劉斐然 徐 棟 田云峰 陳萬里 尚 倫

(1. 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司城市軌道交通中心, 100081, 北京;2. 北京市軌道交通運(yùn)營管理有限公司, 100068, 北京∥第一作者, 工程師)

在城市軌道交通車輛信息化建設(shè)中,RFID(射頻識別)技術(shù)并未廣泛應(yīng)用,依然存在大量人工錄入、人工查找、人工測量、人工識別定位等工作,究其原因在于早期的RFID標(biāo)簽抗金屬能力差、外殼防護(hù)能力弱、體積大、存儲容量低,無統(tǒng)一的使用規(guī)范。而隨著科技的發(fā)展,RFID標(biāo)簽已具備很好的抗金屬能力,防護(hù)等級及使用壽命不斷增加,體積逐步縮小,存儲容量也在不斷增大。2016年我國還發(fā)布了GB/T 32829—2016《裝備檢維修過程射頻識別技術(shù)應(yīng)用規(guī)范》[1]。因此,在RFID技術(shù)領(lǐng)域,針對車輛檢修專業(yè)進(jìn)行系統(tǒng)的應(yīng)用研究,設(shè)計(jì)出對應(yīng)的管理系統(tǒng),解決現(xiàn)場“痛點(diǎn)”問題是非常必要的。

1 車輛檢修專業(yè)信息化建設(shè)現(xiàn)狀

目前,在車輛檢修專業(yè)進(jìn)行信息化建設(shè)中已基本對各個流程進(jìn)行了數(shù)字化轉(zhuǎn)型,拋棄了原有的紙質(zhì)單據(jù),但仍有大量工作需要進(jìn)行人工識別、確認(rèn)、批準(zhǔn)及記錄,無法真正實(shí)現(xiàn)自動化或半自動化,下述問題尤為明顯。

1.1 現(xiàn)場人員安全管理

車輛檢修專業(yè)人員主要在停車場和車輛段(以下簡稱“場段”)進(jìn)行工作。場段的特點(diǎn)是面積大,存在大量高壓和高空平臺、平交道等危險作業(yè)場所,并有鍋爐房、易燃品庫、物資庫、停車股道等重點(diǎn)區(qū)域。為保證安全,作業(yè)人員必須在控制中心進(jìn)行施工登記并佩戴好相應(yīng)勞動保障用品后才可進(jìn)入。目前作業(yè)人員進(jìn)入作業(yè)區(qū)域時主要通過安保人員進(jìn)行管理,在管理過程中可能出現(xiàn)人員排隊(duì)登記、非計(jì)劃中人員混入、外來人員誤入、未攜帶勞動保護(hù)用品等情況。同時因作業(yè)區(qū)域面積大、通信信號不穩(wěn)定等問題,無法第一時間知曉作業(yè)人員位置,給管理帶來不便。

1.2 物資無人值守管理

因車輛部件種類多,數(shù)量多,在物資采購、入庫、領(lǐng)用、返還、返修時需耗費(fèi)大量的人力進(jìn)行晝夜不間斷管理,而既有的物資管理系統(tǒng)很難做到無人值守,領(lǐng)用時也需逐一進(jìn)行登記,影響作業(yè)效率,較難對物資使用情況進(jìn)行追溯和分析。

1.3 工具、工裝、搶險設(shè)備動態(tài)管理

車輛檢修專業(yè)使用的工具和工裝種類多,數(shù)量多,部分工具還需要定期進(jìn)行計(jì)量檢定,一般會安排專人進(jìn)行管理,耗時耗力。在結(jié)束作業(yè)時,也可能因人員疏忽出現(xiàn)工具遺留現(xiàn)場或丟失等情況,造成安全隱患和財產(chǎn)損失。同時,車輛檢修專業(yè)往往還負(fù)責(zé)防汛、防雪及車輛復(fù)軌等搶險工作。而執(zhí)行搶險作業(yè)時,因時間緊迫,易出現(xiàn)漏拿、錯拿等問題,影響搶險效率。

