SAW RFID技術在列車定位與跟蹤中的應用

朱 琎,楊劍鋒,周 宇

(蘭州交通大學自動化與電氣工程學院,蘭州 730070)

列車定位與跟蹤是列車運行控制系統的一項關鍵技術,在鐵路信號控制系統中扮演著越來越重要的角色。準確、及時、可靠地獲得列車的位置信息,是鐵路安全、高效運營的保障,也是發揮運能、提高效率的前提。從保證安全的角度出發,列車運行控制系統需要了解當前列車位置,以判斷其距前方列車尾部的距離,或是距列車運行前方信號機的距離,從而控制列車加速、減速或者停車,防止列車碰撞、擠岔以及追尾等事故的發生。從提高運輸效率出發,列車運行控制系統根據列車位置以及運營約束條件和速度約束條件等,通過優化列車間距,從而在保證安全的條件下提高行車密度和鐵路運輸效率[1]。

1 現有的列車定位技術

目前,在列車運行控制系統中,列車定位大多是采用輪軸測速傳感器、軌道電路、查詢應答器以及GPS定位等技術來實現的[1]。下面針對這幾種主要的列車定位方法來進行分析。

1.1 輪軸測速傳感器法

由于車輪的轉動直接反應列車的運動,因此利用車輪的轉動信息可以獲得列車的實時運行速度,進而通過對其進行積分運算便可得到列車的走行距離。該方法是：將脈沖轉速傳感器安裝在列車輪軸上,輪軸每轉動1周,傳感器就輸出一定數目的脈沖,這樣的脈沖頻率與輪軸的轉速成正比關系,輸出脈沖經過濾波、隔離和整形以后,直接輸入微處理器進行頻率測量并將其轉換成列車運行速度和走行距離。近年來,由于大規模集成電路的發展和普及,高精度脈沖轉速傳感器、微處理器等新技術相繼投入使用,使得輪軸測速傳感器法在測量精度和可靠性等方面都有了很大提高。

然而,在列車的走行過程中,由于線路條件、加速或制動等因素的影響,機車輪對發生空轉或滑行,這將直接影響列車實際運行速度的測量精度。因此,如何克服空轉或滑行等因素造成的測量精度下降,是這種方法需要解決的關鍵問題。

1.2 軌道電路

基于軌道電路的列車定位方法是通過將鋼軌分割成不同的區段,在每個區段的始端和終端加上發送/接收器,從而構成一個信息傳輸回路。當區段空閑時,信息由發送器通過回路傳輸到接收器,接收繼電器勵磁吸起；當列車進入區段,此區段占用時,輪對將兩根鋼軌短路,信息不能送至接收器,接收繼電器失磁落下,從而達到列車檢測及定位的目的。

軌道電路不僅可以完成列車的占用檢測和定位,還可以實現鋼軌的斷軌檢測,是一種高安全、高可靠的列車占用檢測及定位方法。但軌道電路的工作狀態嚴重依賴于道床狀態,在道砟電阻很低的地方(如隧道內),軌道電路無法正常工作。

1.3 查詢-應答器

查詢-應答器鋪設在軌道中央,當列車經過時可以以無線的方式向列車提供當前位置、前方路況等信息。它可以用作連續式列車運行控制系統的列車精確定位設備,可以作為列車檢測或定位輔助設備。顯然,采用這種方法想要得到精確地列車定位就必須在軌道上設置大量的應答器。目前,單個應答器的價格仍相對較高,大量的應答器不僅使得鐵路建設的成本增加,還同時帶來了維修的難題。

1.4 GPS定位系統

全球定位系統GPS是基于GNSS的全球衛星導航系統的應用。GNSS定位的顯著特點是大范圍、高精度和低成本[1,2]。利用GPS衛星信號的高精度載波相位觀測進行定位,在數千千米距離上,其精度可達幾個ppm,而且誤差不隨時間而積累。但由于GPS容易受到地形的影響,造成衛星的信號無法很好地接收到,使得當列車進入隧道環境或遮蔽環境后,無法完成可靠的定位與跟蹤。

