方伯芃，崔炳謀

（蘭州交通大學 交通運輸學院，甘肅 蘭州 730070）

我國鐵路車號識別系統(tǒng)的應用已有近10年的歷史，主要使用于跟蹤列車編組，也有與電子軌道衡、車輛安全檢測設備配套使用，但是他們的共同特點是以列車為單元提供報文，必須滿足至少以下幾個條件：

（1）保證列車在通過系統(tǒng)時，所有車輛運動速度必須相差不多；

（2）列車在通過系統(tǒng)時，必須擁有固定的行駛方向；

（3）列車與列車之間，至少間隔一定時間（此時間用于判斷是否列車已經通過系統(tǒng)）。

傳統(tǒng)車號識別系統(tǒng)主要應用于上述條件下的路局間分界口或大站的出入口。而在編組站中，由于列車的運行及其不規(guī)律，可能存在如下一種或是同時存在如下多種情況：

（1）加速運動：整列列車通過識別系統(tǒng)時，車速越來越快；

（2）減速運動：整列列車通過識別系統(tǒng)時，車速越來越慢，甚至列車還未全部通過系統(tǒng)，速度就減為零并停在識別系統(tǒng)上；

（3）往復運動：列車左右往復運動；

（4）停止在車號識別系統(tǒng)上很長一段時間后繼續(xù)運動，等等。

在編組站這種如此復雜的條件下，過去的車號識別系統(tǒng)無法準確識別車號。所以，以前的AEI系統(tǒng)無法用于編組站中，更不能將其用于車站調車系統(tǒng)或出發(fā)場車號員的核對現車。

本系統(tǒng)對傳統(tǒng)AEI進行改進，通過使用電子標簽、RF射頻裝置、天線、車輪傳感器、讀出主機、紅外發(fā)生器/紅外接收器、壓力傳感器等設備，并設計車號識別算法，實現在復雜情況下，對車號的準確識別。

1 傳統(tǒng)車號識別系統(tǒng)的研究

1.1 傳統(tǒng)車號識別系統(tǒng)結構

系統(tǒng)主要由列車車廂底部中間的電子標簽、軌道上的左開機磁鋼與右開機磁鋼、軌道上的RFID射頻器組成（如圖1所示）。

1.2 傳統(tǒng)車號識別系統(tǒng)工作原理主要有4個步驟[1-3]

（1）檢測來車，并開啟射頻裝置：列車進入AB區(qū)段后，車軸觸碰開機磁鋼，將整個系統(tǒng)初始化，初始化變量、參數等；同時啟動RFID射頻模塊裝置，RFID裝置通過天線向指定的探測區(qū)域發(fā)射微波信號。與此同時RFID射頻堆棧開始接受RFID射頻器發(fā)送來的數據。

（2）RFID射頻堆棧表：當列車底部的標簽進入天線作用范圍時，地面發(fā)射的微波能量激發(fā)標簽內部電路工作，標簽內存信息通過編碼器進行編碼，然后調制在微波載波信號上，并將其反射給地面設備。天線同時接收標簽反射回來的信號，經RF射頻模塊進行信號提取、解調、放大、調整，送到讀出卡進行譯碼處理，發(fā)送到RFID射頻堆棧表中。

（3）關閉RFID射頻裝置：當在Tmax時間內RFID射頻器未接受標簽數據后，自動關閉。

（4）判斷列車通過，判斷列車車號順序：當RFID射頻器關閉后，系統(tǒng)開始分析數據，RFID堆棧表中的數據為列車順序，開機磁鋼接受到電頻的先后順序為列車行駛方向。

傳統(tǒng)車號識別系統(tǒng)主要用于路局間分界口或大站的出入口，因此不會發(fā)生變速、停車、中途折返、往復運動等復雜情況，但在編組站中，列車行駛復雜，傳統(tǒng)車號識別系統(tǒng)失效。

2 系統(tǒng)設備概述

編組站車號識別系統(tǒng)對電子標簽、RF射頻裝置、天線、車輪傳感器、讀出主機、紅外發(fā)生器/紅外接收器、壓力傳感器等設備進行研究[4]，并建立設計方案，將以上設備進行最優(yōu)組合，實現在最少的投資和編組站復雜條件下，對車號順序的準確識別。

