基于RFID技術的鐵路電力設備巡檢平臺設計

苗 青，陸子清，紀 蘋

（1. 北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2. 北京振中電子技術有限公司，北京 100080）

信息化是鐵路發展的必由之路，將信息技術與企業管理理念融合可有效提升鐵路系統整體的運營、維護和服務水平。當前已有相當一部分供電段通過使用鐵路供電管理信息系統（EMIS）來處理日常工作和事務。射頻識別（RFID）技術是通過空間電磁或電感耦合的非接觸方式，實現雙向通信并交換數據的技術，讀寫時人員與電力設備可保持安全距離，數據采集快，操作簡單，適用于離散設備的巡檢。

本文將RFID技術與個人數字助理（Personal Digital Assistant，PDA）、EMIS相結合，設計一種新型手持移動式無接觸電力設備巡檢系統。實現巡檢任務、巡檢記錄、設備數據電子化管理，為日后管理維護、大修改造提供可靠數據，保證鐵路部門安全、高效運營。

1 鐵路電力設備巡檢系統的整體結構

本文設計的鐵路電力設備巡檢系統主要包括PC端、PDA、RFID電子標簽，巡檢管理信息系統、發/讀卡器、服務器、網關等。系統拓撲結構如圖1所示。

圖1 整體系統結構Fig.1 Overall structure of the system

在開展正常的設備巡檢工作之前，應先將電力設備按照鐵路局內既有線管理辦法統籌分類，各類設備分配唯一標識RFID電子標簽，標簽內寫入設備的履歷和安裝后運維信息等。由于鐵路電力設備布置在鐵路線路沿線或車站附近，設備分散且沿線無鐵路內網接入點，采集的設備信息需要先存儲在PDA中，再由移動公網（Wi-Fi/4G/5G）與鐵路外網服務器進行數據傳輸，通過隔離網閘將安全的數據傳送回鐵路內網。

2 PDA手持終端設計

PDA手持終端設備實現讀、寫電子標簽，信息存儲，設備間通訊的核心功能。由核心板和功能板組成，其中核心板由MCU主控芯片及各FPC柔性功能板接口組成，功能板由RFID模塊、藍牙模塊、電源模塊、TF卡槽等組成。其結構如圖2所示。

圖2 PDA手持終端結構Fig.2 The structure of PDA handheld terminal

RFID模塊與天線的接口電路如圖3所示。

圖3 天線接口濾波電路Fig.3 Filter circuit of antenna interface

目前，市場上具有的4 dBi四臂螺旋圓極化天線(75)是適用于UHF頻段RFID應用場合的通用型遠場天線，具有小體積、高增益、低駐波、方向圖對稱性好、低軸比等特點。可方便地應用于UHF頻段RFID手持機等終端場合。其外形及尺寸如圖4所示。

圖4 四臂螺旋圓極化天線Fig.4 Four-arm spiral circularly-polarized antenna

3 RFID電子標簽的設計

1）特性選擇

鐵路電力供電臂上設備通常布置在室外，沿線環境復雜惡劣，對標簽工業強度要求較高。由于金屬介質易反射電磁波，對標簽識別產生干擾，而電力設備多為金屬外殼，因此在標簽的選擇上采用遵循Class0. Class1. EPC UHF Gen2、ISO/IEC18000-6B、ISO18000-6C通信協議標準的抗金屬標簽；可采用粘貼、螺釘或抱箍方法固定在被識別設備附近。

為保證運維巡檢人員的人身安全，結合電氣設備放電安全距離，根據表1所示內容選擇工作頻率為860～960 MHz（UHF超高頻）的遠距離無源大容量RFID電子標簽。

表1 工作頻率選擇Tab.1 Selection of working frequency

2）標簽硬件組成

RFID電子標簽由天線、控制器、編碼器、時鐘及存儲器組成，其中存儲器的性能決定著設備代碼的編寫方式與數據讀取速度。RFID電子標簽組成如圖5所示。

圖5 RFID電子標簽組成Fig.5 Block diagram of the composition of RFID electronic tag

以Alien H3這款比較常用的標簽存儲芯片為例：其T標簽內存 （Tag memory）分為保留（Reserved）、電子產品代碼（EPC）、標簽識別號（TID）和用戶（User）4個獨立的存儲區塊（Block），如圖6所示。