目前,我國的CTCS系統主要使用查詢-應答器、里程計(輪軸測速傳感法)以及軌道電路相結合的方法進行列車定位,這種方法較任何單一技術手段的列車定位在精度和可靠性方面都有了很大提高。但由于應答器組之間的鋪設距離較遠,且列車在運行過程中存在空轉/滑行等情況,如何在隧道等軌道電路不宜使用的地區實現連續、高精度、高可靠的列車定位一直是鐵路研究人員研究的熱點問題。

本文提出了一種基于SAW RFID的列車定位與跟蹤系統,通過在軌道中央相對密集地鋪設廉價的SAW標簽來代替查詢-應答器,彌補在隧道或遮蔽環境下其他列車定位方法的不足,實現列車在隧道或遮蔽環境下實時、接近連續式的列車定位與跟蹤,為列車運行控制系統提供可靠的數據支持。

2 RFID與SAW RFID

RFID(射頻識別)是近年來隨著無線電技術和大規模集成電路的普及應用而出現的一項先進的自動識別和數據采集技術,在生產制造、銷售流通、公共安全等領域有著廣闊的應用前景。但是其作用距離一般只在1 m以內,這極大地限制了RFID技術優勢的充分發揮。SAW(聲表面波)技術是一種新興的識別技術,它具有標簽無源、抗干擾能力強、體積小等優點,它的有效識別距離可達數米,并且可以識別高速運動的物體[3-5]。因此,應用SAW技術的運動目標識別和定位系統將會有極好的前景。

2.1 RFID系統的組成

通常情況下,RFID系統是由閱讀器、電子標簽和數據管理系統構成。閱讀器和標簽都有各自的集成天線。兩者之間通信過程涉及到數據和能量傳輸,通信協議和時序的設定,圖1為RFID 系統的組成[5]。

圖1 RFID系統的組成

2.2 RFID的工作原理

聲表面波(SAW)是傳播于晶體表面的一種機械波,其聲速僅為電磁波速的十萬分之一,傳播衰耗很小。聲表面波器件的功能部分,是采用現代微電子技術在表面拋光的壓電材料基片上制作的叉指換能器(IDT)、反射體和耦合柵等金屬電極結構,基于(逆)壓電效應,射頻信號在經歷電磁波—聲表面波—電磁波的換能過程中得到處理,達到預定功能要求。

SAW RFID 系統由閱讀器和應答器(SAW 標簽)組成。應答器由壓電基片、叉指換能器(IDT)、聲表面波反射器以及連接在叉指換能器上的天線組成,如圖2所示,換能器的2條總線與電子標簽的天線相連接。閱讀器的天線周期地發送高頻查詢脈沖,在電子標簽天線的接收范圍內,被接收到的高頻脈沖通過叉指換能器轉變為聲表面波,當 SAW 遇到機械或電不連續的表面時,SAW的一部分就會被反射回去。壓電基片和金屬化表面之間的過渡就是具有這樣的不連續性,因此安裝在壓電基片上的一組金屬反射器就構成了聲表面波反射器。由于反射器陣列的排列方式是與一組編碼嚴格對應的,因此,反射器陣列產生的SAW 回波信號包含有標簽的編碼信息。叉指換能器接收到這些聲表面波回波信號,通過壓電效應將其轉換為電信號并通過天線以射頻脈沖串的方式發射出去,閱讀器天線接收到回波信號,經過解調、解碼等信號處理達到識別的目的[6-8]。

圖2 SAW的物理結構

由于聲表面波傳播速度低,有效的反射脈沖串在經過幾微秒的延遲時間后才回到閱讀器,在此延遲期間,來自閱讀其周圍的干擾反射已衰減,因此不會對聲表面波電子標簽的有效信號產生干擾。