1.4 走行部及車下高壓部件、線纜溫度監(jiān)控

部分運(yùn)營單位在列車回庫時,會通過人工對軸箱、牽引電機(jī)等部件進(jìn)行溫度測量,并及時對異常發(fā)熱點(diǎn)進(jìn)行檢查。部分單位還會在關(guān)鍵位置粘貼溫度貼紙,但該貼紙只能在溫度過高時記錄最高溫度,此時相應(yīng)部件往往已受損,無法及時發(fā)現(xiàn)處理問題和降低損失。

1.5 車輛部件全生命周期管理

車輛檢修專業(yè)主要對城市軌道交通列車進(jìn)行如日檢、列檢、月修、定修、架修及均衡修等計(jì)劃內(nèi)的檢查和保養(yǎng)工作,以及對各系統(tǒng)進(jìn)行故障維修工作。在此過程中,各系統(tǒng)與各部件的檢查記錄、保養(yǎng)記錄、維修記錄、使用時間、運(yùn)營公里、安裝位置及存放位置等全壽命周期履歷信息尤為重要,但在記錄履歷過程中也存在著一定困難,具體情況如下:

1) 部件級公里實(shí)時追蹤。多數(shù)計(jì)劃內(nèi)工作均與車輛運(yùn)營公里有關(guān),但隨著架修、故障修的出現(xiàn),會造成部分部件未在原有列車上使用,造成該部件的運(yùn)營公里記錄混亂,因此易出現(xiàn)對新部件的過度維修或老部件的欠修。

2) 部件安裝位置更新。周轉(zhuǎn)件、故障件在進(jìn)行外委或返廠維修后,基本無法安裝在原車上。此時,需要人工將車輛履歷進(jìn)行更新,占用時間多,不宜管理。

3) 故障維修信息。在進(jìn)行故障維修時,檢修人員需要通過電腦檢索、紙質(zhì)文件查閱、電話咨詢生產(chǎn)廠家及現(xiàn)場詢問其他同事等方式,確認(rèn)可能發(fā)生故障部件的歷史故障信息、維修信息、生產(chǎn)日期、使用公里、使用時間及檢修記錄等內(nèi)容,嚴(yán)重影響故障維修效率和質(zhì)量,易出現(xiàn)漏修、錯修等問題,造成相同故障頻發(fā)。

2 RFID技術(shù)在車輛檢修專業(yè)信息化建設(shè)中的應(yīng)用

上述問題主要是由于目前無成熟、可靠、便捷的數(shù)據(jù)采集、追蹤、記錄等手段造成的。隨著RFID技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟,針對現(xiàn)有問題,可以結(jié)合RFID的技術(shù)特點(diǎn)在既有的信息化平臺基礎(chǔ)上進(jìn)行建設(shè)。各應(yīng)用層子系統(tǒng)在識別到RFID標(biāo)簽中的唯一編碼及內(nèi)置信息后,通過車輛段無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至既有的信息化平臺中,該平臺根據(jù)不同的作業(yè)場景對相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、修改或展示。基于RFID技術(shù)的車輛檢修專業(yè)信息化平臺構(gòu)成如圖1所示。

圖1 基于RFID技術(shù)的車輛檢修專業(yè)信息化平臺構(gòu)成

2.1 RFID技術(shù)的工作原理

RFID技術(shù)是讀寫器通過天線發(fā)送一定頻率的射頻信號,當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入天線工作區(qū)域時會產(chǎn)生感應(yīng)電流,此時電子標(biāo)簽獲得能量被啟動并將自身編碼等信息通過電子標(biāo)簽內(nèi)置發(fā)送天線發(fā)送出去,電子標(biāo)簽的讀取感知系統(tǒng)接收到從電子標(biāo)簽發(fā)送來的載波信號后,經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到讀寫器并對接收信號進(jìn)行解調(diào)和譯碼。RFID技術(shù)的工作原理如圖2所示[2]。

圖2 RFID技術(shù)的工作原理

由電子標(biāo)簽線圈天線形成的諧振回路如圖3所示。

注:ui為感應(yīng)輸入電源電壓,單位V;u2為電容端電壓,單位V;R為RFID天線電阻,單位Ω;RL為鏈路電阻,單位Ω。

該回路可通過諧振頻率的載波實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通信。其中,諧振頻率的計(jì)算公式為:

