基于RFID技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用

★吳敏（上海地鐵維護(hù)保障有限公司通號(hào)分公司，上海 200232）

基于RFID技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用

★吳敏（上海地鐵維護(hù)保障有限公司通號(hào)分公司，上海 200232）

隨著軌道交通的大力發(fā)展，運(yùn)營(yíng)安全愈發(fā)重要。應(yīng)用RFID無線射頻技術(shù)，通過站臺(tái)閱讀設(shè)備獲得位于列車兩端放置的RFID有源標(biāo)簽發(fā)出的射頻信號(hào)，傳輸至車站機(jī)房?jī)?nèi)的數(shù)據(jù)處理終端，獲得列車進(jìn)出某站的時(shí)間，從而明確列車具體在哪個(gè)車站或哪個(gè)區(qū)間。為行車、調(diào)度人員在列車信號(hào)系統(tǒng)失效時(shí)提供輔助參考信息。

軌道交通；RFID技術(shù)；記點(diǎn)系統(tǒng)

1 引言

21世紀(jì)以來，具有節(jié)能、快捷和大運(yùn)量特征的城市軌道交通建設(shè)日趨受到眾多城市的重視。城市軌道交通是采用專用軌道導(dǎo)向運(yùn)行的城市公共客運(yùn)交通系統(tǒng)，包括地鐵系統(tǒng)、輕軌系統(tǒng)、有軌電車、單軌系統(tǒng)、自動(dòng)導(dǎo)向軌道系統(tǒng)、市域快速軌道系統(tǒng)和磁浮系統(tǒng)。由于暢通、高效、可靠的交通出行不僅是出行者選擇出行方式的基礎(chǔ)，更是城市交通管理者追求的目標(biāo)，所以，城市軌道交通憑借快速、便捷、安全、運(yùn)量大和運(yùn)輸效率高等特性，成為城市公共交通的重要組成部分。在中國(guó)已經(jīng)運(yùn)營(yíng)軌道交通的城市中，越來越多的居民選擇乘坐軌道交通出行。

在國(guó)際化大都市的上海，城市人口的增長(zhǎng)與交通的繁忙促進(jìn)軌道交通網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的不斷發(fā)展，軌道交通客流量與日俱增。龐大的客流量對(duì)于軌道交通安全、準(zhǔn)點(diǎn)、可靠、高效地運(yùn)行提出了更高要求。軌道交通本身為一個(gè)龐雜的體系，包含了眾多機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備，依靠各方人員的配合運(yùn)作，體系運(yùn)轉(zhuǎn)要求高。而且上海軌道交通還處于網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)的適應(yīng)磨合期，呈現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)管理規(guī)模大、系統(tǒng)運(yùn)行關(guān)聯(lián)度高、網(wǎng)絡(luò)客流換乘路徑多、維護(hù)保障復(fù)雜性高、突發(fā)事件影響范圍廣等網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)特征。若上海軌道交通運(yùn)行出現(xiàn)故障或異常延誤，將直接導(dǎo)致乘坐地鐵的人群晚點(diǎn)，若未及時(shí)疏散、運(yùn)送滯留乘客，將波及地鐵沿線的其他交通方式，從而將對(duì)上海整個(gè)城市的交通產(chǎn)生巨大影響。軌道交通運(yùn)行的首要要求是安全，信號(hào)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)行車指揮、列車運(yùn)行監(jiān)控與管理所需技術(shù)措施及配套裝備的集合體，城市軌道交通的運(yùn)行控制依靠信號(hào)系統(tǒng)，因此，信號(hào)系統(tǒng)應(yīng)確保行車安全、提高運(yùn)輸效率。信號(hào)系統(tǒng)經(jīng)過多年發(fā)展，在保障安全方面明確了很多原則：系統(tǒng)應(yīng)具有高可靠性和可用性，保證連續(xù)不間斷的工作；凡涉及行車安全的子系統(tǒng)、設(shè)備或器材必須滿足相應(yīng)的安全完整度等級(jí)的要求，并滿足故障-安全的原則，但信號(hào)系統(tǒng)作為機(jī)電系統(tǒng)，其安全性、可靠性并非百分之百的。在其部分故障或功能失效時(shí)，系統(tǒng)降級(jí)運(yùn)行。在信號(hào)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，主要依據(jù)各類行車規(guī)章制度及應(yīng)急預(yù)案，采用人工方式控制列車運(yùn)行，在這種狀況下，行車指揮人員必須確認(rèn)此時(shí)區(qū)間、線路的列車占用情況，否則容易引發(fā)因處置不當(dāng)而造成的列車追尾相撞等事故。因此，需要在信號(hào)系統(tǒng)發(fā)生故障并采用人工方式控制列車運(yùn)行條件下，使行車指揮人員了解列車位置、對(duì)列車進(jìn)行準(zhǔn)確定位，從而為后續(xù)的列車運(yùn)行指揮提供依據(jù)，從技術(shù)和管理方面，保障城市軌道交通的運(yùn)行安全。其中，列車記點(diǎn)是對(duì)列車實(shí)現(xiàn)粗略定位的方法之一，作者作為主要負(fù)責(zé)人參與并完成了上海市軌道交通五號(hào)線的記點(diǎn)項(xiàng)目。

RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)，又稱無線射頻識(shí)別，是一種通信技術(shù)，可通過無線電訊號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸。射頻識(shí)別系統(tǒng)最重要的優(yōu)點(diǎn)是非接觸識(shí)別，它能穿透雪、霧、冰、涂料、塵垢和條形碼無法使用的惡劣環(huán)境閱讀標(biāo)簽，并且閱讀速度極快，多數(shù)情況下不到100毫秒。有源式射頻識(shí)別系統(tǒng)的速寫能力也是重要的優(yōu)點(diǎn)。RFID技術(shù)因其所具備的遠(yuǎn)距離讀取、高儲(chǔ)存量等特性。在城市軌道交通領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

RFID技術(shù)的基本工作原理并不復(fù)雜，標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)后，接收解讀器發(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（無源標(biāo)簽或被動(dòng)標(biāo)簽），或者由標(biāo)簽主動(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），解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。如圖1所示。

圖1 RFID技術(shù)的基本工作原理

一套完整的RFID系統(tǒng)，是由閱讀設(shè)備與電子標(biāo)簽及應(yīng)用軟件系統(tǒng)三個(gè)部份所組成。記點(diǎn)系統(tǒng)就是這樣一套基于RFID技術(shù)的系統(tǒng)（如圖2所示），它把站臺(tái)閱讀器接收到的電子標(biāo)簽卡信息通過485屏蔽雙絞線經(jīng)電纜井至通信機(jī)房，與數(shù)據(jù)處理終端通信；車站在接收到數(shù)據(jù)的同時(shí)，將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送至相鄰車站和中央服務(wù)器。

圖2 基于RFID技術(shù)的系統(tǒng)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

（1）獨(dú)立于信號(hào)系統(tǒng)，在信號(hào)系統(tǒng)失效情況下，能夠作為調(diào)度員和車站值班員判斷列車位置的輔助手段。

（2）通過對(duì)正線列車定位（識(shí)辨區(qū)域包括站臺(tái)、交路折返線、存車線等）的實(shí)現(xiàn)，提供車站自動(dòng)記點(diǎn)功能。

（3）日常情況下，用于了解車站及相關(guān)區(qū)間的列車運(yùn)營(yíng)情況，有助于車站管理與列車運(yùn)營(yíng)之間銜接。

（4）能夠?qū)崿F(xiàn)車次號(hào)對(duì)應(yīng)：響應(yīng)控制中心的調(diào)度指令，提供車次號(hào)對(duì)應(yīng)（人工輸入）功能。

（5）系統(tǒng)所提供的自動(dòng)記點(diǎn)功能僅作為調(diào)度員和車站值班員判斷列車位置的輔助手段，按電話閉塞法運(yùn)行前的列車定位必須根據(jù)有關(guān)行車規(guī)定，由調(diào)度員人工確定。

3 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)包括車站設(shè)備、車載設(shè)備、OCC設(shè)備，系統(tǒng)組成具體如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)構(gòu)成

（1）車載設(shè)備包括分別安裝在列車頭尾的RFID標(biāo)簽（采用的是2.4G有源電子標(biāo)簽卡），標(biāo)簽內(nèi)存儲(chǔ)有列車的車體號(hào)信息。標(biāo)簽平時(shí)處于休眠狀態(tài)，待檢測(cè)到閱讀器場(chǎng)強(qiáng)時(shí)被喚醒。

（2）車站設(shè)備由4臺(tái)RFID閱讀器（低頻觸發(fā)式2.4G有源RFID讀卡器）、1臺(tái)數(shù)據(jù)處理器、1臺(tái)工作站（利用既有管理工作站）、軟件及供電電纜、通信電纜等組成。

