周游 凌烈鵬 時佳斌 王智超

（中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

隨著我國鐵路的快速發(fā)展，對鐵路工務基礎設施的安全以及工作狀態(tài)提出了更高的要求［1］。線路扣件是連接鋼軌和軌枕的重要連接部件，若有松動或缺失會對線路的穩(wěn)定性造成影響，批量的扣件失效甚至會造成嚴重的安全隱患［2］。巡道工會對線路扣件進行人工定期巡檢，但這種檢測方式存在以下不足：①人工檢測只能目測扣件是否丟失、傷損，很難檢查扣件壓力失效程度；②人工檢測花費的時間較長，檢驗效率低，且勞動強度大，隨機性較高；③工人上線檢測，存在人員發(fā)生安全事故的風險；④鐵路扣件數(shù)量龐大，巡檢結(jié)果無法進行精細的標識定位和統(tǒng)計分析，不能追溯扣件狀態(tài)變化，也不能為線路精細化管理提供大數(shù)據(jù)支撐。因此，要保證線路扣件安全，僅靠人工檢測遠遠滿足不了要求。

目前，我國鐵路應用的自動檢測系統(tǒng)主要采用有線網(wǎng)絡，需要沿鐵路布置大量的電源線和數(shù)據(jù)線，其高昂的建設成本制約了檢測系統(tǒng)的大面積部署。此外，在山區(qū)、峽谷、凍土等條件艱苦地帶和人煙稀少地段，其建設難以滿足有線網(wǎng)絡正常工作的要求，會造成安全隱患和大量維護成本的投入［3］。

基于RFID技術的扣件緊固狀態(tài)檢測系統(tǒng)，通過運用無線射頻識別技術可實現(xiàn)能量和信息的傳遞，使傳感器擺脫了“線”的束縛，讓數(shù)據(jù)匯聚的方式更為靈活。緊固狀態(tài)傳感器的開發(fā)和應用，將緊固狀態(tài)完全數(shù)字量化，可實現(xiàn)狀態(tài)量化和追溯統(tǒng)計，為精細化管理提供技術手段。該檢測方式可大幅提升對扣件緊固狀態(tài)的檢測效率，量化扣件緊固狀態(tài)，保障檢測準確率，且建設和維護成本較低，可為長期運營安全性提供保障。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

RFID技術是一種利用自由空間進行非接觸式自動識別的技術，具有識別便捷、讀取速度快、動態(tài)實時射頻通信、安全性高的優(yōu)點，非常符合當下扣件緊固狀態(tài)檢測系統(tǒng)的需要［4］。目前在鐵路系統(tǒng)中主要用于車號的識別，未見用于壓力、溫度等物理環(huán)境狀態(tài)檢測。但在其他領域中，Vyas等［5］通過設計陣列天線收集來自6.3 km外的東京電視塔發(fā)射的電磁波，為其溫度傳感標簽提供穩(wěn)定工作電壓，其靈敏度最高可達14.6 dBm；劉茂旭［6］設計的電容式加速度傳感器芯片的射頻模擬前端，總功耗約為7 μW；蘇圓圓等［7］設計了用于混凝土監(jiān)測的射頻濕度傳感器標簽，其濕度測量結(jié)果在10%～70%區(qū)間具有良好的線性度，且最遠通信距離為50 cm。

