基于RFID技術(shù)的扣件緊固狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)

周游 凌烈鵬 時(shí)佳斌 王智超

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

隨著我國鐵路的快速發(fā)展，對(duì)鐵路工務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施的安全以及工作狀態(tài)提出了更高的要求［1］。線路扣件是連接鋼軌和軌枕的重要連接部件，若有松動(dòng)或缺失會(huì)對(duì)線路的穩(wěn)定性造成影響，批量的扣件失效甚至?xí)斐蓢?yán)重的安全隱患［2］。巡道工會(huì)對(duì)線路扣件進(jìn)行人工定期巡檢，但這種檢測(cè)方式存在以下不足：①人工檢測(cè)只能目測(cè)扣件是否丟失、傷損，很難檢查扣件壓力失效程度；②人工檢測(cè)花費(fèi)的時(shí)間較長，檢驗(yàn)效率低，且勞動(dòng)強(qiáng)度大，隨機(jī)性較高；③工人上線檢測(cè)，存在人員發(fā)生安全事故的風(fēng)險(xiǎn)；④鐵路扣件數(shù)量龐大，巡檢結(jié)果無法進(jìn)行精細(xì)的標(biāo)識(shí)定位和統(tǒng)計(jì)分析，不能追溯扣件狀態(tài)變化，也不能為線路精細(xì)化管理提供大數(shù)據(jù)支撐。因此，要保證線路扣件安全，僅靠人工檢測(cè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了要求。

目前，我國鐵路應(yīng)用的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)主要采用有線網(wǎng)絡(luò)，需要沿鐵路布置大量的電源線和數(shù)據(jù)線，其高昂的建設(shè)成本制約了檢測(cè)系統(tǒng)的大面積部署。此外，在山區(qū)、峽谷、凍土等條件艱苦地帶和人煙稀少地段，其建設(shè)難以滿足有線網(wǎng)絡(luò)正常工作的要求，會(huì)造成安全隱患和大量維護(hù)成本的投入［3］。

基于RFID技術(shù)的扣件緊固狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，通過運(yùn)用無線射頻識(shí)別技術(shù)可實(shí)現(xiàn)能量和信息的傳遞，使傳感器擺脫了“線”的束縛，讓數(shù)據(jù)匯聚的方式更為靈活。緊固狀態(tài)傳感器的開發(fā)和應(yīng)用，將緊固狀態(tài)完全數(shù)字量化，可實(shí)現(xiàn)狀態(tài)量化和追溯統(tǒng)計(jì)，為精細(xì)化管理提供技術(shù)手段。該檢測(cè)方式可大幅提升對(duì)扣件緊固狀態(tài)的檢測(cè)效率，量化扣件緊固狀態(tài)，保障檢測(cè)準(zhǔn)確率，且建設(shè)和維護(hù)成本較低，可為長期運(yùn)營安全性提供保障。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

RFID技術(shù)是一種利用自由空間進(jìn)行非接觸式自動(dòng)識(shí)別的技術(shù)，具有識(shí)別便捷、讀取速度快、動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)射頻通信、安全性高的優(yōu)點(diǎn)，非常符合當(dāng)下扣件緊固狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的需要［4］。目前在鐵路系統(tǒng)中主要用于車號(hào)的識(shí)別，未見用于壓力、溫度等物理環(huán)境狀態(tài)檢測(cè)。但在其他領(lǐng)域中，Vyas等［5］通過設(shè)計(jì)陣列天線收集來自6.3 km外的東京電視塔發(fā)射的電磁波，為其溫度傳感標(biāo)簽提供穩(wěn)定工作電壓，其靈敏度最高可達(dá)14.6 dBm；劉茂旭［6］設(shè)計(jì)的電容式加速度傳感器芯片的射頻模擬前端，總功耗約為7 μW；蘇圓圓等［7］設(shè)計(jì)了用于混凝土監(jiān)測(cè)的射頻濕度傳感器標(biāo)簽，其濕度測(cè)量結(jié)果在10%～70%區(qū)間具有良好的線性度，且最遠(yuǎn)通信距離為50 cm。

上述文獻(xiàn)研究的無線傳輸距離較近，只能在特定場(chǎng)合使用，無法滿足鐵路移動(dòng)檢測(cè)的需要。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

