基于物聯網技術的高速鐵路綜合維修物流監控系統

張志榮,劉迪，劉軍

(1.大連交通大學 管理學院,遼寧 大連 116028;2.哈爾濱鐵路局 電務處,黑龍江 哈爾濱 150001)

基于物聯網技術的高速鐵路綜合維修物流監控系統

張志榮1,劉迪2，劉軍1

(1.大連交通大學 管理學院,遼寧 大連 116028;2.哈爾濱鐵路局 電務處,黑龍江 哈爾濱 150001)

提出了基于物聯網技術的高速鐵路綜合維修物流作業管理流程及監控系統組成，并對該系統實現的關鍵技術問題即多閱讀器碰撞問題進行了Matlab仿真實驗和現場試驗，研究結果表明利用概率功率控制算法的閱讀器，在閱讀器5臺以下的情況，高鐵綜合維修物流監控系統多閱讀器可利用嵌入式軟件監控范圍超過3.5 m,可達到比較理想的狀態，保證了該系統實現的可行性.

高速鐵路；物聯網；維修物流監控；Matlab仿真

0 引言

截止到2012年底，中國投入運營的高鐵總里程達到8千多公里.另有1萬多公里的高速鐵路正在建設中,不僅總里程位居世界第一，投入運營的高鐵里程也居世界第一，鐵路科技創新水平也明顯提高.王夢恕院士提到了高鐵運營的三大問題：“柔性”接觸網、輪軌及信號系統及壯觀的維護大軍[1]，高鐵線路的維護安全管理尤為其重要問題.日本、法國、德國普遍采用二、三級分級管理模式，即：總局、地區局、綜合維修段,我國采用的是管檢修分開模式[2].目前信息技術、網絡技術、互聯網技術、物聯網技術通過對物流信息的采集、傳輸、加工、共享、傳輸等，使得信息應用更廣泛地成為控制、決策的依據和基礎.高鐵維修管理的信息化可采用工務、電務、供電綜合管理模式，實現維修的實時管理[3].基于物聯網技術的高速鐵路綜合維修物流監控系統，旨在通過物聯網技術的應用，保障高鐵封閉線路內作業狀態的監督及施工作業完畢后的線路安全，對進入高速鐵路封閉線路內的人員、物料、工具實行高效的監管，通過實時的信息化管理，確保高速鐵路封閉線路開關狀態實時監控以及作業結束后無人員遺留、無物料遺漏在防護柵欄內，為高鐵安全行車提供保障.

1 系統結構設計

基于物聯網技術的高速鐵路綜合維修物流監控系統是以計算機為核心，建立一套硬軟件相結合的完整的線路維修物流監控體系.系統由設備標簽(無源電子標簽、二維碼)、小件零件電子貨箱、作業通道門禁識別器、材料庫出庫門禁識別器、手持終端機、無源電子標簽遠距離讀寫器、中繼器、數據傳輸信道、傳輸接口及高速鐵路綜合維修物流監控系統監控軟件組成[4].

主要工作原理：上位機將維修或搶修作業書傳輸至手持終端、作業通道門禁識別器、材料庫出庫門禁識別器，給出材料庫出庫、上道許可憑證(無源標簽或二維碼)、上道人員、物料數量等信息.

上道人員、物料、工具、儀器儀表佩戴標識其身份的無源電子標簽，通過材料庫門禁識別器、作業通道門禁識別器時自動登記，也可通過手持終端機進行登記.識別器將接收到的所有信息傳至上位機記錄留存.如發現與上位機傳至的相應數據有差異時，識別器發出聲光報警.通道門禁識別器控制電子門的開、關，數據相同方能實現電子門的開、關.

手持終端機內存有門禁標識二維碼，可單獨操作電子門.另手持終端機還可記錄上道人員行進軌跡，下道時如發現有物料遺留，可依軌跡尋找.作業通道門禁識別器設有兩臺無源電子標簽遠距離讀寫器，標識方向.

上位機、材料庫門禁識別器、作業通道門禁識別器相互通訊.

鐵路局管內調度所、各火車站、公安部門及高鐵各級維修部門可通過公共通訊網絡互聯，實時了解工作人員、物料及工具的在線狀況.

2 系統功能設計

物流監控系統的研制所涉獵的領域較廣，主要有：高速鐵路綜合維修物流監控作業管理流程、無線識別與傳輸技術、條碼技術、嵌入式軟件、電子電路、物流監控作業管理軟件等.

