基于RFID技術(shù)的低地板有軌電車位置檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李生軍

伴隨著城市軌道交通的快速發(fā)展,低地板有軌電車在城市軌道交通中日益普及,有軌電車以其站間距短、發(fā)車頻次高、乘坐便捷等優(yōu)勢(shì)成為了市民出行常選的公共交通工具。有軌電車線路與城市道路之間大都存在交叉路口、部分線路存在天橋等特殊路段,這些路段往往不架設(shè)接觸網(wǎng)供電線路,而對(duì)于單純用接觸網(wǎng)供電的有軌電車是無法通過這種無網(wǎng)無電區(qū)路段的。因而一種新型的混合供電制式列車應(yīng)運(yùn)而生,即列車采用接觸網(wǎng)和超級(jí)電容雙供電模式,在線路有電區(qū)列車升弓后采用接觸網(wǎng)供電,在線路無電區(qū)列車降弓后采用超級(jí)電容供電。為提高有軌電車的運(yùn)行效率和安全,提升列車的智能化水平,本文開發(fā)了一套位置檢測(cè)系統(tǒng)來控制列車實(shí)現(xiàn)供電模式的自動(dòng)切換、受電弓的自動(dòng)升降等功能,從而保證列車安全、高效的運(yùn)營。

1 位置檢測(cè)系統(tǒng)組成及原理

有軌電車的車輛定位方式主要有2種:一是衛(wèi)星系統(tǒng)定位技術(shù),其信號(hào)易受到遮擋、反射、折射、多路徑等因素影響,導(dǎo)致可用性受限［1］；二是軌旁定位技術(shù),包括信標(biāo)定位、軌道檢測(cè)環(huán)線定位、裂縫波導(dǎo)定位等［2］。列車位置檢測(cè)系統(tǒng)采用信標(biāo)定位方式,應(yīng)用射頻識(shí)別（Radio Frequency Iden?tification,RFID）［3］技術(shù)對(duì)地面信標(biāo)進(jìn)行檢測(cè),通過無線射頻信號(hào)準(zhǔn)確、快速地獲取信標(biāo)的數(shù)據(jù)信息［4?5］,從而根據(jù)信標(biāo)的位置對(duì)有軌電車的位置進(jìn)行精確定位,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)具體的控制功能。

1.1 系統(tǒng)組成

位置檢測(cè)系統(tǒng)是以信號(hào)接收、傳輸、控制為核心的自動(dòng)控制系統(tǒng),能夠?qū)τ熊夒娷囋诰€路特定位置處的列車地理位置進(jìn)行精確定位［6］。該系統(tǒng)設(shè)備分為車載設(shè)備、地面設(shè)備和編碼設(shè)備三部分:車載設(shè)備包括可編程控制器PLC、RFID閱讀器（集成了天線內(nèi)置模塊）；地面設(shè)備為無源信標(biāo)；編碼設(shè)備為手持式讀寫器。以5模塊編組的有軌電車為例,位置檢測(cè)系統(tǒng)的組成及設(shè)備分布示意見圖1。

圖1 位置檢測(cè)系統(tǒng)的組成及設(shè)備分布示意圖

在Tp車的車內(nèi)設(shè)置可編程控制器PLC,可采用以太網(wǎng)或RS-485串口通信以及硬線I/O與列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行通信；在F1/F2車的車底合適位置對(duì)稱安裝2臺(tái)閱讀器,閱讀器與可編程控制器之間通過RS-485以及硬線IO進(jìn)行通信；在線路特定位置布設(shè)地面信標(biāo),信標(biāo)的數(shù)量和布設(shè)位置根據(jù)閱讀器的安裝位置以及需要控制的具體功能等因素來確定。