上述文獻研究的無線傳輸距離較近，只能在特定場合使用，無法滿足鐵路移動檢測的需要。

2 系統(tǒng)設計方案

基于RFID技術的扣件緊固狀態(tài)檢測系統(tǒng)由扣件緊固狀態(tài)傳感器、射頻天線、讀出器和軟件管理平臺構(gòu)成（圖 1）。其中，GSM-R（Global System of Mobile Communications-Railway）為鐵路綜合數(shù)字移動的通信系統(tǒng)，LTE（Long Term Evolation）為通用移動通信技術的長期演進。每個扣件緊固狀態(tài)傳感器有唯一的ID編號進行身份標識，將扣件螺栓安裝在軌道上可對扣件的緊固狀態(tài)進行感知采集和傳輸。射頻天線用于接收和發(fā)送射頻載波以完成射頻通信。讀出器分為車載式讀出器和便攜式讀出器。車載式讀出器通過天線和智能扣件進行數(shù)據(jù)交互，從而獲取智能扣件的ID編號并感知采集軌道扣件的緊固狀態(tài)。便攜式讀出器自帶天線，功能和車載式讀出器一樣，能與智能緊固件進行無線交互。軟件管理平臺對采集的數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)實際情況生成相應的報表和報警信息。

圖1 扣件緊固狀態(tài)檢測系統(tǒng)

通過自動激活天線工作范圍內(nèi)的扣件緊固狀態(tài)傳感器，完成對軌道扣件緊固狀態(tài)的感知采集和數(shù)據(jù)從地到車的傳輸工作。采集的信息通過網(wǎng)絡傳送至軟件管理平臺，系統(tǒng)自動對信息進行分析并生成報告。

2.1 供能傳輸方案

不同RFID應用頻率特征見表1［8］?？芍?，超高頻的RFID的抗干擾性和讀寫距離較有優(yōu)勢，基本可以滿足鐵路現(xiàn)場的電磁干擾和移動檢測的需要，因此本文研究選用超高頻的RFID。

表1 不同RFID應用頻率特征 MHz

2.2 緊固狀態(tài)傳感器方案

根據(jù)RFID傳感器是否需要外界供電進行分類，可以將傳感器分為無源、有源和半無源，不同供電方案的工作特點見表2。為了確保鐵路運輸安全，在現(xiàn)有電池技術條件下，本文選用無源傳感器方案。

表2 不同供電方案的工作特點

為了實現(xiàn)對扣件緊固狀態(tài)的測量，扣件緊固狀態(tài)傳感器（圖2）主要包括2部分：①金屬（測力）墊圈，其內(nèi)置了壓力傳感器，能夠測量通過墊圈扣壓到彈條上的扣壓力，不同扣件扣壓力設計值見表3。根據(jù)其扣件扣壓力要求，將壓力傳感器量程設定為0～20 kN，2進制存儲采用12位的存儲器，分辨率控制在5 N。②附耳腔，其內(nèi)置了RFID的感應天線及壓力傳感器采集處理裝置，可以接受和傳遞無線射頻，通過射頻技術向壓力傳感器提供電能，并對相應的扣壓力進行采集處理。

圖2 扣件緊固狀態(tài)傳感器

表3 不同扣件扣壓力設計值

2.3 檢測采集方案

目前，國內(nèi)鐵路軌道相鄰枕扣件距離在0.5～0.7 m，同一承軌槽鋼軌內(nèi)外扣件距離在0.25 m左右，同一軌枕鋼軌內(nèi)側(cè)扣件距離在1.3 m左右（圖3（a））。根據(jù)《鐵路技術管理規(guī)程（普速鐵路部分）》［9］和《鐵路技術管理規(guī)程（高速鐵路部分）》［10］中關于車輛車體彈簧承載部分限界為350 mm的規(guī)定，初步將車載天線垂直激勵范圍H控制在500 mm，將天線運動方向激勵范圍D設為500 mm（圖3（b））。基于RFID技術的扣件緊固狀態(tài)檢測系統(tǒng)，根據(jù)不同的應用場景設計了2種檢測采集方案，分別為便攜式和車載式。便攜式讀出器集成了射頻天線，僅需人工靠近扣件并激勵即可讀取相應的扣壓力。車載式讀出器需要外界大功率的射頻天線，當射頻天線通過扣件上方時，其500 mm范圍內(nèi)的扣件將被激勵，天線可采集相應的扣壓力。通過優(yōu)化扣件緊固狀態(tài)傳感器RFID感應天線，可基本實現(xiàn)20 km/h的移動檢測。

