轉(zhuǎn)轍機(jī)手搖把智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫彪

摘 要：針對傳統(tǒng)轉(zhuǎn)轍機(jī)手搖把管理存在的效率低、安全性差等問題，設(shè)計(jì)一套轉(zhuǎn)轍機(jī)手搖把智能管理系統(tǒng)。介紹組成該系統(tǒng)的智能保管箱和管理軟件平臺 2 部分內(nèi)容，其中智能保管箱采用射頻識別（RFID）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對箱內(nèi)手搖把數(shù)量、開關(guān)門時(shí)間等信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測;管理軟件平臺包括手搖把使用管理、平臺管理和保管箱實(shí)時(shí)監(jiān)測 3 個(gè)模塊，使手搖把的使用申請、發(fā)令授權(quán)等流程實(shí)現(xiàn)電子化作業(yè)。

關(guān)鍵詞：鐵路;轉(zhuǎn)轍機(jī);手搖把;智能管理;系統(tǒng)設(shè)計(jì);射頻識別

中圖分類號：U213.6+1

國內(nèi)鐵路系統(tǒng)中，在發(fā)生轉(zhuǎn)轍機(jī)故障、線路集中維修等情況時(shí)，很多單位仍需使用手搖把進(jìn)行人工搖道岔。由于手搖把作用關(guān)鍵，所以對其管理也非常嚴(yán)格。在《呼和浩特鐵路局行車組織規(guī)則》（以下簡稱《行規(guī)》）中對手搖把的使用申請、批復(fù)、保管、使用及歸還等各環(huán)節(jié)都有具體明確的要求，以防因管理不善或不法分子蓄意破壞造成不良后果，影響鐵路正常運(yùn)輸[1]。目前，雖然對手搖把的使用管理有具體的規(guī)定，但仍存在一定的困難，有待進(jìn)一步研究解決。例如：電務(wù)或車務(wù)調(diào)度部門無法實(shí)時(shí)監(jiān)測所屬各站手搖把保管箱中手搖把的數(shù)量和編號、使用及歸還時(shí)間、箱門的開鎖及關(guān)閉時(shí)間等重要信息，因此存在一定的安全管理隱患 [2]。為使手搖把的使用和管理更加便捷、規(guī)范與透明，推進(jìn)手搖把管理的電子化和智能化，研制一套轉(zhuǎn)轍機(jī)手搖把智能管理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)概述

轉(zhuǎn)轍機(jī)手搖把智能管理系統(tǒng)主要由智能保管箱和管理軟件平臺2部分組成。智能保管箱采用RFID技術(shù)，通過內(nèi)置讀寫器和天線讀取存儲有手搖把編號信息的電子標(biāo)簽，并將讀取信息傳輸給箱內(nèi)的微型主機(jī)，最后通過網(wǎng)線共享至企業(yè)辦公局域網(wǎng)服務(wù)器。管理軟件平臺設(shè)計(jì)有手搖把使用管理、平臺管理等模塊，使手搖把使用和調(diào)度管理部門可在辦公局域網(wǎng)上完成手搖把的使用申請、發(fā)令授權(quán)等作業(yè)流程，實(shí)時(shí)監(jiān)測智能保管箱內(nèi)手搖把的數(shù)量、編號、拿取或歸還時(shí)間等信息，并進(jìn)行記錄和存檔等。

2 智能保管箱設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)轍機(jī)手搖把智能保管箱主要由箱體結(jié)構(gòu)、RFID單元和開關(guān)門檢測單元3部分組成。

2.1 箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能保管箱用于放置手搖把及讀寫器、天線、微型主機(jī)、接近開關(guān)等電氣設(shè)備，其結(jié)構(gòu)主要由箱體、手搖把支座、電器隔板和機(jī)箱面板組成，如圖1所示。

