陳國(guó)輝 上海鐵路局科研所

基于RFID技術(shù)的軌道巡檢病害精確定位系統(tǒng)研究

陳國(guó)輝 上海鐵路局科研所

系統(tǒng)采用RFID無(wú)線射頻技術(shù)輔助提高巡檢列車(chē)病害精確定位,是對(duì)現(xiàn)有定位技術(shù)(如GPS、編碼器GYK)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，解決累計(jì)誤差，對(duì)定位精度的補(bǔ)充和提高。是一套完整的由電子標(biāo)簽閱讀器、機(jī)械支架、標(biāo)簽里程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、里程定位采集、修正軟件組成的車(chē)載軌道故障精確定位裝置。在軌道巡檢實(shí)時(shí)維護(hù)檢測(cè)中，能提升定位病害的精度。

RFID無(wú)線射頻技術(shù)；電子標(biāo)簽；軌道巡檢

1 概述

中國(guó)鐵路已進(jìn)入高速時(shí)代，為確保高速鐵路安全有效運(yùn)行，提高尋找病害、消除病害的效率，成為鐵路日常檢測(cè)所需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。鐵路檢測(cè)設(shè)備已經(jīng)由單項(xiàng)檢測(cè)發(fā)展到綜合檢測(cè)，由靜態(tài)檢測(cè)發(fā)展到動(dòng)態(tài)檢測(cè)，由接觸式檢測(cè)發(fā)展到非接觸式檢測(cè)，由低速運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)發(fā)展到高速運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)。然而目前的車(chē)載高速檢測(cè)系統(tǒng)普遍有所不足，缺陷位置的定位精度問(wèn)題，采用傳統(tǒng)的定位方式，存在一定的誤差，然而天窗修時(shí)間有限，對(duì)缺陷進(jìn)行人工復(fù)核的時(shí)候，偏差會(huì)影響到作業(yè)的效率，增加工作強(qiáng)度。因此高速檢測(cè)列車(chē)作業(yè)中，提高定位缺陷的精度，將是解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵和迫切需要所在。

RFID無(wú)線射頻技術(shù)作為一種新興的定位手段，已較廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。RFID技術(shù)在貨車(chē)跟蹤、貨車(chē)車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別等方面也早已應(yīng)用于中國(guó)鐵路，并趨于成熟。基于RFID技術(shù)的特點(diǎn)及其實(shí)際應(yīng)用的效果，采用RFID輔助實(shí)現(xiàn)高速巡檢車(chē)精確定位，能夠改善GPS定位精度不高和由于隧道、車(chē)站等存在遮擋下無(wú)法獲取定位信息的缺陷，且通用性好、適應(yīng)惡劣環(huán)境、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，使得RFID技術(shù)可以成為高速檢測(cè)列車(chē)定位的重要手段之一。

2系統(tǒng)方案及組成

2.1 里程定位裝置

裝置是巡檢列車(chē)作業(yè)中，實(shí)時(shí)精確定位，提供里程定位數(shù)據(jù)的發(fā)布平臺(tái)。軟件分為標(biāo)簽數(shù)據(jù)采集、基礎(chǔ)里程庫(kù)信息編輯、里程定位修正、軌道巡檢集成部分，硬件部分包括電子標(biāo)簽閱讀器、供電裝置、485串口卡、主控計(jì)算機(jī)等（見(jiàn)圖1）。

圖1 組成示意圖

2.2 閱讀器機(jī)械結(jié)構(gòu)

RFID標(biāo)簽閱讀器安裝機(jī)械示意如圖2所示，此機(jī)械結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、抗干擾、防水、防塵的特點(diǎn)。

圖2 閱讀器支架

綜合巡檢車(chē)上閱讀器固定在車(chē)內(nèi)兩側(cè)（見(jiàn)圖3），標(biāo)簽采用只讀、工業(yè)級(jí)、高頻標(biāo)簽，工作頻率2.45GHz,閱讀延時(shí)20 ms,識(shí)別距離 6m，識(shí)別速度最高400km/h,采用半無(wú)源標(biāo)簽，內(nèi)裝電池可以維持內(nèi)部芯片工作10年以上。