比較我國鐵路目前使用的查詢-應答器,SAW RFID技術具有以下優點[2,9-11]：

(1)標簽芯片與車載天線匹配簡單,制作工藝成本更低；

(2)不僅能識別靜止物體,而且能識別速度達360 km/h的高速運動物體；

(3)標簽具有確定的使用期限,且使用期限內不需維修,可有效降低鐵路的維護成本；

(4)數據量大,根據需要可傳輸除識別信息外的目標的身份信息、運行狀態等；

(5)保密性高,未經允許幾乎不能復制與修改任何數據,符合列車運行控制系統高安全性的要求；

(6)具有很強的環境適應性,抗干擾能力強,可在全天候下使用,幾乎不受污染與潮濕的影響。

因此,使用SAW RFID技術代替查詢-應答器,不僅可以解決列車在隧道環境或遮蔽環境下的列車定位,與GPS全球定位技術相結合實現在部分環境比較惡劣的線路(如青藏線)上無“盲區”的列車定位與跟蹤[10],而且還可有效降低鐵路建設和維護成本。

3 基于SAW RFID的列車定位與跟蹤系統

在CTCS-2/3級列車運行控制系統的系統結構以及查詢-應答器在列車定位與跟蹤中的應用,本文提出了基于SAW RFID的列車定位與跟蹤系統結構[11-12],如圖3所示。系統的工作原理如下。

圖3 系統工作原理

將無源SAW標簽以一定的間距(如200 m)固定于軌道中央,標簽讀寫器及相應的通信設備安裝在列車上,并與車載安全計算機相連接,讀寫器天線則安裝在機車底部,用來讀取標簽內精確的位置信息等數據,從而實現列車定位。

車載讀寫器周期性地通過發射天線發送特定頻率的射頻信號,當某個SAW標簽進入有效工作區域時產生感應電流,從而獲得能量被激活。SAW標簽則將自身以編碼的信息(如SAW標簽所處位置參數、位置參數的精度、下一區段的線路條件、前行列車通過該標簽時的時間、速度等)通過內置射頻天線發射出去。

車載讀寫器的接收天線接收到來自SAW標簽的調制信號,經解調、解碼等處理后送入車載安全計算機。車載安全計算機綜合來自RFID讀寫器、測速測距單元、線路數據庫等的信息,實時地計算出列車速度、當前位置等數據,并通過無線通信的方式發給地面控制中心。

在車載讀寫器讀取標簽數據的同時,車載安全計算機發送命令通過讀寫器向SAW標簽以無線的方式寫入本次列車的車次號、運行速度和當前時間等信息,后續列車可讀取這些信息作為行車參考[12]。當列車的外部通訊發生中斷時,司機也可根據這些信息做出相應的調整,避免追尾等交通事故的發生。

4 車-地數據傳輸及誤碼率仿真分析

在列車高速運行時,車載設備與SAW標簽之間的通信時間是很短暫的。列車通過一次的運行速度與車上接收報文的次數可用如下經驗公式描述[13]

式中，M為接收報文的次數；a為接收放大器的靈敏度；b為傳輸速度；n為每幀碼的位數；l為有效場強作用距離；t為系統的響應時間(ms)；v為列車的運行速度。一般在v=350 km/h時,要保證傳輸長報文時M>3以上才有利于車載設備可靠譯碼和正確接收報文[13-14]。

通用超高頻RFID讀寫器與SAW標簽之間的數據傳輸率為40k～160k bit/s(取60k bit/s),讀寫器的讀取范圍為4～7 m(取5 m)[7],由此可以計算得到列車速度和車地通信時間的對照關系,如表1所示。

表1 列車速度與車地通信時間對照

由表1可知,當列車速度在300 km/h以內,通過標簽1次時車上可接收報文的次數都大于3,滿足車載設備可靠譯碼和正確接收報文的條件。

由于SAW標簽與車載讀寫器之間的數據傳輸經過空間傳輸信道,因此空間信道面臨的干擾問題同樣會出現在車載讀寫器與SAW標簽之間的數據傳輸過程中。干擾帶來的直接影響是車載讀寫器和SAW標簽通信過程中的數據錯誤,即誤碼。在列車的運行過程中,接收到的來自地面SAW標簽的數據直接關系到列車運行安全,因此,在車載讀寫器與SAW標簽的通信過程中應保證盡可能小的誤碼率[9,14]。由于條件所限,無法完成現場試驗。本文利用MATLAB軟件和蒙特卡洛法進行信號模擬,分析列車在高速運行條件下車載讀寫器接收SAW標簽信號的誤碼率。如圖4所示。

