淺談射頻標簽定位技術在高鐵綜合巡檢車上的應用

　　高速鐵路綜合巡檢車(以下簡稱巡檢車)是自輪運行的大型專用綜合檢測裝備，集成非接觸式攝像采集、激光掃描、計算機圖像處理、智能化分析判斷等先進技術，對工電供專業(yè)設備結構狀態(tài)、線路環(huán)境等同步進行檢查、分析、預警，實現對高鐵基礎設施檢查、檢測、監(jiān)控。目前我段已對該車設備調試和試用取得較大進展，其中RFID技術的運用，解決了里程精確定位的難題。

　　1、目前鐵路動態(tài)檢測主要定位技術

　　只有實現動態(tài)檢測數據的精確定位，才能夠準確和快速地找到缺陷。目前動態(tài)檢測中常用的里程定位主要以下方法：

　　1.1 基于速度編碼器的里程累加定位方法。根據列車上速度編碼器的脈沖信號記錄下的車輪轉數，計算出列車累積轉動的距離，從而得出行駛里程，對列車定位。但是因國內鐵路線路長短鏈、計數的誤差(車輪空轉、滑行等)和輪徑磨損等因素，里程是個線性增加的數值，無法與地面真實的里程相對應，不能保證其準確性。

　　1.2 GPS定位技術。利用線路公里牌的經緯度提前建立里程經緯度數據庫，車上安裝的GPS接收機實時輸出經緯度，并與數據庫中的里程經緯度數據庫相匹配，經過延遲處理及算法處理得到當前的里程數。GPS接收機使用方便，技術成熟，成本相對較低，維護相對容易，可為列車提供定位信息。但是由于GPS定位精度受自然條件影響較大，在山區(qū)、隧道、車站、森林等地點信號遮蔽，GPS接收存在大量盲區(qū)，無法實時獲取位置信息。另外目前大多GPS點庫多是在動態(tài)條件下根據公里標獲取，設計和施工階段各專業(yè)公里換算略有不同，公里牌的標稱里程與實際里程多有差別，且受打點延時影響，精度因此打了折扣。

　　1.3 電子射頻標簽技術(RFID)

　　電子射頻標簽技術就是沿線路在一定距離處，在接觸網支柱上(或鑲嵌在長大隧道襯砌)安裝電子射頻標簽，并提前測量計算，建立好數據庫;在車上安裝標簽閱讀器，通過讀取電子標簽卡號，并和數據庫中的里程數進行匹配得到實時里程。該技術的動態(tài)精度較高，有試驗證明在速度400km/h時定位精度可達到2m以內，其具有通用性好、適應惡劣環(huán)境、擴展性強等。

　　1.4 其他定位手段，如手持小鍵盤對公里標、軌道電路對標等常見鐵路檢測定位方式，其定位精度值得商榷，點式應答器定位技術精度高，但成本也較高。

　　無論專業(yè)檢查車或者采用何種定位技術，其核心問題都是需要將GPS點位、電子標簽或應答器校準點，與地面里程相對應并快速建立準確的數據庫，因此需要探索利用高鐵現有的資源來快速而準確地建立數據庫。目前每條高鐵沿線都布設軌道控制網(CPⅢ)平面控制網，是由施工單位在施工過程中基于三網合一原則建網測量，為軌道鋪設和運營維護提供控制基準，具有相對精度高、點位分布密集、使用周期長、位置固定等特點。利用CPⅢ動態(tài)精確定位技術，是比較現實、準確的一種方法。本文介紹根據CPⅢ點來測算射頻標簽點的精確里程，用于巡檢車檢測精確定位。

　　2、RFID使用及驗證

　　2.1 RFID標簽選擇

　　綜合巡檢車上閱讀器固定在車內兩側，可以同時讀取左右雙側標簽，距離安裝射頻標簽的接觸網桿限界側約1.5m，考慮到兼顧后期高速車輛閱讀的需求，選擇使用適用于高速軌道交通的只讀型工業(yè)級高速、高頻標簽，工作頻率2.45GHz，閱讀延時20ms，識別距離6米，識別速度最高400km/h，采用半無源標簽，內裝電池可以維持內部芯片工作10年以上。

　　2.2 RFID標簽安裝及計算原則

　　標簽安裝里程應按每隔5.0~7.0km安設1對，距軌面高度控制在2.2m±1cm范圍，上下行對應布設，根據不同接觸網桿型確定所選用支架。里程測量利用CPⅢ系統(tǒng)大地坐標，采用圓心測量與等分法將需校準點和前后CPⅢ點均投影到鋼軌外側，利用卷尺測量安裝射頻卡接觸網支柱中心與前后最近的CPⅢ樁點的距離并記錄，同時核對、記錄CPⅢ樁點號和接觸網支柱桿號，使用軟件精確地計算、輸出該里程，并建立數據庫。

圖1 射頻標簽里程數據庫計算與錄入

　　2.3 系統(tǒng)設計實現

　　(1)系統(tǒng)組成：里程精確定位系統(tǒng)是在檢測列車檢測過程中，實時精確定位列車行駛里程位置，綜合發(fā)布列車行駛狀態(tài)的數據平臺。其中，系統(tǒng)軟件部分為里程同步軟件，硬件部分包括里程校準接口單元、里程同步服務器及串口交換機、射頻標簽閱讀器等。

