基于RFID技术的扣件紧固状态检测系统的研发

2020-05-11周游凌烈鹏时佳斌王智超

铁道建筑 2020年4期

周游凌烈鹏时佳斌王智超

（中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081）

随着我国铁路的快速发展，对铁路工务基础设施的安全以及工作状态提出了更高的要求［1］。线路扣件是连接钢轨和轨枕的重要连接部件，若有松动或缺失会对线路的稳定性造成影响，批量的扣件失效甚至会造成严重的安全隐患［2］。巡道工会对线路扣件进行人工定期巡检，但这种检测方式存在以下不足：①人工检测只能目测扣件是否丢失、伤损，很难检查扣件压力失效程度；②人工检测花费的时间较长，检验效率低，且劳动强度大，随机性较高；③工人上线检测，存在人员发生安全事故的风险；④铁路扣件数量庞大，巡检结果无法进行精细的标识定位和统计分析，不能追溯扣件状态变化，也不能为线路精细化管理提供大数据支撑。因此，要保证线路扣件安全，仅靠人工检测远远满足不了要求。

目前，我国铁路应用的自动检测系统主要采用有线网络，需要沿铁路布置大量的电源线和数据线，其高昂的建设成本制约了检测系统的大面积部署。此外，在山区、峡谷、冻土等条件艰苦地带和人烟稀少地段，其建设难以满足有线网络正常工作的要求，会造成安全隐患和大量维护成本的投入［3］。

基于RFID技术的扣件紧固状态检测系统，通过运用无线射频识别技术可实现能量和信息的传递，使传感器摆脱了“线”的束缚，让数据汇聚的方式更为灵活。紧固状态传感器的开发和应用，将紧固状态完全数字量化，可实现状态量化和追溯统计，为精细化管理提供技术手段。该检测方式可大幅提升对扣件紧固状态的检测效率，量化扣件紧固状态，保障检测准确率，且建设和维护成本较低，可为长期运营安全性提供保障。

1 国内外研究现状

RFID技术是一种利用自由空间进行非接触式自动识别的技术，具有识别便捷、读取速度快、动态实时射频通信、安全性高的优点，非常符合当下扣件紧固状态检测系统的需要［4］。目前在铁路系统中主要用于车号的识别，未见用于压力、温度等物理环境状态检测。但在其他领域中，Vyas等［5］通过设计阵列天线收集来自6.3 km外的东京电视塔发射的电磁波，为其温度传感标签提供稳定工作电压，其灵敏度最高可达14.6 dBm；刘茂旭［6］设计的电容式加速度传感器芯片的射频模拟前端，总功耗约为7 μW；苏圆圆等［7］设计了用于混凝土监测的射频湿度传感器标签，其湿度测量结果在10%～70%区间具有良好的线性度，且最远通信距离为50 cm。

上述文献研究的无线传输距离较近，只能在特定场合使用，无法满足铁路移动检测的需要。

2 系统设计方案

基于RFID技术的扣件紧固状态检测系统由扣件紧固状态传感器、射频天线、读出器和软件管理平台构成（图 1）。其中，GSM-R（Global System of Mobile Communications-Railway）为铁路综合数字移动的通信系统，LTE（Long Term Evolation）为通用移动通信技术的长期演进。每个扣件紧固状态传感器有唯一的ID编号进行身份标识，将扣件螺栓安装在轨道上可对扣件的紧固状态进行感知采集和传输。射频天线用于接收和发送射频载波以完成射频通信。读出器分为车载式读出器和便携式读出器。车载式读出器通过天线和智能扣件进行数据交互，从而获取智能扣件的ID编号并感知采集轨道扣件的紧固状态。便携式读出器自带天线，功能和车载式读出器一样，能与智能紧固件进行无线交互。软件管理平台对采集的数据进行分析，根据实际情况生成相应的报表和报警信息。

图1 扣件紧固状态检测系统

通过自动激活天线工作范围内的扣件紧固状态传感器，完成对轨道扣件紧固状态的感知采集和数据从地到车的传输工作。采集的信息通过网络传送至软件管理平台，系统自动对信息进行分析并生成报告。

2.1 供能传输方案

不同RFID应用频率特征见表1［8］。可知，超高频的RFID的抗干扰性和读写距离较有优势，基本可以满足铁路现场的电磁干扰和移动检测的需要，因此本文研究选用超高频的RFID。

表1 不同RFID应用频率特征 MHz

2.2 紧固状态传感器方案

根据RFID传感器是否需要外界供电进行分类，可以将传感器分为无源、有源和半无源，不同供电方案的工作特点见表2。为了确保铁路运输安全，在现有电池技术条件下，本文选用无源传感器方案。