電子標簽：由微波天線、反射調制控制器、編碼器、微處理器和存儲器等構成。具有可讀寫功能，其中存儲器內存有車號信息和車輛技術參數信息。標簽安裝在車輛的底部中梁上，每輛車安裝一個標簽。車輛標簽本身是無源的，靠地面天線發(fā)射的微波載波信號能量供電，在微處理器的控制下，將其內存信息進行編碼反射調制，并將反射調制后的已調制信號反射回給地面天線接收。

RF射頻裝置：本裝置的功能是產生微波信號和接收處理標簽反射回的已調制微波信號并解調出數據信號。當RF射頻裝置接收到讀出主機下達的命令后，開啟天線，通過天線向外界發(fā)射微波信號，同時接收天線返回帶有標簽數據信息的已調信號，經放大、濾波、解調，然后送到讀出主機的標簽信號采集板進行下一步的處理。

天線：天線是用來發(fā)射微波信號和接收處理標簽反射回的已調制微波信號的設備。通過同軸電纜與RF射頻裝置傳輸微波信號。天線也是密封的，并有護罩保護。

車輪傳感：車輪傳感器又稱磁鋼，是采集車輪信號的傳感器，當車輪從其上經過時產生先正后負的脈沖信號，脈沖信號通過電纜引入讀出主機，最后由磁鋼板進行處理。開關門磁鋼負責計軸、計輛、測速和標簽定位，根據車輪通過兩磁鋼的時間來計算出軸距、軸數、車速等參數。

3 技術方案

編組站車號識別系統(tǒng)是在傳統(tǒng)車號識別系統(tǒng)的基礎上進行改進，并結合車號識別算法進行車號的準確識別。

3.1 傳統(tǒng)車號識別系統(tǒng)應用編組站中的不足

編組站與大站的出入口的不同之處在于編組站內車輛行駛的復雜性，現設有5節(jié)車廂的列車為：at-q-m-x行駛方向從左向右，其中x為車頭，a為車尾，傳統(tǒng)車號識別系統(tǒng)應用編組站中主要有以下3點不足：

（1）大站的出入口：列車中所有車輛在通過某點時保持幾乎相同的運動速度。

編組站：列車中每列車輛通過某一點的速度可能不相等。

不足點：由于RFID射頻器在工作時是按一定的時間向外部發(fā)送脈沖信號，而速度的不規(guī)律導致RFID堆棧表中記錄車號的次數不相同。如：列車做減速運動，x車廂經過RFID時速度是q車廂的2倍，則x車廂經過RFID的時間是q車廂的一半，這導致RFID堆棧表中x車的記錄只有q車記錄的二分之一。

（2）大站的出入口：整個列車不會出現停車再開車現象。

編組站：列車可能隨時停車，再開車，再停車[5]。

不足點：列車在系統(tǒng)上停車過久，RFID射頻器在規(guī)定時間內掃描不到電子標簽，導致射頻器關機，此后列車開動后，后面經過射頻器的列車無法被掃描，出現射頻器掃描丟車現象。（3）大站的出入口：整個列車保持同一方向運行，而不會變向。編組站：列車可能出現變向情況。

不足點：列車的往復運動會導致系統(tǒng)判向出錯。如：列車從左向右行駛，但未全部通過RFID射頻裝置就停下了，RFID射頻器在規(guī)定時間內掃描不到電子標簽，導致射頻器關機，系統(tǒng)認為此次判向結束，此后列車又從右向左退回去，這時，判向為列車從左向右行駛。

3.2 編組站車號識別系統(tǒng)構造（如圖2所示）

在AB區(qū)段上添加軌道電路，通過軌道電路來開啟關閉RFID射頻器。若AB區(qū)段無法使用軌道電路，則在AB區(qū)段加入紅外發(fā)生器/紅外接收器設備，進行檢測AB區(qū)間是否存在列車。并通過紅外發(fā)生器/紅外接收器設備來開啟關閉RFID射頻器。

3.3 編組站車號識別系統(tǒng)工作原理5個步驟

（1）檢測來車，并開啟射頻裝置：列車進入AB區(qū)段時，車輛壓入軌道電路，以軌道亮紅作為信號，將系統(tǒng)初始化，初始化變量、參數等；同時啟動RF射頻模塊裝置工作，通過天線向指定的探測區(qū)域發(fā)射微波信號。RFID射頻堆棧，磁鋼堆棧接受RFID射頻器與磁鋼發(fā)送來的數據。

