物聯網RFID和ZigBee技術在高鐵列控系統的應用研究

莫振棟，趙中華

（1.柳州鐵道職業技術學院電子工程系，廣西 柳州 545007；2.桂林電子科技大學信息與通信學院，廣西 桂林 541004）

物聯網RFID和ZigBee技術在高鐵列控系統的應用研究

莫振棟1，趙中華2

（1.柳州鐵道職業技術學院電子工程系，廣西 柳州 545007；2.桂林電子科技大學信息與通信學院，廣西 桂林 541004）

為建設高鐵列控實驗室，開展課程教學和企業職工培訓，該文分析物聯網的RFID和ZigBee技術等關鍵技術和工作原理，結合物聯網技術的應用現狀，按照物聯網構架，對照我國高鐵列車運行控制系統的結構，設計高鐵列車運行控制系統，且對查詢應答器和無線傳輸模塊等進行仿真設計，開發應用軟件。通過系統測試，證實物聯網技術可以廣泛地應用于我國高速鐵路列車運行控制系統。

物聯網；列控系統；高速鐵路；RFID技術；ZigBee技術

0 引 言

隨著我國高速鐵路的蓬勃發展，列控系統也不斷提高，從技術發展的趨勢看，列控系統是向著數字化、自動化、網絡化的方向發展[1]，其主要作用是保證列車行車安全、提高運輸效率。

近年來，飛速發展的物聯網技術已經開始被運用到全球的各個領域中，如智能工業、智能農業、智能物流、智能交通、智能電網、智能環保、智能安防、智能醫療、智能家居等[2]。物聯網技術的悄然興起，對我國鐵路運輸領域也提供了新的挑戰和發展機遇。

高速鐵路的發展需要大量的人才，很多高等院校開設了高速鐵路信號技術專業，需要配套實驗實訓設備，購買一套完整的列控系統成本較高，耗費大量的人力、物力及巨額實驗費和維修費用，建立高鐵列控系統是解決問題的最有效手段。物聯網很多關鍵技術可以應用到高鐵列控系統中，本文應用RFID技術模擬列控系統中的查詢應答器，在列車上安裝讀卡

器，列車依靠讀取線路RFID卡片的信息實現控制列車速度。采用ZigBee技術模擬列控系統中的無線傳輸模塊，確保沒有列車檢測盲區，保證列車和地面設備之間的實時、大容量和快速地數據交換。

1 物聯網基礎知識

1.1 物聯網構架

物聯網大致分為3個層次，底層是用來感知數據的感知層，第二層是數據傳輸的網絡層，最上面則是內容應用層。感知層是通過RFID移動終端、M2M終端、匯接節點、感知節點等獲取相關數據及信息，以便網絡的傳輸。網絡層是從感知層獲取數據后，通過各種有線和無線網絡實時準確地傳輸和交換。一般網絡層的傳輸是通過網絡傳輸的，數據量比較大，而且是長距離傳輸。應用層解決的是信息處理和人機界面的問題，主要是利用經過分析處理的感知數據，為用戶提供豐富的特定服務。

1.2 物聯網關鍵技術

1.2.1 RFID技術

RFID為物體貼上電子標簽，實現高效靈活管理，是物聯網最關鍵的一個技術。典型的RFID系統由電子標簽、讀寫器和信息處理系統組成。在射頻識技術（RFID）中要實現任何物體之間的互聯就必須給每件物體一個識別編碼，也就是用于身份驗證的ID[3]。

1.2.2 ZigBee技術

無線傳感器網絡是物聯網技術的重點之一，而ZigBee則是無線傳感器網絡的熱門技術。ZigBee是一種低數據速率、短距離的無線技術，其出發點是希望發展一種拓展性強、容易布建的低成本無線網絡。

無線傳感網是由大量部署在監測區域內的傳感器節點構成的多個、自組織的無線網絡系統，通常被用來監測在不同地點的物理或者環境參量，如光、溫度、濕度、聲音、振動、壓力、運動或者污染等。它主要是通過各節點相互協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域的監測信息，并發布給觀察者。物聯網的快速發展依賴于終端的大規模、大范圍的部署，而物聯網終端的多形態和泛在化是物聯網業務發展的特點。

