無(wú)線射頻(RFID)技術(shù)在高速檢測(cè)列車精確定位中的應(yīng)用

夏博光，王衛(wèi)東，王登陽(yáng)

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京 100081)

1 高速檢測(cè)列車定位系統(tǒng)概況

中國(guó)鐵路已進(jìn)入高速時(shí)代，確保高速鐵路安全有效運(yùn)行，提高尋找病害、消除病害的效率，成為鐵路日常檢測(cè)所要重點(diǎn)關(guān)注的問題。高速檢測(cè)列車在檢測(cè)過程中，提高定位病害的精度，將是解決這些問題的關(guān)鍵所在。國(guó)內(nèi)外采用的高速檢測(cè)列車定位系統(tǒng)主要有以下幾種方式:

1)基于速度編碼器的里程累加定位方法［1］。列車上安裝有速度編碼器，提供脈沖信號(hào)，根據(jù)脈沖信號(hào)記錄下車輪的轉(zhuǎn)數(shù)，根據(jù)車輪輪徑計(jì)算出列車?yán)鄯e轉(zhuǎn)動(dòng)的距離，從而計(jì)算出列車的行駛里程，完成對(duì)列車的定位。但是中國(guó)目前的線路存在長(zhǎng)短鏈等問題，且要考慮計(jì)數(shù)的誤差(車輪空轉(zhuǎn)、滑行等)和輪徑的磨損，不能保證其準(zhǔn)確性。

2)基于測(cè)速的定位方法。由線路的一維性，用記錄下的列車的行駛速度，計(jì)算出列車行駛的里程，即可得到列車的定位信息。列車的行駛速度可以通過多普勒雷達(dá)測(cè)量列車的行駛速度，也可以通過陀螺儀記錄下列車行駛時(shí)在三維空間中的加速度，然后通過積分得出其具體的行駛速度。但是由于行駛里程是累加值，存在累加誤差，對(duì)于定位精度要求高的情況，無(wú)法滿足定位要求。

3)基于應(yīng)答器的定位方法?；趹?yīng)答器方式的定位方法是目前采用較廣泛的列車定位方法。應(yīng)答器按照一定距離間隔安裝于軌道之間，列車通過應(yīng)答器上方時(shí)，通過接收天線讀取應(yīng)答器內(nèi)的信息，獲得相關(guān)里程信息，完成對(duì)列車的定位?；趹?yīng)答器的定位方法，其優(yōu)點(diǎn)是定位精度高，可區(qū)分上下行，使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)成本較低，在惡劣環(huán)境下可保證良好的穩(wěn)定性。缺點(diǎn)是只能給出所在點(diǎn)的位置信息，安裝成本較高?？紤]到檢測(cè)列車的工作包括對(duì)新線路的聯(lián)調(diào)聯(lián)試，在新線路的聯(lián)調(diào)聯(lián)試過程中，應(yīng)答器本身屬于被檢測(cè)的對(duì)象之一，不能作為檢測(cè)列車的定位信息源使用。

4)基于衛(wèi)星系統(tǒng)的定位方法。GPS定位技術(shù)是通過人造衛(wèi)星對(duì)地面上的目標(biāo)進(jìn)行測(cè)定并進(jìn)行定位和導(dǎo)航的技術(shù)。GPS接收機(jī)使用方便，技術(shù)成熟，成本相對(duì)較低，維護(hù)相對(duì)容易，可為列車提供定位信息。因此現(xiàn)階段，GPS定位技術(shù)被廣泛應(yīng)用于檢測(cè)列車的精確定位。但是由于 GPS定位精度較低，存在較大的偏差，中國(guó)鐵路沿途的山區(qū)隧道較多，隧道距離較長(zhǎng)，使得GPS接收存在大量盲區(qū)，無(wú)法完成實(shí)時(shí)位置信息的獲取，而檢測(cè)列車無(wú)法獲取實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的里程信息，會(huì)影響正常檢測(cè)工作中里程的精確定位。對(duì)實(shí)際線路的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，在某些區(qū)間存在大約80 km連續(xù)盲區(qū)，在此區(qū)間，隧道和天橋連續(xù)出現(xiàn)，遮擋 GPS天線接收定位信息，無(wú)法完成列車運(yùn)行的定位，容易對(duì)檢測(cè)列車運(yùn)行過程中的里程信息造成一定的影響。

