基于RFID技术的城市轨道交通列车自动记点算法研究
2015-03-21孙丽娜,陈赤峰
基于RFID技术的城市轨道交通列车自动记点算法研究
孙丽娜，陈赤峰
1. 上海电科电器科技有限公司，上海200063
2. 上海磅礴信息科技有限公司，上海200021
摘要：在RFID(无线射频识别技术)的基础上，提出城市轨道交通列车自动报点算法。该算法可以明确列车具体在哪个车站或在哪个区间，实现自动对列车记点，有助于车站管理与列车运营之间衔接。在信号系统失效的情况下，能够作为调度员和车站值班员判断列车位置的辅助手段。
关键词：RFID； 列车自动记点； 轨道交通安全
近年来，由于城市轨道交通出现了较多的运行事故，在2011年10月份，国家“三部委”在对全国城市轨道交通进行安全大检查过程中，提出要对城市轨道交通列车运行安全保障技术进行研究。
城市轨道交通的运行控制依靠城市轨道交通信号系统，文献1-3]介绍了目前轨道交通常用的列车定位技术。文献4]对基于多传感器信息融合的定位方法进行了深入研究，这些都是对信号系统定位技术的研究。但信号系统作为机电系统，不能保证绝对安全可靠。当信号系统发生故障时，对列车记点是人工对列车实现粗略定位的方法之一，但因城市轨道交通列车发车密集、间隔小，造成车站值班员手动记点的劳动强度增大，易出现人为差错。
因此，研究自动记点，将值班员从频繁、机械的劳动中解放出来，在信号发生故障时，为值班员对列车定位提供辅助手段，从而辅助后续运营指挥。
目前市场上适合列车定位的无线技术主要有GPS、GPRS、RFID几种。GPS单点实时定位精度较低，一般为±10m，同时在地铁区间内GPS信号较弱。GPRS后期要向电信运营商提供网络服务费用，增加维护成本，同时在地铁区间内信号较弱。RFID后续维护成本低，文献5、6]阐述了RFID在铁路列车定位方面的应用。基于这一技术具有抗干扰能力强、定位精度高的特点，所以轨道交通列车自动报点算法选用了RFID技术。
1RFID技术介绍7]
1.1 RFID定义和工作原理
RFID(Radio Frequency Identification)，即无线射频识别技术，它是一种非接触式自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。当电子标签进入阅读器射频磁场时，标签被激发产生感应电流，并将标签中储存的信息发射到阅读器中，阅读器通过解码系统识别标签，再将识别信息进一步传递到计算机信息处理系统进行分析处理和深入应用。
1.2 RFID组成
RFID系统由以下3部分组成，如图1所示。
(1) 阅读器： 读取标签信息的设备；
(2) 电子标签： 由耦合元件及芯片组成，每个标签具有惟一的电子编码，附着在物体上标识目标对象。每个标签都有一个全球惟一的ID号码UID，在制作芯片时就烧制在ROM中，无法修改；
(3) 计算机处理系统。
图1 RFID系统组成示意图
1.3 RFID分类
按照RFID标签的能量供给方式，RFID标签可分为有源标签和无源标签，见表1。
表1 有源标签和无源标签的比较
按照RFID工作时使用的无线电频率，RFID可分为低频系统和高频系统。
低频系统工作频率通常<30MHz，典型工作频段为125kHz、225kHz、13.56MHz等。低频电子标签成本较低，但标签内保存的数据量较小，阅读距离较短，外形多样，阅读天线方向性不强。
高频系统工作频率>400MHz，典型工作频段为433MHz(高频)、915MHz(超高频)、2.4GHz(甚高频)、5.8GHz(微波)等。高频系统标签内保存的数据量较大，阅读距离较远(可达几米至几十米)，能适应物体高速运动，阅读天线及电子标签天线均有较强的方向性,同时具有信息存储量大、识别距离长、识别速度快等特点。
2列车自动报点系统设计
本系统采用2.4GHz甚高频有源标签。站台布置4个阅读器，如图2所示。在每个站台上/下行两边、列车停靠位置的车头/车尾附近各安装一台站台阅读器。
图2 设备安装布置图
列车有车体号标识，在列车车头/车尾位置安装了RFID有源标签，标签内储存有本列车的车体号信息。当列车进出站接近站台阅读器时，站台阅读器读取到标签内的车体号，系统可通过无线射频网络获取列车车体号。
系统具有列车位置识别逻辑，可判别进站、出站、停站、越站、故障出清、折返等各种运行轨迹。系统还可自动识别列车当前的行车方向，并按照预设方式显示。
3列车自动报点算法
列车自动报点算法实现了列车位置、行车方向识别逻辑，为列车定位提供辅助手段。
阅读行为RB(Read Behavior)是指阅读器检测到对应标签的行为，一列列车正常的进站流程见表2。
表2 列车正常进站流程
*U表示上行，D表示下行。
阅读状态RS(Read Status)针对具体的RB，用以统计对应阅读行为的时间参数。针对不同的线路及车站，该参数应根据实际情况可调，即RS为1表示列车仅路过，RS为2表示列车在车站停稳，RS为3表示列车可能因为故障停时过长。
RS与RB的关系如下，其中n为RB每隔1s读到的次数。