1.2 工作原理

該系統(tǒng)利用軌旁信標(biāo)進(jìn)行位置定位,將無源信標(biāo)按照設(shè)計(jì)需求布置在線路軌道路面下,通過手持式讀寫器給每個(gè)信標(biāo)編寫ID碼；列車車體的底部安裝RFID閱讀器,列車經(jīng)過信標(biāo)路段時(shí),由RFID閱讀器的天線發(fā)射特定頻率的無線射頻信號(hào)來激活信標(biāo),信標(biāo)通過內(nèi)置天線將內(nèi)存中的ID數(shù)據(jù)調(diào)制信號(hào)發(fā)射到RFID閱讀器的接收天線,經(jīng)閱讀器解調(diào)和解碼后,實(shí)現(xiàn)車載RFID閱讀器和地面信標(biāo)的數(shù)據(jù)信息交互［7］；車載可編程控制器PLC與RFID閱讀器建立數(shù)據(jù)通信后,調(diào)用閱讀器中的數(shù)據(jù)信息與軟件數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的信息進(jìn)行比對(duì),根據(jù)信標(biāo)的唯一ID碼識(shí)別出列車此時(shí)的精確地理位置,可編程控制器經(jīng)內(nèi)部控制邏輯處理后輸出控制信號(hào)進(jìn)行列車相關(guān)功能的控制。

1.2.1 可編程控制器

根據(jù)系統(tǒng)控制功能電氣接口及通信接口要求,可編程控制器選用西門子的S7-1200 PLC。該P(yáng)LC集成了14個(gè)數(shù)字量輸入、10個(gè)數(shù)字量輸出接口及2個(gè)PROFINET通信接口。PROFINET接口可用于PLC的調(diào)試端口,也可用作與其他設(shè)備之間的以太網(wǎng)通信接口；該接口具有自動(dòng)交叉網(wǎng)線的RJ45連接器接口,提供100 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率,支持TCP/IP通信協(xié)議,PLC供電電壓為DC24 V［8］。為適應(yīng)閱讀器的RS-485通信需求,配置了2個(gè)RS-485通信模塊來實(shí)現(xiàn)PLC與2個(gè)閱讀器之間的點(diǎn)到點(diǎn)高速串行通信。

1.2.2 RFID閱讀器

RFID閱讀器采用無線射頻讀寫器,內(nèi)部集成了射頻單元（發(fā)送和接收模塊）、控制模塊和天線單元,具有數(shù)據(jù)通信接口（RS-485/RS-232,可配置以太網(wǎng)接口）和I/O數(shù)字量輸入輸出接口,供電電壓為DC24 V。

閱讀器通過內(nèi)置天線單元實(shí)現(xiàn)能量的傳遞和數(shù)據(jù)的交互,以無機(jī)械接觸的方式通過發(fā)射射頻信號(hào)獲取信標(biāo)數(shù)據(jù)［9］。閱讀器工作時(shí)自動(dòng)發(fā)送125 kHz的發(fā)射信號(hào),信標(biāo)接收此激活信號(hào)后,將存儲(chǔ)在芯片中的數(shù)據(jù)信息通過6.78 MHz的頻率發(fā)射給閱讀器,由閱讀器進(jìn)行報(bào)文處理后存儲(chǔ)在內(nèi)部只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）中,再通過PLC發(fā)出的信標(biāo)讀取指令將信標(biāo)信息傳送給可編程控制器進(jìn)行相關(guān)邏輯功能控制。

閱讀器對(duì)外電氣接口采用的連接器具備IP67高防護(hù)等級(jí),防護(hù)性能好,能夠適應(yīng)列車底部的安裝環(huán)境。

1.2.3 RFID信標(biāo)

RFID信標(biāo)是安裝在軌道線路沿線用來反映絕對(duì)位置的物理標(biāo)志［10］。信標(biāo)安裝在軌道路面下,信標(biāo)安裝后沿軌道的縱向中心線與閱讀器安裝后沿車體的縱向中心線相對(duì)重疊,信標(biāo)安裝后的上表面與閱讀器安裝后的下表面之間的相對(duì)垂直距離在100～800 mm之間,以便于在閱讀器發(fā)射的磁場(chǎng)范圍內(nèi)可靠地讀取到信標(biāo)信息。