圖3 車載檢測系統(tǒng)位置示意

2.4 檢測信息管理方案

檢測信息的管理基于云平臺的系統(tǒng)架構(gòu)設計。檢測信息包括傳感器ID信息、扣壓力等。讀出器采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)后實時上傳至云服務器，云服務器上的檢測系統(tǒng)根據(jù)接收到的報文進行分析并登記，按設定的報警方式實時推送給相關人員。工區(qū)人員可將確認信息、處理信息等上報給云服務器，實現(xiàn)對報警的閉環(huán)管理。檢測信息處理流程見圖4。檢測系統(tǒng)根據(jù)管轄范圍設立4級監(jiān)控，分別為路局、工務段、車間和工區(qū)。不同等級用戶設置對應的查詢、統(tǒng)計等權限。

圖4 檢測信息處理流程

3 數(shù)據(jù)處理方法

系統(tǒng)通過對讀出器采集的扣壓力進行計算和分析，提供養(yǎng)護維修、更換扣件的報警和建議。數(shù)據(jù)計算處理過程如下：①根據(jù)扣件緊固狀態(tài)傳感器ID信息，將扣壓力按里程信息建立線性關系；②根據(jù)檢測時間，將上述線性關系拓展為面陣；③分析對應面陣范圍內(nèi)相鄰點的變化率，得出其變化云圖；④對扣壓力數(shù)值超限和變化率超限進行評估，如存在扣件松弛風險則推送相應報警信息。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)功能及技術指標

基于上述設計方案試制樣品，樣品傳感器組裝如圖5所示。在室內(nèi)對傳感器扣壓力讀取值和實際值進行測試，扣件緊固狀態(tài)壓力傳感器扣壓力讀取值與實際值擬合曲線見圖6?？芍?，二者在0～20 kN的量程內(nèi)呈明顯的線性相關，相關系數(shù)大于0.99，表明扣件緊固狀態(tài)傳感器可靠性強。

圖5 傳感器組裝

圖6 扣件緊固狀態(tài)壓力傳感器扣壓力讀取值與實際值擬合曲線

圖7 室外樣品測試

室外樣品測試見圖7。在試驗軌道上安裝扣件緊固狀態(tài)傳感器。采用便攜式讀出器時，可讀取距離便攜式讀出器天線200 mm內(nèi)的扣壓力；采用車載式讀出器時，可讀取距離車載天線500 mm內(nèi)的扣壓力。測試車載式讀出器系統(tǒng)響應時間，當車載天線距離扣件緊固狀態(tài)傳感器500 mm時，車載式讀出器可實現(xiàn)的采樣間隔在17～20 ms。當車載式讀出器以20 km/h移動時，扣件緊固狀態(tài)傳感器處于車載天線激勵范圍下約90ms。通過現(xiàn)場試驗，車載式讀出器可在20km/h的速度下穩(wěn)定地讀取對應扣件緊固狀態(tài)傳感器的扣壓力。

扣件緊固狀態(tài)檢測系統(tǒng)可實現(xiàn)以下功能：采用車載移動讀取和人工便攜式讀取2種檢測方式；車載天線可在20 km/h的速度范圍內(nèi)對扣件緊固狀態(tài)進行檢測；扣件緊固狀態(tài)傳感器可實現(xiàn)量程0～20 kN、精度5 N的扣壓力測量；報警信息可多級發(fā)布，集成管理，遠程訪問，提供web網(wǎng)頁、手機APP訪問手段。

5 結(jié)語

本文提出了一種基于RFID技術的扣件緊固狀態(tài)檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用無源化設計，傳感器現(xiàn)場應用無需布置電源線和數(shù)據(jù)線，安裝簡便，檢測速度快，檢測精度高。通過拓展研究，該系統(tǒng)可應用于鐵路沿線工務工程連續(xù)點式分布或間斷點式分布檢測項目，為工務工程無線（無源）檢測技術提供借鑒和支持。