RFID電子標簽在鐵路預制構件和原材料管理中的應用研究

■ 索寧 王楠 王輝麟 安然

RFID電子標簽在鐵路預制構件和原材料管理中的應用研究

■ 索寧 王楠 王輝麟 安然

對RFID標簽在鐵路工程預制構件和原材料管理的技術標準和應用進行分析和研究。針對鐵路梁場和軌道板場的預制構件和試驗試件的生產過程和信息化管理業務需求，以RFID電子標簽為媒介，利用物聯網技術和數據加密技術實現與鐵路工程建設管理信息平臺的數據互聯，并通過工程試點實現鐵路預制構件從原材料進場、加工、生產、架梁、鋪軌及開通運維等各個階段的全生命周期管理和質量溯源。

預制構件和原材料管理；RFID標簽；數據加密；鐵路工程信息化

1 背景

鐵路工程施工過程中，對原材料、試件、預制構件的管理和生產工藝流程的標準化尤其重要，與工程質量息息相關，傳統的人工監督和檢查手段無法適應工程信息化的發展要求，耗費大量的人力和物力，無法嚴格規范生產工藝流程，不利于工程進度、成本和質量水平的提升。

根據鐵路工程施工特點，結合信息化和標準化的需求，引入物聯網技術對工程施工中的原材料、試件、預制構件進行標準化統一管理，同時嚴格規范生產工藝流程，讓每個步驟都被有效監督，最終實現工程施工的質量溯源，保證工程安全、順利完工，并對施工質量、施工進度、材料質量、人員組織、機具設備等進行全方位的信息化管理，提升施工單位預制構件的生產管理水平，優化資源配置。

2 RFID電子標簽設計

結合鐵路工程業務需求，將RFID標簽的應用場景分為預制構件和原材料及試件兩類情況。其中預制構件主要為預制軌道板和預制梁；原材料主要為鋼筋，工程試件可分為混凝土同條件養護時間和水泥抗折抗壓試驗試件兩種。RFID標簽在鐵路工程中的應用結構見圖1。

預制梁和預制板是以鋼筋混凝土為主要結構的預制構件，還應考慮RFID標簽的工作頻率要求和其他特性，如抗金屬性。另外，對于本次設計使用的無源RFID標簽的壽命也有要求，需要保證在一定的讀寫次數內能有效工作。最后，在構件與試件養護過程對標簽的工作性能也提出了具體的環境要求。具體考慮如下設計要求：工作參數要求、安裝要求和性能要求。

2.1 RFID標簽的工作參數要求

2.1.1 用于預制構件的RFID電子標簽

由于預制構件為鋼筋混凝土結構，故為適應工程實際應用的要求，RFID標簽應采用抗金屬標簽，確保其固定在預制構件內部時可以正常工作，不受鋼筋的影響。為保證讀寫距離，RFID電子標簽應選用超高頻電子標簽，其工作頻率為920～925 MHz。考慮到埋入式的安裝方式，使得標簽一旦埋入預制構件將無法取出，故應選用無需自帶電池無源工作方式的標簽，且保證正常讀取次數為20萬次，寫入次數為10萬次。應用在預制構件中抗金屬標簽的尺寸不宜過大，根據C60高強混凝土中骨料的粒徑大小，其厚度應不大于為10 mm。電子標簽外部封裝為ABS塑料材質，采用超聲波焊接，具有耐弱酸弱堿性，可使電子標簽在-45～+80 ℃下正常工作，其外觀見圖2。

2.1.2 用于試件表面的RFID電子標簽

固定在試件表面的RFID標簽可以選擇非抗金屬性標簽，由于試件為立方體混凝土或者水泥試件，故可不考慮鋼筋的影響，但需要注意RFID標簽的形狀和固定方式，在嵌入試件表面的同時又不對試件的受力結構造成破壞，同時在試件和原材料管理中的RFID標簽多為一次性使用，故應盡量選擇低成本的標簽，工作頻率13．56 MHz，封裝可選擇PVC材質，利用四周的支腳與試件固定。試件用RFID標簽外觀見圖3。

