基于RFID的鐵路供電安全管理信息系統(tǒng)研究與設(shè)計

魏念龍，王婷婷

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基于RFID的鐵路供電安全管理信息系統(tǒng)研究與設(shè)計

魏念龍，王婷婷

將RFID技術(shù)引入鐵路供電系統(tǒng)安全生產(chǎn)與管理領(lǐng)域，提出RFID技術(shù)在鐵路供電安全系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)傳輸應(yīng)用方案，實現(xiàn)對作業(yè)現(xiàn)場安全控制、任務(wù)部署、設(shè)備壽命管理、GIS、定位、跟蹤管理等功能，實現(xiàn)安全生產(chǎn)與管理等各階段的信息聯(lián)動共享，提高鐵路供電安全生產(chǎn)與管理的現(xiàn)代化水平。

RFID；鐵路供電；安全；管理；信息系統(tǒng)

0 引言

目前，鐵路供電系統(tǒng)的現(xiàn)場作業(yè)基本依靠工作票和現(xiàn)場監(jiān)護進行安全卡控，即現(xiàn)場作業(yè)人員根據(jù)收到的作業(yè)命令和停電信息進行作業(yè)。由于作業(yè)現(xiàn)場未設(shè)置必要的安全警示裝置進行提示以規(guī)范作業(yè)人員的作業(yè)，加上存在多回路線路，極易發(fā)生誤登、誤入等問題，造成人身傷害事故，類似案例發(fā)生多次，觸目驚心，教訓(xùn)慘痛。同時設(shè)備管理與檢測、維護等信息的管理涉及多個部門，設(shè)備分散、信息量大、工作交叉多、工作量大，且目前仍利用Excel進行數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)計、分析、任務(wù)下達(dá)等，不能實現(xiàn)高效、實時、動態(tài)、安全的管理。

“基于RFID（Radio Frequency Identification）鐵路供電安全管理信息系統(tǒng)”是通過安裝在設(shè)備本體上的RFID標(biāo)簽和作業(yè)人員手持終端判斷工作位置及項目是否正確，能夠有效避免因作業(yè)人員和監(jiān)護人員疏忽等造成的人身傷害事故。與此同時，該系統(tǒng)還可以作為設(shè)備檢測、維護、信息管理、任務(wù)管理等工作的綜合平臺，實現(xiàn)設(shè)備、人員、現(xiàn)場等綜合數(shù)據(jù)與安全管理的一體化應(yīng)用，并為進一步實現(xiàn)智能化無人巡檢提供現(xiàn)場技術(shù)支撐，減少設(shè)備投資，具有高效、安全、經(jīng)濟的特點，在鐵路安全生產(chǎn)與信息管理等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 原理與結(jié)構(gòu)

RFID技術(shù)又稱射頻識別技術(shù)，是一種基于射頻通信的非接觸式自動識別技術(shù)[1]。1948年，美國無線電工程師哈里?斯托克曼（Harry Stockman），在無線電工程師協(xié)會學(xué)報上發(fā)表的名為“Communication by Means of Reflected Power（利用能量反射進行通訊）”的學(xué)術(shù)論文為之后RFID技術(shù)的應(yīng)用研究和發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。RFID技術(shù)及藍(lán)牙、紅外、Zigbee、WLAN/WiFi、UWB等無線通信技術(shù)均屬于短距離無線通信技術(shù)，其主要區(qū)別是RFID技術(shù)采用無源被動通信工作模式，因RFID標(biāo)簽處于無源狀態(tài)，需采用反射調(diào)制技術(shù)完成信息的傳輸。

在RFID系統(tǒng)中，閱讀器與RFID標(biāo)簽之間無需建立機械、電氣或光學(xué)聯(lián)系，具有存儲信息容量大、識別距離遠(yuǎn)、識別速率高、對讀取方向要求小、能同時識別多個目標(biāo)、能識別移動目標(biāo)、信息保密性高等優(yōu)點[2]，在生產(chǎn)管理與控制、物流與供應(yīng)鏈管理、貨物監(jiān)管、交通管理、綜合服務(wù)體系、施工管理、過程控制、歷史追溯等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。