(1)

式中:

f——諧振頻率,單位 Hz;

L——RFID天線的線圈電感,單位H;

C——寄生電容Cp和并聯(lián)電容C2的等效電容,單位 F。

2.2 RFID技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)

基于RFID技術(shù)生產(chǎn)出的電子標(biāo)簽具有很高的耐用性,理論壽命可大于30年。電子標(biāo)簽芯片內(nèi)部的COS(片內(nèi)操作系統(tǒng))本身采用了安全的體系設(shè)計(jì),不易偽造。電子標(biāo)簽單體造價低,體積小,可通過不同方式安裝在任何物品表面。電子標(biāo)簽工作時可遠(yuǎn)距離識別高速運(yùn)動物件,并同時識別多個目標(biāo)。電子標(biāo)簽在生產(chǎn)過程中會生成唯一代碼且無法修改,這對溯源、防偽等方面有極大幫助。在指定存儲器上可以進(jìn)行反復(fù)讀寫,重復(fù)使用性高。存儲器主要分為Reserved(保留)、EPC(電子產(chǎn)品代碼)、TID(標(biāo)簽識別號)及用戶等4個獨(dú)立的存儲區(qū)塊。

電子標(biāo)簽種類繁多,需要從供能型式、數(shù)據(jù)讀寫類型、信號頻率波段及封裝型式等不同角度進(jìn)行區(qū)分,不同類型電子標(biāo)簽有其特定的應(yīng)用場景,只有充分了解不同類型電子標(biāo)簽的特點(diǎn),才可選擇出正確的電子標(biāo)簽種類。電子標(biāo)簽分類見圖4。

圖4 電子標(biāo)簽分類

2.3 人員監(jiān)控子系統(tǒng)

RFID技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)攜帶RFID標(biāo)簽卡人員在不主動刷卡且不主動停留的情況下,快速通過識別通道。在計(jì)劃內(nèi)作業(yè)人員行進(jìn)過程中,人員監(jiān)控子系統(tǒng)會自動授權(quán)其通過。作業(yè)人員未授權(quán)或未攜帶RFID標(biāo)簽的勞動保護(hù)用品時,通道會發(fā)出聲光報警,有效防止非法人員、違規(guī)人員進(jìn)入,也能防止人員未登記離開等情況出現(xiàn)。通過此方式,可以避免排長隊(duì)等情況,實(shí)現(xiàn)人員安全、高效流通。

2.4 物資無人值守子系統(tǒng)

通過RFID技術(shù)、稱重貨架及視頻監(jiān)控的綜合應(yīng)用,可實(shí)現(xiàn)對所有物資的無人值守。其中,所有大件物資可通過RFID標(biāo)簽進(jìn)行實(shí)時追蹤,螺栓、密封圈等小件物資可通過稱重貨架進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。采購人員只需在入庫時進(jìn)行RFID標(biāo)簽識別或?qū)⑿〖镔Y質(zhì)量錄入后,即可將相應(yīng)物資入庫,無需人工盤點(diǎn)。作業(yè)人員在領(lǐng)取物資前使用個人ID(身份標(biāo)志號)卡進(jìn)行授權(quán)后即可隨意領(lǐng)取所需物資,此時稱重貨架或電子標(biāo)簽讀取器會自動識別所取物資的種類和數(shù)量,省去了人工管理環(huán)節(jié)。未授權(quán)人員若私自拿取物資,稱重貨架或電子標(biāo)簽讀取器會第一時間進(jìn)行聲光報警和視頻記錄,真正實(shí)現(xiàn)物資庫的無人值守。

2.5 工具、工裝、搶險設(shè)備動態(tài)管理子系統(tǒng)

工具、工裝、搶險設(shè)備動態(tài)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路與車輛物資管理相同,但應(yīng)在該系統(tǒng)中根據(jù)工藝或搶險類型提前錄入不同工況下所需物品的種類和數(shù)量,實(shí)現(xiàn)自動檢查、自動提醒等功能,真正實(shí)現(xiàn)實(shí)時動態(tài)管理[3]。