基于RFID技術(shù)的扣件緊固狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)由扣件緊固狀態(tài)傳感器、射頻天線、讀出器和軟件管理平臺(tái)構(gòu)成（圖 1）。其中，GSM-R（Global System of Mobile Communications-Railway）為鐵路綜合數(shù)字移動(dòng)的通信系統(tǒng)，LTE（Long Term Evolation）為通用移動(dòng)通信技術(shù)的長期演進(jìn)。每個(gè)扣件緊固狀態(tài)傳感器有唯一的ID編號(hào)進(jìn)行身份標(biāo)識(shí)，將扣件螺栓安裝在軌道上可對(duì)扣件的緊固狀態(tài)進(jìn)行感知采集和傳輸。射頻天線用于接收和發(fā)送射頻載波以完成射頻通信。讀出器分為車載式讀出器和便攜式讀出器。車載式讀出器通過天線和智能扣件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從而獲取智能扣件的ID編號(hào)并感知采集軌道扣件的緊固狀態(tài)。便攜式讀出器自帶天線，功能和車載式讀出器一樣，能與智能緊固件進(jìn)行無線交互。軟件管理平臺(tái)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)實(shí)際情況生成相應(yīng)的報(bào)表和報(bào)警信息。

圖1 扣件緊固狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)

通過自動(dòng)激活天線工作范圍內(nèi)的扣件緊固狀態(tài)傳感器，完成對(duì)軌道扣件緊固狀態(tài)的感知采集和數(shù)據(jù)從地到車的傳輸工作。采集的信息通過網(wǎng)絡(luò)傳送至軟件管理平臺(tái)，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)信息進(jìn)行分析并生成報(bào)告。

2.1 供能傳輸方案

不同RFID應(yīng)用頻率特征見表1［8］?？芍?，超高頻的RFID的抗干擾性和讀寫距離較有優(yōu)勢(shì)，基本可以滿足鐵路現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾和移動(dòng)檢測(cè)的需要，因此本文研究選用超高頻的RFID。

表1 不同RFID應(yīng)用頻率特征 MHz

2.2 緊固狀態(tài)傳感器方案

根據(jù)RFID傳感器是否需要外界供電進(jìn)行分類，可以將傳感器分為無源、有源和半無源，不同供電方案的工作特點(diǎn)見表2。為了確保鐵路運(yùn)輸安全，在現(xiàn)有電池技術(shù)條件下，本文選用無源傳感器方案。

表2 不同供電方案的工作特點(diǎn)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)扣件緊固狀態(tài)的測(cè)量，扣件緊固狀態(tài)傳感器（圖2）主要包括2部分：①金屬（測(cè)力）墊圈，其內(nèi)置了壓力傳感器，能夠測(cè)量通過墊圈扣壓到彈條上的扣壓力，不同扣件扣壓力設(shè)計(jì)值見表3。根據(jù)其扣件扣壓力要求，將壓力傳感器量程設(shè)定為0～20 kN，2進(jìn)制存儲(chǔ)采用12位的存儲(chǔ)器，分辨率控制在5 N。②附耳腔，其內(nèi)置了RFID的感應(yīng)天線及壓力傳感器采集處理裝置，可以接受和傳遞無線射頻，通過射頻技術(shù)向壓力傳感器提供電能，并對(duì)相應(yīng)的扣壓力進(jìn)行采集處理。

圖2 扣件緊固狀態(tài)傳感器

表3 不同扣件扣壓力設(shè)計(jì)值

2.3 檢測(cè)采集方案

目前，國內(nèi)鐵路軌道相鄰枕扣件距離在0.5～0.7 m，同一承軌槽鋼軌內(nèi)外扣件距離在0.25 m左右，同一軌枕鋼軌內(nèi)側(cè)扣件距離在1.3 m左右（圖3（a））。根據(jù)《鐵路技術(shù)管理規(guī)程（普速鐵路部分）》［9］和《鐵路技術(shù)管理規(guī)程（高速鐵路部分）》［10］中關(guān)于車輛車體彈簧承載部分限界為350 mm的規(guī)定，初步將車載天線垂直激勵(lì)范圍H控制在500 mm，將天線運(yùn)動(dòng)方向激勵(lì)范圍D設(shè)為500 mm（圖3（b））?；赗FID技術(shù)的扣件緊固狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)了2種檢測(cè)采集方案，分別為便攜式和車載式。便攜式讀出器集成了射頻天線，僅需人工靠近扣件并激勵(lì)即可讀取相應(yīng)的扣壓力。車載式讀出器需要外界大功率的射頻天線，當(dāng)射頻天線通過扣件上方時(shí)，其500 mm范圍內(nèi)的扣件將被激勵(lì)，天線可采集相應(yīng)的扣壓力。通過優(yōu)化扣件緊固狀態(tài)傳感器RFID感應(yīng)天線，可基本實(shí)現(xiàn)20 km/h的移動(dòng)檢測(cè)。