圖4 不同車速下信噪比與誤碼率的關系

由圖4可以看出,列車運行速度越高,誤碼率也就越大,且誤碼率的下降速度也越慢。當列車速度為100 km/h且信噪比為38 dB時,車載讀寫器接收的SAW標簽信號基本無誤碼；當列車速度為350 km/h時且信噪比為46 dB時,車載讀寫器接收的SAW標簽信號也基本無誤碼,滿足列車高速運行情況下車地通信對誤碼率的要求[14]。

在實際應用時,為了滿足更高速列車的應用需求,同時考慮到系統的響應時間等因素的影響,可以使用具有更高數據傳輸效率、更遠讀取范圍的芯片。同樣,在有信號干擾的條件下,為了盡可能地降低誤碼率,車載讀寫器不僅需要具備較高的熱噪聲性能,而且需要提高其接收天線的選頻特性。

5 結語

列車定位與跟蹤在列車運行控制系統中起著非常重要的作用,列車定位方法的精度和可靠性是確定列車安全防護距離的重要因素。基于SAW RFID技術的列車定位與跟蹤具有建設和維修成本低、抗干擾能力強等特點,具備防滑校正能力,結合輪軸測速傳感器的連續式速度測量,能夠做到對高速運行列車的定位和跟蹤,可以實時、精確地確定列車在線路上的位置,并通過無線通信系統傳輸給地面控制中心,為鐵路調度指揮提供數據支持,對安全前提下的高效率鐵路運輸具有重大意義。

[1] 閆劍平,步兵.高速鐵路列車定位技術的研究[J].北方交通大學學報,1999,23(5)：73-76．

[2] 張雅靜,王劍,蔡伯根. 基于GNSS的虛擬應答器研究[J]. 鐵道學報,2008,30(1)：104-108．

[3] Pohl A. Review of Wireless SAW Sensors[J]. IEEE Trans. On Ultrsonics,Ferroelectrics and Frequency Control, 2000,47(2)：317-332．

[4] 王志華,史天運.射頻識別技術(RFID)在交通領域的應用現狀[J].交通運輸系統工程與信息,2005,12(6)：96-99.

[5] Sarma S, Brock D, Engels D. Radio frequency identification and the electronic Product code[J]. IEEE Miero, 2001,21(6)：50-54．

[6] Reindl L. Wireless passive SAW identification marks and sensors[C]∥2ndInt Symp Acoustic Wave Devices for Future Mobile Communication Systems, 2004．

[7] 康東,石喜勤,李永鵬,等.射頻識別(RFID)核心技術與典型應用開發案例[M].北京：人民郵電出版社,2008．

[8] 鄧曄,李慶亮,韓韜,等.聲表面波無線標簽系統接收機的設計[J].傳感技術學報,2006,6(3)：839-842．

[9] 楊志杰,趙海東,等.高速鐵路雙向點式信息交互設備的研究[J].中國鐵道科學,2006,3(6)：91-96．

[10] Jinseok Lee, Kyoung Su Park. Object Tracking Based on RFID Coverage Visual Compensation in Wireless Sensor Network[C]∥IEEE Conference on Computing and Communications. USA： IEEE, 2007,7(1)：1597-1600．

[11] Xiong Tingwen, Tan Xi, Yan Na, et al. Modeling and Simulation of RTLS Based on UHF RFID[J]. Journal of System Simulation, 2011,23(1)：212-216．

[12] 易志剛,楊林.基于RFID的列車跟蹤與定位系統研究[J].鐵路計算機應用,2008,17(4)：9-12．

[13] 鐵道部科學技術司.應答器技術條件(暫行)[S].北京：鐵道部科學技術司,2004．

[14] 徐寧,張季良,王財進,等.列車高速運行條件下應答器車載測試設備關鍵技術[J].中國鐵道科學,2010,4(7)：131-136.