高速公路隧道機電設(shè)備電子標簽安裝與測試分析

沈 鑫

（中鐵四局集團電氣化工程有限公司，安徽 蚌埠 233000）

我國高速公路建設(shè)獲得了突飛猛進的發(fā)展，基本形成了覆蓋全國各級行政單位的高速公路網(wǎng)絡(luò)，給人民生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)運輸帶來了極大的便利。在高速公路的各組成結(jié)構(gòu)中，隧道是非常特殊的一個部分。有的隧道是因地質(zhì)結(jié)構(gòu)需要而建設(shè)的，有的隧道是因復雜公路交錯而形成的。但無論何種原因形成的隧道，其內(nèi)部功能的實現(xiàn)和近年來智能化水平的提升都依賴于大量的機電設(shè)備[1]。正是因為這些機電設(shè)備的存在，才能確保隧道正常服務(wù)于高速公路，并給通行車輛和駕駛員提供各種信息和安全保障?？梢哉f，機電設(shè)備在高速公路尤其是隧道中扮演了極為重要的角色[2]。一旦這些機電設(shè)備出現(xiàn)故障，就會導致高速公路隧道出現(xiàn)部分功能缺失，嚴重時甚至威脅高速公路的正常通行[3]。因此，對高速公路隧道中的機電設(shè)備進行有效監(jiān)控具有十分重要的意義。因為隧道遠離高速公路監(jiān)控中心，加之最直接的視頻監(jiān)控手段難以實施，所以電子標簽技術(shù)成為一種更可能的技術(shù)手段。該文針對高速公路隧道機電設(shè)備的電子標簽安裝和測試等工作進行了研究。

1 電子標簽的信號能量傳輸與控制

為了確保高速公路隧道的安全運行，對其中的機電設(shè)備狀態(tài)進行有效監(jiān)控和信息傳輸是非常必要的。其中基于無線射頻的傳輸方案不僅成本低，而且還具有傳輸距離遠、效果好的優(yōu)勢。電子標簽就是基于無線射頻傳輸技術(shù)形成的機電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控方案。其具體實施措施是在機電設(shè)別上配置電子標簽，電子標簽可以通過無線通信同遠端的閱讀器進行通信，以實現(xiàn)信息傳輸和狀態(tài)監(jiān)控。

首先來分析遠端閱讀器和高速公路隧道中機電設(shè)備上電子標簽的能量傳輸過程。遠端閱讀器發(fā)射的信號是呈球面立體式向外擴散的，較遠距離之外的電子標簽?zāi)芙邮盏降男盘柮芏鹊拇笮】梢杂霉剑?）表示。

式中：Pt代表遠端閱讀器通過天線向外發(fā)射的總體功率的大??；Gt代表遠端閱讀器發(fā)射時可以達到的功率增益；r代表高速公路隧道內(nèi)機電設(shè)備上電子標簽與遠端閱讀器之間的信號傳輸距離。

在不考慮更多未知干擾的情況下，高速公路隧道內(nèi)機電設(shè)備上電子標簽可以吸收的信號功率大小可以用公式（2）來表示。

式中：Ptag代表高速公路隧道內(nèi)機電設(shè)備上電子標簽可以吸收的信號功率；Pt代表遠端閱讀器通過天線向外發(fā)射的總體功率的大??；Gt代表遠端閱讀器發(fā)射時可以達到的功率增益；Gr代表高速公路隧道內(nèi)機電設(shè)備上電子標簽的功率增益；L代表傳輸介質(zhì)中載波的波長；r代表高速公路隧道內(nèi)機電設(shè)備上電子標簽與遠端閱讀器之間的信號傳輸距離。

閱讀器的信號傳輸距離一般要大于電子標簽的信號傳輸距離，因此二者之間的有效通信距離實際上取決于電子標簽的信號最大傳輸距離，其計算如公式（3）所示。

式中：rmax代表高速公路隧道內(nèi)機電設(shè)備上電子標簽的信號最大傳輸距離；λ代表自由空間中介質(zhì)的波長；Pt代表遠端閱讀器通過天線向外發(fā)射的總體功率的大?。籊t代表遠端閱讀器發(fā)射時可以達到的功率增益；Gr代表高速公路隧道內(nèi)機電設(shè)備上電子標簽的功率增益；Ph代表高速公路隧道內(nèi)機電設(shè)備上電子標簽內(nèi)置芯片的閾值能量；τ代表電子標簽天線和內(nèi)置芯片之間的功率傳送的比例。

