冰雪天气对RFID美标的影响及防范探究

占礼辉，黄 璞， 刘小磊

（1.杭州市地铁集团有限责任公司运营分公司，杭州 310017；2.杭州杭港地铁有限公司，杭州 310017；3.杭州市地铁集团有限责任公司，杭州 310017）

截止2018 年12 月31 日，中国内地共有35 座城市总计运营5 766.6 km 轨道交通线路，其中60%以上为基于通信的列车控制（CBTC）运营线路。CBTC 系统对列车的定位精度有较高的要求，以满足高密度的运营间隔及高精确的列车对标停车需求，从而保证轨道交通运营安全。

目前，杭州地铁所有CBTC 运营线路均采用无线射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）美标辅助列车定位技术，以满足CBTC 列车高精度定位的需求。然而在系统开通运营后，在大雪天时，高架露天段发生多起因列车无法精确定位，导致列车无法以CBTC 模式正常运营的事件，降低了运营服务质量。

1 原因初步分析

1.1 RFID美标简述

RFID 技术是自动识别技术的一种，在物流交通、军事安全、服装食品安全、资产管理等各行各业得到广泛应用，它通过无线射频信号获取物体的相关数据，并对物体加以识别。RFID 技术无需与被识别物体直接接触，即可完成信息的输入和处理，能快速、实时、准确地采集和处理信息。RFID 系统基本均由电子标签、读写器和系统高层（处理模块）3 大部分组成。RFID 系统的结构框如图1 所示。

图1 RFID系统结构框Fig.1 RFID System structure diagram

在城市轨道交通领域，RFID 技术主要应用于列车定位，通过RFID 信标与测速装置融合来实现列车精准定位。RFID 信标根据设计标准不同可分为美式信标（简称美标）和欧洲应答器（简称欧标）2种，2 种信标广泛用于城市轨道交通领域，根据不同信号系统平台设计需求分别采用。RFID 美标即采用AAR S-918-94《北美铁道学会设备自动识别标准》与ISO STANDARD 10374《国际标准化组织货运集装箱自动识别标准》标准的铁路应答器。美标广泛应用于城市轨道交通信号系统中，用于列车定位、提供线路数据和提供列车移动授权等，故障后将导致列车无法精确定位，甚至触发紧急制动（根据通用设计，列车连续丢失2 个美标将触发紧急制动），当前国内轨道交通线路使用美标的信号系统厂家主要为浙江众合科技、安萨尔多、泰雷兹等。美标定位系统主要由美标、查询器天线、查询器主机3 部分构成，具体组成结构如图2 所示。

图2 美标定位系统组成结构Fig.2 Composition structure of American beacon positioning system

利用查询器主机天线发出的无线电频率激活布置在轨道上的信标，当读取到该信标的ID 信息后，定位系统将信标ID 进行解码，确认有效的ID 信息并发送给CBTC 车载信号主机，用于CBTC 列车实时定位。

1.2 故障情况分析

根据故障当天CBTC 车载日志分析，所有高架露天段运行的列车，共19 列，均出现美式信标处理异常报错情况，报错时间如表1 所示。

表1 故障时间统计表Tab.1 Failure time statistics table

列车回库检查查询器天线及查询器主机各项参数指标均正常，根据ATP 列车运行记录分析，美标丢失均发生在高架站露天区域，站台雨棚区域内美标读取正常，且均在下午17：00 后发生，初步判断与当天下午杭州普降大雪有关，美标被雨雪覆盖后导致列车无法正确处理信标数据，从而导致CBTC列车无法精定位。

2 冰雪天气对RFID美标影响

2.1 冰雪天气因素分析

雪是水在固态的一种形式，是水在空中凝结再落下的自然现象。雪层中液态水的数量称为雪层的含水量，含水量是雪在电磁学角度的主要特征参数，而根据含水量的不同雪可分为干雪和湿雪，北方气温低容易下干雪，而南方气温相对较高容易下湿雪。

