1.引言

列車運行控制系統(tǒng)（又稱信號系統(tǒng)）是城市軌道交通、國鐵、捷運系統(tǒng)的核心部分，控制列車安全行駛、保證列車運營間隔、執(zhí)行列車自動防護。新技術(shù)的引進給列控系統(tǒng)帶來了革命，為提高列車運行速度和可靠性提供了有利的科學(xué)技術(shù)保障。

自動識別系統(tǒng)（Automatic Identification System，Auto ID）近年來在多種行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域都得到了快速的普及和推廣，根據(jù)使用的能量和數(shù)據(jù)傳輸方法，通常把非接觸的識別系統(tǒng)稱作射頻識別系統(tǒng)（Radio Frequency Identification，RFID）。超高頻RFID技術(shù)可以實現(xiàn)較遠的識別距離，天氣因素對識別效果的影響較小。同時，由于近幾年RFID技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的擴大，RFID系統(tǒng)設(shè)備和電子標(biāo)簽的成本都大幅下降，使RFID技術(shù)在列控系統(tǒng)中的應(yīng)用成為可能。

2.RFID技術(shù)簡介

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)，又稱電子標(biāo)簽、無線射頻識別，是一種通信技術(shù)，可通過無線電訊號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機械或光學(xué)接觸。實現(xiàn)人們對各類物體或設(shè)備（人員、物品）在不同狀態(tài)（移動、靜止或惡劣環(huán)境）下的自動識別和管理。

從信息傳遞的基本原理來說，射頻識別技術(shù)在低頻段基于變壓器耦合模型（初級與次級之間的能量傳遞及信號傳遞），在高頻段基于雷達探測目標(biāo)的空間耦合模型（雷達發(fā)射電磁波信號碰到目標(biāo)后攜帶目標(biāo)信息返回雷達接收機）。1948年哈里斯托克曼發(fā)表的”利用反射功率的通信”奠定了射頻識別技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

2.1 RFID系統(tǒng)的組成

RFID系統(tǒng)一般由以下兩部分構(gòu)成：(1)應(yīng)答器：應(yīng)答器應(yīng)放置在要識別的物體上；

(2)閱讀器：閱讀器可以是讀或?qū)?讀裝置，取決于所使用的結(jié)構(gòu)和技術(shù)?；窘M成見圖1。

圖1 RFID系統(tǒng)基本組成

圖2 典型的列控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一臺典型的閱讀器包含有高頻模塊（發(fā)送器和接收器）、控制單元以及與應(yīng)答器連接的耦合元件（線圈、微波天線）。此外，許多閱讀器還都有附加的接口（RS232、RS485等），以便將所獲得的數(shù)據(jù)進一步傳輸給另外的系統(tǒng)（個人計算機、機器人控制裝置等）。

應(yīng)答器是射頻設(shè)別系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體。通常，應(yīng)答器由耦合元件以及微電子芯片組成。在閱讀器的響應(yīng)范圍之外，應(yīng)答器處于無源狀態(tài)。通常，應(yīng)答器沒有自己的供電電源（電池）。只是在閱讀器的響應(yīng)范圍之內(nèi)，應(yīng)答器才是有源的。應(yīng)答器工作所需的能量，如同時鐘脈沖和數(shù)據(jù)一樣，是通過耦合單元（非接觸式）傳輸給應(yīng)答器的。

2.2 RFID基本工作原理

RFID是一種簡單的無線系統(tǒng)，只有兩個基本器件，該系統(tǒng)用于控制、檢測和跟蹤物體。系統(tǒng)由一個詢問器（或閱讀器）和若干應(yīng)答器（或標(biāo)簽）組成。標(biāo)簽（Tag）：由耦合元件及芯片組成，每個標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上以標(biāo)識目標(biāo)對象。

RFID技術(shù)的基本工作原理并不復(fù)雜：標(biāo)簽進入磁場后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息（Passive Tag，無源標(biāo)簽或被動標(biāo)簽），或者主動發(fā)送某一頻率的信號（Active Tag，有源標(biāo)簽或主動標(biāo)簽）；解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。

一套完整的RFID系統(tǒng)，是由閱讀器（Reader）與電子標(biāo)簽（TAG）也就是所謂的應(yīng)答器（Transponder）及應(yīng)用軟件系統(tǒng)三個部份所組成，其工作原理是閱讀器發(fā)射一特定頻率的無線電波能量給應(yīng)答器，用以驅(qū)動應(yīng)答器電路將內(nèi)部的數(shù)據(jù)送出，此時閱讀器便依序接收解讀數(shù)據(jù)，送給應(yīng)用程序做相應(yīng)的處理。