5)除以上所述方法外，多普勒雷達(dá)、無(wú)線測(cè)距系統(tǒng)等也是列車常用的定位方法。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，定位精度和成本也各不相同。在檢測(cè)列車實(shí)際運(yùn)行過程中，往往通過對(duì)幾種信息源進(jìn)行信息融合，通過算法計(jì)算出一個(gè)較為準(zhǔn)確的定位信息。

6)RFID無(wú)線射頻技術(shù)作為一種新興的定位手段，已較廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，尤其在物流物品的跟蹤管理，應(yīng)用非常廣泛。RFID技術(shù)在貨車跟蹤，貨車車號(hào)自動(dòng)識(shí)別等方面也早已應(yīng)用于中國(guó)鐵路，并趨于成熟。基于RFID技術(shù)的特點(diǎn)及其實(shí)際應(yīng)用的效果，采用RFID輔助實(shí)現(xiàn)高速檢測(cè)列車精確定位，能夠改善GPS定位精度不高和由于隧道、車站等存在遮擋情況下無(wú)法獲取實(shí)時(shí)定位信息的缺陷，同時(shí)由于其通用性好、適應(yīng)惡劣環(huán)境、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，使得 RFID技術(shù)可以成為高速檢測(cè)列車定位的重要手段之一。

2 RFID技術(shù)輔助檢測(cè)列車定位系統(tǒng)分析

2.1 RFID的基本工作原理

電子標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)后，接收閱讀器發(fā)出的射頻信號(hào)，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息(Passive Tag無(wú)源標(biāo)簽或被動(dòng)標(biāo)簽)，或者主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)(Active Tag有源標(biāo)簽或主動(dòng)標(biāo)簽);閱讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理，RFID基本工作原理見圖1。

圖1 RFID基本工作原理

2.2 RFID的基本組成框架

RFID由標(biāo)簽(Tag)、閱讀器(Reader)及天線(Antenna)三部分組成。標(biāo)簽由耦合元件及芯片組成，每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象;閱讀器是讀取(有時(shí)也可以寫入)標(biāo)簽信息的設(shè)備，可設(shè)計(jì)為手持式或固定式;天線的功能是在標(biāo)簽和閱讀器間傳遞射頻信號(hào)。

2.3 RFID的主要特點(diǎn)

①讀取方便快捷，數(shù)據(jù)通過電磁波完成無(wú)線通信，沒有工作環(huán)境的限制;②識(shí)別速度快，電子標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器閱讀范圍，閱讀器可即時(shí)讀取電子標(biāo)簽中的信息;③環(huán)境適應(yīng)性好，無(wú)線通信的方式使其可以在較為惡劣的環(huán)境中使用，粉塵、水等對(duì)其無(wú)法產(chǎn)生影響;④使用壽命長(zhǎng)，一般情況下，無(wú)源電子標(biāo)簽理論上可以做到永久使用，半無(wú)源電子標(biāo)簽一般使用壽命都在10年以上;⑤動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)通信，標(biāo)簽以高頻率與閱讀器之間進(jìn)行通信，當(dāng)電子標(biāo)簽在閱讀器有效識(shí)別范圍內(nèi)時(shí)，可對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)追蹤。

通過上述對(duì)紅粘土的剖面特征分析，筆者比較支持溶蝕-交代說。因?yàn)榧t粘土是覆蓋在碳酸鹽巖系地層之上，包括碳酸鹽巖和夾在其中的巖體厚度不大的非碳酸鹽巖層，在巖體厚度較大的非碳酸鹽巖系地層上沒有紅粘土分布，非碳酸鹽巖系地層隔斷了紅粘土在地表上的連續(xù)分布,說明紅粘土的母巖是碳酸鹽巖[6]。紅粘土的成因是溶蝕-交代作用、紅土化作用同時(shí)存在、相互促進(jìn)和共同作用的結(jié)果。

2.4 設(shè)備選取

本系統(tǒng)所采用的閱讀器為高速閱讀器，由射頻識(shí)別系統(tǒng)提供的技術(shù)參數(shù)可知，閱讀器正確識(shí)別出電子標(biāo)簽并獲取電子標(biāo)簽信息所需要的時(shí)間為20 ms左右，可以滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。

圖2表示了閱讀器根據(jù)不同設(shè)置提供的四檔閱讀范圍，每一條曲線均位于紡錘體中部的識(shí)別最大半徑。四條曲線相比較，第四條曲線的閱讀半徑最大。通過對(duì)車內(nèi)安裝閱讀器后的實(shí)際測(cè)量結(jié)果可知，閱讀器的實(shí)際閱讀范圍如圖3所示。

