一种新型铁路货车车号标签质量状态自动检测方法

李权福，张 锴，何应德，张世先，李华伟

(1.国能铁路装备有限责任公司，北京 100011) (2.北京康拓红外技术股份有限公司，北京 100190)

铁路列车技术检查(简称列检)是列车安全通畅运行的重要保障。随着铁路运输信息化的高速发展，我国逐步建设铁路信息管理系统(train information manerger system，TIMS)，而铁路列车车号识别系统(automatic train information system，ATIS)是其中的重要组成部分，在铁路运输管理和车辆管理方面发挥着重要的作用。ATIS要求为每一辆车都安装无源车号标签，在其中记录车辆的车号、车型、出厂信息等，是车辆的唯一、终身标识[1-4]。

ATIS在实际使用中，未被识别的车号是由标签的性能不良造成的。目前主要通过人工携带手持AEI终端机逐一钻到车底部手动扫描、检测车号标签的质量状态，这种方式可能会因检测员的操作不当导致未发现故障标签，且效率低下、劳动强度大[5]。

为了解决现有车号标签检测方法低效、检测结果易受人为影响的问题，本文提出一种新的车号自动检测方法并设计了移动式铁路货车无源车号电子标签质量状态检测系统，该系统集成定位技术、激光测距技术、车号识别技术等，实现车号标签质量状态的检测，将列车辆位与车号映射，准确预报故障标签。

1 自动检测方法设计

1.1 模型结构

移动式铁路货车无源车号电子标签质量状态检测系统主要由移动式采集设备和控制中心组成，自动检测系统架构如图1所示。

图1 货车车号标签质量自动检测系统架构图

移动式采集设备主要由便携式移动车、承载路径、驱动装置、射频识别(radio frequency identification，RFID)车号阅读器、激光距离传感器、通讯设备、控制单元和电源组成。车体是车载的结构体；驱动装置控制着车载在承载路径上运动，采集运动里程；RFID转阅读器用于采集车号标签信息[6-7]；激光距离传感器用于采集移动车到所检测列车车辆底部的距离；通讯设备桥接控制单元与控制中心，作为数据传输的通道；电源是车载设备上的供电装置；控制单元是车载运动控制、车号信息采集、激光值采集、电源控制的中心。

控制中心是驱动指令发送，数据分析、存储，车号标签质量状态展示的终端。

1.2 工作原理及特点

控制中心驱动车载采集设备完成全列车扫描，通过RFID转阅读器自动采集车号标签数据。通过激光距离传感器采集车辆底部结构数据，控制中心经过数据分析、功能决策完成列车辆位计算及辆位与车号的映射，实现车号标签质量状态的自动检测，预报故障标签。

该系统具有以下优势和特点：

1)将各个采集设备都集成在车载中，便携、易用，满足作业生产线实际需求。

2)单次列检作业时，车载采集设备可以分别以不同速度对待检车辆进行2次检测，能提升检测结果的可靠性。

3)检修员可以准确定位故障标签所在辆位，进行维修，实现一种“人机联检”的作业模式，符合“全面检，全面修”的理念。

1.3 关键技术

1)定位技术。

里程定位采用增量式旋转编码器和计数器。该类型的编码器可以输出从预定义的起始位置发生的增量变化，配合计数器进行脉冲计数，并转换为运动数据，完成里程定位，实现里程数据采集[8]。

2)激光测距技术。

车载两侧安装的激光测距传感器可以采集传感器与车辆底部的距离，所使用的激光测距传感器采用回波法分析原理来测量距离。传感器通过测量发射器发射的激光脉冲与接收器接收的脉冲之间的延时，计算该时间内激光传播的距离[9]。

3)车号识别技术。

列车车辆上的车号标签和RFID阅读器组成车号自动识别系统。阅读器开启射频模块后，通过天线发送一定频率的射频信号，当车号标签的射频卡进入发送天线的工作区域时会因产生感应电流被激活，从而将自身编码信息通过内置天线发送出去；阅读器接收到信号后进行解调和解码得到车号信息，并通过串口向外传输数据[5]。天线沿轨道纵向向上发射夹角为120°的微波信号，形成长度不小于2.4 m的微波区域；每个车号标签要求接收到不小于3帧信息即可完成一个标签信息的读取，每帧信息接收时间约为12.8 ms[10]。由此可知，单次检测可以多次读取标签信息。车号自动识别系统共有4个状态，包括自检状态、待机状态、车号识别状态和数据传输状态，默认处于待机状态[11]。

