冰雪天氣對RFID美標(biāo)的影響及防范探究

占禮輝，黃 璞， 劉小磊

（1.杭州市地鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司運(yùn)營分公司，杭州 310017；2.杭州杭港地鐵有限公司，杭州 310017；3.杭州市地鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司，杭州 310017）

截止2018 年12 月31 日，中國內(nèi)地共有35 座城市總計(jì)運(yùn)營5 766.6 km 軌道交通線路，其中60%以上為基于通信的列車控制（CBTC）運(yùn)營線路。CBTC 系統(tǒng)對列車的定位精度有較高的要求，以滿足高密度的運(yùn)營間隔及高精確的列車對標(biāo)停車需求，從而保證軌道交通運(yùn)營安全。

目前，杭州地鐵所有CBTC 運(yùn)營線路均采用無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）美標(biāo)輔助列車定位技術(shù)，以滿足CBTC 列車高精度定位的需求。然而在系統(tǒng)開通運(yùn)營后，在大雪天時，高架露天段發(fā)生多起因列車無法精確定位，導(dǎo)致列車無法以CBTC 模式正常運(yùn)營的事件，降低了運(yùn)營服務(wù)質(zhì)量。

1 原因初步分析

1.1 RFID美標(biāo)簡述

RFID 技術(shù)是自動識別技術(shù)的一種，在物流交通、軍事安全、服裝食品安全、資產(chǎn)管理等各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用，它通過無線射頻信號獲取物體的相關(guān)數(shù)據(jù)，并對物體加以識別。RFID 技術(shù)無需與被識別物體直接接觸，即可完成信息的輸入和處理，能快速、實(shí)時、準(zhǔn)確地采集和處理信息。RFID 系統(tǒng)基本均由電子標(biāo)簽、讀寫器和系統(tǒng)高層（處理模塊）3 大部分組成。RFID 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框如圖1 所示。

圖1 RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框Fig.1 RFID System structure diagram

在城市軌道交通領(lǐng)域，RFID 技術(shù)主要應(yīng)用于列車定位，通過RFID 信標(biāo)與測速裝置融合來實(shí)現(xiàn)列車精準(zhǔn)定位。RFID 信標(biāo)根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不同可分為美式信標(biāo)（簡稱美標(biāo)）和歐洲應(yīng)答器（簡稱歐標(biāo)）2種，2 種信標(biāo)廣泛用于城市軌道交通領(lǐng)域，根據(jù)不同信號系統(tǒng)平臺設(shè)計(jì)需求分別采用。RFID 美標(biāo)即采用AAR S-918-94《北美鐵道學(xué)會設(shè)備自動識別標(biāo)準(zhǔn)》與ISO STANDARD 10374《國際標(biāo)準(zhǔn)化組織貨運(yùn)集裝箱自動識別標(biāo)準(zhǔn)》標(biāo)準(zhǔn)的鐵路應(yīng)答器。美標(biāo)廣泛應(yīng)用于城市軌道交通信號系統(tǒng)中，用于列車定位、提供線路數(shù)據(jù)和提供列車移動授權(quán)等，故障后將導(dǎo)致列車無法精確定位，甚至觸發(fā)緊急制動（根據(jù)通用設(shè)計(jì)，列車連續(xù)丟失2 個美標(biāo)將觸發(fā)緊急制動），當(dāng)前國內(nèi)軌道交通線路使用美標(biāo)的信號系統(tǒng)廠家主要為浙江眾合科技、安薩爾多、泰雷茲等。美標(biāo)定位系統(tǒng)主要由美標(biāo)、查詢器天線、查詢器主機(jī)3 部分構(gòu)成，具體組成結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 美標(biāo)定位系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)Fig.2 Composition structure of American beacon positioning system

利用查詢器主機(jī)天線發(fā)出的無線電頻率激活布置在軌道上的信標(biāo)，當(dāng)讀取到該信標(biāo)的ID 信息后，定位系統(tǒng)將信標(biāo)ID 進(jìn)行解碼，確認(rèn)有效的ID 信息并發(fā)送給CBTC 車載信號主機(jī)，用于CBTC 列車實(shí)時定位。

1.2 故障情況分析

根據(jù)故障當(dāng)天CBTC 車載日志分析，所有高架露天段運(yùn)行的列車，共19 列，均出現(xiàn)美式信標(biāo)處理異常報錯情況，報錯時間如表1 所示。

表1 故障時間統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Failure time statistics table

列車回庫檢查查詢器天線及查詢器主機(jī)各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)均正常，根據(jù)ATP 列車運(yùn)行記錄分析，美標(biāo)丟失均發(fā)生在高架站露天區(qū)域，站臺雨棚區(qū)域內(nèi)美標(biāo)讀取正常，且均在下午17：00 后發(fā)生，初步判斷與當(dāng)天下午杭州普降大雪有關(guān)，美標(biāo)被雨雪覆蓋后導(dǎo)致列車無法正確處理信標(biāo)數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致CBTC列車無法精定位。

2 冰雪天氣對RFID美標(biāo)影響

2.1 冰雪天氣因素分析

雪是水在固態(tài)的一種形式，是水在空中凝結(jié)再落下的自然現(xiàn)象。雪層中液態(tài)水的數(shù)量稱為雪層的含水量，含水量是雪在電磁學(xué)角度的主要特征參數(shù)，而根據(jù)含水量的不同雪可分為干雪和濕雪，北方氣溫低容易下干雪，而南方氣溫相對較高容易下濕雪。