圖2 閱讀器理論閱讀范圍示意

圖3 閱讀器實(shí)測(cè)閱讀范圍示意(單位:m)

2.5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電子標(biāo)簽輔助定位系統(tǒng)采用安裝于列車轉(zhuǎn)向架處的光電編碼器所發(fā)送的脈沖信號(hào)進(jìn)行列車運(yùn)行里程的累加，在修正點(diǎn)通過讀取電子標(biāo)簽對(duì)里程進(jìn)行修正。

在需要識(shí)別地面線路特征點(diǎn)或里程校正點(diǎn)安裝高速電子標(biāo)簽，每個(gè)電子標(biāo)簽均有全球唯一的電子標(biāo)簽號(hào);在檢測(cè)車內(nèi)安裝高速閱讀器，列車運(yùn)行過程中，閱讀器隨著列車移動(dòng)，并將加密數(shù)據(jù)載波信號(hào)經(jīng)發(fā)射天線向外發(fā)送。當(dāng)閱讀器隨著列車的移動(dòng)到達(dá)電子標(biāo)簽附近，電子標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器讀寫場(chǎng)范圍時(shí)，閱讀器發(fā)射的載波信號(hào)激活電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽向閱讀器循環(huán)發(fā)送電子標(biāo)簽信息，閱讀器接收電子標(biāo)簽發(fā)送的信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼，得到電子標(biāo)簽信息，判斷信息的有效性，將有效的電子標(biāo)簽信息通過RS-232或RS-485串口送入與之相連的控制計(jì)算機(jī)。

控制計(jì)算機(jī)得到電子標(biāo)簽信息后，將標(biāo)簽信息與數(shù)據(jù)庫(kù)中的預(yù)存信息進(jìn)行比對(duì)，識(shí)別標(biāo)簽號(hào)對(duì)應(yīng)的里程信息和線路特征點(diǎn)信息，并對(duì)累加的里程信息進(jìn)行修正，得到較為精確的里程信息，最后將準(zhǔn)確的里程定位信息發(fā)送至各個(gè)系統(tǒng)，見圖4。

圖4 電子標(biāo)簽輔助修正定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

3 系統(tǒng)試驗(yàn)及驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證電子標(biāo)簽輔助列車定位，分別對(duì)電子標(biāo)簽輔助列車定位進(jìn)行了低速試驗(yàn)和高速試驗(yàn)。低速試驗(yàn)在北京東郊的環(huán)形鐵道實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行，在長(zhǎng)9 km環(huán)形鐵道試驗(yàn)線沿線的接觸網(wǎng)支柱上每個(gè)整公里附近安裝一塊射頻標(biāo)簽卡。高速試驗(yàn)在聯(lián)調(diào)聯(lián)試的高速鐵路進(jìn)行，選取線路上行線一段線路，在沿線的接觸網(wǎng)支柱上分別安裝了14個(gè)射頻標(biāo)簽作為里程修正點(diǎn)。

試驗(yàn)過程中，列車分別以低速和高速通過電子標(biāo)簽安裝區(qū)段，通過閱讀器分別讀取電子標(biāo)簽的里程信息，閱讀器通過串口線連接至采集計(jì)算機(jī)，采集電子標(biāo)簽的信息，將電子標(biāo)簽信息與電子標(biāo)簽—里程數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比，得到電子標(biāo)簽所在位置的里程信息，完成對(duì)列車運(yùn)行實(shí)際里程的修正，并記錄下修正時(shí)刻的實(shí)際里程信息與修正值，從而驗(yàn)證電子標(biāo)簽輔助進(jìn)行里程信息修正的可行性。

3.2 低速試驗(yàn)結(jié)果分析

列車以時(shí)速160 km/h在環(huán)形線上運(yùn)行，記錄列車經(jīng)過每個(gè)射頻標(biāo)簽處修正前和修正后的里程信息。由于列車運(yùn)行時(shí)速是相同的，在電子標(biāo)簽讀取條件一致的情況下，經(jīng)過同一個(gè)電子標(biāo)簽進(jìn)行里程修正位的修正前和修正后數(shù)據(jù)越接近，則系統(tǒng)的性能越穩(wěn)定。

