基于RFID技術(shù)的鐵路電力設(shè)備巡檢平臺設(shè)計(jì)

苗 青，陸子清，紀(jì) 蘋

（1. 北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2. 北京振中電子技術(shù)有限公司，北京 100080）

信息化是鐵路發(fā)展的必由之路，將信息技術(shù)與企業(yè)管理理念融合可有效提升鐵路系統(tǒng)整體的運(yùn)營、維護(hù)和服務(wù)水平。當(dāng)前已有相當(dāng)一部分供電段通過使用鐵路供電管理信息系統(tǒng)（EMIS）來處理日常工作和事務(wù)。射頻識別（RFID）技術(shù)是通過空間電磁或電感耦合的非接觸方式，實(shí)現(xiàn)雙向通信并交換數(shù)據(jù)的技術(shù)，讀寫時人員與電力設(shè)備可保持安全距離，數(shù)據(jù)采集快，操作簡單，適用于離散設(shè)備的巡檢。

本文將RFID技術(shù)與個人數(shù)字助理（Personal Digital Assistant，PDA）、EMIS相結(jié)合，設(shè)計(jì)一種新型手持移動式無接觸電力設(shè)備巡檢系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)巡檢任務(wù)、巡檢記錄、設(shè)備數(shù)據(jù)電子化管理，為日后管理維護(hù)、大修改造提供可靠數(shù)據(jù)，保證鐵路部門安全、高效運(yùn)營。

1 鐵路電力設(shè)備巡檢系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的鐵路電力設(shè)備巡檢系統(tǒng)主要包括PC端、PDA、RFID電子標(biāo)簽，巡檢管理信息系統(tǒng)、發(fā)/讀卡器、服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)等。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of the system

在開展正常的設(shè)備巡檢工作之前，應(yīng)先將電力設(shè)備按照鐵路局內(nèi)既有線管理辦法統(tǒng)籌分類，各類設(shè)備分配唯一標(biāo)識RFID電子標(biāo)簽，標(biāo)簽內(nèi)寫入設(shè)備的履歷和安裝后運(yùn)維信息等。由于鐵路電力設(shè)備布置在鐵路線路沿線或車站附近，設(shè)備分散且沿線無鐵路內(nèi)網(wǎng)接入點(diǎn)，采集的設(shè)備信息需要先存儲在PDA中，再由移動公網(wǎng)（Wi-Fi/4G/5G）與鐵路外網(wǎng)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過隔離網(wǎng)閘將安全的數(shù)據(jù)傳送回鐵路內(nèi)網(wǎng)。

2 PDA手持終端設(shè)計(jì)

PDA手持終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)讀、寫電子標(biāo)簽，信息存儲，設(shè)備間通訊的核心功能。由核心板和功能板組成，其中核心板由MCU主控芯片及各FPC柔性功能板接口組成，功能板由RFID模塊、藍(lán)牙模塊、電源模塊、TF卡槽等組成。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 PDA手持終端結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of PDA handheld terminal

RFID模塊與天線的接口電路如圖3所示。

圖3 天線接口濾波電路Fig.3 Filter circuit of antenna interface

目前，市場上具有的4 dBi四臂螺旋圓極化天線(75)是適用于UHF頻段RFID應(yīng)用場合的通用型遠(yuǎn)場天線，具有小體積、高增益、低駐波、方向圖對稱性好、低軸比等特點(diǎn)?？煞奖愕貞?yīng)用于UHF頻段RFID手持機(jī)等終端場合。其外形及尺寸如圖4所示。

圖4 四臂螺旋圓極化天線Fig.4 Four-arm spiral circularly-polarized antenna

3 RFID電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)

1）特性選擇

鐵路電力供電臂上設(shè)備通常布置在室外，沿線環(huán)境復(fù)雜惡劣，對標(biāo)簽工業(yè)強(qiáng)度要求較高。由于金屬介質(zhì)易反射電磁波，對標(biāo)簽識別產(chǎn)生干擾，而電力設(shè)備多為金屬外殼，因此在標(biāo)簽的選擇上采用遵循Class0. Class1. EPC UHF Gen2、ISO/IEC18000-6B、ISO18000-6C通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的抗金屬標(biāo)簽；可采用粘貼、螺釘或抱箍方法固定在被識別設(shè)備附近。

為保證運(yùn)維巡檢人員的人身安全，結(jié)合電氣設(shè)備放電安全距離，根據(jù)表1所示內(nèi)容選擇工作頻率為860～960 MHz（UHF超高頻）的遠(yuǎn)距離無源大容量RFID電子標(biāo)簽。

表1 工作頻率選擇Tab.1 Selection of working frequency

2）標(biāo)簽硬件組成

RFID電子標(biāo)簽由天線、控制器、編碼器、時鐘及存儲器組成，其中存儲器的性能決定著設(shè)備代碼的編寫方式與數(shù)據(jù)讀取速度。RFID電子標(biāo)簽組成如圖5所示。

圖5 RFID電子標(biāo)簽組成Fig.5 Block diagram of the composition of RFID electronic tag

以Alien H3這款比較常用的標(biāo)簽存儲芯片為例：其T標(biāo)簽內(nèi)存 （Tag memory）分為保留（Reserved）、電子產(chǎn)品代碼（EPC）、標(biāo)簽識別號（TID）和用戶（User）4個獨(dú)立的存儲區(qū)塊（Block），如圖6所示。