RFID系統(tǒng)由以下幾部分組成：（1）RFID標(biāo)簽，由芯片和耦合元件組成，每個標(biāo)簽配屬唯一ID；（2）讀寫器，讀取和寫入RFID標(biāo)簽信息，是RFID標(biāo)簽進行信息數(shù)據(jù)交換的終端設(shè)備，分移動式和固定式2種；（3）天線，在RFID標(biāo)簽和讀寫器之間傳輸射頻信號，是RFID系統(tǒng)的中間件設(shè)備。

RFID系統(tǒng)的工作原理：閱讀器將要發(fā)送的信息編碼后加載于特定頻率的載波信號，當(dāng)閱讀器進入RFID標(biāo)簽特定的讀取范圍之內(nèi)，即閱讀器的磁場覆蓋RFID標(biāo)簽時，RFID標(biāo)簽接收閱讀器發(fā)射的射頻信號，利用電磁感應(yīng)產(chǎn)生的能量驅(qū)動向閱讀器發(fā)送存儲在RFID標(biāo)簽芯片中的信息。對于經(jīng)過加密的RFID標(biāo)簽，接收閱讀器發(fā)送的射頻信號后，RFID標(biāo)簽對射頻信號通過解碼和解密，對請求、密碼、權(quán)限等進行判斷，判斷是否為非法讀取，若非法將不發(fā)射信號。

2 功能簡述

基于RFID的鐵路供電安全管理信息系統(tǒng)將RFID技術(shù)引入到鐵路供電安全管理領(lǐng)域，通過融合SCADA、RFID、GIS/北斗等技術(shù)，按照“統(tǒng)一接口、統(tǒng)一制式”的原則，在接口定義、數(shù)據(jù)傳輸、通信協(xié)議以及軟、硬件平臺配置等方面執(zhí)行相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可處理不同生產(chǎn)廠家、不同設(shè)備的數(shù)據(jù)，并與其他相關(guān)系統(tǒng)實現(xiàn)互連互通和信息共享。在軟硬件配置、軟件產(chǎn)品性能方面滿足高可靠性、高安全性的要求，采用先進的計算、存儲、圖像處理、大數(shù)據(jù)及可視化等技術(shù)，探索建立一套綜合性、系統(tǒng)性的鐵路供電安全管理信息系統(tǒng)，對各種檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)集中、信息共享、互通共享，滿足不同建設(shè)時期、不同設(shè)備、不同裝備、不同系統(tǒng)的接入需求，能夠隨技術(shù)發(fā)展和設(shè)備數(shù)量增加，方便靈活地進行容量、功能擴展，適應(yīng)發(fā)展的超前規(guī)劃。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對現(xiàn)場需求和管理，考慮數(shù)據(jù)融合、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)纫蛩兀瑢ο到y(tǒng)進行設(shè)計，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計

（1）RFID標(biāo)簽單元。RFID標(biāo)簽選用無源標(biāo)簽，每一個標(biāo)簽具有全路系統(tǒng)唯一地址，地址依據(jù)室內(nèi)外設(shè)備及各單元設(shè)備特點、讀寫距離等進行制定，可應(yīng)用于貫通自閉桿塔、接觸網(wǎng)支柱、箱變、配電箱、燈塔、燈柱、變配電所亭等設(shè)備上。其中接觸網(wǎng)支柱、貫通自閉桿塔、燈塔、燈柱等的RFID標(biāo)簽按支柱安裝，箱變按本體安裝；對于室外桿架式變電臺無論單桿還是雙桿均以支柱為準(zhǔn)；對于變配電所亭按照最小室安裝，例如變電所室外設(shè)備以落地安裝為準(zhǔn)，即安裝于柱上或變壓器本體上；對于變配電所亭室內(nèi)設(shè)備按照柜體分割安裝。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（2）讀寫器。采用PDA和車載閱讀器，其中PDA應(yīng)用于巡檢、維修、安全控制、任務(wù)部署、壽命管理、GIS數(shù)據(jù)、跟蹤管理等。作業(yè)人員攜帶PDA按計劃巡檢、維修時，PDA自動讀取并比對RFID標(biāo)簽信息，同時記錄讀取出的當(dāng)前位置RFID標(biāo)簽信息和讀取時的準(zhǔn)確時刻，自動提示在數(shù)據(jù)中心部署的工作任務(wù)和讀取對象的作業(yè)項目。車載閱讀器主要用于檢測車定位以及數(shù)據(jù)的采集。