表2 不同供电方案的工作特点

为了实现对扣件紧固状态的测量，扣件紧固状态传感器（图2）主要包括2部分：①金属（测力）垫圈，其内置了压力传感器，能够测量通过垫圈扣压到弹条上的扣压力，不同扣件扣压力设计值见表3。根据其扣件扣压力要求，将压力传感器量程设定为0～20 kN，2进制存储采用12位的存储器，分辨率控制在5 N。②附耳腔，其内置了RFID的感应天线及压力传感器采集处理装置，可以接受和传递无线射频，通过射频技术向压力传感器提供电能，并对相应的扣压力进行采集处理。

图2 扣件紧固状态传感器

表3 不同扣件扣压力设计值

2.3 检测采集方案

目前，国内铁路轨道相邻枕扣件距离在0.5～0.7 m，同一承轨槽钢轨内外扣件距离在0.25 m左右，同一轨枕钢轨内侧扣件距离在1.3 m左右（图3（a））。根据《铁路技术管理规程（普速铁路部分）》［9］和《铁路技术管理规程（高速铁路部分）》［10］中关于车辆车体弹簧承载部分限界为350 mm的规定，初步将车载天线垂直激励范围H控制在500 mm，将天线运动方向激励范围D设为500 mm（图3（b））。基于RFID技术的扣件紧固状态检测系统，根据不同的应用场景设计了2种检测采集方案，分别为便携式和车载式。便携式读出器集成了射频天线，仅需人工靠近扣件并激励即可读取相应的扣压力。车载式读出器需要外界大功率的射频天线，当射频天线通过扣件上方时，其500 mm范围内的扣件将被激励，天线可采集相应的扣压力。通过优化扣件紧固状态传感器RFID感应天线，可基本实现20 km/h的移动检测。

图3 车载检测系统位置示意

2.4 检测信息管理方案

检测信息的管理基于云平台的系统架构设计。检测信息包括传感器ID信息、扣压力等。读出器采集现场数据后实时上传至云服务器，云服务器上的检测系统根据接收到的报文进行分析并登记，按设定的报警方式实时推送给相关人员。工区人员可将确认信息、处理信息等上报给云服务器，实现对报警的闭环管理。检测信息处理流程见图4。检测系统根据管辖范围设立4级监控，分别为路局、工务段、车间和工区。不同等级用户设置对应的查询、统计等权限。

图4 检测信息处理流程

3 数据处理方法

系统通过对读出器采集的扣压力进行计算和分析，提供养护维修、更换扣件的报警和建议。数据计算处理过程如下：①根据扣件紧固状态传感器ID信息，将扣压力按里程信息建立线性关系；②根据检测时间，将上述线性关系拓展为面阵；③分析对应面阵范围内相邻点的变化率，得出其变化云图；④对扣压力数值超限和变化率超限进行评估，如存在扣件松弛风险则推送相应报警信息。

4 系统实现功能及技术指标

基于上述设计方案试制样品，样品传感器组装如图5所示。在室内对传感器扣压力读取值和实际值进行测试，扣件紧固状态压力传感器扣压力读取值与实际值拟合曲线见图6。可知，二者在0～20 kN的量程内呈明显的线性相关，相关系数大于0.99，表明扣件紧固状态传感器可靠性强。

图5 传感器组装

图6 扣件紧固状态压力传感器扣压力读取值与实际值拟合曲线

图7 室外样品测试

室外样品测试见图7。在试验轨道上安装扣件紧固状态传感器。采用便携式读出器时，可读取距离便携式读出器天线200 mm内的扣压力；采用车载式读出器时，可读取距离车载天线500 mm内的扣压力。测试车载式读出器系统响应时间，当车载天线距离扣件紧固状态传感器500 mm时，车载式读出器可实现的采样间隔在17～20 ms。当车载式读出器以20 km/h移动时，扣件紧固状态传感器处于车载天线激励范围下约90ms。通过现场试验，车载式读出器可在20km/h的速度下稳定地读取对应扣件紧固状态传感器的扣压力。

扣件紧固状态检测系统可实现以下功能：采用车载移动读取和人工便携式读取2种检测方式；车载天线可在20 km/h的速度范围内对扣件紧固状态进行检测；扣件紧固状态传感器可实现量程0～20 kN、精度5 N的扣压力测量；报警信息可多级发布，集成管理，远程访问，提供web网页、手机APP访问手段。