圖6 RFID標(biāo)簽存儲字段分類Fig.6 Classification of fields for storing RFID tags

Reserved區(qū)：存儲滅活口令（Kill Password）和訪問口令（Access Password），此區(qū)域容量一般為64 bit。

TID區(qū)：全球唯一ID號，存儲標(biāo)簽識別號碼，不可更改； 此區(qū)域容量一般為96 bit。

EPC區(qū)：產(chǎn)品電子碼，唯一用來標(biāo)識對象的編碼；數(shù)據(jù)主要存儲區(qū)、設(shè)備默認(rèn)讀取的區(qū)域，可反復(fù)擦寫，讀取速度快。當(dāng)本區(qū)域沒有被訪問加密或者滅活加密的時候，區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行隨意改寫；目前市面上大部分標(biāo)簽產(chǎn)品此區(qū)域容量為128 bit，即16位數(shù)字或字母。

User區(qū)：用戶數(shù)據(jù)區(qū)，存儲用戶定義的數(shù)據(jù)，此區(qū)域讀取速度與識別距離低于EPC區(qū)。目前市面上大部分標(biāo)簽產(chǎn)品此區(qū)域容量為512 bit，即32個漢字。

3）設(shè)備標(biāo)簽編碼設(shè)計(jì)

目前中國國家鐵路集團(tuán)有限公司（簡稱國鐵集團(tuán)）下設(shè)北京局、沈陽局、哈爾濱局等18個鐵路局及其他企事業(yè)單位，各鐵路局設(shè)立的供電段數(shù)量最少為2個，最多為8個，但多數(shù)路局供電段數(shù)量為3個?？紤]到后期國鐵集團(tuán)對各路局?jǐn)?shù)據(jù)的整合工作，需對電子標(biāo)簽編碼統(tǒng)籌規(guī)劃。各鐵路局與供電段代碼設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 鐵路局與供電段代碼設(shè)計(jì)Tab.2 Codes assigned to Railway Bureaus and power supply depot

Alien H3標(biāo)簽存儲芯片中EPC區(qū)存儲方案如圖7所示。

圖7 EPC區(qū)存儲方案設(shè)計(jì)Fig.7 Design of storage scheme for EPC block

車間工作人員工作時通過手機(jī)溝通頻繁，電子標(biāo)簽在編碼時優(yōu)先考慮與使用人員設(shè)備的兼容性與可讀寫性，對EPC區(qū)寫入字段方案說明如下。

a.根據(jù)表2中對各路局、供電段簡稱的縮寫約定，在標(biāo)簽存儲芯片中直接按ASCII碼規(guī)則進(jìn)行存儲，這樣通過PDA設(shè)備讀取出的數(shù)據(jù)無需通過網(wǎng)絡(luò)訪問后臺數(shù)據(jù)庫，也可直接讓現(xiàn)場工作人員明確卡內(nèi)的信息。

b.路局代碼、段級代碼、線路代碼、車站代碼分別按漢語簡寫拼音首字母存入兩個字作為對應(yīng)代號。

c.設(shè)備類型代碼按自閉線設(shè)備（Z）、貫通線設(shè)備（G）、變壓器（B）、斷路器（D）、隔離開關(guān)（K）、箱式變電站（X）、低壓配電箱（P）等進(jìn)行分類組合，最多占用3個字24個位。

d.設(shè)備識別代碼是對同一分類下多臺相同設(shè)備做編碼進(jìn)行區(qū)分識別。

4 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

為保證鐵路內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)安全，在與公網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時設(shè)計(jì)了“隔離網(wǎng)閘”系統(tǒng)。內(nèi)網(wǎng)與公網(wǎng)之間通過隔離網(wǎng)閘進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

隔離網(wǎng)閘應(yīng)由兩個開關(guān)、一個固態(tài)存儲介質(zhì)及獨(dú)立的邏輯控制單元組成。要在保持絕對安全的情況下，盡可能的進(jìn)行通信，如果不安全，立刻斷開。這種斷開類似于物理層面的斷開，可以絕對的控制兩個網(wǎng)絡(luò)之間的隔離與訪問。兩個獨(dú)立的內(nèi)、外網(wǎng)主機(jī)系統(tǒng)通過網(wǎng)閘進(jìn)行隔離，系統(tǒng)間不存在通信的物理連接、邏輯連接及信息傳輸協(xié)議，不存在依據(jù)協(xié)議進(jìn)行的信息交換，只能以數(shù)據(jù)文件形式進(jìn)行無協(xié)議擺渡。

隔離網(wǎng)閘的作用類似于數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，任何時刻只能與內(nèi)網(wǎng)或外網(wǎng)其中一方建立非TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)連接，其工作流程如圖8所示。每一次數(shù)據(jù)交換，隔離設(shè)備都經(jīng)歷了數(shù)據(jù)對接收、存儲和轉(zhuǎn)發(fā)3個過程。當(dāng)內(nèi)網(wǎng)需要傳輸數(shù)據(jù)到外網(wǎng)時，隔離網(wǎng)閘會向內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器發(fā)起非TCP/IP協(xié)議連接請求，將處理后的數(shù)據(jù)寫入網(wǎng)閘存儲介質(zhì)，完成后網(wǎng)閘與內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器斷開，并向外網(wǎng)服務(wù)器發(fā)起非TCP/IP協(xié)議連接請求，建立連接后將存儲介質(zhì)中的數(shù)據(jù)傳輸給外網(wǎng)服務(wù)器。外網(wǎng)到內(nèi)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸過程與之相反。

圖8 隔離網(wǎng)閘工作流程Fig.8 Workflow of air-gapping

5 結(jié)束語

本文以鐵路電力設(shè)備巡檢系統(tǒng)為例，從企業(yè)的組織架構(gòu)、管理運(yùn)維特點(diǎn)、應(yīng)用場景等方面出發(fā)，結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)搭建本系統(tǒng)的整體框架；為鐵路安全高效發(fā)展提供必要的技術(shù)保障。