2.1 物流監控作業管理流程

結合鐵路維修相關管理制度[5]，高速鐵路綜合維修物流監控作業管理流程如下：

(1)下達維修或搶修命令，并下達同意上道命令;

(2)根據路局調度所下達維修或搶修命令，給出需要上道人員、物料數量建議，同時要求作業人員進行內容校核、確認;

(3)將維修或搶修作業書通過無線或有線網絡傳輸至手持終端、作業通道門禁識別器、材料庫出庫門禁識別器，給出材料庫出庫、上道許可憑證(無源標簽或二維碼等)、上道人員、物料數量等信息；

(4)按照手持終端接收信息，對小型工具、材料進行裝箱并配帶標識貨箱身份的無源電子標簽，并通過手持終端掃描確認;

(5)作業人員、大型物料、各種工具儀器儀表單獨配有標識身份的無源電子標簽;

(6)攜帶電子標簽的作業人員、大型物料、各種工具儀器儀表、工具箱，從車間、工區材料庫出庫時，經過材料庫門禁識別器應自動登記，也可通過手持終端進行出庫登記.所有信息傳至遠程終端記錄留存.如發現與上位機傳至的維修或搶修作業書有差異時，材料庫門禁識別器發出聲光報警;

(7)作業通道門禁識別器需對手持終端存儲的上道許可憑證進行掃描，信息正確后方可打開通道門，同時對進入線路的人員、物料自動進行上道登記，也可使用手持終端進行上道登記.所有信息傳至遠程終端記錄留存，遠程終端將記錄的人員和物料信息再發至相關作業通道門禁識別器;

當發現預進入物料無材料庫門禁識別器登記物料時，發出報警信息.

作業通道門禁識別器設有A、B兩個遠距離讀寫器，依據A、B順序方能打開上道作業門.

(8)作業通道門禁識別器在作業時間到達時給出聲光提示，對時間結束前未撤離線路的人員、物料給出告警，同時對撤離線路的人員、物料自動進行下道銷記，也可通過手持終端進行下道銷記.所有信息傳至遠程終端記錄留存;

如發現與上位機傳至的上道人員和物料信息有差異時，作業通道門禁識別器發出聲光報警.

作業通道門禁識別器設有C、D兩個遠距離讀寫器，依據C、D順序方能打開上道作業門.

(9)攜帶電子標簽的作業人員、大型物料、各種工具儀器儀表、工具箱，從車間、工區材料庫出庫時，經過材料庫門禁識別器應自動登銷記，也可通過手持終端進行入庫銷記.所有信息傳至遠程終端記錄留存;

(10)可通過手持終端GPS定位功能對走行徑路進行跟蹤記錄;

(11)單次作業結束.

2.2 物流監控作業管理軟件功能分析

高速鐵路綜合維修物流監控系統是以計算機為核心，電子識別為基礎，建立一整套軟硬件相結合的完整的監控體系，實現對高速鐵路綜合維修物流的全程實時跟蹤和智能化管理[4].主要功能是實現從維修指令下達到維修結束各環節的信息共享.系統的基本功能如圖1所示.

基于物聯網技術的高速鐵路綜合維修物流監控作業管理軟件的功能模塊有：系統管理；標簽管理；識別器管理；報警處理；調度指揮管理；在線物流管理；出、入庫門禁管理；上、下線門禁管理.

系統管理：登錄控制和數據備份.

標簽管理：標簽注冊和標簽注銷.

識別器管理：識別器注冊和識別器注銷.

報 警處理：報警查詢和解除報警.

調度指揮管理：終端信息管理；任務級別、種類；動車線狀態；人員及材料信息；信息比對報警.

在線物流管理：在線人員；人員定位跟蹤；在線時間；在線時間越限報警；在線物流軌跡回放.

出、入庫門禁管理：出、入庫地點；出、入庫時間；出、入庫人員；出、入庫材料；出、入庫信息比對報警.

上、下線門禁管理：上、下線地點；上、下線時間；上、下線人員；上、下線材料；上、下線信息比對報警.

圖1 監控作業管理軟件功能模塊圖

3 多閱讀器件的信息碰撞問題

基于物聯網技術的高速鐵路綜合維修物流監控系統是以計算機為核心，建立一套硬軟件相結合的完整的線路維修物流監控體系.涉獵的領域較廣，其核心問題主要包括3個方面的問題：高速鐵路綜合維修物流監控作業管理流程、RFID標簽與多閱讀器件的信息碰撞問題及多閱讀器信息碰撞問題.高速鐵路綜合維修物流監控作業管理流程本文2.1部分已論述，RFID標簽與多閱讀器件的信息碰撞問題可用曼徹斯特算法及巡檢輪回工作方式解決[4].

目前，解決多閱讀器信息碰撞問題的方法主要采用協調計劃算法和功率控制算法[5].文中討論了采用概率功率控制算法來解決多閱讀器的碰撞問題.這些研究都限于5臺以上閱讀器的碰撞問題研究.高鐵綜合維修物流監控系統多閱讀器主要集中在線路出入口，閱讀器多在2～5臺.根據概率功率控制算法理論，本文對2～10臺閱讀器的概率功率控制算法的防碰撞算法在MATLAB中進行仿真實驗.最后，利用現場實驗進行對理論進行了實際驗證.