當(dāng)列車閱讀器經(jīng)過信標(biāo)上方時(shí),閱讀器發(fā)射的125 kHz射頻信號(hào)激活信標(biāo)工作,信標(biāo)將存儲(chǔ)的ID編碼信息以無線射頻信號(hào)傳遞給閱讀器,為列車提供絕對(duì)地理位置信息。信標(biāo)信息包含具體的公里標(biāo)、序列號(hào)等內(nèi)容,可根據(jù)需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)要求通過手持式讀寫器對(duì)信標(biāo)進(jìn)行編碼。無源信標(biāo)采用全密封結(jié)構(gòu),外殼堅(jiān)固,內(nèi)裝芯片（具有多個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)容量）,具有IP67高防護(hù)等級(jí),能夠適應(yīng)地面潮濕環(huán)境。

在實(shí)際應(yīng)用中,為避免路面長(zhǎng)期積水損壞信標(biāo),便于現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)及維護(hù)更換,可將信標(biāo)安裝在預(yù)制的非金屬保護(hù)盒內(nèi)后再安裝于線路硬化路面或綠化帶上。為避免金屬環(huán)境對(duì)磁場(chǎng)的干擾和信號(hào)的衰減,信標(biāo)需要安裝在無金屬環(huán)境的基坑內(nèi),并保證在信標(biāo)周圍一定距離范圍內(nèi)無金屬環(huán)境,距離信標(biāo)前、后方向D>100 mm,距離信標(biāo)底部方向H>100 mm,信標(biāo)頂部至地面方向h的距離范圍應(yīng)為無金屬環(huán)境。信標(biāo)周圍無金屬環(huán)境安裝要求示意見圖2。

圖2 信標(biāo)周圍無金屬環(huán)境安裝要求示意圖

1.2.4 手持式讀寫器

手持式讀寫器作為信標(biāo)編碼和線路信標(biāo)檢查維護(hù)的便攜式讀寫設(shè)備,在信標(biāo)安裝完成后用來給線路上的每個(gè)信標(biāo)進(jìn)行唯一編碼；自帶液晶顯示屏和操作鍵盤,由電池供電,其感應(yīng)范圍小,與信標(biāo)之間的感應(yīng)距離一般為幾厘米到10幾厘米；通過其內(nèi)置天線為信標(biāo)供電并與信標(biāo)進(jìn)行無線感應(yīng)通信,從而將編程代碼字節(jié)信息寫入到信標(biāo)的芯片存儲(chǔ)器中或讀出信標(biāo)存儲(chǔ)器中的ID碼,以十進(jìn)制或十六進(jìn)制格式在液晶顯示屏上顯示。