進一步明確高速公路隧道內(nèi)機電設(shè)備上電子標簽的功率增益，其計算如公式（4）所示。

式中：Dr代表高速公路隧道內(nèi)機電設(shè)備上電子標簽天線功率發(fā)射的方向性；er代表高速公路隧道內(nèi)機電設(shè)備上電子標簽天線功率發(fā)射的輻射效率。

2 高速公路隧道機電設(shè)備電子標簽系統(tǒng)總體設(shè)計

為了增加機電設(shè)備狀態(tài)信息讀寫的機動性和靈活性，在隧道內(nèi)電子標簽固定、無法移動的情況下，可以將閱讀器配置在巡檢車上進行巡檢。通過巡檢車的靈活移動，增強電子標簽信息讀取的靈活性。電子標簽和巡檢車載閱讀器進行信息傳送時的關(guān)鍵參數(shù)影響分析原理圖如圖1 所示。

圖1 電子標簽和巡檢車載閱讀器進行信息傳送時的關(guān)鍵參數(shù)影響原理

圖1 給出了電子標簽和閱讀器進行通信時可能受到影響的空間結(jié)構(gòu)。其中最上方的圓弧代表隧道的頂部，隧道頂部中心距離底部形成了隧道最大高度。隧道底部是高速公路的路基，其上是高速公路的路面。整個高速公路路面被3 個護欄分割成左、右兩側(cè)區(qū)域。根據(jù)實際情況，每側(cè)區(qū)域?qū)?yīng)的路面寬度可供三車并行或兩車并行。3 個護欄分別是左側(cè)的波形護欄、中間的混凝土護欄和右側(cè)的波形護欄。

對我國公路里程最長的時速在120km/h 類型的高速公路，其單車通行路面寬度為3.75m，雙車并行為7.5m，三車并行則為11.25m，同時要配置3.5m 寬度的緊急停車帶，這樣雙車并行的高速公路路面寬度應(yīng)為10.5m~12m。同樣地，三車并行的單側(cè)路面寬度應(yīng)為14.75m~16m?？紤]隧道內(nèi)容空間較小，路面寬度盡可能取下限值。路面寬度的大小決定了截面上隧道內(nèi)機電設(shè)備電子標簽和巡檢車上閱讀器之間的最短通信距離。巡檢車安裝閱讀器及天線時還要考慮隧道的最大高度，一般不超過14m。

隧道內(nèi)機電設(shè)備電子標簽的工作頻率一般可以從3 個頻率區(qū)間中選擇。1）低頻頻率區(qū)間。這里一般可供選擇的頻率有2 個，一個是125kHz，另一個是135kHz。在這2 個頻率區(qū)間工作，電子標簽基本接近無源配置，其技術(shù)非常成熟，缺點是有效通信距離很短且可以承載的通信信息量較少。2）高頻頻率區(qū)間。這里的工作頻率范圍一般為1MHz~400MHz。在這個頻率區(qū)間工作，電子標簽也基本接近無源配置，技術(shù)成熟，閱讀器成本也不高，但安全性相對較差。3）超高頻頻率區(qū)域。這里的工作頻率一般為400MHz~1GHz。在這個頻率區(qū)間工作，電子標簽可以選擇主動和被動2 種通信模式，尤其是被動通信模式的通信距離可以超過20m 且能達到較高的傳輸速率。

接下來需要對閱讀器和機電設(shè)備上電子標簽之間的通信模式進行設(shè)計。這里也有2 種選擇，一個是閱讀器主動、電子標簽被動的通信模式，另一個是閱讀器和電子標簽之間應(yīng)答的通信模式。2 種通信模式的結(jié)構(gòu)框架分別如圖2、圖3 所示。

圖2 閱讀器主動、電子標簽被動通信模式

圖3 閱讀器和電子標簽應(yīng)答通信模式

在圖2 所示的閱讀器主動、電子標簽被動通信模式下，閱讀器主動讀取電子標簽的信息，然后通過串行通信或TCP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議回傳到遠程終端或云服務(wù)器，完成整個信息的讀取。這種模式便于操作，但隧道內(nèi)機電設(shè)備出現(xiàn)問題時可能無法及時被閱讀器獲悉。