《百度百科》中定義介電常數(shù)是介質(zhì)在外加電場時會產(chǎn)生感應(yīng)電荷而削弱電場，介質(zhì)中的電場減小與原外加電場（真空中）的比值即為相對介電常數(shù)又稱誘電率，與頻率相關(guān)。介電常數(shù)是相對介電常數(shù)與真空中絕對介電常數(shù)乘積。雪中主要包含水、冰粒和空氣，其中水的介電常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后兩者，所以含水量決定了微波在雪層中的穿透性。同時，冰、濕雪可使電磁波發(fā)生散射，當(dāng)RFID 美標(biāo)（工作頻率為902 ～928 MHz 微波）的表面覆蓋有冰或濕雪時，電磁波將發(fā)生散射，也將影響美標(biāo)讀取效果。

2.2 實(shí)驗(yàn)仿真

RFID 美標(biāo)在低溫雨雪環(huán)境時，表面會形成積雪，而積雪成分主要為空氣、冰、水。經(jīng)查詢介電常數(shù)表，積雪中各介質(zhì)的相對介電常數(shù)如表2 所示。

表2 介電常數(shù)表Tab.2 Dielectric constant table

為確認(rèn)干雪與濕雪對RFID 美標(biāo)讀取效果的影響，對美標(biāo)工作環(huán)境進(jìn)行建模，并對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行MATLAB 仿真，在表面分別覆蓋干雪和濕雪（含水量達(dá)到5%以上）介質(zhì)。通過對比檢測到的電場強(qiáng)度值前后的變化，確認(rèn)干雪與濕雪分別對RFID 美標(biāo)讀取效果的影響。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果匯總?cè)绫? 所示。

表3 實(shí)驗(yàn)仿真統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Experimental simulation statistics table

2.3 冰雪影響總結(jié)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果，當(dāng)表面覆蓋干雪與濕雪時，對比無介質(zhì)覆蓋情況，電場強(qiáng)度分別下降5.42%與35.34%，RFID 射頻主瓣寬度均有所減小，但濕雪覆蓋狀態(tài)下變化更大。

從實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果及現(xiàn)場使用情況分析，濕雪對美標(biāo)讀取的影響遠(yuǎn)大于干雪，但南方尤其杭州市屬于江南地區(qū)，雪天主要為濕雪，且杭州地鐵部分線路為高架露天段，極易造成濕雪對美標(biāo)的覆蓋，影響運(yùn)營效率。

3 防范措施

為解決該問題的發(fā)生，根據(jù)美式信標(biāo)讀取特性及現(xiàn)場安裝情況，提出以下3 種解決方案。

1）方案一：采用人工融雪，防止積雪

利用運(yùn)營行車間隔或在非運(yùn)營時間，采用最原始的人工掃雪及噴灑融雪劑融雪方式，但該方案僅限于行車間隔較大且露天線路比較短的運(yùn)營線路，否則造成維護(hù)人員的大量浪費(fèi)；利用行車間隔下軌，作業(yè)時間控制不當(dāng)極易造成運(yùn)營線路的列車延誤，故該方案風(fēng)險系數(shù)較高。

2）方案二：加裝蓋板，阻止積雪覆蓋到美標(biāo)表面

考慮到美標(biāo)上方不積雪、不積冰即可解決該問題的發(fā)生，選用在美標(biāo)上方加裝蓋板。蓋板的安裝需考慮不影響設(shè)備侵限，且材質(zhì)不能影響RFID 射頻的傳播，蓋板簡要安裝方式如圖3 所示。

3）方案三：更換美標(biāo)型號，使用歐式應(yīng)答器

歐式應(yīng)答器的設(shè)計(jì)尺寸為450 mm×260 mm×45.5 mm，下行信號工作頻率為27.095 MHz，上行信號工作頻率為4.234 MHz，因尺寸及工作頻率的不同可有效解決冰雪天氣的影響。但既有線路改造時將涉及CBTC 系統(tǒng)的整體變更，費(fèi)用成本昂貴，不適用運(yùn)營線路，可在新線建設(shè)時采用。

圖3 蓋板安裝示意圖Fig.3 Cover plate installation diagram

綜上所述，3 種解決方案均存在一定程度的優(yōu)缺點(diǎn)，具體歸納如表4 所示。

表4 方案對比表Tab.4 Scheme comparison table

根據(jù)線路建設(shè)、運(yùn)營、維護(hù)情況，選用適合本項(xiàng)目的最佳解決方案，杭州地鐵線路是既有線路，在現(xiàn)有維護(hù)人員不變，投入資金最少的情況下，選用方案一與方案二相結(jié)合的方式為最佳。

4 結(jié)語

RFID 信標(biāo)輔助列車定位系統(tǒng)是保證CBTC 列車精確定位的基礎(chǔ)條件，是確保列車穩(wěn)定有效運(yùn)營的基石。杭州地鐵高架露天段采用美標(biāo)加裝蓋板與非運(yùn)營時間人工掃雪方式相結(jié)合的措施后，有效解決了大雪天CBTC 列車無法精確定位問題，保障了軌道交通線路安全高效運(yùn)營。