◇大連科技學(xué)院交通運輸學(xué)院 鄭欣宇 毛俊 楊瀟 李怡萱 弓埔政

鐵路維修大多在夜間進行，很容易發(fā)生工具丟失的現(xiàn)象，而現(xiàn)有的鐵路工具管理方式存在效率低、清點地點有限等缺點，為了解決工具丟失的問題，我們設(shè)計了一款基于RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)的“鐵路工具實時定位系統(tǒng)”，運用RFID技術(shù)，對工具進行身份信息標(biāo)識，集所有身份信息構(gòu)成數(shù)據(jù)庫；每個工具都有獨特的電子編碼，把電子編碼輸入到RFID定位系統(tǒng)中，并在其內(nèi)部設(shè)置本路局本段的地圖數(shù)據(jù)，用于對工具進行實時追蹤和丟后定位尋找等。同時，還與移動通信模塊相結(jié)合，用以檢查工具的使用周期、使用壽命等信息，并將此信息發(fā)送到領(lǐng)用者的手機上，實現(xiàn)對鐵路現(xiàn)場作業(yè)工具的智能化、精細化管理。

目前，鐵路管理十分規(guī)范，現(xiàn)場維修作業(yè)是最薄弱的環(huán)節(jié)，因為鐵路各部門使用的維修工具各不相同，每次維修使用的工具多；作業(yè)人員素質(zhì)不同[1]；易發(fā)生工具丟失現(xiàn)象，又因為維修多在夜間進行，視線不好等，所以丟失的工具很難找回，會對鐵路運輸造成安全隱患。這就急需一種可以對維修工具進行定位的系統(tǒng)，用以及時尋回丟失工具，保證鐵路運輸安全。本文提出一種“鐵路工具實時定位系統(tǒng)”，應(yīng)用RFID技術(shù)，實現(xiàn)在工具領(lǐng)用、工具丟后追蹤、工具使用壽命等功能的智能化、精細化的鐵路作業(yè)現(xiàn)場工具管理系統(tǒng)。

1 研究背景

隨著我國鐵路運營里程不斷增加，開通的車次隨之增多，車次的速度不斷提升，導(dǎo)致鐵路信號設(shè)備的種類越來越復(fù)雜，維修工具的數(shù)量、種類增多[2]。這給鐵路工具的管理與清點帶來一定的難度。目前鐵路維修工具的管理大多靠人工清點和確認(rèn)，成本高效率低；開天窗大多是在夜間，時間有限，易發(fā)生工具丟失的現(xiàn)象，給鐵路安全帶來一定的隱患，一旦發(fā)生危險，那么導(dǎo)致的后果是不堪設(shè)想的、不可挽回的。

2 設(shè)計原理

2.1 RFID鐵路防遺失定位技術(shù)

RFID定位技術(shù)是RFID系統(tǒng)的核心，也是本文重點研究方向之一。在分析了各種定位技術(shù)后，滿足了各領(lǐng)域?qū)Χㄎ患夹g(shù)的需求，在分析了現(xiàn)存技術(shù)的優(yōu)缺點后，得出RFID定位技術(shù)是最適合用來定位工具。利用電子標(biāo)簽對鐵路夜間維護工具的標(biāo)識特性，通過改變讀寫器與標(biāo)簽之間的無線射頻通信信號強度確定工具的空間位置，最終通過測量得到工具的具體位置，避免產(chǎn)生工具丟失的現(xiàn)象。

2.2 數(shù)據(jù)庫構(gòu)建與管理

RFID系統(tǒng)既要可以顯示機器本身的狀態(tài)，也要允許操作者完成簡單、快捷的操作。要求RFID系統(tǒng)顯示短時間內(nèi)連續(xù)的作業(yè)動作，動作的穩(wěn)定性就是這種連續(xù)的穩(wěn)定動作。RFID系統(tǒng)要保證人機動作的連續(xù)，將整個系統(tǒng)進行優(yōu)化，保持用戶和機器之間的適當(dāng)配合，防止動作突然停止產(chǎn)生危害。比如在開關(guān)機器時，開啟時間和停止時間的位置一定要保持穩(wěn)定，不然會打亂整個工作計劃?，F(xiàn)有的工具清點系統(tǒng)多種多樣，不同的系統(tǒng)可以適用于不同的設(shè)備，展示出來的動作狀態(tài)也各不相同。人體方向性特點會使人的動作具有適應(yīng)性，RFID清點功能要使用戶和機器的動作相互配合，要對每一個動作進行研究和分析，集于數(shù)據(jù)庫中。

2.3 硬件設(shè)計

把RFID技術(shù)融合到手持式的WinCE移動設(shè)備中，可以方便、快捷地清理查點夜間施工前后的維修工具數(shù)量，整個過程是自動進行的，不需要工作人員參與其中。經(jīng)過該系統(tǒng)的清點，可以保證夜間施工前后所用的工具數(shù)量一致，當(dāng)歸還到工具箱中的工具與出庫的工具數(shù)量不一致時，系統(tǒng)就會發(fā)出報警提示，提醒維護作業(yè)人員缺少工具的數(shù)量和種類等，避免將工具遺漏在鐵路上，留下安全隱患。在鐵路夜間施工工具管理的作業(yè)流程中加入超高頻RFID非接觸自動識別技術(shù)[3]，以此來完善鐵路夜間施工管理的方法，促使管理水平的升級。

