铁路快运货物班列电子锁技术研究

冉雄英

(中国铁路北京局集团有限公司 货运部，北京 100860)

铁路快运货物班列(以下简称“快运班列”)是指在固定发到站间，有固定车次和运行线路、明确的开行周期和运行时刻，按客车化模式组织开行的货物列车[1]。快运班列所装运货物大部分为快递、邮件等高附加值零散白货，主要客户为中铁快运股份有限公司、中国邮政速递物流股份有限公司、顺丰速递有限公司等快递物流企业，快运班列需要在途中停站，停站时有货物快装快卸的作业，对货物的实时位置信息追踪和运输安全需求较高。

1 铁路快运货物班列电子锁技术分析

我国已建成的铁路货车追踪系统依靠地面设备识别车号实现了大节点式追踪，但仍然不能实时掌握货车的位置信息，货物在途中发生被盗、丢失等货物损失情况时，只能在列车到达下一货检站后被发现，对于减少货物损失要求和公安机关侦破案件造成一定困难。因此，迫切需要对货物列车进行安全监控和追踪技术研究。目前电子锁在国内一些行业得到了广泛应用，如海关的电子关锁、石化行业的油罐车电子锁等[2-3]，铁路系统也对施封锁的电子化应用及RFID技术的应用进行了探索和实践[4-8]，因而应进一步加强适用于铁路货物快运班列的具有安全监控及追踪分析功能的电子锁及配套系统。

1.1 结构设计

根据铁路货物快运班列的运输特点，研发设计的设备硬件部分由车载控制器模块、手持控制器模块和电子锁模块3部分组成。

车载控制器安装在快运班列工作车上或其他具备安装条件的合适位置，外壳采用高强度ABS塑料，硬件部分包含了卫星定位模块、移动公网通信模块、紫蜂(ZigBee)通信模块、电源管理模块、电子锁远程控制模块等，可以用来远程监测施封在车门上的车载电子锁状态，当货车行进中定时上报电子锁头锁紧信息、通信状态、异常破锁、定位位置等信息。在发生异常情况时可以依照中央信息系统通过GRPS移动公网下达的指令远程控制电子锁进行开锁操作。车载控制器如图1所示。

图1 车载控制器Fig.1 Vehicle controller

手持控制器集成GPRS/WIFI+ZigBee (高、低频)通信功能，在货运车站现场配备一把或多把手持控制器，主要用于到站进行开锁作业。手持控制器如图2所示。

图2 手持控制器Fig.2 Handheld controller

电子锁作为硬件部分的核心模块，实现锁闭车门、位置数据采集和Zigbee通信功能。锁紧结构由主控模块、驱动电机、齿轮、电源控制、防爆可充电电池、光电传感器、电磁传感器等组成。外壳采用铝合金材质，锁芯采用不锈钢和铝合金材质，具有高可靠性、高强度、抗冲击和抗腐蚀能力等特性。整个电子锁通信、控制部分和机械结构部分集成在一个金属盒内，通过采用无线方式接收上位机命令，不需要额外复杂布线和供电，这就减少了由于数据线、电源线暴露在设备外面易被硬性破坏或恶意破解的可能。电子锁如图3所示。

图3 电子锁Fig.3 Electronic lock

1.2 工作原理

电子锁通信控制原理图如图4所示。当上位机控制器需要跟电子锁下位机交互时，采用无线通信方式，通信模块将控制下达命令值传输至电子锁。电子锁控制模块接收到上位机命令值后，判断命令值内容，结合光电传感器、电磁传感器等检测开关状态产生的检测信号，产生脉冲电流驱动电机工作。当完成上述动作后，控制模块将相关数据存储在本地，同时将结果通过通信模块返回给上位机，这就完成了一次通信、控制交互过程。

图4 电子锁通信控制原理图Fig.4 Communication control principle design of electronic lock

2 铁路快运货物班列电子锁操作流程

2.1 操作流程

快运班列使用电子锁的操作流程分为发货上锁、在途巡检、到站开锁及应急开锁等关键环节步骤。电子锁使用操作流程图如图5所示。

图5 电子锁使用操作流程图Fig.5 Work flow diagram for use of electronic lock

（1）发货上锁。内勤货运员在接到装车清单后，可在电子锁中央管理系统中人工录入本次运输相关的车次编号、电子锁编号、班列编号等重点信息，如果中央管理系统可实现与铁路运输相关系统数据接口，以上信息数据可采用REST或WebService接口方式导入而无需人工录入。现场上锁时外勤货运员将电子锁携带到装车现场，根据对应的货车车号将电子锁施封到车门处，手持控制器扫描电子锁正面读取电子锁号信息，输入关联的车号信息，此时手持控制器显示锁号和车号关联信息并提示外勤货运员核验和检查，若核对无误则进行实际上锁操作，如果错误则手持控制器会停止上锁并提示修改关联信息。关联完成后手持控制器向监控中心发送上锁请求，监控中心对上锁请求进行验证，并对加锁的车站地点进行确认，返回允许上锁命令给手持控制器。手持控制器通过ZigBee无线方式向电子锁下达锁闭指令，电子锁根据指令操作机械锁闭装置锁闭电子锁，相关锁闭成功信息回传至手持控制器，手持控制器将锁闭成功信息上传至监控中心，系统会记录上锁时间等信息，最后当电子锁上锁成功后手持控制器可以对关联车号、锁号信息及加锁现场拍照留底，这就完成一次完整的上锁操作流程。上锁流程示意图如图6所示。