從表1中的修正記錄可以看出，列車以160 km/h速度在環(huán)線上運(yùn)行，每次經(jīng)過同一處電子標(biāo)簽里程修正點(diǎn)位的修正前公里標(biāo)最大偏差均小于1 m，證明精確里程定位系統(tǒng)電子標(biāo)簽修正方式的穩(wěn)定性良好，同一速度等級(jí)條件下，修正偏差小于1 m。其中在時(shí)刻09∶22∶25處將里程信息進(jìn)行清零后，閱讀器讀取到電子標(biāo)簽信息，將實(shí)際的里程信息讀取出來(lái)，并完成對(duì)系統(tǒng)里程值的修正。

3.3 高速試驗(yàn)結(jié)果分析

在某高速鐵路上行線 K718至K771間沿線的接觸網(wǎng)支柱上，安裝14個(gè)電子標(biāo)簽作為里程修正點(diǎn)，列車以280～350 km/h的5個(gè)速度級(jí)(5個(gè)速度級(jí)相差較小，可近似認(rèn)為是同一速度級(jí))經(jīng)過各個(gè)里程修正點(diǎn)。表2中分別給出14個(gè)點(diǎn)的實(shí)際里程位置以及GPS經(jīng)緯度信息。列車以各速度級(jí)經(jīng)過各個(gè)里程修正點(diǎn)的距離修正值比對(duì)曲線如圖5所示。

從曲線圖中可以看出，列車多次通過各個(gè)里程修正點(diǎn)的里程修正值曲線基本重合。即里程校準(zhǔn)系統(tǒng)在多次經(jīng)過這14個(gè)里程修正點(diǎn)時(shí)，里程的修正值的偏差在2 m以內(nèi)。列車在350 km/h的速度級(jí)行駛中，K726和K738間兩個(gè)點(diǎn)電子標(biāo)簽信息讀取失敗。分析原因可能是電子標(biāo)簽的安裝位置存在偏差造成，但并未影響到其他電子標(biāo)簽的里程修正。

通過以上分析可以說明，里程校準(zhǔn)系統(tǒng)在多次重復(fù)驗(yàn)證中，保持了較高的定位重復(fù)性，每次的修正值可保證2 m的誤差范圍，可以保證列車在高速行駛過程中定位精度的提高。

表1 RFID環(huán)形鐵道修正結(jié)果對(duì)比

表2 高速鐵路先導(dǎo)段射頻標(biāo)簽安裝里程記錄表

4 結(jié)論

無(wú)線射頻技術(shù)輔助實(shí)現(xiàn)高速檢測(cè)列車精確定位的設(shè)計(jì)是在現(xiàn)有定位技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，是在應(yīng)用較為成熟的GPS技術(shù)定位精度不高和存在盲區(qū)等問題的情況下，對(duì)定位精度的補(bǔ)充和提高。本文通過對(duì)現(xiàn)有定位技術(shù)的研究和分析，提出了一種采用無(wú)線射頻技術(shù)輔助檢測(cè)列車定位的新方案，并對(duì)方案進(jìn)行實(shí)際線路上的低速和高速試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果分析表明，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案在實(shí)際應(yīng)用中是可行的，可以滿足里程精確定位的需求。

針對(duì)350 km/h及以上速度當(dāng)中發(fā)生電子標(biāo)簽讀取失敗的問題，將對(duì)現(xiàn)有的電子標(biāo)簽進(jìn)行研究，研究更高靈敏度和更快讀取速率的電子標(biāo)簽，并通過改善閱讀器的閱讀性能，優(yōu)化閱讀器天線的安裝方式，實(shí)現(xiàn)無(wú)線射頻技術(shù)輔助列車精確定位系統(tǒng)的工程化。

圖5 里程修正重復(fù)性對(duì)比示意

［1］楊超．綜合檢測(cè)列車定位同步技術(shù)研究［D］．北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2009．

［2］常青．巡航導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］．西安:西安電子科技大學(xué)，2003．

［3］KLAUS FINKENZELLER．射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)［M］．陳大才，譯．北京:電子工業(yè)出版社，2001．

［4］郁強(qiáng)．應(yīng)用GPS的新型列車定位系統(tǒng)的研究［D］．上海:上海交通大學(xué)，2006．

［5］劉志紅．電子標(biāo)簽輔助GPS實(shí)現(xiàn)列車監(jiān)控的原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2009(8):174-175．