2.4 研究方法

電子標(biāo)簽是由耦合元件及芯片共同組成；讀寫器主要由邏輯控制單元和射頻接口組成，主要用來對電子標(biāo)簽中的信息進行讀取或?qū)懭隱4]，讀寫器與主機相連，實時傳輸數(shù)據(jù)給主機并接收主機發(fā)來的命令；天線有近場工作模式和遠場工作模式兩種，通過控制電流來改變讀寫器天線的磁場強弱，用來傳遞標(biāo)簽和讀寫器之間的信號。標(biāo)簽、讀寫器和天線這三大部分共同組成了RFID技術(shù)。信號傳遞結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 標(biāo)簽的基本結(jié)構(gòu)圖

在無線傳輸?shù)倪^程中信號中的能量會隨傳輸距離的增加逐漸被削減，測量定位節(jié)點到參考節(jié)點的無線傳輸電信號強度，然后把電信號轉(zhuǎn)換為信號傳輸距離，再根據(jù)常態(tài)分布模型（logdistance distribution）構(gòu)建幾何模型方程，求解該方程得到丟失工具的具體位置坐標(biāo)，本節(jié)主要介紹RSSI測距法和三角質(zhì)心定位法。根據(jù)信號強度指示測量距離，傳播距離和強度成反比關(guān)系，符合對數(shù)-常態(tài)分布的數(shù)學(xué)模型如式（1）。

設(shè)信號的強度為A，則通過式（2），

將式（2）代入式（1）中，得到式（3）。

參考節(jié)點通過無線傳輸方式把電信號發(fā)送到定位節(jié)點中，可以測量出被測位置的信號強度指示值，信號強度A、信號和減因子n可以表明當(dāng)前環(huán)境的狀態(tài)，通過確定環(huán)境狀態(tài)也可以確定數(shù)值大小。所以如果已知信號強度的大小和環(huán)境參數(shù)，就可以利用公式（3）計算定位節(jié)點和參考節(jié)點的信號傳輸距離。

三角質(zhì)心定位法參考節(jié)點a、b、c是在坐標(biāo)系中3個節(jié)點，其所處位置坐標(biāo)分別為，（xa,ya）、（xb,yb）和（xc,yc）。需要定位的節(jié)點M（x,y）到三個參考節(jié)點的距離分別為da,db,dc，以這三個距離為半徑畫圓，則這三個圓有一個共同的交點，定為M點，根據(jù)圓心坐標(biāo)和半徑的關(guān)系進行計算，可以得出式（4）。

基于WinCE嵌入式管理系統(tǒng)把移動計算平臺作為最基本的模塊，可已更新的的32位嵌入式操作系統(tǒng)，它具有極好的圖形用戶界面。其中CE中的C代表袖珍（Compact）、消費（Consumer）、通信能力（Connectivit）和伴侶（Companion）；E代表電子產(chǎn)品（Electronics）。

2.5 創(chuàng)新特色

由于鐵路情況的特殊性，減少因工具遺失而產(chǎn)生的問題，靠人力清點工具成本高效率低，此方式已不再適用。鐵路運輸一旦發(fā)生事故就是無法挽回的，所以在任何細小的方面都要做到極致，保證絕對的安全。本系統(tǒng)借助智能技術(shù)，實現(xiàn)對鐵路維護工具的智能化管理，運用RFID技術(shù)對每個工具進行身份信息標(biāo)識；另外，我們?yōu)楣ぞ咴O(shè)置使用周期，對鐵路工具使用狀況進行實時監(jiān)管。通過這樣的信息管理，將工具的借用信息，人員的登陸信息，工具的壽命等輸入到該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入模塊中，達到對鐵路工具的智能化精細管理。RFID在一些特定的領(lǐng)域中已經(jīng)可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的通信和識別技術(shù)，使信號的傳輸不易受到外界環(huán)境的干擾，使其更加的可靠。且RFID的標(biāo)簽具有耐久性、高效性、穿透性、容量大、可進行加密、可自行更改的優(yōu)點，與傳統(tǒng)的標(biāo)簽相比較，成本低、使用時間長。

3 應(yīng)用前景

本次設(shè)計的“鐵路工具防遺失實時定位顯示系統(tǒng)”是為防止鐵路維護工具遺失而造成安全隱患所研究，通過該系統(tǒng)可以有效清點夜間維護工具并實時定位該工具的位置。

RFID技術(shù)被認(rèn)為是最具有發(fā)展前景的信息技術(shù)之一，它所涉及的領(lǐng)域十分廣泛。RFID技術(shù)在各國發(fā)展都十分迅速，近年來，國內(nèi)的無線射頻技術(shù)已經(jīng)廣泛運用到零售、物流、服裝、制造、醫(yī)療、軍事、航空等領(lǐng)域；在鐵路上，RFID技術(shù)也被運用在購票、身份信息標(biāo)識、車次號的顯示和票證管理等方面。隨著人們的生活質(zhì)量日益提高，人們對定位服務(wù)的需求飛速增加，對定位信息的要求也越來越高，人們通過定位技術(shù)獲取各種實時定位信息的方法也越來越便捷。對于鐵路而言，該系統(tǒng)的設(shè)計，大大降低了工具遺失對鐵路安全的威脅，為鐵路運輸和人民的生命財產(chǎn)安全提供了更大的保障，在一定程度上為作業(yè)人員減少了不必要的麻煩，將人力和財力花費在更有需要的地方。

4 結(jié)束語

基于RFID技術(shù)，構(gòu)建相應(yīng)數(shù)據(jù)庫對鐵路工具進行智能化管理，可以減少因丟失產(chǎn)生的損失及安全隱患，此系統(tǒng)也可應(yīng)用于其他定位方面，具有很大的發(fā)展前景；對于系統(tǒng)的不足，我們也會不斷的發(fā)現(xiàn)并改進。