基于RFID技术的铁路电力设备巡检平台设计

2022-04-26陆子清

铁路通信信号工程技术 2022年4期

苗青，陆子清，纪苹

（1. 北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2. 北京振中电子技术有限公司，北京 100080）

信息化是铁路发展的必由之路，将信息技术与企业管理理念融合可有效提升铁路系统整体的运营、维护和服务水平。当前已有相当一部分供电段通过使用铁路供电管理信息系统（EMIS）来处理日常工作和事务。射频识别（RFID）技术是通过空间电磁或电感耦合的非接触方式，实现双向通信并交换数据的技术，读写时人员与电力设备可保持安全距离，数据采集快，操作简单，适用于离散设备的巡检。

本文将RFID技术与个人数字助理（Personal Digital Assistant，PDA）、EMIS相结合，设计一种新型手持移动式无接触电力设备巡检系统。实现巡检任务、巡检记录、设备数据电子化管理，为日后管理维护、大修改造提供可靠数据，保证铁路部门安全、高效运营。

1 铁路电力设备巡检系统的整体结构

本文设计的铁路电力设备巡检系统主要包括PC端、PDA、RFID电子标签，巡检管理信息系统、发/读卡器、服务器、网关等。系统拓扑结构如图1所示。

图1 整体系统结构Fig.1 Overall structure of the system

在开展正常的设备巡检工作之前，应先将电力设备按照铁路局内既有线管理办法统筹分类，各类设备分配唯一标识RFID电子标签，标签内写入设备的履历和安装后运维信息等。由于铁路电力设备布置在铁路线路沿线或车站附近，设备分散且沿线无铁路内网接入点，采集的设备信息需要先存储在PDA中，再由移动公网（Wi-Fi/4G/5G）与铁路外网服务器进行数据传输，通过隔离网闸将安全的数据传送回铁路内网。

2 PDA手持终端设计

PDA手持终端设备实现读、写电子标签，信息存储，设备间通讯的核心功能。由核心板和功能板组成，其中核心板由MCU主控芯片及各FPC柔性功能板接口组成，功能板由RFID模块、蓝牙模块、电源模块、TF卡槽等组成。其结构如图2所示。

图2 PDA手持终端结构Fig.2 The structure of PDA handheld terminal

RFID模块与天线的接口电路如图3所示。

图3 天线接口滤波电路Fig.3 Filter circuit of antenna interface

目前，市场上具有的4 dBi四臂螺旋圆极化天线(75)是适用于UHF频段RFID应用场合的通用型远场天线，具有小体积、高增益、低驻波、方向图对称性好、低轴比等特点。可方便地应用于UHF频段RFID手持机等终端场合。其外形及尺寸如图4所示。

图4 四臂螺旋圆极化天线Fig.4 Four-arm spiral circularly-polarized antenna

3 RFID电子标签的设计

1）特性选择

铁路电力供电臂上设备通常布置在室外，沿线环境复杂恶劣，对标签工业强度要求较高。由于金属介质易反射电磁波，对标签识别产生干扰，而电力设备多为金属外壳，因此在标签的选择上采用遵循Class0. Class1. EPC UHF Gen2、ISO/IEC18000-6B、ISO18000-6C通信协议标准的抗金属标签；可采用粘贴、螺钉或抱箍方法固定在被识别设备附近。

为保证运维巡检人员的人身安全，结合电气设备放电安全距离，根据表1所示内容选择工作频率为860～960 MHz（UHF超高频）的远距离无源大容量RFID电子标签。

表1 工作频率选择Tab.1 Selection of working frequency

2）标签硬件组成

RFID电子标签由天线、控制器、编码器、时钟及存储器组成，其中存储器的性能决定着设备代码的编写方式与数据读取速度。RFID电子标签组成如图5所示。

图5 RFID电子标签组成Fig.5 Block diagram of the composition of RFID electronic tag

以Alien H3这款比较常用的标签存储芯片为例：其T标签内存（Tag memory）分为保留（Reserved）、电子产品代码（EPC）、标签识别号（TID）和用户（User）4个独立的存储区块（Block），如图6所示。

图6 RFID标签存储字段分类Fig.6 Classification of fields for storing RFID tags

Reserved区：存储灭活口令（Kill Password）和访问口令（Access Password），此区域容量一般为64 bit。

TID区：全球唯一ID号，存储标签识别号码，不可更改；此区域容量一般为96 bit。

EPC区：产品电子码，唯一用来标识对象的编码；数据主要存储区、设备默认读取的区域，可反复擦写，读取速度快。当本区域没有被访问加密或者灭活加密的时候，区域内的数据可以进行随意改写；目前市面上大部分标签产品此区域容量为128 bit，即16位数字或字母。

User区：用户数据区，存储用户定义的数据，此区域读取速度与识别距离低于EPC区。目前市面上大部分标签产品此区域容量为512 bit，即32个汉字。

3）设备标签编码设计

目前中国国家铁路集团有限公司（简称国铁集团）下设北京局、沈阳局、哈尔滨局等18个铁路局及其他企事业单位，各铁路局设立的供电段数量最少为2个，最多为8个，但多数路局供电段数量为3个。考虑到后期国铁集团对各路局数据的整合工作，需对电子标签编码统筹规划。各铁路局与供电段代码设计如表2所示。

表2 铁路局与供电段代码设计Tab.2 Codes assigned to Railway Bureaus and power supply depot

Alien H3标签存储芯片中EPC区存储方案如图7所示。

图7 EPC区存储方案设计Fig.7 Design of storage scheme for EPC block

车间工作人员工作时通过手机沟通频繁，电子标签在编码时优先考虑与使用人员设备的兼容性与可读写性，对EPC区写入字段方案说明如下。

a.根据表2中对各路局、供电段简称的缩写约定，在标签存储芯片中直接按ASCII码规则进行存储，这样通过PDA设备读取出的数据无需通过网络访问后台数据库，也可直接让现场工作人员明确卡内的信息。

b.路局代码、段级代码、线路代码、车站代码分别按汉语简写拼音首字母存入两个字作为对应代号。

c.设备类型代码按自闭线设备（Z）、贯通线设备（G）、变压器（B）、断路器（D）、隔离开关（K）、箱式变电站（X）、低压配电箱（P）等进行分类组合，最多占用3个字24个位。

d.设备识别代码是对同一分类下多台相同设备做编码进行区分识别。

4 数据传输网络设计

为保证铁路内部网络安全，在与公网进行数据传输时设计了“隔离网闸”系统。内网与公网之间通过隔离网闸进行数据传输。

隔离网闸应由两个开关、一个固态存储介质及独立的逻辑控制单元组成。要在保持绝对安全的情况下，尽可能的进行通信，如果不安全，立刻断开。这种断开类似于物理层面的断开，可以绝对的控制两个网络之间的隔离与访问。两个独立的内、外网主机系统通过网闸进行隔离，系统间不存在通信的物理连接、逻辑连接及信息传输协议，不存在依据协议进行的信息交换，只能以数据文件形式进行无协议摆渡。

隔离网闸的作用类似于数据中转站，任何时刻只能与内网或外网其中一方建立非TCP/IP协议的数据连接，其工作流程如图8所示。每一次数据交换，隔离设备都经历了数据对接收、存储和转发3个过程。当内网需要传输数据到外网时，隔离网闸会向内网服务器发起非TCP/IP协议连接请求，将处理后的数据写入网闸存储介质，完成后网闸与内网服务器断开，并向外网服务器发起非TCP/IP协议连接请求，建立连接后将存储介质中的数据传输给外网服务器。外网到内网的数据传输过程与之相反。