李權(quán)福，張 鍇，何應(yīng)德，張世先，李華偉

(1.國能鐵路裝備有限責(zé)任公司，北京 100011) (2.北京康拓紅外技術(shù)股份有限公司，北京 100190)

鐵路列車技術(shù)檢查(簡(jiǎn)稱列檢)是列車安全通暢運(yùn)行的重要保障。隨著鐵路運(yùn)輸信息化的高速發(fā)展，我國逐步建設(shè)鐵路信息管理系統(tǒng)(train information manerger system，TIMS)，而鐵路列車車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)(automatic train information system，ATIS)是其中的重要組成部分，在鐵路運(yùn)輸管理和車輛管理方面發(fā)揮著重要的作用。ATIS要求為每一輛車都安裝無源車號(hào)標(biāo)簽，在其中記錄車輛的車號(hào)、車型、出廠信息等，是車輛的唯一、終身標(biāo)識(shí)[1-4]。

ATIS在實(shí)際使用中，未被識(shí)別的車號(hào)是由標(biāo)簽的性能不良造成的。目前主要通過人工攜帶手持AEI終端機(jī)逐一鉆到車底部手動(dòng)掃描、檢測(cè)車號(hào)標(biāo)簽的質(zhì)量狀態(tài)，這種方式可能會(huì)因檢測(cè)員的操作不當(dāng)導(dǎo)致未發(fā)現(xiàn)故障標(biāo)簽，且效率低下、勞動(dòng)強(qiáng)度大[5]。

為了解決現(xiàn)有車號(hào)標(biāo)簽檢測(cè)方法低效、檢測(cè)結(jié)果易受人為影響的問題，本文提出一種新的車號(hào)自動(dòng)檢測(cè)方法并設(shè)計(jì)了移動(dòng)式鐵路貨車無源車號(hào)電子標(biāo)簽質(zhì)量狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成定位技術(shù)、激光測(cè)距技術(shù)、車號(hào)識(shí)別技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)車號(hào)標(biāo)簽質(zhì)量狀態(tài)的檢測(cè)，將列車輛位與車號(hào)映射，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)故障標(biāo)簽。

1 自動(dòng)檢測(cè)方法設(shè)計(jì)

1.1 模型結(jié)構(gòu)

移動(dòng)式鐵路貨車無源車號(hào)電子標(biāo)簽質(zhì)量狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)主要由移動(dòng)式采集設(shè)備和控制中心組成，自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 貨車車號(hào)標(biāo)簽質(zhì)量自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖

移動(dòng)式采集設(shè)備主要由便攜式移動(dòng)車、承載路徑、驅(qū)動(dòng)裝置、射頻識(shí)別(radio frequency identification，RFID)車號(hào)閱讀器、激光距離傳感器、通訊設(shè)備、控制單元和電源組成。車體是車載的結(jié)構(gòu)體；驅(qū)動(dòng)裝置控制著車載在承載路徑上運(yùn)動(dòng)，采集運(yùn)動(dòng)里程；RFID轉(zhuǎn)閱讀器用于采集車號(hào)標(biāo)簽信息[6-7]；激光距離傳感器用于采集移動(dòng)車到所檢測(cè)列車車輛底部的距離；通訊設(shè)備橋接控制單元與控制中心，作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?；電源是車載設(shè)備上的供電裝置；控制單元是車載運(yùn)動(dòng)控制、車號(hào)信息采集、激光值采集、電源控制的中心。

控制中心是驅(qū)動(dòng)指令發(fā)送，數(shù)據(jù)分析、存儲(chǔ)，車號(hào)標(biāo)簽質(zhì)量狀態(tài)展示的終端。

1.2 工作原理及特點(diǎn)

控制中心驅(qū)動(dòng)車載采集設(shè)備完成全列車掃描，通過RFID轉(zhuǎn)閱讀器自動(dòng)采集車號(hào)標(biāo)簽數(shù)據(jù)。通過激光距離傳感器采集車輛底部結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，控制中心經(jīng)過數(shù)據(jù)分析、功能決策完成列車輛位計(jì)算及輛位與車號(hào)的映射，實(shí)現(xiàn)車號(hào)標(biāo)簽質(zhì)量狀態(tài)的自動(dòng)檢測(cè)，預(yù)報(bào)故障標(biāo)簽。

該系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)：

1)將各個(gè)采集設(shè)備都集成在車載中，便攜、易用，滿足作業(yè)生產(chǎn)線實(shí)際需求。

2)單次列檢作業(yè)時(shí)，車載采集設(shè)備可以分別以不同速度對(duì)待檢車輛進(jìn)行2次檢測(cè)，能提升檢測(cè)結(jié)果的可靠性。