圖6 RFID標簽存儲字段分類Fig.6 Classification of fields for storing RFID tags

Reserved區：存儲滅活口令（Kill Password）和訪問口令（Access Password），此區域容量一般為64 bit。

TID區：全球唯一ID號，存儲標簽識別號碼，不可更改； 此區域容量一般為96 bit。

EPC區：產品電子碼，唯一用來標識對象的編碼；數據主要存儲區、設備默認讀取的區域，可反復擦寫，讀取速度快。當本區域沒有被訪問加密或者滅活加密的時候，區域內的數據可以進行隨意改寫；目前市面上大部分標簽產品此區域容量為128 bit，即16位數字或字母。

User區：用戶數據區，存儲用戶定義的數據，此區域讀取速度與識別距離低于EPC區。目前市面上大部分標簽產品此區域容量為512 bit，即32個漢字。

3）設備標簽編碼設計

目前中國國家鐵路集團有限公司（簡稱國鐵集團）下設北京局、沈陽局、哈爾濱局等18個鐵路局及其他企事業單位，各鐵路局設立的供電段數量最少為2個，最多為8個，但多數路局供電段數量為3個。考慮到后期國鐵集團對各路局數據的整合工作，需對電子標簽編碼統籌規劃。各鐵路局與供電段代碼設計如表2所示。

表2 鐵路局與供電段代碼設計Tab.2 Codes assigned to Railway Bureaus and power supply depot

Alien H3標簽存儲芯片中EPC區存儲方案如圖7所示。

圖7 EPC區存儲方案設計Fig.7 Design of storage scheme for EPC block

車間工作人員工作時通過手機溝通頻繁，電子標簽在編碼時優先考慮與使用人員設備的兼容性與可讀寫性，對EPC區寫入字段方案說明如下。

a.根據表2中對各路局、供電段簡稱的縮寫約定，在標簽存儲芯片中直接按ASCII碼規則進行存儲，這樣通過PDA設備讀取出的數據無需通過網絡訪問后臺數據庫，也可直接讓現場工作人員明確卡內的信息。

b.路局代碼、段級代碼、線路代碼、車站代碼分別按漢語簡寫拼音首字母存入兩個字作為對應代號。

c.設備類型代碼按自閉線設備（Z）、貫通線設備（G）、變壓器（B）、斷路器（D）、隔離開關（K）、箱式變電站（X）、低壓配電箱（P）等進行分類組合，最多占用3個字24個位。

d.設備識別代碼是對同一分類下多臺相同設備做編碼進行區分識別。

4 數據傳輸網絡設計

為保證鐵路內部網絡安全，在與公網進行數據傳輸時設計了“隔離網閘”系統。內網與公網之間通過隔離網閘進行數據傳輸。

隔離網閘應由兩個開關、一個固態存儲介質及獨立的邏輯控制單元組成。要在保持絕對安全的情況下，盡可能的進行通信，如果不安全，立刻斷開。這種斷開類似于物理層面的斷開，可以絕對的控制兩個網絡之間的隔離與訪問。兩個獨立的內、外網主機系統通過網閘進行隔離，系統間不存在通信的物理連接、邏輯連接及信息傳輸協議，不存在依據協議進行的信息交換，只能以數據文件形式進行無協議擺渡。

隔離網閘的作用類似于數據中轉站，任何時刻只能與內網或外網其中一方建立非TCP/IP協議的數據連接，其工作流程如圖8所示。每一次數據交換，隔離設備都經歷了數據對接收、存儲和轉發3個過程。當內網需要傳輸數據到外網時，隔離網閘會向內網服務器發起非TCP/IP協議連接請求，將處理后的數據寫入網閘存儲介質，完成后網閘與內網服務器斷開，并向外網服務器發起非TCP/IP協議連接請求，建立連接后將存儲介質中的數據傳輸給外網服務器。外網到內網的數據傳輸過程與之相反。

圖8 隔離網閘工作流程Fig.8 Workflow of air-gapping

5 結束語

本文以鐵路電力設備巡檢系統為例，從企業的組織架構、管理運維特點、應用場景等方面出發，結合國內外現有技術搭建本系統的整體框架；為鐵路安全高效發展提供必要的技術保障。