在圖3 所示的通信模式下，電子標簽可以主動向閱讀器發(fā)出匯報自身狀態(tài)信息的請求，這樣閱讀器需要配置偵聽程序，軟件需求量較大，但在隧道內(nèi)機電設(shè)備信息的及時發(fā)現(xiàn)和上傳方面具有更好的實時性。

3 電子設(shè)備標簽安裝和性能測試

隧道機電設(shè)備大多都具有金屬外殼，因此該文對電子標簽的安裝采用如圖4 所示的方式。

圖4 金屬外殼上的電子標簽安裝

從圖4 可以看出，最下方的反45 度剖面線表示的是機電設(shè)備的金屬基層，其上附著一層吸波材料，再在上方放置電子標簽，最后用貼膜或貼紙完成粘貼，從而將電子標簽安裝在隧道內(nèi)機電設(shè)備的金屬外殼表面。這種安裝方式一方面避免了機電設(shè)備金屬基層可能對電子標簽形成的電磁干擾，另一方面也確保了電子標簽安裝的可靠性。

下面對高速公路隧道內(nèi)機電設(shè)備安裝電子標簽之后的信息傳輸性能進行測試，結(jié)果見表1。

表1 高速公路隧道內(nèi)機電設(shè)備上電子標簽的通信性能測試

從表1 所示的高速公路隧道內(nèi)機電設(shè)備上電子標簽的通信性能測試結(jié)果可以看出，該文在3 個通信頻率區(qū)間內(nèi)選擇了400MHz~1000MHz 的超高頻通信頻率。在700MHz之后，按每隔50MHz 設(shè)置一個測試組別。測試過程中綜合考慮最高通信準確率和最大通信距離2 個參數(shù)，通過橫向?qū)Ρ瓤梢郧宄匕l(fā)現(xiàn)：1）隨著通信頻率的增加，最高通信準確率這一指標呈現(xiàn)出在波動中不斷提升的趨勢。例如在第一組測試情況下，通信頻率為400MHz，最高通信準確率只有88.5%。在第二組測試情況下，通信頻率增加到500MHz，最高通信準確率也增加到了90.6%。這種狀態(tài)雖然有所起伏，但當通信頻率增加到950MHz 時，最高通信準確率達到了最高的99.8%。2）隨著通信頻率的增加，最大通信距離持續(xù)增加且沒有波動，從400MHz 時的86m 一直增加到950MHz時的113m。其中，通信頻率為500MHz 和600MHz 的最大通信距離均為88m，而通信頻率為1000MHz 的最大通信距離為104m，比通信頻率為950MHz 時的最大通信距離有所下降，這在整個測試頻率區(qū)間內(nèi)屬于一個特例。3）綜合全部數(shù)據(jù)的對比情況，對該文的電子標簽安裝，采用950MHz 的通信頻率可以同時得到高速公路隧道內(nèi)機電設(shè)備信息傳輸?shù)淖罡邷蚀_率和最大傳輸距離。因此，在實地的電子標簽安裝中也應(yīng)該選擇950MHz 的通信頻率作為工作頻率使用。

4 結(jié)論

隧道在高速公路系統(tǒng)中具有十分重要的地位，并發(fā)揮了提升整個公路系統(tǒng)關(guān)鍵點位安全性的重要作用。在高速公路隧道內(nèi)工作的機電設(shè)備可使公路發(fā)揮更好的功能性和智能性。為了確保隧道內(nèi)機電設(shè)備工作的穩(wěn)定性和可靠性，該文提出了一種電子標簽的設(shè)計和安裝方法。首先，以電子標簽+閱讀器結(jié)構(gòu)分析機電設(shè)備上電子標簽的最大通信距離和可以接收到的閱讀器信號的大小。其次，對高速公路隧道內(nèi)的結(jié)構(gòu)配置進行了分析，明確了路面寬度、隧道高度對電子標簽性能的影響。再次，將低頻區(qū)域、高頻區(qū)域和超高頻區(qū)域的通信效果進行對比，提供電子標簽通信模式可以選擇的依據(jù)。機電設(shè)備上電子標簽安裝和性能測試結(jié)果顯示：對于該文的電子標簽安裝，采用950MHz 的通信頻率可以同時得到高速公路隧道內(nèi)機電設(shè)備信息傳輸?shù)淖罡邷蚀_率和最大傳輸距離。