3)檢修員可以準(zhǔn)確定位故障標(biāo)簽所在輛位，進(jìn)行維修，實(shí)現(xiàn)一種“人機(jī)聯(lián)檢”的作業(yè)模式，符合“全面檢，全面修”的理念。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

1)定位技術(shù)。

里程定位采用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器和計(jì)數(shù)器。該類型的編碼器可以輸出從預(yù)定義的起始位置發(fā)生的增量變化，配合計(jì)數(shù)器進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，并轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，完成里程定位，實(shí)現(xiàn)里程數(shù)據(jù)采集[8]。

2)激光測(cè)距技術(shù)。

車載兩側(cè)安裝的激光測(cè)距傳感器可以采集傳感器與車輛底部的距離，所使用的激光測(cè)距傳感器采用回波法分析原理來測(cè)量距離。傳感器通過測(cè)量發(fā)射器發(fā)射的激光脈沖與接收器接收的脈沖之間的延時(shí)，計(jì)算該時(shí)間內(nèi)激光傳播的距離[9]。

3)車號(hào)識(shí)別技術(shù)。

列車車輛上的車號(hào)標(biāo)簽和RFID閱讀器組成車號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)。閱讀器開啟射頻模塊后，通過天線發(fā)送一定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)車號(hào)標(biāo)簽的射頻卡進(jìn)入發(fā)送天線的工作區(qū)域時(shí)會(huì)因產(chǎn)生感應(yīng)電流被激活，從而將自身編碼信息通過內(nèi)置天線發(fā)送出去；閱讀器接收到信號(hào)后進(jìn)行解調(diào)和解碼得到車號(hào)信息，并通過串口向外傳輸數(shù)據(jù)[5]。天線沿軌道縱向向上發(fā)射夾角為120°的微波信號(hào)，形成長(zhǎng)度不小于2.4 m的微波區(qū)域；每個(gè)車號(hào)標(biāo)簽要求接收到不小于3幀信息即可完成一個(gè)標(biāo)簽信息的讀取，每幀信息接收時(shí)間約為12.8 ms[10]。由此可知，單次檢測(cè)可以多次讀取標(biāo)簽信息。車號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)共有4個(gè)狀態(tài)，包括自檢狀態(tài)、待機(jī)狀態(tài)、車號(hào)識(shí)別狀態(tài)和數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，默認(rèn)處于待機(jī)狀態(tài)[11]。

1.4 方法流程

貨車車號(hào)標(biāo)簽質(zhì)量狀態(tài)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)作業(yè)流程包括準(zhǔn)備、檢測(cè)、決策、結(jié)束4個(gè)階段，如圖2所示。

圖2 標(biāo)簽質(zhì)量狀態(tài)自動(dòng)檢測(cè)方法作業(yè)流程圖

1)準(zhǔn)備階段：將車載設(shè)備放置在承載路徑的零點(diǎn)位置并開機(jī)，測(cè)距激光進(jìn)入工作狀態(tài)，RFID閱讀器進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

2)檢測(cè)階段：從控制中心的終端平臺(tái)發(fā)送驅(qū)動(dòng)指令，車載接收到驅(qū)動(dòng)指令后，開啟RFID閱讀器射頻模塊，車載運(yùn)動(dòng)過程中，采集激光距、里程數(shù)據(jù)組和車號(hào)信息，車載停止后，關(guān)閉RFID閱讀器射頻模塊并將采集的數(shù)據(jù)上傳至控制中心。控制中心服務(wù)器上的程序經(jīng)過計(jì)軸計(jì)輛、車號(hào)信息映射完成數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)輛位與車號(hào)信息一一對(duì)應(yīng)，并在終端平臺(tái)上顯示；如果全列車車號(hào)信息完整，提示無標(biāo)簽故障，可結(jié)束車號(hào)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的作業(yè)流程；如果存在疑似故障車號(hào)標(biāo)簽，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入再檢測(cè)階段，自動(dòng)下發(fā)驅(qū)動(dòng)指令。

3)決策階段：車載設(shè)備只采集車號(hào)信息、里程數(shù)據(jù)組，控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，將復(fù)查的車號(hào)信息與巡航結(jié)果進(jìn)行整合，若發(fā)現(xiàn)故障標(biāo)簽，進(jìn)行故障預(yù)報(bào)，提示作業(yè)人員進(jìn)行維修。

4)結(jié)束階段：從控制中心的終端平臺(tái)下發(fā)結(jié)束指令，車載設(shè)備運(yùn)行至零點(diǎn)位置。

1.5 標(biāo)簽質(zhì)量分級(jí)

