基于無線射頻識別技術(shù)的列車車組號自動識別系統(tǒng)

李 錚孔祥琦王建偉

（1.中國鐵道科學研究院，100081，北京；2.北京市華鐵信息技術(shù)開發(fā)總公司，100081，北京∥第一作者，助理研究員）

基于無線射頻識別技術(shù)的列車車組號自動識別系統(tǒng)

李 錚1孔祥琦2王建偉2

（1.中國鐵道科學研究院，100081，北京；2.北京市華鐵信息技術(shù)開發(fā)總公司，100081，北京∥第一作者，助理研究員）

介紹了一種基于無線射頻識別技術(shù)的列車車組號自動識別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理。通過在重慶市軌道交通2號線的現(xiàn)場試驗，驗證了該系統(tǒng)的車組號自動識別和自動校核的能力，并對日后的實際應用提出了可行性意見。該技術(shù)為軌道交通ATS（列車自動監(jiān)控）系統(tǒng)的車組號的初始化和校核提供了一種新方法。

城市軌道交通；列車自動監(jiān)控；無線射頻識別；列車車組號識別

First-author’s addressChina Academy of Railway Science，100081，Beijing，China

對于城市軌道交通既有線，尤其是我國一線城市的部分線路，由于開工建設較早，受當時的技術(shù)水平限制，信號系統(tǒng)往往還處在基于軌道電路的模式下。相對于目前成熟的基于通信的列車控制（CBTC）系統(tǒng)模式，既有線的信號系統(tǒng)缺乏車地通信，不能準確地了解車輛信息，增大了調(diào)度指揮的難度，也增大了進一步提升運力的難度。因此，設計一款針對ATS（列車自動監(jiān)控）系統(tǒng)的車組號自動識別系統(tǒng)，可以使ATS系統(tǒng)有效獲取列車的車組號、運行方向等信息，能提高ATS系統(tǒng)的自動化水平，也有利于ATS系統(tǒng)在故障情況下的快速恢復。

1 車組號自動識別系統(tǒng)的設計

因為是針對于既有線路的升級改造，所以在設計ATS車組號識別系統(tǒng)時要考慮既有線的復雜因素。首先，該系統(tǒng)應不影響既有信號系統(tǒng)的使用；再者，該系統(tǒng)應具有安裝簡便、安裝位置靈活等特點，能適應既有線的復雜環(huán)境，且系統(tǒng)在滿足高可用性和可靠性的前提下，具有改造費用較為低廉的特性；最后，該系統(tǒng)應具備廣泛的適應性，具有推廣價值。基于以上設計原則，綜合考慮目前較為成熟的識別技術(shù)，ATS車組號自動識別系統(tǒng)選擇采用無線射頻識別（RFID）技術(shù)。

RFID是一種非接觸式的自動識別技術(shù)［1］。最基本的RFID系統(tǒng)通常由電子標簽、天線和閱讀器組成［2］。相對于傳統(tǒng)的磁卡及IC卡技術(shù)，RFID具有非接觸、閱讀速度快、無磨損等特點。RFID系統(tǒng)的工作原理為：標簽進入磁場后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息［3］。車組號識別系統(tǒng)就是預先將列車的相關信息內(nèi)置在電子標簽中，當列車駛過時，地面閱讀器將該信息讀出并傳送給ATS系統(tǒng)。

2 車組號自動識別系統(tǒng)的基本組成

從原理上講，車組號自動識別系統(tǒng)設備主要包括電子標簽、電子標簽信息寫入器（編程器）、地面閱讀器（電子標簽信息閱讀器）、設備接口箱等4個核心部分。其中，電子標簽是系統(tǒng)中最基本的部分。編程器和地面閱讀器的設計均圍繞電子標簽的工作原理進行。系統(tǒng)中列車標識信息的傳遞流程如圖1所示。

標簽信息通過編程器寫入電子標簽。在車組號識別系統(tǒng)運用過程中，安裝在車輛上的電子標簽中的信息以無線方式傳遞到地面閱讀器中，再由地面閱讀器傳送到后臺的車站ATS系統(tǒng)中。電子標簽信息在ATS系統(tǒng)中以過車信息方式體現(xiàn)，并由ATS系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)發(fā)程序?qū)⑦^車信息（含電子標簽信息）進行二次分發(fā)，以滿足各種應用系統(tǒng)對車組號基礎信息的需求。

