基于RFID技術(shù)的列車記點系統(tǒng)分析

劉承勃 張升 郭宵彬 苗新芳

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島 266111）

0.引言

《國務(wù)院辦公廳關(guān)于保障城市軌道交通安全運(yùn)行的意見》于2018年3月正式發(fā)布，對于新時期城市軌道交通的重要性及其安全保障技術(shù)的應(yīng)用提出明確要求。當(dāng)前城市軌道交通系統(tǒng)在運(yùn)行過程中常運(yùn)用軌道電路、應(yīng)答器、多傳感器信息融合等設(shè)備及技術(shù)進(jìn)行列車定位，但在信號系統(tǒng)出現(xiàn)故障時僅依靠人工記點無法滿足精確定位要求。在此背景下，通過引入無線射頻識別技術(shù)（RFID），利用電子標(biāo)簽與閱讀器間的識別、感應(yīng)、發(fā)射、解碼與傳遞等機(jī)制實現(xiàn)自動報點功能，能夠有效提高定位精度、節(jié)約維護(hù)成本、屏蔽噪聲干擾，對于列車自動定位功能的實現(xiàn)與軌道交通安全運(yùn)行具有重要應(yīng)用價值。

1.需求分析

1.1 系統(tǒng)開發(fā)需求

一方面，出于相關(guān)部門對于列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的信息安全保護(hù)需求，在系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié)需提供用戶權(quán)限管理功能，分別針對中央級、車站級2個級別進(jìn)行用戶權(quán)限的分配，包括在中央級設(shè)置整體軌道交通系統(tǒng)信息調(diào)度與查看、用戶權(quán)限管理與身份認(rèn)證、系統(tǒng)運(yùn)維等功能，在車站級設(shè)置列車發(fā)車、到達(dá)以及乘客導(dǎo)向等信息的管理功能[1]。另一方面，根據(jù)列車記點系統(tǒng)的實際應(yīng)用情況，該系統(tǒng)需將列車運(yùn)行過程中經(jīng)過各車站采集到的站點數(shù)據(jù)匯總，并上傳至上級控制系統(tǒng)，因此需分別完成中央級、車站級系統(tǒng)設(shè)計[2]。中央級管理系統(tǒng)需提供列車實時位置查詢、電子標(biāo)簽與讀寫器等基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維管理、數(shù)據(jù)存儲與查詢、人工補(bǔ)錄信息、系統(tǒng)安全管理以及行車日志管理等功能，車站級管理系統(tǒng)則需提供用戶登錄管理、列車實時記點、歷史記點數(shù)據(jù)統(tǒng)計與查詢等功能。

1.2 軟硬件配置

在軟件設(shè)計上，服務(wù)器端、客戶端分別使用Windows Server 2012和Linux操作系統(tǒng)，在服務(wù)器端配置基于SQL Server 2008的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)以及本文設(shè)計的列車自動記點系統(tǒng)。在硬件設(shè)計上，服務(wù)器端工作站配置雙路十六核CPU，512GB DDR4內(nèi)存，部分插槽支持64GB容量，主板支持三路顯卡；客戶機(jī)端配置六核CPU，主板部分?jǐn)U展槽為3×PCI-E，16GB DDR4內(nèi)存；其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包含RFID閱讀器、電子標(biāo)簽以及計算機(jī)處理系統(tǒng)等。

2.系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 技術(shù)方案

基于安全性、可擴(kuò)展性、界面友好等原則進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，選用2.4G超高頻有源RFID電子標(biāo)簽，以車站各站臺為基準(zhǔn)，分別在上行列車、下行列車兩側(cè)對應(yīng)的列車進(jìn)站?？亢筌囶^、車尾所處區(qū)域安裝1臺閱讀器，其中沿上行列車方向布設(shè)閱讀器編號為R2-U和R1-U，沿下行列車方向布設(shè)閱讀器R2-D、R1-D，用于讀取站臺電子標(biāo)簽信息[3]。在各列車車身上分別標(biāo)有車體號，在上、下行列車車頭位置安裝編號為T1-U、T1-D的RFID有源電子標(biāo)簽，車尾安裝T2-U、T2-D 2個RFID標(biāo)簽，各標(biāo)簽中分別存有列車的ID即車體號信息。當(dāng)列車進(jìn)出站時車頭、車尾分別靠近布設(shè)在站臺相應(yīng)位置的閱讀器，利用閱讀器讀取標(biāo)簽信息，并經(jīng)由RFID網(wǎng)絡(luò)設(shè)備獲取對應(yīng)的車體號[4]。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計