車號(hào)標(biāo)簽分級(jí)規(guī)則：根據(jù)單次檢測(cè)讀取車號(hào)標(biāo)簽的次數(shù)，對(duì)車號(hào)標(biāo)簽進(jìn)行等級(jí)評(píng)定。狀態(tài)等級(jí)共分為4個(gè)級(jí)別：未讀取到信息評(píng)為故障，讀取1次評(píng)為差，讀取2次評(píng)為良，讀取3次及以上評(píng)為優(yōu)。檢修員可以根據(jù)作業(yè)時(shí)間選擇是否對(duì)評(píng)分差的標(biāo)簽進(jìn)行維修。

2 標(biāo)簽質(zhì)量狀態(tài)自動(dòng)檢測(cè)試驗(yàn)

為驗(yàn)證本文所提的車號(hào)標(biāo)簽質(zhì)量狀態(tài)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的功能及性能，研究人員通過搭建模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。

1)測(cè)試環(huán)境：①標(biāo)準(zhǔn)鐵路線路150 m；②測(cè)試車輛10輛；③9塊鐵路車輛無源標(biāo)簽，其中6塊標(biāo)簽質(zhì)量為優(yōu)，2塊標(biāo)簽質(zhì)量為良，1塊標(biāo)簽質(zhì)量為差，標(biāo)簽質(zhì)量經(jīng)過列檢手持機(jī)系統(tǒng)[12]提前人工逐一確認(rèn)；④貨車車號(hào)標(biāo)簽質(zhì)量狀態(tài)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)一套。

2)測(cè)試方法及流程：①提前把不同質(zhì)量狀態(tài)的車號(hào)標(biāo)簽分別安裝在車輛底部的標(biāo)簽卡槽內(nèi)，標(biāo)簽部署方案見表1，共計(jì)10種標(biāo)簽安裝情況，其中，空表示該輛車無標(biāo)簽；②每種標(biāo)簽安裝情況進(jìn)行10次試驗(yàn)；③每次試驗(yàn)進(jìn)行2次標(biāo)簽質(zhì)量狀態(tài)自動(dòng)檢測(cè)，第一次為巡航檢測(cè)，測(cè)試速度設(shè)定為4 m/s，第二次為復(fù)查檢測(cè)，測(cè)試速度設(shè)定為3 m/s；④比對(duì)本系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)的結(jié)果與試驗(yàn)預(yù)設(shè)的結(jié)果，計(jì)算正確檢測(cè)率。

表1 車號(hào)標(biāo)簽部署方案

3)測(cè)試結(jié)果。

表2所示為在第5種標(biāo)簽安裝方式第10次試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果，檢測(cè)次數(shù)包括巡航檢測(cè)和復(fù)查檢測(cè)，均為2次。

表2 安裝方式5第10次試驗(yàn)車號(hào)標(biāo)簽質(zhì)量狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果輸出表

從表2可以看出，所得結(jié)果符合預(yù)期，能精準(zhǔn)定位出第5輛車車號(hào)標(biāo)簽故障，檢測(cè)出第2輛車號(hào)標(biāo)簽質(zhì)量狀態(tài)差。

100次測(cè)試中，車號(hào)標(biāo)簽質(zhì)量狀態(tài)正確檢測(cè)率見表3。

表3 車號(hào)標(biāo)簽質(zhì)量狀態(tài)正確檢測(cè)率統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)束語

測(cè)試結(jié)果證明貨車車號(hào)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)車號(hào)標(biāo)簽質(zhì)量狀態(tài)的自動(dòng)檢測(cè)，通過對(duì)車號(hào)標(biāo)簽的等級(jí)評(píng)定為檢修員提供維修參考。隨著貨車檢修智能化的不斷提升，該系統(tǒng)可以完全取代人工進(jìn)行車號(hào)的采集和檢測(cè)工作，在提升車號(hào)檢測(cè)效率的同時(shí)，也保障了工作人員的人身安全。同時(shí)該系統(tǒng)也是建立“一車一庫”管理機(jī)制的基礎(chǔ)，將收集的所有列車數(shù)據(jù)信息綁定對(duì)應(yīng)的車輛ID，形成列車歷史數(shù)據(jù)可追溯，從而為列車的安全生產(chǎn)與運(yùn)行提供有利保障。

隨著智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的貨車檢測(cè)故障的不斷積累，系統(tǒng)的巡檢效率會(huì)進(jìn)一步提高。同時(shí)建立“一車一庫”的管理機(jī)制，與其他系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)綁定車輛ID，所有歷史數(shù)據(jù)可追溯。最終實(shí)現(xiàn)貨車巡檢機(jī)器人取代人工進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)貨車運(yùn)行質(zhì)量全面的自動(dòng)檢測(cè)，確保列車安全、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行，適應(yīng)鐵路發(fā)展的需要。