基于RFID技术的轨道巡检病害精确定位系统研究

时间：2024-08-31

陈国辉上海铁路局科研所

陈国辉上海铁路局科研所

系统采用RFID无线射频技术辅助提高巡检列车病害精确定位,是对现有定位技术(如GPS、编码器GYK)的基础上进行改进和创新，解决累计误差，对定位精度的补充和提高。是一套完整的由电子标签阅读器、机械支架、标签里程基础数据库、里程定位采集、修正软件组成的车载轨道故障精确定位装置。在轨道巡检实时维护检测中，能提升定位病害的精度。

RFID无线射频技术；电子标签；轨道巡检

1 概述

中国铁路已进入高速时代，为确保高速铁路安全有效运行，提高寻找病害、消除病害的效率，成为铁路日常检测所需要重点关注的问题。铁路检测设备已经由单项检测发展到综合检测，由静态检测发展到动态检测，由接触式检测发展到非接触式检测，由低速运行状态检测发展到高速运行状态检测。然而目前的车载高速检测系统普遍有所不足，缺陷位置的定位精度问题，采用传统的定位方式，存在一定的误差，然而天窗修时间有限，对缺陷进行人工复核的时候，偏差会影响到作业的效率，增加工作强度。因此高速检测列车作业中，提高定位缺陷的精度，将是解决这些问题的关键和迫切需要所在。

RFID无线射频技术作为一种新兴的定位手段，已较广泛地应用于各个领域。RFID技术在货车跟踪、货车车号自动识别等方面也早已应用于中国铁路，并趋于成熟。基于RFID技术的特点及其实际应用的效果，采用RFID辅助实现高速巡检车精确定位，能够改善GPS定位精度不高和由于隧道、车站等存在遮挡下无法获取定位信息的缺陷，且通用性好、适应恶劣环境、扩展性强等优点，使得RFID技术可以成为高速检测列车定位的重要手段之一。

2系统方案及组成

2.1 里程定位装置

装置是巡检列车作业中，实时精确定位，提供里程定位数据的发布平台。软件分为标签数据采集、基础里程库信息编辑、里程定位修正、轨道巡检集成部分，硬件部分包括电子标签阅读器、供电装置、485串口卡、主控计算机等（见图1）。

图1 组成示意图

2.2 阅读器机械结构

RFID标签阅读器安装机械示意如图2所示，此机械结构具有强度高、抗干扰、防水、防尘的特点。

图2 阅读器支架

综合巡检车上阅读器固定在车内两侧（见图3），标签采用只读、工业级、高频标签，工作频率2.45GHz,阅读延时20 ms,识别距离 6m，识别速度最高400km/h,采用半无源标签，内装电池可以维持内部芯片工作10年以上。

图3 安装位置示意图

2.3 系统硬件

标签射频卡（Tag）：由耦合元件及芯片组成，每个卡有唯一的电子编码，安装于线路旁接触网线杆上。

高速阅读器（Reader）：安装于轨道巡检车的车内两个侧面，用于读取（有时还可以写入）射频卡信息；具有读卡距离大、速度高、频率高、功耗小特点。

读卡速度：400km/h;

供电电源：+10VDC～+30VDC(额定+24VDC);

功率消耗：4.5W;

电流消耗：175MA@+24VDC;

射频范围：CW：2436.1MHz～2464.1 MHz,频道：5-97;

跳频扩频:2400～2483.5MHz;

输出功率：10mWe.i.r.p;

串口485卡:数据读取采用串口方式，工业级485串口卡。与阅读器进行实时、高频的通讯，实现里程标签信息的采集与处理。

主控制计算机：安装在车内设备操作间的机柜中，存储基础里程数据信息和标签采集、里程定位修正程序。

2.4 系统软件

软件使用 MicrosoftVisualStudio 2008工具C++语言开发。485串口作为通讯接口、可编辑二进制数据文件作为基础数据库。通过RFID射频阅读器采集标签的唯一序列号，并比对标签里程数据文件中的数据对应的里程等信息。实时获取当前列车所经过的“线名”、“上下行”、“公里标”、“杆号”等信息。标签里程信息库，采用可编辑的二进制文件存储。主界面如图4所示。

轨道巡检集成部分采用C++类的形式进行接口嵌入，Tag类集成了上下行标签读取、上下行判断，标签里程与GYK的里程对比修正功能（见图5）。

图5 与轨道巡检集成

2.5GDXJ-1型车载智能轨道巡检

轨道结构检测（1）检测轨道扣件脱落、严重歪斜。（2）检测钢轨表面的擦伤、剥落掉块。

（3）检测钢轨表面光带分布。

（4）检测轨道的翻浆冒泥以及轨道板上的遗留物。

（5）检测轨道板裂纹。

图像的实时采集和存储：系统通过布置于车底的高速相机阵列，拍摄列车通过高铁线路的整个车底下道床图像，存储于计算机。通过探伤车提供的里程信息、车辆速度信息、车辆编码器信息、列车行进方向、上下行等数据信息，拍摄列车经过线路的轨道信息，包含轨道板裂纹、扣件的缺失甚至松动、钢轨表面的光带、钢轨的擦伤、剥落掉块等所有可视信息，经数字化处理后显示于监视器上，可以实现对列车经过的整条线路的检测。

图像的后期分析与处理：数据存储后，工作人员在办公室对采集的图像通过人机结合的方式进行分析，对图像进行分析处理。发现轨道板裂纹、扣件的缺失甚至松动、钢轨表面的光带、钢轨的擦伤、剥落掉块等轨道结构病害，进行分类统计分析，作为线路的养护维修计划制定科学的依据。

3 工作原理及精度分析

3.1 工作原理

当阅读器随着巡检车移动到达电子标签附近，射频卡进入阅读器的读写场，将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去，系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码，得出卡号信息，判断信息的有效性，并将有效的卡号信息通过RS-485接口送入车厢内与之相连的主控制计算机。控制计算机得到卡号后，将卡号与预先存入控制计算机的数据库进行对比，识别出卡号对应的里程信息，并将此信息通过RS-485串口发送给轨道巡检系统，实现里程自动校正。

3.2 精度分析

里程自动校对系统的误差来源：阅读器的阅读范围引起的误差；列车的运动带来的误差。

由于列车侧面部安装条件所限，车厢侧面距离安装射频卡的接触网电杆的距离约为3.5m左右，而阅读器能够有效读卡的范围为0-6（m），当对阅读器设置不同的读卡范围时，对应不同的椭圆曲线。在里程自动校对系统中，所设置的阅读范围为（最远阅读距离为6m），从上图可估算出当阅读器距离接触网线杆2.2m时，阅读的范围为±0.6m左右，即它映射到接触网线杆的阅读范围近似为半径0.6m的圆，在实际应用中，现场测量的阅读半径为±0.5m。可见，不考虑列车的运行速度，当阅读器距离射频卡（即里程牌）0.5m～0.6m时，就会进行里程校正，即误差为0.5m～0.6m，即系统会超前0.5m～0.6m;开始进行里程校正。而当考虑列车行驶速度时，由于轨检列车的开行速度一般在50km/h～80km/h;之间，阅读器的传输时间约为20ms，则在这段时间内列车走过的距离约为0.3m，即从阅读器读到卡号信息到系统完成里程校正，列车会走过0.3m，即校正里程滞后0.3m。如果同时考虑列车的运行速度和阅读器的传输时间，则系统的误差为0.2m～0.3m。由以上分析可以看出，当轨检车从静止到最高行驶速度范围内，本系统在轨检车上的误差范围在0.2m～0.6m之间。