（1）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計?；贘2EE開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)與SSM框架進(jìn)行列車自動記點系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計，將系統(tǒng)整體框架劃分為4個層級：1）表示層。選用Spring MVC建構(gòu)整體框架，用于對系統(tǒng)內(nèi)各層級業(yè)務(wù)進(jìn)行管控，將用戶傳送請求調(diào)用后反饋至系統(tǒng)界面。2）業(yè)務(wù)邏輯層。基于Spring技術(shù)提供IoC容器，支持對目標(biāo)信息進(jìn)行查找與定位，并完成對象創(chuàng)建，對業(yè)務(wù)模型及邏輯進(jìn)行管理，保證數(shù)據(jù)完整性。3）數(shù)據(jù)持久層。選用Mybatis框架建構(gòu)，內(nèi)部提供數(shù)據(jù)資源、檢索工具、查詢語言以及其他服務(wù)功能，可與MySQL數(shù)據(jù)庫建立連接，并反饋處理結(jié)果。4）實體層。用于控制和管理實體設(shè)備。在系統(tǒng)整體部署上，表示層作為列車自動記點系統(tǒng)門戶，用于展示系統(tǒng)界面；業(yè)務(wù)邏輯層由應(yīng)用、管理2個模塊組成，應(yīng)用模塊提供列車運(yùn)行管理、實時記點與歷史記點數(shù)據(jù)管理、讀寫器與電子標(biāo)簽管理、網(wǎng)絡(luò)管理等功能；應(yīng)用支持層包含工作流引擎、中間件以及安全組件；數(shù)據(jù)層包含記點、設(shè)備以及管理3類數(shù)據(jù)庫。

（2）功能模塊設(shè)計。依據(jù)系統(tǒng)層級區(qū)別進(jìn)行功能模塊設(shè)計，中央級管理系統(tǒng)作為上級系統(tǒng)需同時支持車站級管理系統(tǒng)提供的具體功能，因此該系統(tǒng)的功能模塊更加完善，主要分為4部分：1）用戶權(quán)限管理與身份認(rèn)證模塊，面向中央級、車站級用戶提供不同管理權(quán)限，用戶經(jīng)由身份認(rèn)證后支持對用戶信息進(jìn)行新建、修改、刪除及更新等功能。2）列車信息調(diào)度與查看模塊，用于對列車實時位置、運(yùn)行狀態(tài)、自動記點以及歷史記點信息進(jìn)行管理。3）硬件設(shè)備管理模塊，主要用于實現(xiàn)對電子標(biāo)簽狀態(tài)、讀寫器狀態(tài)以及RFID網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)的自動監(jiān)測，并將相關(guān)狀態(tài)信息反饋至界面進(jìn)行顯示。4）數(shù)據(jù)庫管理模塊，將基于RFID技術(shù)采集的列車信息收集、存儲與備份，支持?jǐn)?shù)據(jù)查詢與恢復(fù)功能，并提供外部接口等。

（3）數(shù)據(jù)庫設(shè)計?；诎踩?、穩(wěn)定性、容錯性以及通用性原則進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計，標(biāo)識為TAPS，并根據(jù)SQL Server 2008進(jìn)行不同字段類型的識別與判斷。依據(jù)系統(tǒng)功能需求將數(shù)據(jù)類型大體劃分為用戶、列車、車站、標(biāo)簽以及讀寫器5類，細(xì)化不同數(shù)據(jù)的表結(jié)構(gòu)設(shè)計，明確字段名稱、字段名、字段類型、能否為空等信息。以列車信息表為例，該表包含5個字段，其中車體號的字段名稱為Train ID，字段類型為Int，不能為空；所在線路，Subwayline ID，nvarchar(20)，否；車站標(biāo)識，Station ID，Int，否；列車位置，Localtion，nvarchar(20)，否；列車狀態(tài)，TrainState，nvarchar(20)，否。

2.3 算法建構(gòu)

基于上述技術(shù)方案設(shè)計思路，在系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié)需建構(gòu)列車位置檢測與識別邏輯，用于判斷列車進(jìn)出站、停站、折返、故障晚點、越站等運(yùn)行狀態(tài)，并支持識別列車的行車方向、運(yùn)行軌跡及實時位置等信息，擬圍繞列車位置檢測、行車方向判斷2個層面進(jìn)行自動記點算法的建構(gòu)，輔助實現(xiàn)列車定位功能。