（2）在途巡检。在途巡检根据是否有随车工作人员而流程不同。①有随车工作人员的铁路货物快运班列可以实现在途人工巡检。当快运班列在运输过程中停靠时，随车工作人员可以使用配备的手持控制器检测施封在货车车门上的电子锁是否正常工作，并且通过GPRS移动公网方式将电子锁状态信息上传到中央管理信息系统并记录检测日志。如果电子锁出现开锁等异常情况，中央管理信息系统可以通过短信方式向具有短信权限的相关人员推送异常信息，以进行下一步的处置工作。②没有随车工作人员的快运班列可以结合在列车上固定安装的车载控制器，将采集的卫星定位位置信息、接收到的各货车上的电子锁状态信息以一定时间间隔通过GPRS移动公网传到中央管理系统。中央管理系统结合GIS电子地图技术，可以将采集的原始经纬度信息转换成具有铁路属性的车站、区段、行政区划等信息，供管理人员在中央信息系统以电子地图图形化的方式查询电子锁所在的铁路车站站名、区段、车号等信息，实现数据信息的可视化管理。

图6 上锁流程示意图Fig.6 Diagram of locking process

（3）到站开锁。当快运班列到站进场后，外勤货运员使用配备的手持控制器对未卸货的车门上电子锁状态进行检查和开锁。如果状态异常，如处于开锁状态，手持控制器会立马产生告警信息并上传至中央管理系统，此时系统推送给具有相关权限的管理用户进行处置，系统根据处置意见将该信息转换成停止操作或继续操作。如果状态正常，手持控制器扫读锁号信息，同时采集经纬度位置信息，向中央信息系统提出开锁申请。中央信息系统接收到开锁申请后，根据位置信息进行审核，审核通过后下达开锁密钥给手持控制器，手持控制器接收到开锁密钥后向电子锁下达开锁指令，电子锁收到开锁指令操作锁闭结构进行开启，开启成功后返回成功信息给手持控制器，手持控制器再上传开启成功信息至中央信息系统。由于系统设定只有每次班列到站的手持控制器具有开启车门上电子锁的权限，针对快运班列货物中途运输过程中需要倒装或换装整理等情况，工作人员需将开锁申请信息提交至中央管理系统，并经系统审核后向手持控制器授权开锁作业。倒装、换装重新上锁完成后，系统记录生成电子锁加解锁数据。开锁流程示意图如图7所示。

图7 开锁流程示意图Fig.7 Diagram of unlocking process

（4）应急开锁。在运输过程中由于各种特殊情况的发生，需要对电子锁进行应急开锁，综合考虑各种因素条件，研究设计应急码开锁、应急远程开锁和强力破坏开锁3种应急开锁方式。①应急码开锁。应急码开锁适用于到站手持控制器开关锁功能正常，但向后台传送数据功能故障时情景。此时外勤货运员可采用电话等方式联系管理人员申请应急码开锁，审核通过后向现场外勤货运员告知应急码，外勤货运员在手持控制器上输入应急码即可。②应急远程开锁。应急远程开锁适用于到站手持控制器的开关锁功能故障，但向后台传送数据功能正常情景。此时在手持控制器上点击应急远程开关锁按钮以申请使用配对的固定车载控制器远程应急开锁，车载控制器收到此指令后执行此操作。③强力破坏开锁。强力破坏开锁适用于电子锁发生机械或电机故障无法开锁情景。此时使用液压钳剪断锁头等方式强力破坏进行开锁，并将电子锁故障信息通过手持控制器上传至中央信息管理系统进行记录。

2.2 应用效果

采用具有加解锁、定位功能的电子锁及配套中央信息系统技术方案，可以实现当货物在途中发生被盗、丢失等货物损失情况时，第一时间获知货物的实时位置信息，有助于减少货物损失数量，进而提高铁路货运运输安全管理水平。经过在中国铁路北京局集团有限公司管内环线快运班列一段时间的试用，电子锁硬件设备质量、可靠性、稳定性及中央信息系统的功能均得到有效验证。设备稳定性能良好，在室外高温、低温条件下均能正常工作，防拆、防震、防水等设计构造合理，坚固耐腐蚀。列车在发站装车、途中运行、待避、到站卸车作业过程中电子锁能够很好地起到锁闭作用，未出现货物被盗情况。中央信息系统运行稳定，快运班列全程作业过程均可查询监控，未出现系统瘫痪等问题，为日常作业管理及绩效考核等方面搭建了较为全面的信息管理平台。

3 结束语

在快装快卸、对货物的实时位置信息追踪和运输安全需求较高的快运班列应用场景下，采用研究设计的电子锁方案，可以满足快速定位追踪、无线通信传输、低功耗工作、高可靠性工作等技术要求，实现快运班列列车全程化实时追踪监控目标，改善快运班列追踪定位的效果和客户服务质量，有效解决快运班列运输过程中的列车追踪、货物智能防盗等问题。采用该电子锁技术方案还可以提高车站工作人员作业效率，降低劳动强度，在提高铁路运输、运到时限管理、实时位置追踪等方面具有良好的应用意义和推广前景。