3.1 2～10臺閱讀器的概率功率控制算法MATLAB仿真實驗

仿真環境在Matlab中建立,閱讀器功率按照ISO15693標準設定0～30 dB,門限信噪比為12 dB.多個閱讀器采用隨機分布網絡拓撲結構,閱讀器間的最小距離分別為3.5 m,閱讀器個數從2～10.假設多閱讀器環境下期望的閱讀范圍為2.5 m.仿真結果如圖2所示.

β分布的概率密度分布圖如圖2所示,改變α和β參數,可以控制功率分布來達到期望的閱讀范圍分布.

圖2 閱讀器功率β分布

閱讀器間的最小距離為3.5m時的閱讀距離仿真結果如圖3所示.

圖3 閱讀器間的最小距離為3.5 m時的閱讀距離

從仿真結果可以看出,利用概率功率控制算法的閱讀器閱讀距離一般都要比沒采用算法的閱讀距離要大,提高了閱讀器的讀寫范圍.同一網絡下,閱讀器的讀寫功率范圍分布為β(2,2)、β(4,4)、β(5,5).針對閱讀器5臺以下的情況，閱讀器間最小距離為2.6～3.2m之間，由此，高鐵綜合維修物流監控系統多閱讀器可利用嵌入式軟件監控范圍超過3.5m,可達到比較理想的狀態.

3.2 物流監控系統試驗

針對多閱讀器信息碰撞問題，利用“基于物聯網技術的高速鐵路綜合維修物流監控系統”的各種裝置及相應的上位機軟件，在哈局雙城北高鐵線路出入口進行了現場試驗，閱讀器采用概率功率控制算法.

現場試驗目的：測試多閱讀器的信息碰撞.

試驗設備及系統布置：現場試驗設備明細表見表1.

現場試驗在哈局雙城北高鐵線路出入口進行，現場試驗設備布置簡圖如圖4.

表1 現場試驗設備明細表

圖4 哈局雙城北高鐵線路出入口現場試驗設備布置簡圖

試驗方法：

保持RFID遠距離讀卡器間距離大于7 m，分別將20、30、40、50張UHF-RFID無源遠距離特種標簽貨物電子標簽置于貨箱內，作業人員分4組，沿高鐵維修通道及線路反復通過10次，上位機軟件分別記錄20、30、40、50張UHF-RFID無源遠距離特種標簽貨物電子標簽識別效果.

試驗結果表明均無漏讀電子標簽信息狀況發生.

4 結論

本文針對我國高速鐵路綜合維修物流管理狀況，提出了基于物聯網技術的高速鐵路綜合維修物流作業管理流程及監控系統組成，并對該系統實現的關鍵技術問題多閱讀器碰撞問題進行了Matlab仿真實驗和現場試驗，研究結果證明利用了概率功率控制算法的閱讀器，在閱讀器5臺以下的情況，閱讀器間最小距離為2.6～3.2 m之間，高鐵綜合維修物流監控系統多閱讀器可利用嵌入式軟件監控范圍超過3.5 m,可達到比較理想的狀態，保證了該系統實現的可行性.

[1]王夢恕.三大系統故障可能成為京滬高鐵常見問題[EB/OL].[2011-07-13].http://www.zwhighway.com/news_show.asp?id=1875.

[2]陳東生.中國高速鐵路工務維修管理模式研究[J].鐵道建筑,2012(5)：129- 133.

[3]高文.高速鐵路檢測、維修管理信息化研究[J].企業家天地,2009(10)：110- 112.

[4]張志榮.基于RFID鐵路物流系統電子識別技術研究[J].大連交通大學學報，2011，32(1)：139- 140.

[5]CHA K,RAMACHANDRAN A,JAGANNATHAN S.Decentralized Power Control with Implementation for RFID Networks[C]//IEEE Conference on Decision and Control，2006:1858- 1863.

High Speed Railway Integrated Maintenance Logistics Monitoring System based on the Internet Things Technology

ZHANG Zhirong1,LIU Di2,LIU Jun1

(1.School of Management,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China;2.Harbin Railway Bureau Electric Department,Harbin 150001,China)

A high-speed railway comprehensive maintenance logistics operation management processes and control system are presented based on networking technology,and the system to achieve the key technical more reader collision issues matlab is simulatied and tested.Research results show that using the probability reader power control algorithm when the reader units are less than 5,the high speed rail integrated maintenance logistics monitoring system with multi-reader monitoring and embedded software can be used more than 3.5 m,to ensure the feasibility of the implementation of the system.

high speed railway;internet of things;maintenance logistics monitoring;matlab simulation

1673- 9590(2015)01- 0092- 05

2014- 02- 15

中國鐵路總公司科技研究開發計劃資助項目(2013X009-B)

張志榮(1962-),男,教授，碩士，主要從事物流工程的研究

E-mail:rory_zhang@dl.cn.

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