（3）網(wǎng)絡(luò)。由于供電設(shè)備基本沿鐵路線路布置，設(shè)備分散且無網(wǎng)絡(luò)特別是鐵路內(nèi)網(wǎng)覆蓋，只能采用移動公網(wǎng)（WiFi/3G/4G）進行數(shù)據(jù)傳輸。接入的信息源主要包括文本、數(shù)值、圖像，信息通過移動公網(wǎng)安全平臺接入鐵路綜合信息網(wǎng)，PDA或車載閱讀器采集的數(shù)據(jù)通過移動公網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)傳送到鐵路綜合信息網(wǎng)外網(wǎng)，由移動公網(wǎng)安全平臺負(fù)責(zé)接收并穿越鐵路計算機網(wǎng)絡(luò)安全平臺等設(shè)施傳送到鐵路綜合信息網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)部署的數(shù)據(jù)中心平臺；數(shù)據(jù)中心平臺向PDA發(fā)送的數(shù)據(jù)通過鐵路綜合信息網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)發(fā)送到移動公網(wǎng)安全平臺，由移動公網(wǎng)安全平臺發(fā)送到PDA，實現(xiàn)PDA或車載閱讀器數(shù)據(jù)與鐵路內(nèi)網(wǎng)的實時通信和數(shù)據(jù)傳輸。

（4）防護問題。由于RFID標(biāo)簽大部分安裝于室外且安裝在供電設(shè)備上，需克服環(huán)境和供電設(shè)備對RFID標(biāo)簽特性的影響，因此選用的RFID標(biāo)簽應(yīng)具有較強的穩(wěn)定性、較遠(yuǎn)的讀取距離、較好的方向性，能夠在惡劣環(huán)境下保持長期穩(wěn)定、完好。

（5）讀取距離。接觸網(wǎng)支柱內(nèi)側(cè)距線路中心距離不小于3 100 mm[4]，鐵路線路直線軌距標(biāo)準(zhǔn)為1 435 mm[5]，車載閱讀器安裝于檢測車靠近田野側(cè)（支柱側(cè)），因此選擇讀取距離為0～1 383 mm；安裝于其他位置的RFID標(biāo)簽采用PDA進行數(shù)據(jù)讀取，因此其讀取距離通常選擇0～1 000 mm。綜合上述2種距離，同時考慮到裕量，讀取距離宜選擇0～2 000 mm。

（6）接口問題。系統(tǒng)預(yù)留與既有接觸網(wǎng)一桿一檔系統(tǒng)、供電生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)、鐵路公用基礎(chǔ)編碼及主數(shù)據(jù)管理平臺等相關(guān)系統(tǒng)的接口。接口信息為雙向傳輸，數(shù)據(jù)信息編碼采用鐵路公用基礎(chǔ)編碼格式，數(shù)據(jù)信息符合《鐵路公用基礎(chǔ)編碼及主數(shù)據(jù)管理平臺》、《鐵路牽引供電設(shè)備設(shè)施單元劃分、編碼暫行規(guī)范》等相關(guān)文件的要求。各類接口的數(shù)據(jù)通信采用基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)傳輸規(guī)約和基于WebService規(guī)范的應(yīng)用程序接口方式。

（7）系統(tǒng)安全。采用統(tǒng)一的用戶權(quán)限管理，配置用戶登錄失敗處理功能和超時自動退出策略；對用戶身份標(biāo)識進行唯一鑒別及復(fù)雜度要求，確保用戶名具有唯一性，保證應(yīng)用系統(tǒng)中不存在重復(fù)的用戶身份標(biāo)識，對登錄操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、平臺軟件的用戶進行身份標(biāo)識和鑒別，防止身份被冒用；及時刪除多余、過期帳戶，避免共享帳戶的存在；授權(quán)主體即超級管理員統(tǒng)一配置訪問控制策略，嚴(yán)格限制默認(rèn)帳戶的訪問權(quán)限，給予不同帳戶為完成各自承擔(dān)任務(wù)所需的最小權(quán)限，并在他們之間形成相互制約的關(guān)系；系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)有效性檢驗，保證通過人機接口輸入或通過通信接口輸入的數(shù)據(jù)格式、長度符合系統(tǒng)設(shè)定要求[6，9]。

