射頻標(biāo)簽定位技術(shù)在綜合巡檢車上的應(yīng)用

鄧 婕 上海鐵路局上海高鐵維修段

高速鐵路綜合巡檢車（以下簡稱巡檢車）是自輪運(yùn)行的大型專用綜合檢測裝備，集成非接觸式攝像采集、激光掃描、計(jì)算機(jī)圖像處理、智能化分析判斷等先進(jìn)技術(shù)，對工電供專業(yè)設(shè)備結(jié)構(gòu)狀態(tài)、線路環(huán)境等同步進(jìn)行檢查、分析、預(yù)警，實(shí)現(xiàn)了對高鐵基礎(chǔ)設(shè)施檢查、檢測、監(jiān)控。目前我段已對該車設(shè)備調(diào)試和試用取得較大進(jìn)展，其中電子射頻標(biāo)簽技術(shù)（RFID）的運(yùn)用，解決了里程精確定位的難題。

1 目前鐵路動態(tài)檢測主要定位技術(shù)

只有實(shí)現(xiàn)動態(tài)檢測數(shù)據(jù)的精確定位，才能夠準(zhǔn)確和快速地找到缺陷。目前動態(tài)檢測中常用的里程定位主要以下方法：

1.1 基于速度編碼器的里程累加定位方法

根據(jù)列車上速度編碼器的脈沖信號記錄下的車輪轉(zhuǎn)數(shù)，計(jì)算出列車?yán)鄯e轉(zhuǎn)動的距離，從而計(jì)算出行駛里程，對列車定位。但因國內(nèi)鐵路線路長短鏈、計(jì)數(shù)誤差(車輪空轉(zhuǎn)、滑行等)和輪徑磨損等因素，里程是個線性增加的數(shù)值，無法與地面真實(shí)的里程相對應(yīng)，不能保證其準(zhǔn)確性。

1.2 GPS 定位技術(shù)

利用線路公里牌的經(jīng)緯度提前建立里程經(jīng)緯度數(shù)據(jù)庫，車上安裝的GPS 接收機(jī)實(shí)時輸出經(jīng)緯度，并與數(shù)據(jù)庫中的里程經(jīng)緯度數(shù)據(jù)庫相匹配，經(jīng)過延遲處理及算法處理得到當(dāng)前的里程數(shù)。GPS 接收機(jī)使用方便，技術(shù)成熟，成本相對較低，維護(hù)相對容易，可為列車提供定位信息。但是由于GPS 定位精度受自然條件影響較大，在山區(qū)、隧道、車站、森林等地點(diǎn)信號遮蔽，GPS 接收存在大量盲區(qū)，無法實(shí)時獲取位置信息。另外目前大多GPS 點(diǎn)庫多是在動態(tài)條件下根據(jù)公里標(biāo)獲取，設(shè)計(jì)和施工階段各專業(yè)公里換算略有不同，公里牌的標(biāo)稱里程與實(shí)際里程多有差別，且受打點(diǎn)延時影響，影響了精度。

1.3 電子射頻標(biāo)簽技術(shù)（RFID）

電子射頻標(biāo)簽技術(shù)就是沿線路在一定距離處，在接觸網(wǎng)支柱上（或鑲嵌在長大隧道襯砌）安裝電子射頻標(biāo)簽，并提前測量計(jì)算，建立好數(shù)據(jù)庫；在車上安裝標(biāo)簽閱讀器，通過讀取電子標(biāo)簽卡號，并和數(shù)據(jù)庫中的里程數(shù)進(jìn)行匹配得到實(shí)時里程。該技術(shù)的動態(tài)精度較高，有試驗(yàn)證明在速度400 km/h 時定位精度可達(dá)到2 m 以內(nèi)，具有通用性好、適應(yīng)惡劣環(huán)境、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。

1.4 其他定位手段

其他定位手段如手持小鍵盤對公里標(biāo)、軌道電路對標(biāo)等常見鐵路檢測定位方式，其精度值得商榷。點(diǎn)式應(yīng)答器定位技術(shù)精度高，但成本也較高。

所有的定位技術(shù)，其核心問題都是將GPS 點(diǎn)位、電子標(biāo)簽或應(yīng)答器校準(zhǔn)點(diǎn)，與地面里程相對應(yīng)并快速建立準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)庫，因此需要探索利用高鐵現(xiàn)有的資源來快速而準(zhǔn)確地建立數(shù)據(jù)庫。目前每條高鐵沿線都布設(shè)軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)平面控制網(wǎng)，是由施工單位在施工過程中基于三網(wǎng)合一原則建網(wǎng)測量，為軌道鋪設(shè)和運(yùn)營維護(hù)提供控制基準(zhǔn)，具有相對精度高、點(diǎn)位分布密集、使用周期長、位置固定等特點(diǎn)。利用CPⅢ動態(tài)精確定位技術(shù)，是比較現(xiàn)實(shí)、準(zhǔn)確的一種方法。本文介紹了如何將CPⅢ點(diǎn)測算射頻標(biāo)簽點(diǎn)的精確里程應(yīng)用于巡檢車檢測精確定位。