圖1 車組號自動識別系統(tǒng)信息流程圖

2.1 地面閱讀器

設備接口箱電源開關打開后，解碼板上電，解碼程序正常運行。閱讀器接收到“開”指令時，將射頻子系統(tǒng)功放打開（若閱讀器接收到“關”指令時，將射頻子系統(tǒng)功放關閉）。在功放打開的狀態(tài)下，當電子標簽位于閱讀器的接收區(qū)域內(nèi)時，閱讀器接收并存儲電子標簽內(nèi)的數(shù)據(jù)，等待RS 485接口的讀取指令。當上位機成功接收到標簽數(shù)據(jù)后，上位機發(fā)出“確認”指令，閱讀器隨即清空當前存儲的標簽數(shù)據(jù)。

2.2 電子標簽

電子標簽通過編程器寫入規(guī)定的標簽信息。寫入時，應對寫入情況進行反饋確認，以保證車組號無重號、錯號出現(xiàn)。編碼信息如圖2所示。

圖2 電子標簽信息編碼

3 車組號自動識別系統(tǒng)的工作原理

3.1 車組號識別

車組號自動識別系統(tǒng)的工作原理如圖3所示。射頻源產(chǎn)生射頻信號，經(jīng)功率放大電路向外發(fā)射射頻信號。可通過控制端控制功率放大電路的開關。接收到的標簽信號經(jīng)檢波電路傳至信號調(diào)理電路。為防止輸出接口開路燒毀檢波電路，射頻組件設計了保護電路。信號調(diào)理電路實現(xiàn)檢波信號調(diào)理功能，將信號幅值調(diào)整到與解碼板相兼容的范圍內(nèi)。解碼板是本系統(tǒng)的核心，完成車組號解碼、功放控制、與ATS系統(tǒng)通信等功能，以及接收功放控制指令、傳輸解碼后的標簽信息功能。

系統(tǒng)的工作過程如下：

（1）解碼板等待閱讀器打開功放指令。接收到打開功放指令后，射頻組件的功放打開并開始工作。

根據(jù)ADF4350的時序圖將寫控制分為3個單元,如圖7所示。首先對整個多模射頻配置模塊的時鐘CLK_IN進行分頻,作為整個模塊的工作時鐘以及芯片的寫時鐘SCLK,利用控制信號線Control從ROM中讀取ADF4350的配置參數(shù)Data[31:0],然后將此參數(shù)緩存起來并進行并串轉(zhuǎn)換,通過移位寄存器將32位配置數(shù)據(jù)串行輸出到SDIO信號線上,同時拉低片選信號CS,完成ADF4350的FPGA配置功能。

圖3 車組號自動識別系統(tǒng)工作原理框圖

（2）射頻組件產(chǎn)生射頻信號，向外發(fā)出電磁波，等待電子標簽進入讀取區(qū)域。

（3）當列車經(jīng)過閱讀器上方時，安裝于車廂底部的電子標簽進入讀取區(qū)域。電子標簽接收到閱讀器的電磁波，標簽通過電磁波將標簽信息發(fā)射至功率放大組件。

（4）閱讀器將接收到的標簽信號傳回射頻組件，射頻組件進行檢波處理得到低頻的檢波信號。

（5）檢波信號經(jīng)信號調(diào)理電路進行整形，調(diào)整至相應幅度并傳輸至解碼板。

（6）解碼板進行解碼處理，將得到的標簽信息通過RS 485接口傳至ATS系統(tǒng)。

（7）上述過程重復進行，直到解碼板接收到關閉功放的指令，解碼板關閉射頻組件的功放。

3.2 ATS系統(tǒng)車組號的初始化及校核

增加了車組號自動識別系統(tǒng)后，列車在出入段、進站和折返時，通過分別安裝在車頭和車尾的電子標簽，可唯一確定其車組號及運行方向，結(jié)合日班計劃即可準確確定列車的車次號和對應交路；在變換交路后，也能較快對應新的交路和車次，大大提高了效率。同時，在信號系統(tǒng)故障恢復后，通過車組號識別系統(tǒng)，可以快速地將列車位置、車次號、交路等信息與軌道電路的占用情況相對應，提高了系統(tǒng)恢復的速度和準確度，提高了調(diào)度指揮的效率。