2 信標(biāo)布置及控制功能

信標(biāo)在線路上的布設(shè)位置及數(shù)量是以實(shí)現(xiàn)具體的控制功能為前提進(jìn)行設(shè)計(jì)的,本文以北京亦莊T 1線有軌電車位置檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用情景為例進(jìn)行介紹。線路存在多個(gè)有網(wǎng)無電區(qū)和無網(wǎng)無電區(qū),列車在有網(wǎng)有電區(qū)內(nèi)行駛時(shí)通過接觸網(wǎng)供電,從有網(wǎng)有電區(qū)進(jìn)入有網(wǎng)無電區(qū)前需切換到車載電容供電,列車在進(jìn)入無網(wǎng)無電區(qū)前需完成降弓,列車從無網(wǎng)無電區(qū)進(jìn)入有網(wǎng)無電區(qū)后需完成升弓,列車從有網(wǎng)無電區(qū)進(jìn)入有網(wǎng)有電區(qū)后需切換為接觸網(wǎng)供電?；诖丝刂乒δ苄枨?利用位置檢測(cè)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)車輛供電模式的自動(dòng)切換和受電弓的自動(dòng)升降。當(dāng)車輛經(jīng)過信標(biāo)路段時(shí),由閱讀器讀取地面信標(biāo)信息后,傳輸給PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)解析和功能邏輯處理,然后輸出DO信號(hào)來控制車輛電路的繼電器得電或失電,從而實(shí)現(xiàn)具體的電氣控制功能。以其中一個(gè)區(qū)段為例進(jìn)行地面信標(biāo)布設(shè),見圖3。此區(qū)段布設(shè)5個(gè)信標(biāo)T 1～T 5,第1個(gè)信標(biāo)用來判斷列車行駛的線路方向（上行線或下行線,功能1）,第2個(gè)信標(biāo)用來觸發(fā)車載電容供電（功能2）,第3個(gè)信標(biāo)用來觸發(fā)降弓（功能3）,第4個(gè)信標(biāo)用來觸發(fā)升弓（功能4）,第5個(gè)信標(biāo)用來觸發(fā)接觸網(wǎng)供電（功能5）。當(dāng)列車經(jīng)過第1個(gè)信標(biāo)時(shí)車輛控制電路自動(dòng)閉合繼電器K1、斷開繼電器K5,通過繼電器K1的常開觸點(diǎn)來控制功能1的實(shí)現(xiàn)；當(dāng)列車經(jīng)過第2個(gè)信標(biāo)時(shí)車輛控制電路自動(dòng)閉合繼電器K2、斷開繼電器K1,從而控制功能2的實(shí)現(xiàn)。依次類推,列車經(jīng)過第N個(gè)信標(biāo)時(shí)閉合KN繼電器、斷開KN-1繼電器,從而控制功能N實(shí)現(xiàn)。信標(biāo)布置的相對(duì)距離是結(jié)合列車在此區(qū)間段的最大運(yùn)行速度、信標(biāo)采集傳輸時(shí)間、各功能的執(zhí)行時(shí)間、閱讀器的安裝位置、受電弓的位置、車輛長(zhǎng)度等因素綜合計(jì)算后得出的。布設(shè)的原則是保證位置檢測(cè)系統(tǒng)在檢測(cè)到信標(biāo)后列車有足夠的距離和時(shí)間來執(zhí)行對(duì)應(yīng)的控制功能,確保行車安全。

圖3 信標(biāo)的布置方案示意圖

3 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)

位置檢測(cè)系統(tǒng)的控制軟件設(shè)計(jì)是通過TIA軟件對(duì)PLC進(jìn)行硬件組態(tài)后,按照控制功能需求進(jìn)行PLC程序編程,通過閱讀器的上位機(jī)配置軟件對(duì)閱讀器進(jìn)行通信接口參數(shù)設(shè)置。閱讀器的所有參數(shù)都存儲(chǔ)在非易失型EEPROM存儲(chǔ)器中,可編程控制器PLC與閱讀器RFID之間通過RS-485進(jìn)行串口通信,支持多種波特率選擇。PLC和閱讀器的RS-485接口參數(shù)均配置為19 200 bps、偶校驗(yàn)、8位數(shù)據(jù)位+1位停止位。通過PLC對(duì)閱讀器進(jìn)行指令問詢,閱讀器返回應(yīng)答數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)以十六進(jìn)制格式發(fā)送和接收。