2 高鐵列控系統設計

列車運行控制系統是我國鐵路提速線路和客運專線保證列車行車安全、提高列車運行效率的重要技術裝備，以有效的技術手段對列車運行速度、運行間隔進行實時監控和超速防護；同時能夠減輕司機勞動強度、改善工作條件，提高乘客舒適度。

2.1 我國高鐵列控系統的結構

我國列控系統體系結構按鐵路運輸管理層、網絡傳輸層、地面設備層和車載設備層配置，結構如圖1所示。

地面設備主要有：車站列控中心、軌道電路、點式設備、GSM-R無線通信模塊、聯鎖設備和調度集中系統等。

車載設備主要有：車載安全計算機、設備監控記錄裝置、測速模塊、安全輸入輸出模塊、點式信息接收模塊、連續式信息接收模塊、無線通信模塊等。

查詢應答器是一種基于電磁耦合原理而構成的，高速點式數據傳輸設備，是ATP系統的關鍵部件，用于在特定地點實現車-地間的數據交換，為列車提供ATP所需的各種點式信息，包括進路長度、岔區長度、閉塞分區長度、坡度、曲線等，確保列車在高速運行狀態下的安全[4]。查詢應答器系統包括地面設備和車載設備。地面設備主要包括地面應答器；車載設備包括車載查詢器天線和車載查詢器主機[5]。查詢應答器結構如圖2所示。

圖2 查詢應答器結構圖

GSM-R（GSM for railways）無線通信模塊是專門為鐵路通信設計的綜合專用數字移動通信系統，作為系統信息傳輸平臺完成地-車間大容量的信息交換。CTCS-3級列控系統地面子系統和車載子系統之間的信息交換由GSM-R網絡實現，并且列控信息在網絡中要求安全、可靠、及時地傳遞[6]。系統行車指令由無線閉塞中心（RBC）通過GSM-R網絡發送給列車，車載 ATP設備按接收到的移動授權及動車組數據，生成速度和目標距離控制曲線，控制列車安全運行[7]。軌道占用由軌道電路檢測，里程確認通過應答器完成。

2.2 查詢應答器仿真設計

早在2001年，RFID技術就已經運用在鐵路車號自動識別系統中，成為物聯網目前在我國鐵路運輸領域運用最早的成熟典范。該系統主要由車輛標簽、地面AEI設備、車站CPS設備、列檢復示系統、鐵路局AEI監控中心設備、標簽編程網絡等部分組成。

RFID技術可用于模擬查詢應答器，包括有源和無源應答器，是一種突破性技術。采用RFID模擬查詢應答器具有以下優勢：可以識別單個的非常具體的物體；其采用無線電射頻，可以透過外部材料讀取數據；同時對多個物體進行識讀；儲存信息量也非常大。這些技術特點完全符合模擬應答器的要求，在沙盤線路的中央間隔一段距離設置RFID卡片，寫入限制速度、線路參數等列車運行需要的信息[8]，在列車上安裝讀卡器，列車依靠讀取線路的RFID卡片的信息實現控制列車速度。設計結構如圖3所示。

2.3 無線傳輸模塊仿真設計

由于高鐵仿真實驗系統是在沙盤上實現，數據傳輸距離較短，可以采用ZigBee作為無線傳輸模塊[9-10]。因為ZigBee具有數據傳輸速率高、功耗低、成本低、網絡容量大、時延短、安全、工作頻段靈活、雙向傳輸、感應功能和傳輸可靠等特點，在沙盤上合適的位置布設ZigBee接點，需要經過網絡點的優化，確保沒有列車檢測的盲區，保證列車和地面設備之間的實時、大容量和快速地數據交換。設計結構如圖4所示。