《百度百科》中定义介电常数是介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，介质中的电场减小与原外加电场（真空中）的比值即为相对介电常数又称诱电率，与频率相关。介电常数是相对介电常数与真空中绝对介电常数乘积。雪中主要包含水、冰粒和空气，其中水的介电常数远远大于后两者，所以含水量决定了微波在雪层中的穿透性。同时，冰、湿雪可使电磁波发生散射，当RFID 美标（工作频率为902 ～928 MHz 微波）的表面覆盖有冰或湿雪时，电磁波将发生散射，也将影响美标读取效果。

2.2 实验仿真

RFID 美标在低温雨雪环境时，表面会形成积雪，而积雪成分主要为空气、冰、水。经查询介电常数表，积雪中各介质的相对介电常数如表2 所示。

表2 介电常数表Tab.2 Dielectric constant table

为确认干雪与湿雪对RFID 美标读取效果的影响，对美标工作环境进行建模，并对相关数据进行MATLAB 仿真，在表面分别覆盖干雪和湿雪（含水量达到5%以上）介质。通过对比检测到的电场强度值前后的变化，确认干雪与湿雪分别对RFID 美标读取效果的影响。实验仿真结果汇总如表3 所示。

表3 实验仿真统计表Tab.3 Experimental simulation statistics table

2.3 冰雪影响总结

根据实验仿真结果，当表面覆盖干雪与湿雪时，对比无介质覆盖情况，电场强度分别下降5.42%与35.34%，RFID 射频主瓣宽度均有所减小，但湿雪覆盖状态下变化更大。

从实验仿真结果及现场使用情况分析，湿雪对美标读取的影响远大于干雪，但南方尤其杭州市属于江南地区，雪天主要为湿雪，且杭州地铁部分线路为高架露天段，极易造成湿雪对美标的覆盖，影响运营效率。

3 防范措施

为解决该问题的发生，根据美式信标读取特性及现场安装情况，提出以下3 种解决方案。

1）方案一：采用人工融雪，防止积雪

利用运营行车间隔或在非运营时间，采用最原始的人工扫雪及喷洒融雪剂融雪方式，但该方案仅限于行车间隔较大且露天线路比较短的运营线路，否则造成维护人员的大量浪费；利用行车间隔下轨，作业时间控制不当极易造成运营线路的列车延误，故该方案风险系数较高。

2）方案二：加装盖板，阻止积雪覆盖到美标表面

考虑到美标上方不积雪、不积冰即可解决该问题的发生，选用在美标上方加装盖板。盖板的安装需考虑不影响设备侵限，且材质不能影响RFID 射频的传播，盖板简要安装方式如图3 所示。

3）方案三：更换美标型号，使用欧式应答器

欧式应答器的设计尺寸为450 mm×260 mm×45.5 mm，下行信号工作频率为27.095 MHz，上行信号工作频率为4.234 MHz，因尺寸及工作频率的不同可有效解决冰雪天气的影响。但既有线路改造时将涉及CBTC 系统的整体变更，费用成本昂贵，不适用运营线路，可在新线建设时采用。

图3 盖板安装示意图Fig.3 Cover plate installation diagram

综上所述，3 种解决方案均存在一定程度的优缺点，具体归纳如表4 所示。

表4 方案对比表Tab.4 Scheme comparison table

根据线路建设、运营、维护情况，选用适合本项目的最佳解决方案，杭州地铁线路是既有线路，在现有维护人员不变，投入资金最少的情况下，选用方案一与方案二相结合的方式为最佳。

4 结语

RFID 信标辅助列车定位系统是保证CBTC 列车精确定位的基础条件，是确保列车稳定有效运营的基石。杭州地铁高架露天段采用美标加装盖板与非运营时间人工扫雪方式相结合的措施后，有效解决了大雪天CBTC 列车无法精确定位问题，保障了轨道交通线路安全高效运营。