將閱讀器檢測、識別電子標(biāo)簽的行為設(shè)為RB，4個閱讀器分別標(biāo)記為RB-U-1、RB-U-2、RB-D-1和RB-D-2，以行車方向作為分類依據(jù)進(jìn)行列車常規(guī)運(yùn)行流程的建構(gòu)。沿列車上行方向進(jìn)行5種狀態(tài)設(shè)計：（1）列車未進(jìn)站，4個讀卡器均處于初始狀態(tài)，即RB=0。（2）列車剛進(jìn)站，RB-U-1、RB-D-2讀卡器分別讀取車頭標(biāo)簽，確認(rèn)列車行進(jìn)方向，即RB=1。（3）列車進(jìn)站完成，RB-U-2、RB-D-1讀取車頭標(biāo)簽，RB-U-1、RB-D-2讀取車尾標(biāo)簽，求取經(jīng)驗值記為列車進(jìn)站?？繒r間，即RB=2。（4）列車出站，RU-U-2、RB-D-1讀取車尾標(biāo)簽，讀卡器讀取超時，取經(jīng)驗值記為出站用時，即RB=3。（5）列車區(qū)段出清，讀卡器讀取再次超時，即RB=4。沿列車下行方向重復(fù)上述流程，讀卡器讀取車頭、車尾標(biāo)簽與上行方向相反。

針對讀卡器閱讀行為分別設(shè)置閱讀狀態(tài)RB，用于求取不同列車狀態(tài)過渡階段對應(yīng)的經(jīng)驗值，完成時間參數(shù)的統(tǒng)計分析，并且RB需根據(jù)RS數(shù)值變化進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。設(shè)RB每間隔1s讀取到RS的次數(shù)為n，則當(dāng)RS=0時，n=0；當(dāng)RS=1時，n取值區(qū)間為[1，2]；當(dāng)RS=2時，n取值區(qū)間為[3，30]；當(dāng)RS=3時，n不小于60。利用布爾值進(jìn)行列車狀態(tài)屬性TS的描述，列車狀態(tài)包含進(jìn)站、?？俊⒊稣?、區(qū)段出清、故障等類型，其中當(dāng)列車處于初始化狀態(tài)時，對應(yīng)的TS屬性為假；當(dāng)列車處于進(jìn)站狀態(tài)時，對應(yīng)的進(jìn)站TS屬性為真；當(dāng)列車發(fā)生故障后，對應(yīng)的故障TS屬性為真。當(dāng)有新列車進(jìn)站時，RB、RS與TS均需經(jīng)由初始化完成更新。

以下行方向為例進(jìn)行列車進(jìn)出站邏輯的設(shè)計，列車進(jìn)站流程為：開始→A點閱讀器讀取車頭標(biāo)簽→記錄讀取時刻，開始計時→30s內(nèi)B點閱讀器讀取車頭標(biāo)簽→記錄讀取時刻→A點站臺閱讀器連續(xù)n次讀取車頭標(biāo)簽信息，當(dāng)判斷該閱讀器讀取超時，由B點站臺閱讀器連續(xù)n次讀取車尾標(biāo)簽信息，倘若該閱讀器仍讀取超時，則判斷為列車越站→成功讀取車頭/車尾標(biāo)簽，列車進(jìn)站。列車出站流程為：開始→A點閱讀器讀取車尾標(biāo)簽，或B點閱讀器讀取車頭標(biāo)簽→記錄讀取時刻，開始計時→A點閱讀器連續(xù)n次均未成功讀取車尾標(biāo)簽，或B點閱讀器連續(xù)n次未成功讀取車頭標(biāo)簽，倘若閱讀器成功讀取標(biāo)簽，則判斷為列車延時超過，并由列車站臺發(fā)出故障告警；反之則記錄出站時刻，并開始計時→30s內(nèi)B點站臺閱讀器讀取車尾標(biāo)簽→列車區(qū)段出清。

2.4 邏輯實現(xiàn)