2.1.1 箱體

根據(jù)手搖把及電氣設(shè)備的數(shù)量及放置要求，設(shè)計(jì)箱體的尺寸為540mm×520mm×520mm，材料選用0.8mm厚的鋼板。在箱體左側(cè)面板上開有長45mm、高70mm的矩形孔，用于安裝帶電源和網(wǎng)線接口的機(jī)箱面板;在箱體內(nèi)左右兩側(cè)板上，各焊接2個(gè)擋片，用于安裝電器隔板。箱門上設(shè)置2把機(jī)械鎖和1組鉛封套環(huán)，供鎖閉及加鉛封使用。

2.1.2 手搖把支座

手搖把支座用于放置手搖把，采用分體式結(jié)構(gòu)，用螺栓組裝固定，方便拆裝。支座由左右對稱布置的橫置角鋼組件和豎置角鋼，以及上、下橫梁組成，其中橫梁采用斜置式結(jié)構(gòu)，方便拿取和放置手搖把，每個(gè)橫梁上可放置11個(gè)手搖把，如圖2所示。

2.1.3 電器隔板

電器隔板用于放置和固定微型主機(jī)、讀寫器、電源、插排等設(shè)備，與箱體兩側(cè)的擋片通過螺栓連接進(jìn)行固定。

2.1.4 機(jī)箱面板

按照保管箱的設(shè)計(jì)要求，智能保管箱需設(shè)置外接電源和與辦公局域網(wǎng)通信的接口，因此選擇帶有三孔電源插座、網(wǎng)口、USB等接口的機(jī)箱面板，其安裝在保管箱左側(cè)壁板的預(yù)留孔上。

2.2RFID 單元

RFID俗稱電子標(biāo)簽，是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，其工作原理是：電子標(biāo)簽在磁場中接收讀寫器發(fā)出的射頻信號，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片的產(chǎn)品信息，讀寫器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[3-6]。

手搖把智能保管箱RFID單元包括電子標(biāo)簽、天線、讀寫器、微型主機(jī)等幾個(gè)部分，如圖3所示。

2.2.1 讀寫器

讀寫器是RFID單元的信息控制和處理中心，一般由耦合模塊、收發(fā)模塊、控制模塊和接口單元組成[7-10]。根據(jù)智能保管箱的使用要求及當(dāng)前讀寫器主流配置條件，所選讀寫器需具備以下幾項(xiàng)功能。

（1）高性能多標(biāo)簽識別算法。

（2）雙CPU 架構(gòu)設(shè)計(jì)，主CPU 負(fù)責(zé)輪詢標(biāo)簽，副CPU 負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)管理，輪詢標(biāo)簽和發(fā)送數(shù)據(jù)并行，互不占用對方的時(shí)間。

（3）快速多天線輪詢功能，且能判斷天線的連接狀態(tài)。

（4）實(shí)現(xiàn)18000-6 B/C 全協(xié)議功能。

按照設(shè)計(jì)要求，選擇深圳市深坂科技有限公司的M-380型讀寫器，如圖4所示。

2.2.2 天線

電子標(biāo)簽中的芯片啟動電路工作時(shí)，需要通過天線在讀寫器產(chǎn)生的電磁場中獲得足夠的能量，所以天線在電子標(biāo)簽與讀寫器數(shù)據(jù)通信中起關(guān)鍵作用。根據(jù)保管箱中手搖把的讀寫要求，天線需要滿足以下幾項(xiàng)指標(biāo)：①頻率為920～925 MHz;②增益≥3.5 dBic;③電壓駐波比≤1.3 ： 1;④極化：圓極化[11-13]。按照智能保管箱的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，手搖把并排放置在手搖把支座上，電子標(biāo)簽粘貼固定在手搖把上。為避免不被其他結(jié)構(gòu)件干涉，更好地實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)簽的準(zhǔn)確識別，選擇超高頻RFID平板天線，安裝固定在箱門內(nèi)側(cè)，如圖5所示。

2.2.3 電子標(biāo)簽

電子標(biāo)簽一般按照工作頻率可分為低頻（LF）、高頻（HF）、超高頻（UHF）和微波（MW）4種;按照封裝類型又可分為貼紙式電子標(biāo)簽、塑料電子標(biāo)簽和抗金屬電子標(biāo)簽等。