4 現(xiàn)場試驗

本次研究選擇重慶軌道交通2號線動物園站作為車組號自動識別系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗環(huán)境。重慶軌道交通2號線為固定閉塞區(qū)段，無車地通信；動物園站為出入段站，兼具正線行車、出入段、折返多種運行方式。

4.1 安裝方案

列車信標安裝位置：信標安裝在兩側(cè)車頭負極側(cè)第一個裙板下方中間位置，中心距軌道梁側(cè)面450 mm±20 mm，采用螺栓固定；正面向下面向地面，以便與地面的閱讀器相互發(fā)送、接收信號（見圖4）。

圖4 電子標簽安裝示意圖

地面閱讀器安裝：地面閱讀器安裝位置示意圖如圖5所示。安裝股道位置見表1。

圖5 地面閱讀器安裝位置示意圖

表1 地面閱讀器安裝股道

4.2 試驗記錄

靜態(tài)測試：①閱讀器上電后，閱讀器與室內(nèi)設備通信正常；②手刷信標模擬試驗車測試，讀取功能正常。

動車測試：①出、入段線閱讀器監(jiān)測的識別結(jié)果見表2；②日間行車，上下站臺閱讀器為4級功率時，其識別結(jié)果如表3所示。

表2 出入段線閱讀器監(jiān)測的識別結(jié)果個

表3 日間行車時上下站臺閱讀器識別結(jié)果個

4.3 試驗結(jié)論

采用基于無線射頻技術(shù)實現(xiàn)列車車組號自動識別的技術(shù)方案是可行的。電子標簽和地面閱讀器的安裝十分簡便、靈活性高，不影響日間的正常運營；輻射強度較低，對其他系統(tǒng)無影響；功率不高，對既有線電源容量不造成影響。

但是，通過試驗數(shù)據(jù)可以看到，仍然有個別丟包的情況。這是由于重慶軌道交通2號線為跨座式單軌，電子標簽只能安裝在裙護板內(nèi)側(cè)。裙護板為玻璃鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)有鋁網(wǎng)屏蔽，削弱了電磁場場強，導致存在個別丟包現(xiàn)象。在實際使用中，可將電子標簽安裝在裙護板的非屏蔽區(qū)域；由于電子標簽尺寸較小，也可采用破除鋁網(wǎng)的方式安裝。

5 結(jié)語

基于RFID技術(shù)的車組號自動識別系統(tǒng)作為ATS系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)，識別信息準確率高，安裝簡便靈活，既適用于輪軌線路列車，也可用于單軌線路列車；既有系統(tǒng)的升級改造對現(xiàn)場環(huán)境的依存度小，同時不需要對關鍵安全系統(tǒng)進行變更；既保障了軌道交通系統(tǒng)整體的安全性，又降低了投資，因此具有推廣價值。此外，該系統(tǒng)具有很好的擴展性能，通過將地面閱讀器設定在不同位置，可使系統(tǒng)具有列車接近/離去預告、場段車輛管理等功能；該系統(tǒng)通過接口能向多個外部系統(tǒng)傳送旅客向?qū)畔ⅰ?/p>

［1］ 亢軍賢，尚永平，李武社.無線射頻識別技術(shù)與應用研究綜述［J］.甘肅科技，2008，24（9）：84.

［2］ 許艷紅.淺析RFID技術(shù)及其應用［J］.河北北方學院學報：自然科學版，2009，25（2）：51.

［3］ 丁昌華，路小波.無線射頻識別技術(shù)在車輛識別系統(tǒng)中的應用研究［J］.交通科技與經(jīng)濟，2006（1）：89.

On Train-number Identification System Base on Radio Frequency Identification Technique

Li Zheng，Kong Xiangqi，Wang Jianwei

In this paper，the structure and working principle of train-number identification system base on radio frequency identification（RFID）technique for ATS system are introduced.Through an experiment on Chongqing rail transit Line 2，the features of this technique，including automatical generation of train number and automatical check are verified，the feasibility and reliability of which are discussed，some feasible advices are proposed.This technique provides a new method for ATS signal system to identify and check the train-number of urban rail transit.

urban rail transit；automatic train supervision（ATS）；radio frequency identification（RFID）；train-number identification

U 284.55

2013-06-05）