高速公路隧道机电设备电子标签安装与测试分析

沈 鑫

（中铁四局集团电气化工程有限公司，安徽 蚌埠 233000）

我国高速公路建设获得了突飞猛进的发展，基本形成了覆盖全国各级行政单位的高速公路网络，给人民生活和工农业生产运输带来了极大的便利。在高速公路的各组成结构中，隧道是非常特殊的一个部分。有的隧道是因地质结构需要而建设的，有的隧道是因复杂公路交错而形成的。但无论何种原因形成的隧道，其内部功能的实现和近年来智能化水平的提升都依赖于大量的机电设备[1]。正是因为这些机电设备的存在，才能确保隧道正常服务于高速公路，并给通行车辆和驾驶员提供各种信息和安全保障。可以说，机电设备在高速公路尤其是隧道中扮演了极为重要的角色[2]。一旦这些机电设备出现故障，就会导致高速公路隧道出现部分功能缺失，严重时甚至威胁高速公路的正常通行[3]。因此，对高速公路隧道中的机电设备进行有效监控具有十分重要的意义。因为隧道远离高速公路监控中心，加之最直接的视频监控手段难以实施，所以电子标签技术成为一种更可能的技术手段。该文针对高速公路隧道机电设备的电子标签安装和测试等工作进行了研究。

1 电子标签的信号能量传输与控制

为了确保高速公路隧道的安全运行，对其中的机电设备状态进行有效监控和信息传输是非常必要的。其中基于无线射频的传输方案不仅成本低，而且还具有传输距离远、效果好的优势。电子标签就是基于无线射频传输技术形成的机电设备状态监控方案。其具体实施措施是在机电设别上配置电子标签，电子标签可以通过无线通信同远端的阅读器进行通信，以实现信息传输和状态监控。

首先来分析远端阅读器和高速公路隧道中机电设备上电子标签的能量传输过程。远端阅读器发射的信号是呈球面立体式向外扩散的，较远距离之外的电子标签能接收到的信号密度的大小可以用公式（1）表示。

式中：Pt代表远端阅读器通过天线向外发射的总体功率的大小；Gt代表远端阅读器发射时可以达到的功率增益；r代表高速公路隧道内机电设备上电子标签与远端阅读器之间的信号传输距离。

在不考虑更多未知干扰的情况下，高速公路隧道内机电设备上电子标签可以吸收的信号功率大小可以用公式（2）来表示。

式中：Ptag代表高速公路隧道内机电设备上电子标签可以吸收的信号功率；Pt代表远端阅读器通过天线向外发射的总体功率的大小；Gt代表远端阅读器发射时可以达到的功率增益；Gr代表高速公路隧道内机电设备上电子标签的功率增益；L代表传输介质中载波的波长；r代表高速公路隧道内机电设备上电子标签与远端阅读器之间的信号传输距离。

阅读器的信号传输距离一般要大于电子标签的信号传输距离，因此二者之间的有效通信距离实际上取决于电子标签的信号最大传输距离，其计算如公式（3）所示。

式中：rmax代表高速公路隧道内机电设备上电子标签的信号最大传输距离；λ代表自由空间中介质的波长；Pt代表远端阅读器通过天线向外发射的总体功率的大小；Gt代表远端阅读器发射时可以达到的功率增益；Gr代表高速公路隧道内机电设备上电子标签的功率增益；Ph代表高速公路隧道内机电设备上电子标签内置芯片的阈值能量；τ代表电子标签天线和内置芯片之间的功率传送的比例。

进一步明确高速公路隧道内机电设备上电子标签的功率增益，其计算如公式（4）所示。

式中：Dr代表高速公路隧道内机电设备上电子标签天线功率发射的方向性；er代表高速公路隧道内机电设备上电子标签天线功率发射的辐射效率。

2 高速公路隧道机电设备电子标签系统总体设计

为了增加机电设备状态信息读写的机动性和灵活性，在隧道内电子标签固定、无法移动的情况下，可以将阅读器配置在巡检车上进行巡检。通过巡检车的灵活移动，增强电子标签信息读取的灵活性。电子标签和巡检车载阅读器进行信息传送时的关键参数影响分析原理图如图1 所示。

图1 电子标签和巡检车载阅读器进行信息传送时的关键参数影响原理

图1 给出了电子标签和阅读器进行通信时可能受到影响的空间结构。其中最上方的圆弧代表隧道的顶部，隧道顶部中心距离底部形成了隧道最大高度。隧道底部是高速公路的路基，其上是高速公路的路面。整个高速公路路面被3 个护栏分割成左、右两侧区域。根据实际情况，每侧区域对应的路面宽度可供三车并行或两车并行。3 个护栏分别是左侧的波形护栏、中间的混凝土护栏和右侧的波形护栏。

对我国公路里程最长的时速在120km/h 类型的高速公路，其单车通行路面宽度为3.75m，双车并行为7.5m，三车并行则为11.25m，同时要配置3.5m 宽度的紧急停车带，这样双车并行的高速公路路面宽度应为10.5m~12m。同样地，三车并行的单侧路面宽度应为14.75m~16m。考虑隧道内容空间较小，路面宽度尽可能取下限值。路面宽度的大小决定了截面上隧道内机电设备电子标签和巡检车上阅读器之间的最短通信距离。巡检车安装阅读器及天线时还要考虑隧道的最大高度，一般不超过14m。