在保管箱內(nèi)，手搖把上的電子標(biāo)簽與天線之間的距離約150mm。由于超高頻電子標(biāo)簽讀取距離較遠(yuǎn)，讀取的準(zhǔn)確率和效率也較好，因此選擇超高頻電子標(biāo)簽。由于手搖把是金屬材質(zhì)，因此電子標(biāo)簽需具有抗金屬性能，大小尺寸應(yīng)適合在手搖把上粘貼固定。經(jīng)過綜合比較，選擇超高頻抗金屬電子標(biāo)簽，尺寸為25mm×9mm×3mm。電子標(biāo)簽的封裝方式為先在手搖把表面粘一層電磁屏蔽膜，然后粘貼電子標(biāo)簽，最后用2mm厚的熱縮管封裝固定。

2.2.4 微型主機(jī)

微型主機(jī)是智能保管箱的處理器，對讀寫器的讀寫數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和處理，并通過網(wǎng)線將保管箱的信息共享至局域網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)選擇英特爾NUC817BNH型主機(jī)，配備酷睿八代7-8559U處理器，配有4 個(gè)外接USB3.1端口，外形尺寸為117mm×112 mm×51 mm。

2.3 開關(guān)門檢測單元

接近開關(guān)是一種無須與運(yùn)動部件直接接觸便可操作的位置開關(guān)，其具有動作可靠、性能穩(wěn)定、頻率響應(yīng)快等特點(diǎn)。選擇歐姆龍E2E-X5ME1-2型接近開關(guān)，當(dāng)金屬物體與開關(guān)感應(yīng)面之間的距離小于5 mm時(shí)，無須接觸或施壓即可使開關(guān)動作，給計(jì)算機(jī)提供控制指令。本電路中，接近開關(guān)與RFID讀卡器GPIO的1、2腳連接在當(dāng)保管箱關(guān)門時(shí)會給讀卡器指令，使讀卡器啟動識別手搖把信息，系統(tǒng)自動記錄關(guān)門時(shí)間。

3 手搖把智能管理軟件平臺開發(fā)

按照《行規(guī)》中關(guān)于道岔手搖把的管理辦法，開發(fā)了手搖把智能管理軟件平臺。利用企業(yè)辦公局域網(wǎng)絡(luò)，手搖把使用或調(diào)度管理部門可在該平臺上完成手搖把的使用申請、發(fā)令授權(quán)等流程，可實(shí)時(shí)查看手搖把存放狀態(tài)、智能保管箱開關(guān)門時(shí)間等信息。

該轉(zhuǎn)轍機(jī)手搖把智能管理軟件平臺包括手搖把使用管理、平臺管理和保管箱實(shí)時(shí)監(jiān)測3個(gè)模塊，其總體功能結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3.1 手搖把使用管理模塊

該模塊主要包括手搖把使用申請、手搖把信息管理和保管箱信息管理3部分。

3.1.1 手搖把使用申請

該模塊包括填寫申請、審核批復(fù)、申請信息查詢、特殊情況補(bǔ)填4個(gè)單元。按照《行規(guī)》中手搖把使用管理流程辦法，電務(wù)或車務(wù)系統(tǒng)手搖把使用人員在平臺填寫使用申請，電務(wù)或車務(wù)調(diào)度管理部門收到申請后進(jìn)行審核批復(fù)。如果遇到斷網(wǎng)、停電的特殊情況時(shí)，先采用傳統(tǒng)紙質(zhì)申請方式辦理，事后再進(jìn)行申請信息補(bǔ)錄。

3.1.2 手搖把信息管理

該模塊包括手搖把信息查詢、出入箱管理、超時(shí)未歸還報(bào)警和手搖把信息管理4個(gè)單元。可以查看手搖把的編號、使用狀態(tài)、出入箱時(shí)間等信息，對超過申請?jiān)O(shè)定使用時(shí)間未歸還的手搖把，提供自動報(bào)警提醒功能;且提供新增、刪除或編輯手搖把信息等功能。