基于模塊化設(shè)計思路實現(xiàn)系統(tǒng)邏輯判斷與更新功能，輔助完成列車記點、記時以及列車運(yùn)行狀態(tài)的實時更新。當(dāng)有新的列車進(jìn)站時，閱讀器通過讀取車頭或車尾標(biāo)簽獲得列車ID，圍繞以下4種列車狀態(tài)進(jìn)行邏輯判斷：（1）列車到站即RB=1時，閱讀器檢測車頭或車尾標(biāo)簽，記錄此時刻t1，以閱讀器實際讀取次數(shù)n時刻的平均值記為到站時間（n≦2）；當(dāng)RB＞1且RS＞1時，判斷列車出現(xiàn)故障。（2）列車進(jìn)站即RB=2時，閱讀器檢測標(biāo)簽并記錄臨時時間點t2’，當(dāng)RB=2狀態(tài)持續(xù)一段時間后，即可判斷列車進(jìn)站完畢，此時記錄列車進(jìn)站時刻t2，取閱讀器實際讀取次數(shù)n的時間均值記為進(jìn)站時間；當(dāng)RB＞2且RS＞2時，判斷列車出現(xiàn)故障。（3）列車出站即RB=0時，TS屬性為真，取RB變化為0時實際讀取次數(shù)前n-4次的時間均值記為列車出站時刻t3。（4）列車區(qū)段出清即RB=4時，以閱讀器實際讀取次數(shù)n時刻的平均值記為出清時間（n≦2）；當(dāng)RB＞2且RS＞2時，判斷列車出現(xiàn)故障。

3.系統(tǒng)測試

3.1 測試流程

基于系統(tǒng)建構(gòu)的軟硬件環(huán)境，采用黑盒測試方法進(jìn)行系統(tǒng)核心業(yè)務(wù)模塊的功能測試，測試對象包含列車運(yùn)行功能、車站布設(shè)工作站的實時記點功能、歷史記點數(shù)據(jù)功能以及中央級系統(tǒng)等功能的實現(xiàn)情況。以布設(shè)在各車站的工作站記點情況為例，選取ZSGY站點作為驗收站，主要驗收內(nèi)容為該站工作站界面，測試內(nèi)容包含以下2方面：在本站層面，輸入列車狀態(tài)判斷為列車進(jìn)站或出站，期望輸出該站界面顯示列車的車體號與進(jìn)出站時間，結(jié)果為正確即通過測試；在鄰站層面，以列車前、后站點的出站、進(jìn)站時間顯示作為測試項，輸入列車狀態(tài)判斷為列車出站或進(jìn)站，期望輸出該站界面顯示列車車體號、前站出站或后站進(jìn)站時間，結(jié)果為正確即通過測試。在此基礎(chǔ)上，還需基于QALoad軟件進(jìn)行系統(tǒng)性能測試，分別判斷系統(tǒng)在運(yùn)行不同數(shù)量的并發(fā)用戶時應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)庫的CPU占用率，判斷系統(tǒng)響應(yīng)時間是否處于理想狀態(tài)，完成系統(tǒng)性能測試。

3.2 測試結(jié)果

通過對本文設(shè)計的列車自動記點系統(tǒng)分別進(jìn)行功能和性能測試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)支持對列車運(yùn)行位置信息的實時檢測與動態(tài)反饋，可提供實時記點與數(shù)據(jù)上傳服務(wù)，管理員基于自身權(quán)限登錄系統(tǒng)后可實現(xiàn)對列車電子標(biāo)簽、讀寫器以及RFID網(wǎng)絡(luò)等狀態(tài)信息的實時檢測與管理。系統(tǒng)在最大并發(fā)用戶數(shù)運(yùn)行狀態(tài)下響應(yīng)時間控制在7.94s以內(nèi)，應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)庫的CPU占用率分別為9.07%和14.52%，滿足預(yù)期設(shè)計要求。

4.結(jié)論

實際應(yīng)用結(jié)果表明，通過引入RFID技術(shù)建構(gòu)自動記點算法可實現(xiàn)對列車運(yùn)行位置、行車方向、運(yùn)行狀態(tài)等信息的實時讀取、識別與反饋，供中央級、車站級管理員分別獲取車站以及各區(qū)段的列車運(yùn)行狀態(tài)信息，能夠在機(jī)電設(shè)備故障引發(fā)信號系統(tǒng)失效的緊急情境下輔助相關(guān)調(diào)度人員進(jìn)行列車狀態(tài)、位置等信息的實時判斷，有效避免列車碰撞事故的發(fā)生，對于保障列車安全穩(wěn)定運(yùn)行具有現(xiàn)實意義。