2 RFID 使用及驗(yàn)證

2.1 RFID 標(biāo)簽選擇

綜合巡檢車上閱讀器固定在車內(nèi)兩側(cè)，可以同時讀取左右雙側(cè)標(biāo)簽，距離安裝射頻標(biāo)簽的接觸網(wǎng)桿限界側(cè)約1.5 m，考慮到兼顧后期高速車輛閱讀的需求，選擇使用適用于高速軌道交通的只讀型工業(yè)級高速、高頻標(biāo)簽，工作頻率2.45 GHz，閱讀延時20 ms，識別距離6 m，識別速度最高400 km/h，采用半無源標(biāo)簽，內(nèi)裝電池可以維持內(nèi)部芯片工作10 年以上。

2.2 RFID 標(biāo)簽安裝及計(jì)算原則

標(biāo)簽安裝里程應(yīng)按每隔5.0～7.0 km 安設(shè)1 對，距軌面高度控制在2.2 m±1 cm 范圍，上下行對應(yīng)布設(shè)，根據(jù)不同接觸網(wǎng)桿型確定所選用支架。里程測量利用CPⅢ系統(tǒng)大地坐標(biāo)，采用圓心測量與等分法將需校準(zhǔn)點(diǎn)和前后CPⅢ點(diǎn)均投影到鋼軌外側(cè)，利用卷尺測量安裝射頻卡接觸網(wǎng)支柱中心與前后最近的CPⅢ樁點(diǎn)的距離并記錄，同時核對、記錄CPⅢ樁點(diǎn)號和接觸網(wǎng)支柱桿號，使用軟件精確地計(jì)算、輸出該里程，并建立數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫如圖1 所示。

圖1 射頻標(biāo)簽里程數(shù)據(jù)庫計(jì)算與錄入

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

（1）系統(tǒng)組成。里程精確定位系統(tǒng)是在檢測列車檢測過程中，實(shí)時精確定位列車行駛里程位置，綜合發(fā)布列車行駛狀態(tài)的數(shù)據(jù)平臺。其中，系統(tǒng)軟件部分為里程同步軟件，硬件部分包括里程校準(zhǔn)接口單元、里程同步服務(wù)器及串口交換機(jī)、射頻標(biāo)簽閱讀器等。

（2）里程同步方式。服務(wù)器端將里程、時間、增減里程、上下行等相關(guān)信息通過里程同步通道以RS-422 串口協(xié)議傳輸給各檢測系統(tǒng)，各系統(tǒng)配備該串口板及里程同步信息的客戶端軟件。服務(wù)器數(shù)據(jù)信息每500 ms 發(fā)送一次，遇到長短鏈等里程跳變較大時及RFID 定位點(diǎn)時優(yōu)先發(fā)送，各檢測系統(tǒng)必須實(shí)時修正里程。里程同步服務(wù)器與差分GPS 接收機(jī)通過RS232 通信串口連接。差分GPS 用于初次使用標(biāo)簽時對里程誤差較大情況下的校核、輔助修正。

（3）當(dāng)閱讀器隨著巡檢車的移動到達(dá)電子標(biāo)簽附近，電子標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器讀寫場范圍時，閱讀器發(fā)射的載波信號激活電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽向閱讀器循環(huán)發(fā)送電子標(biāo)簽信息，閱讀器接收電子標(biāo)簽發(fā)送的信號，并對信號進(jìn)行解調(diào)和解碼，得到電子標(biāo)簽信息，判斷信息的有效性。計(jì)算得到電子標(biāo)簽信息后與數(shù)據(jù)庫中的預(yù)存信息進(jìn)行比對，識別標(biāo)簽號對應(yīng)的里程信息和線路特征點(diǎn)信息，并對累加的里程信息進(jìn)行修正，最后將準(zhǔn)確的里程定位信息發(fā)送至各個系統(tǒng)。

2.4 應(yīng)用精度分析

為了驗(yàn)證射頻標(biāo)簽定位準(zhǔn)確性，利用綜合巡檢車（速度80 km/h）、CRH2-150C綜合檢測車（速度300 km/h）分別進(jìn)行低速和高速動態(tài)檢驗(yàn)。地點(diǎn)選擇在我段管內(nèi)滬寧城際已經(jīng)安裝射頻標(biāo)簽卡的線路。試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。從結(jié)果可以看出，在以5～7 km 為間隔的區(qū)段，整個36 km 試驗(yàn)平均每公里的定位誤差≤0.55 m。CRH2-150C每公里的定位誤差≤0.75 m。對于現(xiàn)場巡視檢查，精度已經(jīng)滿足。

表1 綜合巡檢車和綜合檢測車讀取的標(biāo)簽里程修正結(jié)果

2.5 影響里程精度的幾種情況

在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)一些里程偏差較大或者射頻標(biāo)簽卡掃描不出，主要有以下幾種原因：