1.4 方法流程

货车车号标签质量状态自动检测系统作业流程包括准备、检测、决策、结束4个阶段，如图2所示。

图2 标签质量状态自动检测方法作业流程图

1)准备阶段：将车载设备放置在承载路径的零点位置并开机，测距激光进入工作状态，RFID阅读器进入待机状态。

2)检测阶段：从控制中心的终端平台发送驱动指令，车载接收到驱动指令后，开启RFID阅读器射频模块，车载运动过程中，采集激光距、里程数据组和车号信息，车载停止后，关闭RFID阅读器射频模块并将采集的数据上传至控制中心。控制中心服务器上的程序经过计轴计辆、车号信息映射完成数据分析，实现辆位与车号信息一一对应，并在终端平台上显示；如果全列车车号信息完整，提示无标签故障，可结束车号自动检测系统的作业流程；如果存在疑似故障车号标签，系统自动进入再检测阶段，自动下发驱动指令。

3)决策阶段：车载设备只采集车号信息、里程数据组，控制中心进行数据解析，将复查的车号信息与巡航结果进行整合，若发现故障标签，进行故障预报，提示作业人员进行维修。

4)结束阶段：从控制中心的终端平台下发结束指令，车载设备运行至零点位置。

1.5 标签质量分级

车号标签分级规则：根据单次检测读取车号标签的次数，对车号标签进行等级评定。状态等级共分为4个级别：未读取到信息评为故障，读取1次评为差，读取2次评为良，读取3次及以上评为优。检修员可以根据作业时间选择是否对评分差的标签进行维修。

2 标签质量状态自动检测试验

为验证本文所提的车号标签质量状态自动检测系统的功能及性能，研究人员通过搭建模拟现场环境进行系统测试。

1)测试环境：①标准铁路线路150 m；②测试车辆10辆；③9块铁路车辆无源标签，其中6块标签质量为优，2块标签质量为良，1块标签质量为差，标签质量经过列检手持机系统[12]提前人工逐一确认；④货车车号标签质量状态自动检测系统一套。

2)测试方法及流程：①提前把不同质量状态的车号标签分别安装在车辆底部的标签卡槽内，标签部署方案见表1，共计10种标签安装情况，其中，空表示该辆车无标签；②每种标签安装情况进行10次试验；③每次试验进行2次标签质量状态自动检测，第一次为巡航检测，测试速度设定为4 m/s，第二次为复查检测，测试速度设定为3 m/s；④比对本系统自动检测的结果与试验预设的结果，计算正确检测率。

表1 车号标签部署方案

3)测试结果。

表2所示为在第5种标签安装方式第10次试验的测试结果，检测次数包括巡航检测和复查检测，均为2次。

表2 安装方式5第10次试验车号标签质量状态检测结果输出表

从表2可以看出，所得结果符合预期，能精准定位出第5辆车车号标签故障，检测出第2辆车号标签质量状态差。

100次测试中，车号标签质量状态正确检测率见表3。

表3 车号标签质量状态正确检测率统计表

3 结束语

测试结果证明货车车号自动检测系统能够实现车号标签质量状态的自动检测，通过对车号标签的等级评定为检修员提供维修参考。随着货车检修智能化的不断提升，该系统可以完全取代人工进行车号的采集和检测工作，在提升车号检测效率的同时，也保障了工作人员的人身安全。同时该系统也是建立“一车一库”管理机制的基础，将收集的所有列车数据信息绑定对应的车辆ID，形成列车历史数据可追溯，从而为列车的安全生产与运行提供有利保障。

随着智能机器人巡检系统数据库中的货车检测故障的不断积累，系统的巡检效率会进一步提高。同时建立“一车一库”的管理机制，与其他系统共享数据，所有数据绑定车辆ID，所有历史数据可追溯。最终实现货车巡检机器人取代人工进行检测，实现货车运行质量全面的自动检测，确保列车安全、稳定、高效的运行，适应铁路发展的需要。