RS=0，n=0；
RS=1， 1≤n≤2;
RS=2， 3≤n≤30;
RS=3， 60≤n。
列车状态TS(Train Status)的属性为布尔值，为真或假。共有5种状态： 进站、候车、出站、出清、故障。若列车进站，则其进站状态为真；若列车故障，则其故障状态为真。当系统每检测到一趟新的列车时，则初始化TS状态的所有属性为假，并初始化新的RB及RS。
列车与车站之间主要为进站逻辑和出站逻辑，其流程如图3、图4所示(以下行为例)。
4逻辑实现
逻辑流程(如图5所示)的实现采取模块化思路，“逻辑”判断模块功能实现记点/记时；“更新”模块负责所有状态的判断和更新。
当检测到新的列车ID时，逻辑判断流程如下。
(1) 到站逻辑。当RB为1时，即R1阅读器检测到t1车头标签，即判断列车到站。时间点选取实际读取次数n(n≤2)对应时间的平均值。
(2) 进站逻辑。当RB为2时，即判断列车进站完毕，记录t20(t20为t2的临时时间点)。当RB为2的状态持续超过一定时间，判断列车停稳，进站记点t2。时间点选取实际读取次数n(n≤5)对应时间的平均值。
(3) 出站逻辑。当该列车的进站状态为真、RB从2或3变化为0时，判断列车出站。时间点选取RB变化为0及之前4次(RB为2或3)对应时间的平均值。
图3 列车进站流程图
图4 列车出站流程图
图5 系统逻辑流程图
(4) 出清逻辑。当RB为4时，即判断列车出清。时间点选取实际读取次数n(n≤2)对应时间的平均值。
5结束语
列车自动报点算法实现了列车位置、行车方向的自动识别。日常情况下，用于了解车站及相关区间的列车运营情况，有助于车站管理与列车运营之间衔接；在信号系统整体失效情况下，作为调度员和车站值班员判断列车位置的辅助手段，确保了列车行车安全。
参考文献
[1]曹启滨.城市轨道交通列车定位方法分析J].铁路通信信号工程技术，2012,9(1)： 55-56.
[2]徐炜.城市轨道交通列车定位系统J].铁路通信信号工程技术，2009,6(2)： 41-44.
[3]陈艳华.轨道交通列车定位技术的选择与比较J].电子设计工程，2010,18(11)： 186-188.
[4]曹长虹.城市轨道交通列车定位方法研究D].兰州： 兰州理工大学，2011.
[5]易志刚，杨林.基于RFID的列车跟踪与定位系统研究J].铁路计算机应用，2008,17(4)： 9-12.
[6]夏博光，王卫东，王登阳.无线射频(RFID)技术在高速检测列车精准定位中的应用J].铁道建筑，2011(12)： 102-106.
[7]巨天强.RFID的发展及其应用的现状和未来J].甘肃科技，2009,25(15)： 75-78.
A Study on Train Auto Noting Point for Urban
Rail Transit Based on RFID
SunLina，ChenChifeng
1. SEARI Electric Apparatus Research Institute Group Co.,Ltd.， shanghai 200063， China
2. Shanghai PangBo Information Techinique Co.，Ltd.， shanghai 200021， China
Abstract:On the basis of RFID (radio frequency identification) it sets forth the algorithm on train auto reporting point for urban rail transit system. The algorithm can clearly identify the train is at which station or at what intervals and record the train point automatically to concatenate the station controls and train transport operations. In case of signal system failure, it can serve as the supplementary means for dispatchers and train station attendant to estimate the train positions.
Key Words:RFID； Train Auto Noting Point； Rail Transportation Safety
中图分类号:U 284.95
文献标识码:A
文章编号：1674-540X(2015)01-042-04
作者简介：孙丽娜(1981-)，女，工程师，主要从事能效监控与管理系统、智能电网用户端系统集成、电力监控系统的研究工作，
E-mail： leanoson@126.com
收稿日期：2015-01-10
