生货车去往甲地，中途接到命令或发生紧急情况需去往乙站，经过变站后货车到达乙站能正常开锁卸货。

（3）应急开锁。货车到达目的站开锁是通过网络向服务器获取开锁命令和密码的，一旦网络出现问题便无法开锁，此时可以向有此权限的部门获取应急开锁密码开锁。

（4）远程开锁。经过授权可以通过车载控制器实现开关锁。

1.2.5 监控报警

在下列情况下可以发出监控报警信号：①断电、低电压；②异常解锁；③控制器故障；④异常停车。所有可以确认到车的报警，系统会及时在电子地图上给予高亮显示并闪烁。根据设置需发短信的则发短信。

1.2.6 GPS 车辆管理

（1）实时定位。车辆实时位置查询。

（2）历史轨迹。查询、回放车辆历史数据。

2 货运电子锁系统关键组成及特点

2.1 车载电子锁

车载电子锁是安装在货运列车上的重要部件，其外壳采用高强度铝合金制造，具有强度高、耐腐蚀和抗冲击能力。锁芯的基本材料采用铝合金+不锈钢，强度高耐磨损不生锈。锁紧机构有电池、电机、齿轮、电路板、光电传感器、电磁传感器等组成。齿条(锁舌) 由不锈钢制造，抗破坏能力强[6]。

2.2 电子锁控制器

电子锁控制器主要由车载控制器、手持控制器和固定控制器组成。

（1）车载控制器同样安装在货运列车上，外壳用高强度丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物 (ABS) 塑料制造[7]。车载控制器集成了电子锁控制、GPS 定位、GPRS + ZigBee (高、低频) 通讯，主要用来监控车载电子锁状态，在列车行进中定时向中央管理系统上报电子锁状态信息，包括锁舌是否锁紧，是否被屏蔽，是否被破坏及 GPS 定位信息等。在发生紧急情况需要开锁时，有中央管理系统通过 GPRS 向控制器发出开锁命令，可以实现远程开锁。

（2）手持控制器是专用手持机 (PDA) 集成微型电子锁控制器，主要有货运车长或相关人员用来开关锁和检查电子锁状态。

（3）固定控制器是安装在铁路两侧、货场用来监控车载电子锁状态，经过授权也可以具备开关锁功能，如果有车载控制器可以不使用固定控制器。

2.3 电子锁性能特点

（1）电子锁外壳采用高强度铝合金制造，具有强度高、耐腐蚀和抗冲击能力。

（2）锁芯基本材料采用铝合金+不锈钢，强度高耐磨损不生锈。锁紧机构有电池、电机、齿轮、电路板、光电传感器、电磁传感器等组成。

（3）齿条由不锈钢制造，抗破坏能力强。

（4）电路由低功耗单片机控制单元和微功耗ZigBee 无线收发单元组成；电源为高功率锂亚硫酰氯电池，工作温度 -40℃～85℃，电压 3.6V，容量3Ah。

3 货运电子锁安全监控分析

铁路货运电子锁安全监控主要采取发货上锁、在途巡检、收货解锁和应急解锁 4 个流程，铁路货运电子锁安全监控流程图如图 3 所示。

3.1 发货上锁

（1）货运员在接到装车清单后，在电子锁软件系统中录入，车次、班次、车号、客户、到站、电子锁号等信息，系统自动生成电子锁流转流程数据。如果有铁路运输系统接口，以上数据可以自动导入。

（2）货运车长将电子锁带到现场，根据车号将电子锁锁到铅封口处，并用手持机发出上锁命令，此时手持机会提示电子锁号和车号匹配信息并要求货运员核对，信息正确后会继续进行上锁操作。如果不对，会停止上锁并提示修改信息。上锁成功信息通过无线网上传到铅封中央管理系统，系统记录上锁时间并启动流程。

（3）电子锁上锁成功后可以拍照备案。货车全部施封完毕后，货运员、班长或其他需要确认的人可以在电脑软件系统签字确认，并打印现场施封记录表备案。

3.2 在途巡检

图3 铁路货运电子锁安全监控流程图Fig.3 Work flow chart of railway freight safety monitoring system

（1）人工巡检。沿途停靠站检测人员可以使用手持控制器检查电子锁状态，并通过无线网将电子锁的状态上传到电子锁中央管理系统形成报告，如果电子锁状态异常会根据异常等级发出报警信息。报警信息可以通过短信等方式发给相关管理人员或货主[8]。