4 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)需要對人員、車輛進行定位及信息傳輸、任務(wù)部署、軌跡捕捉與形成、現(xiàn)場作業(yè)安全卡控、設(shè)備及維修信息綜合統(tǒng)計、壽命管理等多項綜合工作任務(wù)，需要利用公網(wǎng)進行所有數(shù)據(jù)的傳輸，而數(shù)據(jù)的綜合處理則部署在專網(wǎng)上，保證其安全。系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

4.1 任務(wù)部署

作業(yè)人員根據(jù)數(shù)據(jù)中心傳輸至PDA的工作內(nèi)容到達(dá)作業(yè)現(xiàn)場，PDA讀取作業(yè)對象上RFID標(biāo)簽信息，核實作業(yè)對象，任務(wù)匹配后進行作業(yè)。作業(yè)完成后對作業(yè)內(nèi)容、設(shè)備參數(shù)變化等信息通過PDA進行錄入并上傳至數(shù)據(jù)中心，由數(shù)據(jù)中心進行整合、統(tǒng)計、存儲。

圖2 鐵路供電安全管理信息系統(tǒng)工作流程

4.2 定位

（1）檢測車定位。車載閱讀器在檢測車運行過程中實時獲取芯片預(yù)寫入的編碼信息，結(jié)合基礎(chǔ)線路數(shù)據(jù)庫、LKJ/GYK信息、射頻芯片編碼數(shù)據(jù)庫，匹配出當(dāng)前芯片所在線路定位桿的位置，計算處理后跳轉(zhuǎn)到當(dāng)前車載設(shè)備在實際線路中的位置，并實現(xiàn)誤差修正功能，準(zhǔn)確定位檢測車位置，從而保證檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（2）人員定位。作業(yè)人員攜帶PDA到達(dá)作業(yè)現(xiàn)場后，PDA自動讀取RFID標(biāo)簽信息，同時與數(shù)據(jù)中心下達(dá)的作業(yè)對象進行自動比對，以確認(rèn)該作業(yè)是否擁有作業(yè)權(quán)限，發(fā)現(xiàn)非法作業(yè)時PDA通過聲音、光和振動等方式進行報警；作業(yè)完畢后若作業(yè)人員未全部撤出作業(yè)現(xiàn)場，PDA向數(shù)據(jù)中心、調(diào)度指揮中心、現(xiàn)場工作領(lǐng)導(dǎo)人PDA發(fā)送信息，給出未撤出人數(shù)、人員信息、位置等信息，并不間斷提醒，防止發(fā)生誤登、誤入、誤送電等情況，達(dá)到保護的目的。

4.3 運行/巡視軌跡

PDA中預(yù)植GIS/北斗芯片，人員攜帶PDA作業(yè)和巡視時，PDA自動閱讀現(xiàn)場RFID標(biāo)簽信息，并定位自身位置和RFID標(biāo)簽自身位置信息，確定作業(yè)人員進行作業(yè)和巡視的時間和位置，融合GIS北斗形成軌跡信息，可用于實時或歷史調(diào)閱。車載閱讀器定位信息和LKJ/GYK信息綜合在GIS北斗上給出運行軌跡，作業(yè)人員處理時利用PDA直接讀取現(xiàn)場RFID標(biāo)簽信息，實現(xiàn)準(zhǔn)確定位及對檢測數(shù)據(jù)和缺陷數(shù)據(jù)的調(diào)閱。