圖3 車載檢測(cè)系統(tǒng)位置示意

2.4 檢測(cè)信息管理方案

檢測(cè)信息的管理基于云平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)。檢測(cè)信息包括傳感器ID信息、扣壓力等。讀出器采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)后實(shí)時(shí)上傳至云服務(wù)器，云服務(wù)器上的檢測(cè)系統(tǒng)根據(jù)接收到的報(bào)文進(jìn)行分析并登記，按設(shè)定的報(bào)警方式實(shí)時(shí)推送給相關(guān)人員。工區(qū)人員可將確認(rèn)信息、處理信息等上報(bào)給云服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)報(bào)警的閉環(huán)管理。檢測(cè)信息處理流程見圖4。檢測(cè)系統(tǒng)根據(jù)管轄范圍設(shè)立4級(jí)監(jiān)控，分別為路局、工務(wù)段、車間和工區(qū)。不同等級(jí)用戶設(shè)置對(duì)應(yīng)的查詢、統(tǒng)計(jì)等權(quán)限。

圖4 檢測(cè)信息處理流程

3 數(shù)據(jù)處理方法

系統(tǒng)通過對(duì)讀出器采集的扣壓力進(jìn)行計(jì)算和分析，提供養(yǎng)護(hù)維修、更換扣件的報(bào)警和建議。數(shù)據(jù)計(jì)算處理過程如下：①根據(jù)扣件緊固狀態(tài)傳感器ID信息，將扣壓力按里程信息建立線性關(guān)系；②根據(jù)檢測(cè)時(shí)間，將上述線性關(guān)系拓展為面陣；③分析對(duì)應(yīng)面陣范圍內(nèi)相鄰點(diǎn)的變化率，得出其變化云圖；④對(duì)扣壓力數(shù)值超限和變化率超限進(jìn)行評(píng)估，如存在扣件松弛風(fēng)險(xiǎn)則推送相應(yīng)報(bào)警信息。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能及技術(shù)指標(biāo)

基于上述設(shè)計(jì)方案試制樣品，樣品傳感器組裝如圖5所示。在室內(nèi)對(duì)傳感器扣壓力讀取值和實(shí)際值進(jìn)行測(cè)試，扣件緊固狀態(tài)壓力傳感器扣壓力讀取值與實(shí)際值擬合曲線見圖6?？芍?，二者在0～20 kN的量程內(nèi)呈明顯的線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)大于0.99，表明扣件緊固狀態(tài)傳感器可靠性強(qiáng)。

圖5 傳感器組裝

圖6 扣件緊固狀態(tài)壓力傳感器扣壓力讀取值與實(shí)際值擬合曲線

圖7 室外樣品測(cè)試

室外樣品測(cè)試見圖7。在試驗(yàn)軌道上安裝扣件緊固狀態(tài)傳感器。采用便攜式讀出器時(shí)，可讀取距離便攜式讀出器天線200 mm內(nèi)的扣壓力；采用車載式讀出器時(shí)，可讀取距離車載天線500 mm內(nèi)的扣壓力。測(cè)試車載式讀出器系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，當(dāng)車載天線距離扣件緊固狀態(tài)傳感器500 mm時(shí)，車載式讀出器可實(shí)現(xiàn)的采樣間隔在17～20 ms。當(dāng)車載式讀出器以20 km/h移動(dòng)時(shí)，扣件緊固狀態(tài)傳感器處于車載天線激勵(lì)范圍下約90ms。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，車載式讀出器可在20km/h的速度下穩(wěn)定地讀取對(duì)應(yīng)扣件緊固狀態(tài)傳感器的扣壓力。

扣件緊固狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下功能：采用車載移動(dòng)讀取和人工便攜式讀取2種檢測(cè)方式；車載天線可在20 km/h的速度范圍內(nèi)對(duì)扣件緊固狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)；扣件緊固狀態(tài)傳感器可實(shí)現(xiàn)量程0～20 kN、精度5 N的扣壓力測(cè)量；報(bào)警信息可多級(jí)發(fā)布，集成管理，遠(yuǎn)程訪問，提供web網(wǎng)頁、手機(jī)APP訪問手段。

5 結(jié)語

本文提出了一種基于RFID技術(shù)的扣件緊固狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用無源化設(shè)計(jì)，傳感器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用無需布置電源線和數(shù)據(jù)線，安裝簡便，檢測(cè)速度快，檢測(cè)精度高。通過拓展研究，該系統(tǒng)可應(yīng)用于鐵路沿線工務(wù)工程連續(xù)點(diǎn)式分布或間斷點(diǎn)式分布檢測(cè)項(xiàng)目，為工務(wù)工程無線（無源）檢測(cè)技術(shù)提供借鑒和支持。