　　(2)里程同步方式：服務器端將里程、時間、增減里程、上下行等相關信息通過里程同步通道以RS-422串口協(xié)議傳輸給各檢測系統(tǒng)，各系統(tǒng)配備該串口板及里程同步信息的客戶端軟件。服務器數據信息每500ms發(fā)送一次，遇到長短鏈等里程跳變較大時及RFID定位點時優(yōu)先發(fā)送，各檢測系統(tǒng)必須實時修正里程。里程同步服務器與差分GPS接收機通過RS232通信串口連接。差分GPS用于初次使用標簽時對里程誤差較大情況下的校核、輔助修正。

　　(3)當閱讀器隨著巡檢車的移動到達電子標簽附近，電子標簽進入閱讀器讀寫場范圍時，閱讀器發(fā)射的載波信號激活電子標簽，電子標簽向閱讀器循環(huán)發(fā)送電子標簽信息，閱讀器接收電子標簽發(fā)送的信號，并對信號進行解調和解碼，得到電子標簽信息，判斷信息的有效性，計算得到電子標簽信息后與數據庫中的預存信息進行比對，識別標簽號對應的里程信息和線路特征點信息，并對累加的里程信息進行修正，最后將準確的里程定位信息發(fā)送至各個系統(tǒng)。

　　2.4 應用精度分析

　　為了驗證射頻標簽定位準確性，利用綜合巡檢車(速度80km/h)、CRH2-150C綜合檢測車(速度300km/h)分別進行了低速和高速動態(tài)檢驗。地點選擇在我段管內滬寧城際已經安裝射頻標簽卡的線路。從結果可以看出，在以5~7km為間隔的區(qū)段，整個36公里試驗平均每公里的定位誤差≤0.55m。CRH2-150C每公里的定位誤差≤0.75m。對于現場巡視檢查，精度已經滿足。

　　2.5 影響里程精度的幾種情況

　　在試驗中發(fā)現一些里程偏差較大或者射頻標簽卡掃描不出。主要有以下幾種原因：

　　(1)CPⅢ編號記錄錯誤。如管內沿線CPⅢ點有新舊之分，距離相隔很近，編號經日曬雨淋都比較模糊，偶爾錯誤記錄了舊CPⅢ編號。這種情況對檢測影響很大，后期需要現場再次復核和修正數據庫才使得能正常使用，費時費力，在標簽安裝時期應避免發(fā)生。

　　(2)GPS修正點庫里程不準。初次使用巡檢車時，同時利用標簽和GPS兩種方式定位，發(fā)現兩種定位方式里程修正偏差大，經調查、分析發(fā)現部分GPS點里程與實際里程偏差大。因此應該避免選擇GPS修正里程，應把它作為校核的輔助手段。

　　(3)標簽卡掃描不出，經現場調查一是卡的正反面安裝錯誤，二是安裝高度不對，安裝高度應該距離軌面2.2米(偏差1cm內)，偏高、偏低不符高度的需適當調整。

　　(4)閱讀器讀取的標簽信息為-1或0的情況，日記記錄顯示為NULL，說明數據庫中無該射頻標簽的數據記錄，此時數據采集服務器只能采集到標簽內標簽號，但不會進行里程修正，應檢查并更新數據庫。

　　2.6 里程定位在巡檢車檢測系統(tǒng)的應用

　　里程的精確定位能是巡檢車綜合系統(tǒng)核心，能夠實時給軌道狀態(tài)巡檢、限界檢測、鋼軌輪廓檢測、接觸網部件巡檢、環(huán)境視頻監(jiān)視等系統(tǒng)實時發(fā)布線別、里程、速度、經緯度等信息，把缺陷與里程對應在一起。以下是RFID定位技術在巡檢車上的運用實例(部分)。

(a軌道狀態(tài)巡檢;b定位器坡度檢測;c環(huán)境視頻監(jiān)測;d接觸網部件巡檢)

　　3、后期應用展望

　　RFID技術除了上述的用途外，通過不斷探索與實踐，相信在后期還會有更廣泛的應用空間。如：

　　(1)對特定位置設備檢查回放。有些設備具有安裝位置跨度大，分布離散、結構復雜、形式多樣的特點，人工巡查耗時耗力。由于巡檢車圖像和視頻資料豐富清晰，且定位精確，通過回放可以對照查找該處的設備結構狀態(tài)，從而實現代替人工現場巡查，不僅節(jié)約了天窗、人工，效率也能極大提高。

　　(2)接觸網綜合巡檢系統(tǒng)實現了對桿號定點抓拍和智能識別，同時引入了精確里程定位，由此筆者建議，后期各檢測系統(tǒng)通過修改完善軟件與通訊協(xié)議，實現里程加桿號(或桿號范圍)的數據定位模式，那么查出的設備缺陷將會更加符合現場維修人員查找的作業(yè)習慣，以提高檢修效率和質量。

　　(3)巡檢車綜合系統(tǒng)同時具備維護編碼器里程及GPS里程兩個實時里程。因此可根據RFID按需自動生成更精準、打點密度更高的線路GPS點數據庫，替代目前添乘機車動態(tài)打點的點庫，以便在添乘儀、晃車儀、動檢車定位、設備臺賬資料更新、各專業(yè)設備里程統(tǒng)一等方面發(fā)揮重要作用。

　　4、結論與建議

　　里程同步射頻標簽卡為綜合巡檢車的各檢測系統(tǒng)提供精確定位，同時也適用于已安裝標簽閱讀器的高速綜合檢測列車、鋼軌探傷車和其他專業(yè)檢測車的精確定位，既實現了動態(tài)檢測數據的精確定位，也便于現場維修人員能夠快速準確地查找超限處所，提高檢測數據的判定率和現場復核的準確性，同時有利于將有各專業(yè)的基礎里程統(tǒng)一、規(guī)范，在鐵路檢測領域具有廣闊的應用空間。