2.6 溫度監(jiān)控子系統(tǒng)

針對車下需要進(jìn)行溫度監(jiān)控的部件,應(yīng)使用RFID溫感標(biāo)簽。在列車出入庫時,軌旁、道心讀取器可進(jìn)行溫度的全自動測量。并通過合理、有效的算法,自動發(fā)現(xiàn)部件異常,為檢修人員提供數(shù)據(jù)支持和維修建議,減少人工成本[4]。

2.7 車輛全生命周期履歷管理子系統(tǒng)

車輛全生命周期履歷管理系統(tǒng)應(yīng)結(jié)合上述系統(tǒng)一同開發(fā),針對主要且具有維修性的部件實(shí)施一件一簽,并可與運(yùn)營單位既有的信息化系統(tǒng)聯(lián)動,增加如運(yùn)營公里實(shí)時更新、維修履歷實(shí)時更新、部件安裝位置更新及部件存放位置更新等功能。同時可利用該系統(tǒng)提前將部件生產(chǎn)日期、維護(hù)說明等內(nèi)容寫入電子標(biāo)簽中,方便作業(yè)人員在無網(wǎng)狀態(tài)下讀取相應(yīng)數(shù)據(jù),以及開展檢修工作[5]。

3 RFID技術(shù)在車輛檢修專業(yè)信息化建設(shè)應(yīng)用中的關(guān)鍵問題

3.1 電子標(biāo)簽選型與安裝

針對不同部件應(yīng)采用不同類型的電子標(biāo)簽,一般選用840.0～845.0 MHz或920.5～924.5 MHz頻率波段,并通過不同的安裝方式將部件固定在特定的位置以保證使用效果。不同類型電子標(biāo)簽性能測試結(jié)果如圖5所示。由圖5可見:固定在厚20 mm鋼板上的兩種抗金屬電子標(biāo)簽在相同頻段內(nèi)的可識別距離不同,A1、A2型電子標(biāo)簽最大識別距離分別約為5.5 m和 8.5 m。

圖5 不同類型電子標(biāo)簽識別距離-頻率關(guān)系對比

綜上,結(jié)合電子標(biāo)簽性能測試和實(shí)物測試結(jié)果,從封裝形式、識別距離、安裝方式及安裝位置等因素選擇不同類型電子標(biāo)簽。不同車型應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況和應(yīng)用需求進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

3.2 降低電子標(biāo)簽安裝成本

目前,運(yùn)營單位對RFID技術(shù)的需求最為迫切,但在實(shí)際應(yīng)用過程中,需要大量人員對既有部件進(jìn)行電子標(biāo)簽的臨時安裝,嚴(yán)重影響了RFID技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展。

針對此情況,若在部件生產(chǎn)過程中將電子標(biāo)簽有效安裝在指定位置,可以最大限度地降低安裝成本,也可最大程度地提高安裝可靠度,并提前寫入相應(yīng)產(chǎn)品編號、生產(chǎn)日期及指導(dǎo)文件等只讀信息。

城市軌道交通行業(yè)編碼標(biāo)準(zhǔn),可由相應(yīng)的協(xié)會或部門進(jìn)行統(tǒng)一管理,可按表1中的 EPC區(qū)存儲代碼進(jìn)行設(shè)計(jì),便于零部件供應(yīng)商寫入相應(yīng)編號,為日后的廣泛性應(yīng)用打好基礎(chǔ)。

表1 EPC區(qū)存儲代碼設(shè)計(jì)

4 結(jié)語

RFID技術(shù)可以很好地應(yīng)用于城市軌道交通車輛檢修專業(yè)中,對人員安全管理、物資管理、工器具及設(shè)備管理、溫度采集、全壽命周期履歷建設(shè)提供支持,在檢修過程中真正實(shí)現(xiàn)降本增效,為企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供幫助。未來,應(yīng)盡快開展系統(tǒng)性的實(shí)際應(yīng)用,制定出統(tǒng)一的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn),將RFID技術(shù)應(yīng)用在城市軌道交通中的各個環(huán)節(jié),以完善現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系,實(shí)現(xiàn)智能化管理、一體化服務(wù)及綠色化發(fā)展。