基于RFID技術的扣件緊固狀態檢測系統的研發

周游 凌烈鵬 時佳斌 王智超

（中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

隨著我國鐵路的快速發展，對鐵路工務基礎設施的安全以及工作狀態提出了更高的要求［1］。線路扣件是連接鋼軌和軌枕的重要連接部件，若有松動或缺失會對線路的穩定性造成影響，批量的扣件失效甚至會造成嚴重的安全隱患［2］。巡道工會對線路扣件進行人工定期巡檢，但這種檢測方式存在以下不足：①人工檢測只能目測扣件是否丟失、傷損，很難檢查扣件壓力失效程度；②人工檢測花費的時間較長，檢驗效率低，且勞動強度大，隨機性較高；③工人上線檢測，存在人員發生安全事故的風險；④鐵路扣件數量龐大，巡檢結果無法進行精細的標識定位和統計分析，不能追溯扣件狀態變化，也不能為線路精細化管理提供大數據支撐。因此，要保證線路扣件安全，僅靠人工檢測遠遠滿足不了要求。

目前，我國鐵路應用的自動檢測系統主要采用有線網絡，需要沿鐵路布置大量的電源線和數據線，其高昂的建設成本制約了檢測系統的大面積部署。此外，在山區、峽谷、凍土等條件艱苦地帶和人煙稀少地段，其建設難以滿足有線網絡正常工作的要求，會造成安全隱患和大量維護成本的投入［3］。

基于RFID技術的扣件緊固狀態檢測系統，通過運用無線射頻識別技術可實現能量和信息的傳遞，使傳感器擺脫了“線”的束縛，讓數據匯聚的方式更為靈活。緊固狀態傳感器的開發和應用，將緊固狀態完全數字量化，可實現狀態量化和追溯統計，為精細化管理提供技術手段。該檢測方式可大幅提升對扣件緊固狀態的檢測效率，量化扣件緊固狀態，保障檢測準確率，且建設和維護成本較低，可為長期運營安全性提供保障。

1 國內外研究現狀

RFID技術是一種利用自由空間進行非接觸式自動識別的技術，具有識別便捷、讀取速度快、動態實時射頻通信、安全性高的優點，非常符合當下扣件緊固狀態檢測系統的需要［4］。目前在鐵路系統中主要用于車號的識別，未見用于壓力、溫度等物理環境狀態檢測。但在其他領域中，Vyas等［5］通過設計陣列天線收集來自6.3 km外的東京電視塔發射的電磁波，為其溫度傳感標簽提供穩定工作電壓，其靈敏度最高可達14.6 dBm；劉茂旭［6］設計的電容式加速度傳感器芯片的射頻模擬前端，總功耗約為7 μW；蘇圓圓等［7］設計了用于混凝土監測的射頻濕度傳感器標簽，其濕度測量結果在10%～70%區間具有良好的線性度，且最遠通信距離為50 cm。

上述文獻研究的無線傳輸距離較近，只能在特定場合使用，無法滿足鐵路移動檢測的需要。

2 系統設計方案

基于RFID技術的扣件緊固狀態檢測系統由扣件緊固狀態傳感器、射頻天線、讀出器和軟件管理平臺構成（圖 1）。其中，GSM-R（Global System of Mobile Communications-Railway）為鐵路綜合數字移動的通信系統，LTE（Long Term Evolation）為通用移動通信技術的長期演進。每個扣件緊固狀態傳感器有唯一的ID編號進行身份標識，將扣件螺栓安裝在軌道上可對扣件的緊固狀態進行感知采集和傳輸。射頻天線用于接收和發送射頻載波以完成射頻通信。讀出器分為車載式讀出器和便攜式讀出器。車載式讀出器通過天線和智能扣件進行數據交互，從而獲取智能扣件的ID編號并感知采集軌道扣件的緊固狀態。便攜式讀出器自帶天線，功能和車載式讀出器一樣，能與智能緊固件進行無線交互。軟件管理平臺對采集的數據進行分析，根據實際情況生成相應的報表和報警信息。

圖1 扣件緊固狀態檢測系統

通過自動激活天線工作范圍內的扣件緊固狀態傳感器，完成對軌道扣件緊固狀態的感知采集和數據從地到車的傳輸工作。采集的信息通過網絡傳送至軟件管理平臺，系統自動對信息進行分析并生成報告。

2.1 供能傳輸方案

不同RFID應用頻率特征見表1［8］。可知，超高頻的RFID的抗干擾性和讀寫距離較有優勢，基本可以滿足鐵路現場的電磁干擾和移動檢測的需要，因此本文研究選用超高頻的RFID。

表1 不同RFID應用頻率特征 MHz

2.2 緊固狀態傳感器方案

根據RFID傳感器是否需要外界供電進行分類，可以將傳感器分為無源、有源和半無源，不同供電方案的工作特點見表2。為了確保鐵路運輸安全，在現有電池技術條件下，本文選用無源傳感器方案。