（3）閱讀器讀取標(biāo)簽信息，根據(jù)預(yù)設(shè)規(guī)則輸出通信報(bào)文至車站數(shù)據(jù)處理器；車站數(shù)據(jù)處理器根據(jù)預(yù)設(shè)規(guī)則判斷列車狀態(tài)并對(duì)列車運(yùn)行進(jìn)行記點(diǎn)，同時(shí)將本站記點(diǎn)數(shù)據(jù)傳送至OCC服務(wù)器與相鄰車站數(shù)據(jù)處理器；工作站讀取記點(diǎn)信息，并以列車運(yùn)行日志和列車定位顯示界面的方式向調(diào)度、車站值班員展示。

（4）OCC設(shè)備由1臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器、1臺(tái)工作站和軟件構(gòu)成，用于對(duì)全線的列車運(yùn)行到、發(fā)狀況進(jìn)行記錄及監(jiān)控，形成本線列車運(yùn)行日志。同時(shí)承擔(dān)其他工作，如從通信時(shí)鐘系統(tǒng)獲取標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間并下發(fā)至車站設(shè)備等。OCC可將相關(guān)的列車運(yùn)行日志在OCC大屏幕上顯示。

4 記點(diǎn)應(yīng)用系統(tǒng)的主要功能

車站級(jí)的主要功能：

（1）車輛進(jìn)入和駛離站臺(tái)區(qū)域時(shí)，識(shí)別車輛身份并記錄時(shí)間；同一站臺(tái)可同時(shí)有4輛列車處于識(shí)別區(qū)域。

（2）車站行車人員可以查看經(jīng)過該站的列車上站出站時(shí)間、本站進(jìn)站時(shí)間、本站出站時(shí)間、下站進(jìn)站時(shí)間。

中央級(jí)的主要功能：

（1）中央調(diào)度人員可以觀察到線路上所有正在運(yùn)營(yíng)的車輛及當(dāng)前所處區(qū)間。

（2）監(jiān)控設(shè)備使用情況，包括閱讀器使用情況、電子標(biāo)簽卡使用情況和車輛出庫(kù)情況。

5 記點(diǎn)系統(tǒng)顯示界面

車站顯示信息：供車站行車人員查看本站的列車進(jìn)出信息，信息包括：車體號(hào)、前站出發(fā)時(shí)間、本站到達(dá)時(shí)間、本站出發(fā)時(shí)間、后站到達(dá)時(shí)間，并可查詢歷史記錄。具體如圖4所示。

圖4 記點(diǎn)系統(tǒng)顯示界面

中央顯示信息：供中央調(diào)度人員查看的線路列車動(dòng)態(tài)信息圖。如圖5所示。

圖5 線路列車動(dòng)態(tài)信息圖

中央服務(wù)器從車站數(shù)據(jù)終端接收到列車進(jìn)站信息，列車緩慢駛?cè)胝九_(tái)區(qū)域；接收到列車出站信息，列車駛出站臺(tái)區(qū)域，進(jìn)入?yún)^(qū)間；列車在區(qū)間運(yùn)行時(shí)，則按上一次列車經(jīng)過該區(qū)間的時(shí)間模擬勻速運(yùn)行，直到中央服務(wù)器收到再次收到該列車的位置信息。

設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)：供維護(hù)人員查看記點(diǎn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的信息，信息包括：電子標(biāo)簽卡的狀態(tài)、閱讀設(shè)備的狀態(tài)以及車站數(shù)據(jù)接收終端的狀態(tài)。上面4行信息為線路所屬各個(gè)站閱讀設(shè)備接受信息的情況（綠色代表正常接收電子標(biāo)簽卡發(fā)出的信息、紅色代表不能接收電子標(biāo)簽卡發(fā)出的信息）；第5行信息為線路所屬各個(gè)站的車站數(shù)據(jù)接收終端是否和中央服務(wù)器能正常通信（綠色代表與中央通信正常、紅色代表無法與中央通信）；標(biāo)簽欄信息為列車上的電子標(biāo)簽卡電量信息（綠色代表電量充足、黃色代表電量低于20%、紅色代表電量過低于10%）。如圖6所示。

圖6 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)

