无线射频(RFID)技术在高速检测列车精确定位中的应用

2011-07-30夏博光王卫东王登阳

铁道建筑 2011年12期

夏博光，王卫东，王登阳

(中国铁道科学研究院基础设施检测研究所，北京 100081)

1 高速检测列车定位系统概况

中国铁路已进入高速时代，确保高速铁路安全有效运行，提高寻找病害、消除病害的效率，成为铁路日常检测所要重点关注的问题。高速检测列车在检测过程中，提高定位病害的精度，将是解决这些问题的关键所在。国内外采用的高速检测列车定位系统主要有以下几种方式:

1)基于速度编码器的里程累加定位方法［1］。列车上安装有速度编码器，提供脉冲信号，根据脉冲信号记录下车轮的转数，根据车轮轮径计算出列车累积转动的距离，从而计算出列车的行驶里程，完成对列车的定位。但是中国目前的线路存在长短链等问题，且要考虑计数的误差(车轮空转、滑行等)和轮径的磨损，不能保证其准确性。

2)基于测速的定位方法。由线路的一维性，用记录下的列车的行驶速度，计算出列车行驶的里程，即可得到列车的定位信息。列车的行驶速度可以通过多普勒雷达测量列车的行驶速度，也可以通过陀螺仪记录下列车行驶时在三维空间中的加速度，然后通过积分得出其具体的行驶速度。但是由于行驶里程是累加值，存在累加误差，对于定位精度要求高的情况，无法满足定位要求。

3)基于应答器的定位方法。基于应答器方式的定位方法是目前采用较广泛的列车定位方法。应答器按照一定距离间隔安装于轨道之间，列车通过应答器上方时，通过接收天线读取应答器内的信息，获得相关里程信息，完成对列车的定位。基于应答器的定位方法，其优点是定位精度高，可区分上下行，使用寿命长，维护成本较低，在恶劣环境下可保证良好的稳定性。缺点是只能给出所在点的位置信息，安装成本较高。考虑到检测列车的工作包括对新线路的联调联试，在新线路的联调联试过程中，应答器本身属于被检测的对象之一，不能作为检测列车的定位信息源使用。

4)基于卫星系统的定位方法。GPS定位技术是通过人造卫星对地面上的目标进行测定并进行定位和导航的技术。GPS接收机使用方便，技术成熟，成本相对较低，维护相对容易，可为列车提供定位信息。因此现阶段，GPS定位技术被广泛应用于检测列车的精确定位。但是由于 GPS定位精度较低，存在较大的偏差，中国铁路沿途的山区隧道较多，隧道距离较长，使得GPS接收存在大量盲区，无法完成实时位置信息的获取，而检测列车无法获取实时准确的里程信息，会影响正常检测工作中里程的精确定位。对实际线路的检测发现，在某些区间存在大约80 km连续盲区，在此区间，隧道和天桥连续出现，遮挡 GPS天线接收定位信息，无法完成列车运行的定位，容易对检测列车运行过程中的里程信息造成一定的影响。

5)除以上所述方法外，多普勒雷达、无线测距系统等也是列车常用的定位方法。这些方法各有优缺点，定位精度和成本也各不相同。在检测列车实际运行过程中，往往通过对几种信息源进行信息融合，通过算法计算出一个较为准确的定位信息。

6)RFID无线射频技术作为一种新兴的定位手段，已较广泛地应用于各个领域，尤其在物流物品的跟踪管理，应用非常广泛。RFID技术在货车跟踪，货车车号自动识别等方面也早已应用于中国铁路，并趋于成熟。基于RFID技术的特点及其实际应用的效果，采用RFID辅助实现高速检测列车精确定位，能够改善GPS定位精度不高和由于隧道、车站等存在遮挡情况下无法获取实时定位信息的缺陷，同时由于其通用性好、适应恶劣环境、扩展性强等优点，使得 RFID技术可以成为高速检测列车定位的重要手段之一。

2 RFID技术辅助检测列车定位系统分析

2.1 RFID的基本工作原理

电子标签进入磁场后，接收阅读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(Passive Tag无源标签或被动标签)，或者主动发送某一频率的信号(Active Tag有源标签或主动标签);阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理，RFID基本工作原理见图1。

图1 RFID基本工作原理

2.2 RFID的基本组成框架

RFID由标签(Tag)、阅读器(Reader)及天线(Antenna)三部分组成。标签由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象;阅读器是读取(有时也可以写入)标签信息的设备，可设计为手持式或固定式;天线的功能是在标签和阅读器间传递射频信号。

2.3 RFID的主要特点

①读取方便快捷，数据通过电磁波完成无线通信，没有工作环境的限制;②识别速度快，电子标签进入阅读器阅读范围，阅读器可即时读取电子标签中的信息;③环境适应性好，无线通信的方式使其可以在较为恶劣的环境中使用，粉尘、水等对其无法产生影响;④使用寿命长，一般情况下，无源电子标签理论上可以做到永久使用，半无源电子标签一般使用寿命都在10年以上;⑤动态实时通信，标签以高频率与阅读器之间进行通信，当电子标签在阅读器有效识别范围内时，可对其进行动态追踪。

通过上述对红粘土的剖面特征分析，笔者比较支持溶蚀-交代说。因为红粘土是覆盖在碳酸盐岩系地层之上，包括碳酸盐岩和夹在其中的岩体厚度不大的非碳酸盐岩层，在岩体厚度较大的非碳酸盐岩系地层上没有红粘土分布，非碳酸盐岩系地层隔断了红粘土在地表上的连续分布,说明红粘土的母岩是碳酸盐岩[6]。红粘土的成因是溶蚀-交代作用、红土化作用同时存在、相互促进和共同作用的结果。