基于上述信標(biāo)布置及控制功能需求,位置檢測(cè)系統(tǒng)軟件控制流程見圖4。

圖4 位置檢測(cè)系統(tǒng)軟件控制流程圖

3.1 設(shè)備正常模式下的控制

系統(tǒng)上電后PLC與RFID閱讀器建立數(shù)據(jù)通信,PLC和閱讀器進(jìn)行自診斷,設(shè)備正常后列車司機(jī)臺(tái)上的位置檢測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)指示燈亮,司機(jī)將位置檢測(cè)控制模式開關(guān)打到自動(dòng)位,車輛進(jìn)入自動(dòng)控制模式,PLC自動(dòng)發(fā)送信標(biāo)讀取指令使得閱讀器進(jìn)入信標(biāo)讀取模式。列車行駛中當(dāng)檢測(cè)到信標(biāo)時(shí),由RFID閱讀器采集信標(biāo)存儲(chǔ)的編碼信息并解碼后,將數(shù)據(jù)傳送給PLC,PLC經(jīng)過內(nèi)部數(shù)據(jù)處理和功能邏輯判斷后輸出相關(guān)指令信號(hào),控制繼電器來實(shí)現(xiàn)車輛相關(guān)功能控制。完成此區(qū)間路段的自動(dòng)控制功能后列車?yán)^續(xù)前行,在線路下一個(gè)特定位置區(qū)間內(nèi)繼續(xù)重復(fù)信標(biāo)檢測(cè)控制功能,直至設(shè)備斷電或手動(dòng)控制模式激活時(shí),位置檢測(cè)系統(tǒng)退出。

3.2 設(shè)備異常模式下的控制

系統(tǒng)上電后PLC與RFID閱讀器建立數(shù)據(jù)通信,PLC和閱讀器進(jìn)行自診斷,當(dāng)PLC發(fā)生故障時(shí)位置檢測(cè)系統(tǒng)退出；如果閱讀器設(shè)備自檢出現(xiàn)故障,PLC將發(fā)送復(fù)位代碼指令給閱讀器進(jìn)行復(fù)位,復(fù)位后PLC發(fā)送診斷指令給閱讀器對(duì)其進(jìn)行診斷,如果系統(tǒng)設(shè)備正常則進(jìn)入正?？刂颇Ｊ?如果系統(tǒng)設(shè)備依舊故障,系統(tǒng)根據(jù)故障來源將相應(yīng)的故障代碼信號(hào)報(bào)告給列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),位置檢測(cè)系統(tǒng)退出,同時(shí)司機(jī)臺(tái)上的位置檢測(cè)狀態(tài)指示燈保持熄滅狀態(tài),此時(shí)司機(jī)需將位置檢測(cè)控制模式開關(guān)打到手動(dòng)位,在列車行駛至有網(wǎng)無電區(qū)前司機(jī)停車后,通過操作司機(jī)臺(tái)上的供電模式切換開關(guān)打到電容模式位切換到電容模式供電,再按下降弓按鈕進(jìn)行降弓,車輛駛離無電區(qū)后司機(jī)通過升弓按鈕進(jìn)行升弓并將供電模式開關(guān)打到接觸網(wǎng)模式位繼續(xù)行駛。手動(dòng)控制模式會(huì)大大降低列車運(yùn)行的效率,因而僅作為位置檢測(cè)系統(tǒng)故障模式下的應(yīng)急處理方案。

為實(shí)現(xiàn)上述案例流程圖控制功能,對(duì)可編程控制器PLC的軟件程序進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì),包括主程序、中斷程序、通信程序、故障診斷程序、指令控制程序、信息采集處理程序、數(shù)據(jù)校驗(yàn)程序、控制邏輯輸出程序、數(shù)據(jù)記錄程序等。通過數(shù)據(jù)記錄程序,可將讀到的信標(biāo)、通信數(shù)據(jù)、控制信息等數(shù)據(jù)以.csv格式存儲(chǔ)在PLC的WEB界面下,便于查詢和分析。

4 結(jié)語

位置檢測(cè)系統(tǒng)通過RFID技術(shù)對(duì)列車進(jìn)行準(zhǔn)確定位,實(shí)現(xiàn)了低地板有軌電車供電模式的自動(dòng)切換控制、受電弓自動(dòng)控制等功能,也可用于列車位置檢測(cè)的其他輔助控制功能。該系統(tǒng)已在北京亦莊T 1線有軌電車上裝車應(yīng)用,通過在運(yùn)營線路上的試驗(yàn)驗(yàn)證,位置檢測(cè)系統(tǒng)的控制功能能夠滿足車輛定位控制需求,數(shù)據(jù)記錄顯示列車在不同速度下（0～70 km/h）,信標(biāo)的讀取率均可達(dá)到100%。