圖3 安裝位置示意圖

2.3 系統(tǒng)硬件

標(biāo)簽射頻卡（Tag）：由耦合元件及芯片組成，每個(gè)卡有唯一的電子編碼，安裝于線路旁接觸網(wǎng)線桿上。

高速閱讀器（Reader）：安裝于軌道巡檢車(chē)的車(chē)內(nèi)兩個(gè)側(cè)面，用于讀?。ㄓ袝r(shí)還可以寫(xiě)入）射頻卡信息；具有讀卡距離大、速度高、頻率高、功耗小特點(diǎn)。

讀卡速度：400km/h;

供電電源：+10VDC～+30VDC(額定+24VDC);

功率消耗：4.5W;

電流消耗：175MA@+24VDC;

射頻范圍：CW：2436.1MHz～2464.1 MHz,頻道：5-97;

跳頻擴(kuò)頻:2400～2483.5MHz;

輸出功率：10mWe.i.r.p;

串口485卡:數(shù)據(jù)讀取采用串口方式，工業(yè)級(jí)485串口卡。與閱讀器進(jìn)行實(shí)時(shí)、高頻的通訊，實(shí)現(xiàn)里程標(biāo)簽信息的采集與處理。

主控制計(jì)算機(jī)：安裝在車(chē)內(nèi)設(shè)備操作間的機(jī)柜中，存儲(chǔ)基礎(chǔ)里程數(shù)據(jù)信息和標(biāo)簽采集、里程定位修正程序。

2.4 系統(tǒng)軟件

軟件使用 MicrosoftVisualStudio 2008工具C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。485串口作為通訊接口、可編輯二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)RFID射頻閱讀器采集標(biāo)簽的唯一序列號(hào)，并比對(duì)標(biāo)簽里程數(shù)據(jù)文件中的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的里程等信息。實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前列車(chē)所經(jīng)過(guò)的“線名”、“上下行”、“公里標(biāo)”、“桿號(hào)”等信息。標(biāo)簽里程信息庫(kù)，采用可編輯的二進(jìn)制文件存儲(chǔ)。主界面如圖4所示。

軌道巡檢集成部分采用C++類(lèi)的形式進(jìn)行接口嵌入，Tag類(lèi)集成了上下行標(biāo)簽讀取、上下行判斷，標(biāo)簽里程與GYK的里程對(duì)比修正功能（見(jiàn)圖5）。

圖5 與軌道巡檢集成

2.5GDXJ-1型車(chē)載智能軌道巡檢

軌道結(jié)構(gòu)檢測(cè)（1）檢測(cè)軌道扣件脫落、嚴(yán)重歪斜。（2）檢測(cè)鋼軌表面的擦傷、剝落掉塊。

（3）檢測(cè)鋼軌表面光帶分布。

（4）檢測(cè)軌道的翻漿冒泥以及軌道板上的遺留物。

（5）檢測(cè)軌道板裂紋。

圖像的實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)：系統(tǒng)通過(guò)布置于車(chē)底的高速相機(jī)陣列，拍攝列車(chē)通過(guò)高鐵線路的整個(gè)車(chē)底下道床圖像，存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)。通過(guò)探傷車(chē)提供的里程信息、車(chē)輛速度信息、車(chē)輛編碼器信息、列車(chē)行進(jìn)方向、上下行等數(shù)據(jù)信息，拍攝列車(chē)經(jīng)過(guò)線路的軌道信息，包含軌道板裂紋、扣件的缺失甚至松動(dòng)、鋼軌表面的光帶、鋼軌的擦傷、剝落掉塊等所有可視信息，經(jīng)數(shù)字化處理后顯示于監(jiān)視器上，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)經(jīng)過(guò)的整條線路的檢測(cè)。

圖像的后期分析與處理：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后，工作人員在辦公室對(duì)采集的圖像通過(guò)人機(jī)結(jié)合的方式進(jìn)行分析，對(duì)圖像進(jìn)行分析處理。發(fā)現(xiàn)軌道板裂紋、扣件的缺失甚至松動(dòng)、鋼軌表面的光帶、鋼軌的擦傷、剝落掉塊等軌道結(jié)構(gòu)病害，進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)分析，作為線路的養(yǎng)護(hù)維修計(jì)劃制定科學(xué)的依據(jù)。