（1）CPⅢ編號記錄錯誤。如管內(nèi)沿線CPⅢ點(diǎn)有新舊之分，距離相隔很近，編號經(jīng)日曬雨淋都比較模糊，偶爾錯誤記錄了舊CPⅢ編號。這種情況對檢測影響很大，后期需要現(xiàn)場再次復(fù)核和修正數(shù)據(jù)庫才使得能正常使用，費(fèi)時費(fèi)力，在標(biāo)簽安裝時期應(yīng)避免發(fā)生。

（2）GPS 修正點(diǎn)庫里程不準(zhǔn)。初次使用巡檢車時，同時利用標(biāo)簽和GPS 兩種方式定位，發(fā)現(xiàn)兩種定位方式里程修正偏差大，經(jīng)調(diào)查、分析發(fā)現(xiàn)部分GPS 點(diǎn)里程與實(shí)際里程偏差大。因此應(yīng)該避免選擇GPS 修正里程，應(yīng)把它作為校核的輔助手段。

（3）標(biāo)簽卡掃描不出。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查一是卡的正反面安裝錯誤，二是安裝高度不對，安裝高度應(yīng)該距離軌面2.2 m（偏差1 cm內(nèi)），偏高、偏低不符高度的需適當(dāng)調(diào)整。

（4）閱讀器讀取的標(biāo)簽信息為-1 或0 的情況，日記記錄顯示為NULL，說明數(shù)據(jù)庫中無該射頻標(biāo)簽的數(shù)據(jù)記錄，此時數(shù)據(jù)采集服務(wù)器只能采集到標(biāo)簽內(nèi)標(biāo)簽號，但不會進(jìn)行里程修正，應(yīng)檢查并更新數(shù)據(jù)庫。

2.6 里程定位在巡檢車檢測系統(tǒng)的應(yīng)用

里程的精確定位是巡檢車綜合系統(tǒng)核心，能夠?qū)崟r給軌道狀態(tài)巡檢、限界檢測、鋼軌輪廓檢測、接觸網(wǎng)部件巡檢、環(huán)境視頻監(jiān)視等系統(tǒng)實(shí)時發(fā)布線別、里程、速度、經(jīng)緯度等信息，把缺陷與里程對應(yīng)在一起。圖2 是RFID 定位技術(shù)在巡檢車上的運(yùn)用實(shí)例（部分）。

圖2 精確定位在巡檢車上的應(yīng)用

3 后期應(yīng)用展望

RFID 技術(shù)除了上述的用途外，通過不斷探索與實(shí)踐，相信在后期還會有更廣泛的應(yīng)用空間。

（1）對特定位置設(shè)備檢查回放。有些設(shè)備具有安裝位置跨度大，分布離散、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形式多樣的特點(diǎn)，人工巡查耗時耗力。由于巡檢車圖像和視頻資料豐富清晰，且定位精確，通過回放可以對照查找該處的設(shè)備結(jié)構(gòu)狀態(tài)，從而代替人工現(xiàn)場巡查，既能節(jié)約天窗、減少人工，也極大提高了效率。

（2）接觸網(wǎng)綜合巡檢系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對桿號定點(diǎn)抓拍和智能識別，同時引入了精確里程定位，后期各檢測系統(tǒng)可通過修改完善軟件與通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)里程加桿號（或桿號范圍）的數(shù)據(jù)定位模式，查出的設(shè)備缺陷將會更加符合現(xiàn)場維修人員查找的作業(yè)習(xí)慣，以提高檢修效率和質(zhì)量。

（3）巡檢車綜合系統(tǒng)同時具備維護(hù)編碼器里程及GPS 里程兩個實(shí)時里程。因此，可根據(jù)RFID 按需自動生成更精準(zhǔn)、打點(diǎn)密度更高的線路GPS 點(diǎn)數(shù)據(jù)庫，替代目前添乘機(jī)車動態(tài)打點(diǎn)的點(diǎn)庫，以便在添乘儀、晃車儀、動檢車定位、設(shè)備臺賬資料更新、各專業(yè)設(shè)備里程統(tǒng)一等方面發(fā)揮重要作用。

4 結(jié)論與建議

里程同步射頻標(biāo)簽卡為綜合巡檢車的各檢測系統(tǒng)提供精確定位，同時也適用于已安裝標(biāo)簽閱讀器的高速綜合檢測列車、鋼軌探傷車和其他專業(yè)檢測車的精確定位。它既實(shí)現(xiàn)了動態(tài)檢測數(shù)據(jù)的精確定位，也便于現(xiàn)場維修人員快速準(zhǔn)確地查找超限處所，提高檢測數(shù)據(jù)的判定率和現(xiàn)場復(fù)核的準(zhǔn)確性，同時有利于將各專業(yè)的基礎(chǔ)里程統(tǒng)一、規(guī)范，在鐵路檢測領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間。