表2 不同供電方案的工作特點

為了實現對扣件緊固狀態的測量，扣件緊固狀態傳感器（圖2）主要包括2部分：①金屬（測力）墊圈，其內置了壓力傳感器，能夠測量通過墊圈扣壓到彈條上的扣壓力，不同扣件扣壓力設計值見表3。根據其扣件扣壓力要求，將壓力傳感器量程設定為0～20 kN，2進制存儲采用12位的存儲器，分辨率控制在5 N。②附耳腔，其內置了RFID的感應天線及壓力傳感器采集處理裝置，可以接受和傳遞無線射頻，通過射頻技術向壓力傳感器提供電能，并對相應的扣壓力進行采集處理。

圖2 扣件緊固狀態傳感器

表3 不同扣件扣壓力設計值

2.3 檢測采集方案

目前，國內鐵路軌道相鄰枕扣件距離在0.5～0.7 m，同一承軌槽鋼軌內外扣件距離在0.25 m左右，同一軌枕鋼軌內側扣件距離在1.3 m左右（圖3（a））。根據《鐵路技術管理規程（普速鐵路部分）》［9］和《鐵路技術管理規程（高速鐵路部分）》［10］中關于車輛車體彈簧承載部分限界為350 mm的規定，初步將車載天線垂直激勵范圍H控制在500 mm，將天線運動方向激勵范圍D設為500 mm（圖3（b））。基于RFID技術的扣件緊固狀態檢測系統，根據不同的應用場景設計了2種檢測采集方案，分別為便攜式和車載式。便攜式讀出器集成了射頻天線，僅需人工靠近扣件并激勵即可讀取相應的扣壓力。車載式讀出器需要外界大功率的射頻天線，當射頻天線通過扣件上方時，其500 mm范圍內的扣件將被激勵，天線可采集相應的扣壓力。通過優化扣件緊固狀態傳感器RFID感應天線，可基本實現20 km/h的移動檢測。

圖3 車載檢測系統位置示意

2.4 檢測信息管理方案

檢測信息的管理基于云平臺的系統架構設計。檢測信息包括傳感器ID信息、扣壓力等。讀出器采集現場數據后實時上傳至云服務器，云服務器上的檢測系統根據接收到的報文進行分析并登記，按設定的報警方式實時推送給相關人員。工區人員可將確認信息、處理信息等上報給云服務器，實現對報警的閉環管理。檢測信息處理流程見圖4。檢測系統根據管轄范圍設立4級監控，分別為路局、工務段、車間和工區。不同等級用戶設置對應的查詢、統計等權限。

圖4 檢測信息處理流程

3 數據處理方法

系統通過對讀出器采集的扣壓力進行計算和分析，提供養護維修、更換扣件的報警和建議。數據計算處理過程如下：①根據扣件緊固狀態傳感器ID信息，將扣壓力按里程信息建立線性關系；②根據檢測時間，將上述線性關系拓展為面陣；③分析對應面陣范圍內相鄰點的變化率，得出其變化云圖；④對扣壓力數值超限和變化率超限進行評估，如存在扣件松弛風險則推送相應報警信息。

4 系統實現功能及技術指標

基于上述設計方案試制樣品，樣品傳感器組裝如圖5所示。在室內對傳感器扣壓力讀取值和實際值進行測試，扣件緊固狀態壓力傳感器扣壓力讀取值與實際值擬合曲線見圖6。可知，二者在0～20 kN的量程內呈明顯的線性相關，相關系數大于0.99，表明扣件緊固狀態傳感器可靠性強。

圖5 傳感器組裝

圖6 扣件緊固狀態壓力傳感器扣壓力讀取值與實際值擬合曲線

圖7 室外樣品測試

室外樣品測試見圖7。在試驗軌道上安裝扣件緊固狀態傳感器。采用便攜式讀出器時，可讀取距離便攜式讀出器天線200 mm內的扣壓力；采用車載式讀出器時，可讀取距離車載天線500 mm內的扣壓力。測試車載式讀出器系統響應時間，當車載天線距離扣件緊固狀態傳感器500 mm時，車載式讀出器可實現的采樣間隔在17～20 ms。當車載式讀出器以20 km/h移動時，扣件緊固狀態傳感器處于車載天線激勵范圍下約90ms。通過現場試驗，車載式讀出器可在20km/h的速度下穩定地讀取對應扣件緊固狀態傳感器的扣壓力。

扣件緊固狀態檢測系統可實現以下功能：采用車載移動讀取和人工便攜式讀取2種檢測方式；車載天線可在20 km/h的速度范圍內對扣件緊固狀態進行檢測；扣件緊固狀態傳感器可實現量程0～20 kN、精度5 N的扣壓力測量；報警信息可多級發布，集成管理，遠程訪問，提供web網頁、手機APP訪問手段。

5 結語

本文提出了一種基于RFID技術的扣件緊固狀態檢測系統。該系統采用無源化設計，傳感器現場應用無需布置電源線和數據線，安裝簡便，檢測速度快，檢測精度高。通過拓展研究，該系統可應用于鐵路沿線工務工程連續點式分布或間斷點式分布檢測項目，為工務工程無線（無源）檢測技術提供借鑒和支持。