2.4 设备选取

本系统所采用的阅读器为高速阅读器，由射频识别系统提供的技术参数可知，阅读器正确识别出电子标签并获取电子标签信息所需要的时间为20 ms左右，可以满足实际应用的需要。

图2表示了阅读器根据不同设置提供的四档阅读范围，每一条曲线均位于纺锤体中部的识别最大半径。四条曲线相比较，第四条曲线的阅读半径最大。通过对车内安装阅读器后的实际测量结果可知，阅读器的实际阅读范围如图3所示。

图2 阅读器理论阅读范围示意

图3 阅读器实测阅读范围示意(单位:m)

2.5 系统设计

电子标签辅助定位系统采用安装于列车转向架处的光电编码器所发送的脉冲信号进行列车运行里程的累加，在修正点通过读取电子标签对里程进行修正。

在需要识别地面线路特征点或里程校正点安装高速电子标签，每个电子标签均有全球唯一的电子标签号;在检测车内安装高速阅读器，列车运行过程中，阅读器随着列车移动，并将加密数据载波信号经发射天线向外发送。当阅读器随着列车的移动到达电子标签附近，电子标签进入阅读器读写场范围时，阅读器发射的载波信号激活电子标签，电子标签向阅读器循环发送电子标签信息，阅读器接收电子标签发送的信号，并对信号进行解调和解码，得到电子标签信息，判断信息的有效性，将有效的电子标签信息通过RS-232或RS-485串口送入与之相连的控制计算机。

控制计算机得到电子标签信息后，将标签信息与数据库中的预存信息进行比对，识别标签号对应的里程信息和线路特征点信息，并对累加的里程信息进行修正，得到较为精确的里程信息，最后将准确的里程定位信息发送至各个系统，见图4。

图4 电子标签辅助修正定位系统设计框图

3 系统试验及验证

3.1 试验设计

为了验证电子标签辅助列车定位，分别对电子标签辅助列车定位进行了低速试验和高速试验。低速试验在北京东郊的环形铁道实验中心进行，在长9 km环形铁道试验线沿线的接触网支柱上每个整公里附近安装一块射频标签卡。高速试验在联调联试的高速铁路进行，选取线路上行线一段线路，在沿线的接触网支柱上分别安装了14个射频标签作为里程修正点。

试验过程中，列车分别以低速和高速通过电子标签安装区段，通过阅读器分别读取电子标签的里程信息，阅读器通过串口线连接至采集计算机，采集电子标签的信息，将电子标签信息与电子标签—里程数据库进行对比，得到电子标签所在位置的里程信息，完成对列车运行实际里程的修正，并记录下修正时刻的实际里程信息与修正值，从而验证电子标签辅助进行里程信息修正的可行性。

3.2 低速试验结果分析

列车以时速160 km/h在环形线上运行，记录列车经过每个射频标签处修正前和修正后的里程信息。由于列车运行时速是相同的，在电子标签读取条件一致的情况下，经过同一个电子标签进行里程修正位的修正前和修正后数据越接近，则系统的性能越稳定。

从表1中的修正记录可以看出，列车以160 km/h速度在环线上运行，每次经过同一处电子标签里程修正点位的修正前公里标最大偏差均小于1 m，证明精确里程定位系统电子标签修正方式的稳定性良好，同一速度等级条件下，修正偏差小于1 m。其中在时刻09∶22∶25处将里程信息进行清零后，阅读器读取到电子标签信息，将实际的里程信息读取出来，并完成对系统里程值的修正。

3.3 高速试验结果分析

在某高速铁路上行线 K718至K771间沿线的接触网支柱上，安装14个电子标签作为里程修正点，列车以280～350 km/h的5个速度级(5个速度级相差较小，可近似认为是同一速度级)经过各个里程修正点。表2中分别给出14个点的实际里程位置以及GPS经纬度信息。列车以各速度级经过各个里程修正点的距离修正值比对曲线如图5所示。

从曲线图中可以看出，列车多次通过各个里程修正点的里程修正值曲线基本重合。即里程校准系统在多次经过这14个里程修正点时，里程的修正值的偏差在2 m以内。列车在350 km/h的速度级行驶中，K726和K738间两个点电子标签信息读取失败。分析原因可能是电子标签的安装位置存在偏差造成，但并未影响到其他电子标签的里程修正。

通过以上分析可以说明，里程校准系统在多次重复验证中，保持了较高的定位重复性，每次的修正值可保证2 m的误差范围，可以保证列车在高速行驶过程中定位精度的提高。

表1 RFID环形铁道修正结果对比

表2 高速铁路先导段射频标签安装里程记录表

4 结论

无线射频技术辅助实现高速检测列车精确定位的设计是在现有定位技术的基础上进行改进和创新，是在应用较为成熟的GPS技术定位精度不高和存在盲区等问题的情况下，对定位精度的补充和提高。本文通过对现有定位技术的研究和分析，提出了一种采用无线射频技术辅助检测列车定位的新方案，并对方案进行实际线路上的低速和高速试验。试验结果分析表明，系统的设计方案在实际应用中是可行的，可以满足里程精确定位的需求。

针对350 km/h及以上速度当中发生电子标签读取失败的问题，将对现有的电子标签进行研究，研究更高灵敏度和更快读取速率的电子标签，并通过改善阅读器的阅读性能，优化阅读器天线的安装方式，实现无线射频技术辅助列车精确定位系统的工程化。