2.2 RFID標簽的安裝要求

RFID標簽的固定問題是需要解決的主要問題，為了滿足質量溯源的功能要求，RFID標簽需要與預制構件或試件結合在一起，但又不能破壞預制構件或試件的受力結構，以免造成受力能力的喪失，這對標簽的外觀有一定的要求。

為適應預制構件的內部結構，根據不同預制梁和預制軌道板的不同結構設計可有效固定于預制構件內部的RFID標簽外形。標簽需安裝在混凝土構件內部，因為標簽對方向性要求較高，故應形成有效固定效果，避免在振搗和澆筑過程發生位置偏移，造成無法讀取的結果。對于試件表面的RFID標簽也要求良好的方向性，可在試件初凝前安裝。（1）固定要求：通過定位孔沿上層非預應力鋼筋縱向綁扎固定，保證標簽識別的方向性和澆筑、振搗的固定性；（2）易檢測性：標簽安裝位置易于手持終端的檢測和讀寫；（3）安裝位置：軌道板標識牌正下方（以軌道板為例，見圖4）。

2.3 RFID標簽的性能要求

根據應用場景的不同，標簽的性能要求也不同，主要可從標簽壽命、工作環境、讀寫速度、存儲要求和讀寫距離等要求。一般來說預制構件場景中的要求較高，由于其無法更換，故需要保證其性能在規定時間內的有效性，同時通過冗余備份增加標簽的使用壽命。（1）讀寫操作：無源電子標簽可進行10萬次寫操作，20萬次讀操作。（2）工作環境：滿足溫度沖擊、交變濕熱試驗、振動、IP防護、電磁兼容性試驗指標參數。（3）標簽冗余：預制構件中應對電子標簽進行1+1冗余備份。（4）讀寫速度：標簽讀寫速度小于1 s。（5）讀寫率：埋入工程構件中的電子標簽讀寫成功率為100%。（6）存儲要求：用戶區512 b，EPC區96 b，TID區64 b。（7）讀寫距離：手持終端可在RFID電子標簽埋入混凝土構件前后正常讀寫，距離滿足相關技術要求規定。

3 功能

滿足鐵路工程信息化和標準化的業務需求，結合預制構件和原材料試件生產量大、質量要求高、過程難追溯和不易管理等特點，RFID標簽的功能和性能應具有如下功能。

3.1 預制構件生產管理與質量溯源

對預制構件的生產管理主要包括預制軌道板和預制梁等基礎構件，具有生產量大、應用廣、質量要求高等特點，通過將RFID電子標簽固定在預制構件中，利用其唯一的RFID識別碼實現對預制構件生產流程的規范化管理。在預制構件每個生產環節對RFID標簽進行配對讀寫，對生產所處的狀態進行標記。一般的預制構件生產流程包括鋼筋處理、澆筑、養護、張拉、管道壓漿、封錨、成品檢查、出庫、使用、維護等全生命周期進行管理，并將相關的生產單位、施工單位、維護單位的信息進行統計和關聯，最終實現質量溯源。同時通過數據安全加密技術對RFID內部存儲的數據信息進行不對稱算法加密處理，保證數據交互的安全性和數據的嚴肅性。

3.2 原材料和試驗試件管理

對原材料和試驗試件的管理主要包括鋼筋原材、混凝土養護試件和水泥抗壓抗折試件等。利用RFID標簽對原材料進場檢驗、試驗和領用等各個環節進行質量管控，在試件制作初凝前將RFID標簽固定在試件表面，在同條件養護期對試件在高溫、低溫、交變濕熱、振動、試驗等全生命周期進行管理，并將相關的制作人員、制作單位、試驗人員的信息進行統計和關聯，最終實現質量溯源。