以RFID卡片閱讀器及電子標(biāo)簽之間的通訊及能量感應(yīng)方式來看大致上可以分成，感應(yīng)偶合（Inductive Coupling）及后向散射偶合（Backscatter Coupling）兩種，一般低頻的RFID大都采用第一種式，而較高頻大多采用第二種方式。

閱讀器根據(jù)使用的結(jié)構(gòu)和技術(shù)不同可以是讀或讀/寫裝置，是RFID系統(tǒng)信息控制和處理中心。閱讀器通常由耦合模塊、收發(fā)模塊、控制模塊和接口單元組成。閱讀器和應(yīng)答器之間一般采用半雙工通信方式進行信息交換，同時閱讀器通過耦合給無源應(yīng)答器提供能量和時序。在實際應(yīng)用中，可進一步通過以太網(wǎng)或WLAN等實現(xiàn)對物體識別信息的采集、處理及遠程傳送等管理功能。應(yīng)答器是RFID系統(tǒng)的信息載體，目前應(yīng)答器大多是由耦合原件（線圈、微波天線等）和微芯片組成無源單元。

圖3 電子標(biāo)簽測速方案示意圖

圖4 RFID設(shè)備檢測原理圖

圖5 車次號變化示意圖

圖6 典型點式列控系統(tǒng)示意圖

3.RFID在列車運行控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 列車運行控制系統(tǒng)基本原理

列車運行控制系統(tǒng)是一種基于控制技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)及鐵路信號的行車指揮、控制及管理自動化系統(tǒng)。目前成熟的列控系統(tǒng)有：日本新干線ATC；法國TGV的TVM系統(tǒng)；德國LZB、TGMT；英國及瑞典的ATP；地鐵ATP系統(tǒng)；我國自主研發(fā)的列控系統(tǒng)有北京交大交控科技的LCF-300型移動閉塞系統(tǒng)及通號集團公司應(yīng)用于客運專線的CTCS3級列控系統(tǒng)。

圖2顯示了典型的地鐵列控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

總體而言，列控系統(tǒng)包括由地面設(shè)備、車載設(shè)備及信息傳輸設(shè)備組成。地面設(shè)備包括：聯(lián)鎖設(shè)備、區(qū)域控制中心、及軌旁基礎(chǔ)設(shè)備（LEU、應(yīng)答器等）；車載設(shè)備包括車載ATP設(shè)備、車載ATO設(shè)備、人機顯示設(shè)備等；信息傳輸設(shè)備包括軌旁通信系統(tǒng)及車地通信系統(tǒng)等。

3.2 RFID在列控系統(tǒng)中的應(yīng)用方式

3.2.1 測速定位的應(yīng)用

RFID測速的基本原理是利用車載閱讀器周期性讀取軌道上固定安裝的標(biāo)簽，獲取標(biāo)簽ID，根據(jù)標(biāo)簽ID和車載存儲的數(shù)據(jù)，得到位置，同時結(jié)合讀取時間計算列車速度。

車載閱讀器在讀取標(biāo)簽數(shù)據(jù)的同時也記錄讀取該標(biāo)簽 的時間。當(dāng)車載設(shè)備連續(xù)讀取兩個以上標(biāo)簽時，即可以通過標(biāo)簽之間的距離差和時間差計算列車的速度。

首先，在軌道上均勻安裝信標(biāo)（即電子標(biāo)簽），由于RFID具有唯一識別的特性和信標(biāo)能夠存儲用戶數(shù)據(jù)的特點，每一個信標(biāo)對應(yīng)不同的編號同時存儲該標(biāo)簽位于線路中的位置信息。

其次，在車載設(shè)備中按照信標(biāo)的編號存儲每一個信標(biāo)處于線路中的位置。在列車上安裝讀寫器和天線。

當(dāng)列車在軌道上運行時，讀寫器會讀取到軌道上的信標(biāo)，并且能夠在車載的數(shù)據(jù)中查找出這些標(biāo)簽對應(yīng)的線路位置，如圖3所示。

設(shè)T1時刻列車讀取到標(biāo)簽A1，其在電子地圖中的位置為S1；T2時刻列車讀取到標(biāo)簽A2，其在電子地圖中的位置為S2，則列車在T2-T1時間內(nèi)的平均速度為：

V=(S2-S1)/(T2-T1)