隧道内机电设备电子标签的工作频率一般可以从3 个频率区间中选择。1）低频频率区间。这里一般可供选择的频率有2 个，一个是125kHz，另一个是135kHz。在这2 个频率区间工作，电子标签基本接近无源配置，其技术非常成熟，缺点是有效通信距离很短且可以承载的通信信息量较少。2）高频频率区间。这里的工作频率范围一般为1MHz~400MHz。在这个频率区间工作，电子标签也基本接近无源配置，技术成熟，阅读器成本也不高，但安全性相对较差。3）超高频频率区域。这里的工作频率一般为400MHz~1GHz。在这个频率区间工作，电子标签可以选择主动和被动2 种通信模式，尤其是被动通信模式的通信距离可以超过20m 且能达到较高的传输速率。

接下来需要对阅读器和机电设备上电子标签之间的通信模式进行设计。这里也有2 种选择，一个是阅读器主动、电子标签被动的通信模式，另一个是阅读器和电子标签之间应答的通信模式。2 种通信模式的结构框架分别如图2、图3 所示。

图2 阅读器主动、电子标签被动通信模式

图3 阅读器和电子标签应答通信模式

在图2 所示的阅读器主动、电子标签被动通信模式下，阅读器主动读取电子标签的信息，然后通过串行通信或TCP 网络协议回传到远程终端或云服务器，完成整个信息的读取。这种模式便于操作，但隧道内机电设备出现问题时可能无法及时被阅读器获悉。

在图3 所示的通信模式下，电子标签可以主动向阅读器发出汇报自身状态信息的请求，这样阅读器需要配置侦听程序，软件需求量较大，但在隧道内机电设备信息的及时发现和上传方面具有更好的实时性。

3 电子设备标签安装和性能测试

隧道机电设备大多都具有金属外壳，因此该文对电子标签的安装采用如图4 所示的方式。

图4 金属外壳上的电子标签安装

从图4 可以看出，最下方的反45 度剖面线表示的是机电设备的金属基层，其上附着一层吸波材料，再在上方放置电子标签，最后用贴膜或贴纸完成粘贴，从而将电子标签安装在隧道内机电设备的金属外壳表面。这种安装方式一方面避免了机电设备金属基层可能对电子标签形成的电磁干扰，另一方面也确保了电子标签安装的可靠性。

下面对高速公路隧道内机电设备安装电子标签之后的信息传输性能进行测试，结果见表1。

表1 高速公路隧道内机电设备上电子标签的通信性能测试

从表1 所示的高速公路隧道内机电设备上电子标签的通信性能测试结果可以看出，该文在3 个通信频率区间内选择了400MHz~1000MHz 的超高频通信频率。在700MHz之后，按每隔50MHz 设置一个测试组别。测试过程中综合考虑最高通信准确率和最大通信距离2 个参数，通过横向对比可以清楚地发现：1）随着通信频率的增加，最高通信准确率这一指标呈现出在波动中不断提升的趋势。例如在第一组测试情况下，通信频率为400MHz，最高通信准确率只有88.5%。在第二组测试情况下，通信频率增加到500MHz，最高通信准确率也增加到了90.6%。这种状态虽然有所起伏，但当通信频率增加到950MHz 时，最高通信准确率达到了最高的99.8%。2）随着通信频率的增加，最大通信距离持续增加且没有波动，从400MHz 时的86m 一直增加到950MHz时的113m。其中，通信频率为500MHz 和600MHz 的最大通信距离均为88m，而通信频率为1000MHz 的最大通信距离为104m，比通信频率为950MHz 时的最大通信距离有所下降，这在整个测试频率区间内属于一个特例。3）综合全部数据的对比情况，对该文的电子标签安装，采用950MHz 的通信频率可以同时得到高速公路隧道内机电设备信息传输的最高准确率和最大传输距离。因此，在实地的电子标签安装中也应该选择950MHz 的通信频率作为工作频率使用。

4 结论

隧道在高速公路系统中具有十分重要的地位，并发挥了提升整个公路系统关键点位安全性的重要作用。在高速公路隧道内工作的机电设备可使公路发挥更好的功能性和智能性。为了确保隧道内机电设备工作的稳定性和可靠性，该文提出了一种电子标签的设计和安装方法。首先，以电子标签+阅读器结构分析机电设备上电子标签的最大通信距离和可以接收到的阅读器信号的大小。其次，对高速公路隧道内的结构配置进行了分析，明确了路面宽度、隧道高度对电子标签性能的影响。再次，将低频区域、高频区域和超高频区域的通信效果进行对比，提供电子标签通信模式可以选择的依据。机电设备上电子标签安装和性能测试结果显示：对于该文的电子标签安装，采用950MHz 的通信频率可以同时得到高速公路隧道内机电设备信息传输的最高准确率和最大传输距离。