4 RFID電子標簽在預制板場中的試點應用

2014年9月，在鄭徐客專民權板場對RFID電子標簽在預制板場中的應用進行試點，先后完成適合CRTSIII型無砟軌道板RFID標簽的設計、安裝、試驗、調試、應用等工作，共投入500枚RFID標簽，全部埋入預制板中，參與從鋼筋綁扎、入模、澆筑、振搗、養護、入庫、出庫、鋪設等全過程的生產，與板場信息化系統數據交互，實現對預制軌道板的生產管理和質量監督。

2015年8月至今，在京沈高鐵沈陽段的4個板場完成RFID電子標簽的第二次試點工作，對其各項參數進行驗證，修改并最終確定安裝方式、安裝位置和性能參數，實現在軌道板正式生產過程中的應用，完成對軌道板生產過程的信息化管理和質量監督功能。

4.1 RFID標簽的安裝

根據軌道板的構造特點，CRTSIII型無砟軌道板內部為雙層鋼筋，RFID標簽須固定在上層鋼筋上，同時需要避開接地端子部分，為了檢測的方便，最終把標簽的安裝固定位置定在軌道板左右兩側的標識處。

4.2 RFID標簽在生產流程管理中應用

以軌道板場為應用實例，RFID電子標簽在生產流程管理中的應用包括RFID識別碼初始化、鋼筋綁扎的初步固定、入模、澆筑和振搗、終凝固定、出模、封錨、養護、入庫、出庫和現場鋪設等過程，包含了軌道板生產到使用的全部過程。（1）初始化：RFID標簽出廠后進行的第一次數據寫入，包括ID識別碼等基本標志信息；（2）鋼筋綁扎：將RFID標簽通過鋼絲初步固定在軌道板的上層鋼筋上，要求方向朝向為上，且有效固定；（3）入模：已綁扎標簽的鋼筋籠入模工序；（4）澆筑和振搗：對入模后的鋼筋籠進行混凝土澆筑，邊澆筑邊振搗，同時確保整個過程中RFID標簽不發生移位；（5）出模：經過初凝和終凝階段后，利用龍門吊將軌道板吊起出模；（6）養護：先后經過水養和干養過程；（7）入庫：經過養護后的軌道板入庫，并通過灑水等方式繼續養護直至出庫；（8）出庫：一般周期為30 d；（9）使用：軌道板的鋪設。

5 結束語

針對鐵路工程預制構件生產流程和原材料管理的標準化、信息化要求，采用射頻識別和信息化技術相融合方式，以RFID標簽作為媒介，通過其內部存儲數據信息（生產參數、施工信息、養護信息和維保信息等）與鐵路梁場或板場信息化系統進行交互，實現對預制構件和原材料試件的全生命周期信息化管理和質量溯源，從工程源頭對質量進行有效監督和管控，同時對RFID標簽內部信息進行加密，保證數據的嚴謹性和安全性。

RFID標簽內部數據信息通過算法加密，不僅實現數據交互功能，還能實現對預制構件的產能分析、工序管控、質量監督、數據整合、分析處理、綜合統計查詢、圖表展示和安全預警等功能，并通過對用戶反饋問題的不斷改進，逐步滿足鐵路工程建設業務需求，提高業務融合程度，為鐵路工程質量管理提供信息化支持和系統級的保障。

[1] 中國鐵道科學研究院． 鐵路工程CRTSIII型板式無砟軌道埋入式電子標簽暫行技術要求[R]，2015．

[2] GB/T 25340—2010 鐵路機車車輛自動識別設備技術條件[S]．

[3] TB/T 3070—2002 鐵路機車車輛自動識別設備技術條件[S]．

[4] GB/T 29768—2013 信息技術 射頻識別 800～900 MHz空中接口協議[S]．

索 寧：中國鐵道科學研究院電子計算技術研究所，助理研究員，北京，100081

王 楠： 中國鐵道科學研究院，助理研究員，北京，100081

王輝麟：中國鐵道科學研究院電子計算技術研究所，副研究員，北京，100081

安 然：中國鐵道科學研究院電子計算技術研究所，工程師，北京，100081

責任編輯 王志明

U21

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1672-061X（2015）06-0090-03