（2）自动巡检。可以使用安装在铁路相应位置的固定控制器实现不停车检查电子锁状态，固定控制器能快速将经过的列车上电子锁状态读出，并上传到中央管理系统。这样通过电子锁系统提供的查询功能可以知道货物施封状态，也可以知道货物到达的区间位置。此外，也可以在列车工作车上安装车载控制器，监控列车电子锁状态，并定期通过 GPRS 或 3G网上传到中央管理系统。车载控制器配有 GPS 定位模块，方便查询在途货物准确位置。电子锁报警可以在电子地图上显示，管理人员可以查询电子地图知道报警发出的位置、车次、车号等信息[9]。

3.3 收货解锁

（1）运送货物的车辆到站后，由货运车长用手持控制器对电子锁状态进行检查和开锁，如果现场电子锁是开锁状态，手持控制器会发出警告信息，并将状态信息上传给中央管理系统，系统根据相关人员给出处理意见后，将此次流转数据转换成停止流程或继续流转状态。如果现场电子锁状态正常，手持控制器将开锁信息上传中央管理系统，系统验证数据后发出开锁命令，开锁成功系统自动完成本次电子锁货运流转。

（2）可以在中途到站打开锁，卸完货或新装货后重新上锁，系统重新生成电子锁流转数据继续运行。

（3）货物在未到达目的站之前的沿途车站的手持控制器不能开启电子锁，只有目的站的控制器才能开锁。

3.4 应急解锁

（1）远程应急解锁。①当到站手持控制器开关锁功能故障，但联网功能正常，可以在控制器上点击远程开关锁按钮，申请使用车载控制器实现远程开关锁。②货车在中途发生紧急状况需要开车门卸货时，可以打电话给有关部门申请远程开锁，经授权的有关人员在电脑铅封系统上使用远程开锁功能向列车控制器发出解锁命令开锁。

（2）应急码解锁。当到站手持控制器开关锁功能正常，但联网功能故障时，可以打电话给有关部门申请应急码开锁，在手持控制器上点击应急码开锁按钮，输入应急码开锁。

（3）强力破坏解锁。当电子锁发生故障无法开锁时，只能使用强力破坏手段，如使用液压钳剪断锁舌。

4 结束语

通过对铁路货运电子锁监控系统的研究，实现了对列车实行全程化、图像化的监控。通过作业现场由人控变机控的转变，在确保铁路货物运输安全的前提下，提高了作业效率，降低了工作人员劳动强度，控制了成本。随着铁路发展逐步进入信息化时代，要求铁路应加快采用信息化技术、提高铁路货运安全监控水平。铁路货运电子锁监控系统在实际运用中应不断积累经验，更好地满足铁路货运作业现场的需求。

[1]肖 鲲.铁路零散货物快运过程分析与关键环节的探讨[J].铁道货运，2016，34(6)：28-32.XIAO Kun.Analysis on Process Analysis and Key Links of Railway Bulk Cargo Express[J].Railw ay Freight Transport，2016，34(6)：28-32.

[2]向劲松.铁路货检作业监视系统研究[D].成都：西南交通大学，2004.

[3]蒋 荟，刘春煌.铁路货运计量安全检查监控系统关键技术[J].中国铁道科学，2013，34(4)：137-144.JIANG Hui，LIU Chun-huang.Key Technologies of Railw ay Freight Transportation Measuremeng Safety Monitoring System，2013，34(4)：137-144.

[4]顾永军，齐敬敬.基于 JQuery 技术的铁路货运安全检查系统设计[J].无线互联科技，2016(3)：32-33.

[5]王光国，史天运.铁路智能运输系统技术研究现状[J].交通运输系统工程与信息，2014，4(4)：26-31.

[6]徐建国.铁路危险货物运输问题和应对[J].低碳世界，2017 (5)：192-193.

[7]李雪芹.铁路超限货物装载技术相关问题研究[D].成都：西南交通大学，2008.

[8]李灵玲.基于 LTE 的列车无线定位方法研究[D].北京：北京交通大学，2014.

[9]张志科，刘敬辉.铁路客运安全风险管理研究[J].铁道运输与经济，2017，39 (3)：56-60.ZHANG Zhi-ke，LIU Jing-hui.Study on Safety Risk Management of Railway Passenger Transportation[J].Railway Transport and Economy，2017，39 (3)：56-60.