（2）磁鋼堆棧表：當車軸壓入左右磁鋼后，磁鋼接受到信號，并將其發(fā)送到磁鋼堆棧表中。

（3）RFID射頻堆棧表：當列車底部的標簽進入天線作用范圍時，地面發(fā)射的微波能量激發(fā)標簽內部電路工作，標簽內存信息通過編碼器進行編碼，然后調制在微波載波信號上，并將其反射給地面設備。天線同時接收標簽反射回來的信號，經RF射頻模塊進行信號提取、解調、放大、調整，送到讀出卡進行譯碼處理，發(fā)送到RFID射頻堆棧表中。

（4）關閉RFID射頻裝置：等所有列車離開區(qū)段AB，即區(qū)段AB的軌道電路關閉后（或是紅外探測器無法檢測到AB區(qū)間有列車），關閉RFID射頻器，此時判斷整列車通過AB區(qū)段。

（5）判斷列車通過，判斷列車車號順序：當RFID射頻器關閉后，開始通過車號識別算法處理RFID堆棧表中的數據，得出通過的車次序列，再通過判斷堆棧底與堆棧頭的記錄是否相同，若相同則判斷列車未通過系統(tǒng)，若不同則判斷列車通過系統(tǒng)，此時通過讀取磁鋼堆棧表中第一個數據，可判斷列車行駛方向。

（注：在某些編組站可能沒有軌道電路，此時使用紅外發(fā)生器/紅外接收器或使用壓力傳感器來代替。）

3.4 車號識別算法

在實際編組站中，列車的不規(guī)則行駛，會導致RFID堆棧表中記錄的不規(guī)則，主要會出現如下情況：

（1）由于RFID射頻器在工作時是按一定的時間向外部發(fā)送脈沖信號，這導致不同速度的車廂通過RFID射頻器掃描到的個數不一樣，設：RFID平均 10毫秒發(fā)出一次射頻進行掃描掃描，x車廂通過RFID裝置的時間是25毫秒，則掃描x車廂的次數為2次，RFID堆棧表中x記錄為2，m車廂通過RFID裝置的時間是65毫秒，則掃描m車廂的次數為6次，RFID堆棧表中m記錄為6，即RFID堆棧表為：xxmmmmmm；

（2）由于在實際編組站中，列車可能會有往復運動，如：5節(jié)車廂的列車：a-t-q-m-x從左向右通過系統(tǒng)，x車廂在通過RFID射頻器時被掃描5次，RFID堆棧表為：xxxxx；m車廂在通過RFID射頻器時被掃描3次，RFID堆棧表為：xxxxxmmm；此時列車停止一段時間，又從右向左開，這時剛通過RFID射頻器的m車廂又通過RFID射頻器，并被掃描2次，此時RFID堆棧表為：xxxxxmmmmm；接著x車廂從右向左通過了RFID射頻器時被掃描1次，RFID堆棧表為：xxxxxmmmmmx。

將RFID堆棧表中不規(guī)則的數據規(guī)則化，并通過規(guī)則的數據分析出列車序號就是車號識別算法。

3.4.1 車號識別算法流程圖（如圖3所示）

3.4.2 車號識別算法核心部分（略）

3.5 系統(tǒng)流程圖（如圖4所示）

3.6 結論與展望

3.6.1 仿真結果

（1）列車xmqta從左向右通過系統(tǒng)（如圖5～6所示）。

（2）列車xmqta從左向右，中途折返未通過系統(tǒng)（如圖7～8所示）。

3.6.2 預期能達到的目標，可期望的創(chuàng)新結果

本選題預期達到各個編組站實現自動化車號識別，解決編組站所存在的勞動強度大、核對時間長、容易出差錯等弊病，減輕編組站工作人員勞動強度，提高工作效率。創(chuàng)新將推動國內編組站向自動化發(fā)展。

[1]李百泉，張曉方，仲銘.車號自動識別系統(tǒng)的應用與發(fā)展[J].中國鐵路，1997(3):50.

[2]于濤.車號自動識別系統(tǒng)的應用[J].哈爾濱軸承，2005(1):60.

[3]邵士媛.鐵路車號自動識別系統(tǒng)原理與應用[J].科學技術與工程，2006(13):1974.

[4]王信隆.HTK_196型鐵路車號自動識別系統(tǒng)的擴展應用[J].科技信息，2008(14):76.

[5]張寧，路紅英，張海濱,等.基于人工智能的鐵路車輛自動判別方法的研究[J].鐵道學報，2000(6):46.