4.4 壽命管理

物資采購驗收合格入庫時粘貼RFID標(biāo)簽，通過PDA或掃碼槍將設(shè)備信息、規(guī)格、數(shù)量、用途、存儲位置等信息上傳至數(shù)據(jù)中心，與物資代碼進行匹配分類，消除人工統(tǒng)計、紙質(zhì)存儲模式下的重復(fù)錄入、漏查漏錄、勞動強度大、時間消耗大等弊端，實現(xiàn)物資庫房管理的智能化、數(shù)字化、可靠化。物資送達(dá)安裝現(xiàn)場時，作業(yè)人員利用PDA讀取物資RFID標(biāo)簽信息，確認(rèn)安裝位置、對象等信息后，將該物資信息直接轉(zhuǎn)至現(xiàn)場設(shè)備最大對象RFID標(biāo)簽信息，標(biāo)明安裝時間、地點、人員等信息，并除去物資上臨時性RFID標(biāo)簽。對于現(xiàn)場拆除的物資，則粘貼臨時性RFID標(biāo)簽，通過PDA錄入信息，便于廢舊物資利用或物資報廢跟蹤處理，實現(xiàn)物資設(shè)備的全過程壽命管理。

4.5 運維管理

在設(shè)備運營維護管理過程中，作業(yè)人員和管理人員利用PDA或數(shù)據(jù)中心讀取和傳輸作業(yè)維修驗收等各類信息，核對設(shè)備標(biāo)示信息與現(xiàn)場是否一致，作業(yè)內(nèi)容是否完成，驗收是否合格，是否實現(xiàn)了實名檢、實名修、實名驗等工作，是否存在漏檢漏修等情況，以高可靠性、低人力物力成本實現(xiàn)設(shè)備運營維護管理的高效優(yōu)質(zhì)。

5 結(jié)語

本文主要對RFID技術(shù)在鐵路供電安全管理方面進行應(yīng)用研究與設(shè)計，同時結(jié)合現(xiàn)場實際和供電安全管理系統(tǒng)特點對其在綜合應(yīng)用方面進行了拓展，對于鐵路供電安全信息以及綜合信息應(yīng)用的開發(fā)設(shè)計具有現(xiàn)實意義，可切實提高鐵路供電系統(tǒng)的安全性和綜合管理的可靠性、經(jīng)濟性，具有廣闊的應(yīng)用前景，同時對鐵路各系統(tǒng)的現(xiàn)代信息化應(yīng)用具有參考價值。

[1] 中華人民共和國科學(xué)技術(shù)部等十五部委．中國射頻識別（RFID）技術(shù)政策白皮書[R]．北京，2006．

[2] 黃玉蘭．射頻識別（RFID）核心技術(shù)詳解[M]．北京：人民郵電出版社，2010．

[3] 賀彩玲，張翠花．RFID 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢探究[J]．電子測試，2013，4（8）：217-218．

[4] 中國鐵路總公司．鐵路技術(shù)管理規(guī)程（高速鐵路部分）[M]．北京：中國鐵道出版社，2016．

[5] 中國鐵路總公司．鐵路技術(shù)管理規(guī)程（普速鐵路部分）[M]．北京：中國鐵道出版社，2016．

[6] 李春芳，李超，湛高群．無線局域網(wǎng)中實現(xiàn)信息系統(tǒng)安全等級保護的要求[J]．信息網(wǎng)絡(luò)安全，2011（8）：17-19．

[7] 中國鐵路總公司．高速鐵路接觸網(wǎng)運行維修規(guī)則[M]．北京：中國鐵道出版社，2016．

[8] 中國鐵路總公司．高速鐵路接觸網(wǎng)安全工作規(guī)則[M]．北京：中國鐵道出版社，2016．

[9] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會．GBT22239-2008信息系統(tǒng)安全等級保護基本要求[S]. 北京：中國質(zhì)檢出版社，2008.

[10] 李寶山，付社衛(wèi)．基于ARM的嵌入式RFID中間件系統(tǒng)設(shè)計[J]．電子與封裝，2012，2（106）：23-25．

The FRID technology is introduced into the fields of safety production and management of railway power supply system, and the schemes for application of FRID technology for the structural design and network transmission in the railway power supply safety system are put forward, for realizing the functions of safety control of operation site, task allocation, equipment service life management, GIS, positioning and tracking management, for realizing of the information linkage and sharing in several stages of safety production and management so as for improving the modernization level of railway power supply safety production and management.

RFID; railway power supply; safety; management; information system

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.06.006

U226.1

A

1007-936X(2018)06-0029-04

2018-05-08

魏念龍.中國鐵路呼和浩特局集團有限公司呼和浩特供電段，助理工程師；

王婷婷.中國鐵路呼和浩特局集團有限公司呼和浩特供電段，工程師。