6 記點(diǎn)系統(tǒng)車站數(shù)據(jù)處理程序的原理

當(dāng)列車在駛?cè)胝九_(tái)區(qū)域時(shí)，最近的閱讀器設(shè)備接收到位于列車車頭端的電子標(biāo)簽卡發(fā)出的無線射頻信號(hào)并發(fā)送給車站數(shù)據(jù)接收終端，安裝在車站接收數(shù)據(jù)終端的處理程序有4組數(shù)據(jù)處理模塊組成，可供4輛列車同時(shí)處于該站臺(tái)區(qū)域；程序首先判別該信息是否為列車上的電子標(biāo)簽卡出發(fā)的信息；當(dāng)確認(rèn)為列車上電子標(biāo)簽卡發(fā)出的信息，則由空閑的1組數(shù)據(jù)處理模塊開始記錄數(shù)據(jù)（包括電子標(biāo)簽卡中列車的車體號(hào)、接收到信息的閱讀器的編號(hào)、接收到信息的時(shí)間）第一條記錄該列車的時(shí)間為該列車的本站進(jìn)站時(shí)間并反饋給上一站（上一站需要該列車的下站到站時(shí)間），同時(shí)更新中央服務(wù)器該列車的所處位置信息；

當(dāng)列車位于某一區(qū)域時(shí)，閱讀器不斷接收到電子標(biāo)簽卡的信息，被占用車體號(hào)的數(shù)據(jù)庫(kù)處理模塊不斷更新收到的收據(jù)。

當(dāng)列車駛出站臺(tái)區(qū)域，位于車站的4個(gè)閱讀器都無法收到列車上的電子標(biāo)簽卡信息一段時(shí)間后（這個(gè)時(shí)間可以自由設(shè)置），則判斷該列車已經(jīng)駛離站臺(tái)區(qū)域，被占用的數(shù)據(jù)處理模塊判斷閱讀器收到該列車的電子標(biāo)簽卡的最后時(shí)間為列車本站出站時(shí)間并反饋給下一站（下一站需要該列車的上站出站時(shí)間），同時(shí)更新中央服務(wù)器該列車的所處位置信息。

判斷上下行：優(yōu)先級(jí)。

優(yōu)選方案為：根據(jù)列車上站車站號(hào)判斷上下行。比如：從上一站是2號(hào)車站，本站是3號(hào)車站，則判斷為下行。

次選方案為：根據(jù)車站閱讀器讀取到的順序判斷上下行。比如：當(dāng)出庫(kù)站或者折返站，無法用優(yōu)選方案判斷上下行時(shí)，則根據(jù)車站4個(gè)閱讀器接受到列車上電子標(biāo)簽卡的順序判斷。

7 結(jié)語

該系統(tǒng)經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，不但將車站中有限的人工從頻繁、機(jī)械的勞動(dòng)中解放出來去從事更重要的車站管理和服務(wù)，而且在信號(hào)故障時(shí)，為調(diào)度、車站值班員等行車人員提供及時(shí)、明確的列車定位運(yùn)行信息，從而輔助后續(xù)運(yùn)營(yíng)指揮。數(shù)據(jù)正確率在99%以上，具有較好的創(chuàng)新性、實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。

[1] 歐陽(yáng)潔, 鐘振遠(yuǎn), 羅競(jìng)哲. 城市軌道交通發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J]. 中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品， 2008 ( 18 ) ： 32 - 32.

[2] 謝磊, 陸桑璐. 射頻識(shí)別技術(shù)——原理、協(xié)議及系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 北京：科學(xué)出版, 2016.

[3] 上海申通地鐵集團(tuán)有限公司. 基于RFID列車定位系統(tǒng)的自動(dòng)記點(diǎn)方案可實(shí)施性研究報(bào)告[Z]. 2012.

RFID-Based Application for Rail Transit Train

With the great development of rail transit systems, safe railway operation becomes much more important. Radio Frequency Identification (RFID) technology is to access the origin tagged signals, which come from RFID devices that located at the two ends of the train, by the reading devices equipped on the railway platforms. Then it transfers the signals to the data processing terminal equipment, which is located inside the train stations. After obtaining the time that a train enters-in or exits-out a station, it can identify which station or which interval between the stations the train is located at. This application can offer reference information for the train driver or dispatcher when the train signal system fails.

Urban railway system; RFID technology; Automatic time recording system

吳敏（1981-），女，上海人，工程師，現(xiàn)就職于上海地鐵維護(hù)保障有限公司通號(hào)分公司，研究方向?yàn)檐壍澜煌ㄐ盘?hào)。

B

1003-0492(2017)04-00100-04

TP391.4