如果信標(biāo)鋪設(shè)的間距足夠小以及讀寫器讀取信標(biāo)所花費的時間足夠短，即可認(rèn)為上述速度及為列車的實時速度。

3.2.2 列車占用檢測的應(yīng)用

電子標(biāo)簽RFID方案原理是基于列車通過檢測點時阻斷標(biāo)簽讀取機讀取無源標(biāo)簽信息的方式，類似于紅外線阻斷原理。因電子標(biāo)簽采用無線通信方式，一般的障礙物如樹葉、行人等無法阻斷設(shè)備之間的通信，因此不會對系統(tǒng)造成干擾，故可用性較高，如圖4所示。

3.2.3 車次號追蹤的應(yīng)用

車次號是ATS系統(tǒng)中用于識別在線運行列車的標(biāo)識符，是列車進路自動排列的基礎(chǔ)，是列車運行自動調(diào)整和實際運行圖自動生成的重要條件，是調(diào)度命令實現(xiàn)的前提，是ATS系統(tǒng)的關(guān)鍵信息，也是實現(xiàn)城市軌道交通運輸管理和指揮真正現(xiàn)代化和智能化的基礎(chǔ)和有力保障。正常運行的列車都與1個車次號相關(guān)聯(lián)，ATS系統(tǒng)根據(jù)車次號對全線列車進行自動控制及管理列車從車輛段出發(fā)經(jīng)過轉(zhuǎn)換軌獲得車次號，如果它是計劃列車則按計劃運行圖自動分配一個車次號，如果是臨時加車或計劃運行圖中沒有的車輛，則賦予它一個非計劃車次號。列車到站時，車次號會在對應(yīng)車次窗內(nèi)顯示；ATS時刻表比較模塊計算出早晚點偏差，將調(diào)整計劃發(fā)送給車載ATO，控制列車出站時間和站間運行時間；當(dāng)車站倒計時為零且進路己排列時，出站信號機亮綠燈，指示列車出站。列車到達折返站時，ATS按運行情況校對并修改車次號，使全線列車按計劃運行圖運行，車次號的變化過程如下圖5所示。

車組號是唯一的，每列車都不同。車次號、車組號、目的地號等構(gòu)成了ATS使用的列車識別號。因此可以將車組號寫入列車上的RFID。

3.2.4 在點式列控系統(tǒng)中的應(yīng)用

在傳統(tǒng)的點式列控系統(tǒng)中，通常采用應(yīng)答器進行控制信息的傳輸，應(yīng)答器傳送的信息主要包括兩部分：應(yīng)答器的位置及與此應(yīng)答器相關(guān)的信號機狀態(tài)，另有一些鏈接信息等，可以組合不同的包構(gòu)成復(fù)雜的控制命令，實現(xiàn)點式信息傳輸下的列車控制。

RFID在點式列控系統(tǒng)中的應(yīng)用可以有如下方式：

利用無源RFID作為絕對定位信息載體；

利用有源RFID作為移動授權(quán)（信號機狀態(tài)）的信息載體。

在傳統(tǒng)的點式列控系統(tǒng)中，應(yīng)答器是SIL4級安全設(shè)備，這是因為其承擔(dān)傳送安全信息的職責(zé)，若信號機狀態(tài)等安全信息傳輸錯誤，將可能造成列車脫軌或沖撞的風(fēng)險。RFID很難進行歐標(biāo)SIL4的安全認(rèn)證，因此其應(yīng)用方式應(yīng)成為提高安全性的主要手段，例如多個RFID構(gòu)成一組，進行定位信息的傳輸，可以增強接收的可靠性，提高安全性；利用有源RFID進行移動授權(quán)傳輸時，也可以使用RFID組進行移動授權(quán)傳輸，例如只有所有的RFID傳送綠燈信息，才認(rèn)為信號機是綠燈等。

典型點式列控系統(tǒng)示意圖見圖6。

4.總結(jié)

基于列控系統(tǒng)本身的高可靠性和安全-故障原則，RFID系統(tǒng)不可能作為主要的列控技術(shù)解決方案，如果一定要做，成本會大幅上升，系統(tǒng)實現(xiàn)也會變得更加復(fù)雜。但在安全性較低的子系統(tǒng)或環(huán)節(jié)，完全可以采用RFID技術(shù)，以提高該子系統(tǒng)的可適用性和易維護性。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的完善，RFID技術(shù)將會在車載單元之間的互相通信、有限空間內(nèi)的列車自動識別、以及列車防撞系統(tǒng)中得到更廣泛的應(yīng)用。

[1]吳曉峰,陳大才譯.Klaus Finkenzeller.射頻識別(RFID)技術(shù)(第三版)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[2]中華人民共和國建設(shè)部.GB 50490-2009.城市軌道交通技術(shù)規(guī)范[S].2009.