2.4 應用軟件設計

高鐵列控系統涉及很多軟件設計，要靈活應用各種編程語言實現功能，如做界面采用VB.NET語言，網絡編程采用C#語言，應用程序采用Visual C++語言[11]，可以加入少量的匯編和C語言，這種方法會帶來開發工具的不統一以及更新的不便，所以有必要將控件的源代碼升級為統一的源代碼，以便在相同的平臺下開發軟件，便于修改和調試。控件重用作為代碼重用性的一個實現方式，是一種可執行代碼的重用技術，是軟件代碼資源重用技術的一個重要進展。通過重用控件，程序開發人員不必再為實現控件已經具備的功能進行重復性的開發，可以有效地壓縮任務。所以在高鐵列控系統應用軟件開發過程中要注意運用空間重用技術。車載ATP速度控制軟件設計流程如圖5所示。

2.4.1 界面設計

高鐵仿真實驗系統的調度、監控、聯鎖等界面部分，需要繪制現場圖，以模擬現場環境，要求達到與實際系統95%以上相似程度的仿真效果。基于實際高鐵列控系統工作站界面的構成元素類型集中、數量眾多、有各自的屬性和規則且相對較獨立的特點，將界面各個不同的元素制作成為獨立的控件。主要

元素有軌道、道岔、信號機等。將這些元素分別編寫為獨立的控件能使整個系統界面部分組裝方便快捷，而且能使界面部分獨立于系統其他模塊，控件代碼的編寫，要求逼真模擬高鐵列控系統的界面。

圖3 模擬查詢應答器設計圖

圖4 無線傳輸模塊設計圖

圖5 車載ATP速度控制軟件設計流程圖

2.4.2 數字I/O模塊的仿真

由于高鐵列控系統是虛擬的系統，需要大量的基礎數據支持，如軌道電路區段狀態、道岔位置、信號機顯示等，實際設備不可能完全一致，需要用軟件仿真數字I/O模塊模擬設備的采集和監控。

2.5 高鐵列控系統的網絡

高鐵列控系統的終端設備都需要以某種方式連接起來，發送或者接收數據。應用物聯網技術，考慮到方便性（需要數據線連接）、信息基礎設施的可用性以及列車和線路需要實時監控，因此移動網絡將是最主要的接入手段，物聯網在感知層獲得大量數據后要進行遠距離的傳輸[12]。實現不同終端的互聯互通就要借助于互聯網；同樣，在高鐵列控系統中，需要互聯網連接終端設備，保證信息有序正確的流送。

3 系統測試

模擬駕駛臺設置在沙盤軌道旁，模型列車的速度、位置、目標速度、目標距離、線路參數等數據通過ZigBee模塊傳輸到模擬駕駛臺，車載ATP系統采用可視化編程，經過算法運算，得到列車的控制曲線和列車當前的控制速度，實現ATP列車超速防護，沙盤線路、列車速度等數據經過比例放大，系統的測試數據如表1所示。本仿真采用法國TGV-2N列車為參考模型，參數如下：

（1）G：常用制動平均減速度，在上坡度為3‰時為0.8m/s2。

（2）常用制動距離計算公式為

Applying RFID and ZigBee technology of IOT in high-speed railway train control system

MO Zhen-dong1，ZHAO Zhong-hua2
（1.Department of Electronic Engineering，Liuzhou Railway Vocational Technical College，Liuzhou 545007，China；2.College of Information and Communication，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China）

In order to build high-speed railway train control laboratories，carry out course teaching and train corporate staff，this article analyzes the key technology of Internet of things RFID technology，ZigBee technology and the principle of work，conjugating networking technology application status and according to the architecture of Internet of things and the control of Chinese high-speed railway train operation control system structure，designs the operation of highspeed railway train control simulation system，the simulation of Balise and wireless transmission module，and develops application software.By testing the system，it verifies that the technology will be widely used in the high-speed railway train operation control system in our country.

internet of things；train control system；high-speed railway；RFID technology；ZigBee technology

U292.91+4；U264.91+1；TP391.45；TP393.71

：A

：1674-5124（2014）01-0097-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.01.025

2013-06-30；

：2013-08-19

國家自然科學基金項目（60872022）廣西教育廳立項項目（200808LX019）

莫振棟（1973-），男，廣西陽朔縣人，副教授，碩士，研究方向為鐵道信號自動控制。