3.1.3 保管箱信息管理

該模塊實(shí)現(xiàn)對保管箱所屬車站、箱內(nèi)手搖把數(shù)量、開關(guān)門時(shí)間等信息的查詢，以及新增、刪除、編輯保管箱信息的功能。

3.2 平臺管理模塊

該模塊包括使用人員管理、調(diào)度人員管理和車站信息管理3個(gè)單元，實(shí)現(xiàn)對車站、手搖把使用人員、手搖把調(diào)度管理人員信息的添加、刪除、查詢，以及設(shè)置或修改用戶登錄密碼等功能。

3.3 保管箱實(shí)時(shí)監(jiān)測模塊

該模塊主要是開發(fā)本地Access數(shù)據(jù)庫，存儲手搖把電子標(biāo)簽和箱門接近開關(guān)采集的數(shù)據(jù)信息，并上傳至局域網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，以實(shí)現(xiàn)對手搖把和保管箱信息的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。

4 結(jié)束語

本文介紹的轉(zhuǎn)轍機(jī)手搖把智能管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在辦公局域網(wǎng)上完成手搖把的申請、批復(fù)、歸檔等作業(yè)流程，實(shí)現(xiàn)了電子化、無紙化辦公。該手搖把智能保管箱讓管理人員可以實(shí)時(shí)監(jiān)測所屬各車站手搖把的保管狀態(tài)，以及使用和歸還時(shí)間，對超時(shí)未歸還的手搖把及時(shí)報(bào)警提示。該系統(tǒng)可有效提高轉(zhuǎn)轍機(jī)手搖把的管理效率和安全水平，可在國內(nèi)各火車站推廣使用，市場前景十分廣闊。

參考文獻(xiàn)

[1]傅延宗.談電動轉(zhuǎn)轍機(jī)手搖把的管理[J].鐵道通信信號，2003，39（8）：40.

[2]唐曼.基于RFID技術(shù)的轉(zhuǎn)轍機(jī)手搖把智能管理平臺[J].鐵道通信信號，2019，55（5）：34-36.

[3]王江.基于有源RFID的物資管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].上海信息化，2015（11）：56-60.

[4]閔銀萍.寬頻帶RFID讀寫器天線設(shè)計(jì)與系統(tǒng)應(yīng)用[D].北京：北京郵電大學(xué)，2017.

[5]余自鋒.中高頻RFID讀寫器天線的研究與設(shè)計(jì)[D].福建福州：福建師范大學(xué)，2016.

[6]張啟帆.UHF頻段近場RFID讀寫器天線設(shè)計(jì)[D].江蘇南京：南京航空航天大學(xué)，2016.

[7]孫標(biāo)，梁慶凡.基于超高頻RFID的計(jì)量儀器管理系統(tǒng)的構(gòu)建[J].計(jì)量技術(shù)，2019（11）：69-72，68.

[8]王斌.基于RFID的變電站設(shè)備巡視管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測試，2019（24）：74-75，9.

[9]范書成.基于RFID的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備自助借還云平臺設(shè)計(jì)[J].信息與電腦，2019，31（23）：57-58.

[10]姜宏濤，向卓.基于RFID的醫(yī)院戰(zhàn)備庫物資管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國醫(yī)學(xué)裝備，2017，14（8）：108-111.

[11]李全平.面向金屬環(huán)境高可靠讀取的RFID讀寫器天線設(shè)計(jì)[D].北京：北京郵電大學(xué)，2019.

[12]朱文強(qiáng)，張愛軍.一種小型化超高頻段RFID讀寫器天線設(shè)計(jì)[J].國外電子測量技術(shù)，2019，38（11）：142-146.

[13]陸迪鋒.超高頻RFID近場系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)[D].浙江杭州：杭州電子科技大學(xué)，2015.

收稿日期 2019-12-23

責(zé)任編輯 黨選麗