3 工作原理及精度分析

3.1 工作原理

當(dāng)閱讀器隨著巡檢車(chē)移動(dòng)到達(dá)電子標(biāo)簽附近，射頻卡進(jìn)入閱讀器的讀寫(xiě)場(chǎng)，將自身編碼等信息通過(guò)卡內(nèi)置發(fā)送天線發(fā)送出去，系統(tǒng)接收天線接收到從射頻卡發(fā)送來(lái)的載波信號(hào)，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到閱讀器，閱讀器對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼，得出卡號(hào)信息，判斷信息的有效性，并將有效的卡號(hào)信息通過(guò)RS-485接口送入車(chē)廂內(nèi)與之相連的主控制計(jì)算機(jī)?？刂朴?jì)算機(jī)得到卡號(hào)后，將卡號(hào)與預(yù)先存入控制計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比，識(shí)別出卡號(hào)對(duì)應(yīng)的里程信息，并將此信息通過(guò)RS-485串口發(fā)送給軌道巡檢系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)里程自動(dòng)校正。

3.2 精度分析

里程自動(dòng)校對(duì)系統(tǒng)的誤差來(lái)源：閱讀器的閱讀范圍引起的誤差；列車(chē)的運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的誤差。

由于列車(chē)側(cè)面部安裝條件所限，車(chē)廂側(cè)面距離安裝射頻卡的接觸網(wǎng)電桿的距離約為3.5m左右，而閱讀器能夠有效讀卡的范圍為0-6（m），當(dāng)對(duì)閱讀器設(shè)置不同的讀卡范圍時(shí)，對(duì)應(yīng)不同的橢圓曲線。在里程自動(dòng)校對(duì)系統(tǒng)中，所設(shè)置的閱讀范圍為（最遠(yuǎn)閱讀距離為6m），從上圖可估算出當(dāng)閱讀器距離接觸網(wǎng)線桿2.2m時(shí)，閱讀的范圍為±0.6m左右，即它映射到接觸網(wǎng)線桿的閱讀范圍近似為半徑0.6m的圓，在實(shí)際應(yīng)用中，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的閱讀半徑為±0.5m。可見(jiàn)，不考慮列車(chē)的運(yùn)行速度，當(dāng)閱讀器距離射頻卡（即里程牌）0.5m～0.6m時(shí)，就會(huì)進(jìn)行里程校正，即誤差為0.5m～0.6m，即系統(tǒng)會(huì)超前0.5m～0.6m;開(kāi)始進(jìn)行里程校正。而當(dāng)考慮列車(chē)行駛速度時(shí)，由于軌檢列車(chē)的開(kāi)行速度一般在50km/h～80km/h;之間，閱讀器的傳輸時(shí)間約為20ms，則在這段時(shí)間內(nèi)列車(chē)走過(guò)的距離約為0.3m，即從閱讀器讀到卡號(hào)信息到系統(tǒng)完成里程校正，列車(chē)會(huì)走過(guò)0.3m，即校正里程滯后0.3m。 如果同時(shí)考慮列車(chē)的運(yùn)行速度和閱讀器的傳輸時(shí)間，則系統(tǒng)的誤差為0.2m～0.3m。由以上分析可以看出，當(dāng)軌檢車(chē)從靜止到最高行駛速度范圍內(nèi)，本系統(tǒng)在軌檢車(chē)上的誤差范圍在0.2m～0.6m之間。

4 創(chuàng)新性及效益分析

本系統(tǒng)研制成功后，將在國(guó)內(nèi)軌道檢測(cè)方面形成新的產(chǎn)品和裝置，為相關(guān)的軌道檢測(cè)系統(tǒng)提供精確的里程和相關(guān)信息，為科學(xué)養(yǎng)護(hù)維修標(biāo)準(zhǔn)提供可靠依據(jù)。

能提升現(xiàn)有檢查系統(tǒng)的里程精確定位水平，提高檢修天窗上道人工巡檢復(fù)核效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，具有應(yīng)用前景廣闊。

圖6 工作原理圖

5 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)能解決現(xiàn)場(chǎng)遇到的新的技術(shù)難題和要求，適應(yīng)鐵路軌道檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的需要。是在現(xiàn)有定位技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，是對(duì)定位精度的補(bǔ)充和提高,可以滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。

責(zé)任編輯：萬(wàn)寶安 朱挺

來(lái)稿日期：2014-08-15