基于物联网技术的高速铁路综合维修物流监控系统

张志荣,刘迪，刘军

(1.大连交通大学 管理学院,辽宁 大连 116028;2.哈尔滨铁路局 电务处,黑龙江 哈尔滨 150001)

基于物联网技术的高速铁路综合维修物流监控系统

张志荣1,刘迪2，刘军1

(1.大连交通大学 管理学院,辽宁 大连 116028;2.哈尔滨铁路局 电务处,黑龙江 哈尔滨 150001)

提出了基于物联网技术的高速铁路综合维修物流作业管理流程及监控系统组成，并对该系统实现的关键技术问题即多阅读器碰撞问题进行了Matlab仿真实验和现场试验，研究结果表明利用概率功率控制算法的阅读器，在阅读器5台以下的情况，高铁综合维修物流监控系统多阅读器可利用嵌入式软件监控范围超过3.5 m,可达到比较理想的状态，保证了该系统实现的可行性.

高速铁路；物联网；维修物流监控；Matlab仿真

0 引言

截止到2012年底，中国投入运营的高铁总里程达到8千多公里.另有1万多公里的高速铁路正在建设中,不仅总里程位居世界第一，投入运营的高铁里程也居世界第一，铁路科技创新水平也明显提高.王梦恕院士提到了高铁运营的三大问题：“柔性”接触网、轮轨及信号系统及壮观的维护大军[1]，高铁线路的维护安全管理尤为其重要问题.日本、法国、德国普遍采用二、三级分级管理模式，即：总局、地区局、综合维修段,我国采用的是管检修分开模式[2].目前信息技术、网络技术、互联网技术、物联网技术通过对物流信息的采集、传输、加工、共享、传输等，使得信息应用更广泛地成为控制、决策的依据和基础.高铁维修管理的信息化可采用工务、电务、供电综合管理模式，实现维修的实时管理[3].基于物联网技术的高速铁路综合维修物流监控系统，旨在通过物联网技术的应用，保障高铁封闭线路内作业状态的监督及施工作业完毕后的线路安全，对进入高速铁路封闭线路内的人员、物料、工具实行高效的监管，通过实时的信息化管理，确保高速铁路封闭线路开关状态实时监控以及作业结束后无人员遗留、无物料遗漏在防护栅栏内，为高铁安全行车提供保障.

1 系统结构设计

基于物联网技术的高速铁路综合维修物流监控系统是以计算机为核心，建立一套硬软件相结合的完整的线路维修物流监控体系.系统由设备标签(无源电子标签、二维码)、小件零件电子货箱、作业通道门禁识别器、材料库出库门禁识别器、手持终端机、无源电子标签远距离读写器、中继器、数据传输信道、传输接口及高速铁路综合维修物流监控系统监控软件组成[4].

主要工作原理：上位机将维修或抢修作业书传输至手持终端、作业通道门禁识别器、材料库出库门禁识别器，给出材料库出库、上道许可凭证(无源标签或二维码)、上道人员、物料数量等信息.

上道人员、物料、工具、仪器仪表佩戴标识其身份的无源电子标签，通过材料库门禁识别器、作业通道门禁识别器时自动登记，也可通过手持终端机进行登记.识别器将接收到的所有信息传至上位机记录留存.如发现与上位机传至的相应数据有差异时，识别器发出声光报警.通道门禁识别器控制电子门的开、关，数据相同方能实现电子门的开、关.

手持终端机内存有门禁标识二维码，可单独操作电子门.另手持终端机还可记录上道人员行进轨迹，下道时如发现有物料遗留，可依轨迹寻找.作业通道门禁识别器设有两台无源电子标签远距离读写器，标识方向.

上位机、材料库门禁识别器、作业通道门禁识别器相互通讯.

铁路局管内调度所、各火车站、公安部门及高铁各级维修部门可通过公共通讯网络互联，实时了解工作人员、物料及工具的在线状况.

2 系统功能设计

物流监控系统的研制所涉猎的领域较广，主要有：高速铁路综合维修物流监控作业管理流程、无线识别与传输技术、条码技术、嵌入式软件、电子电路、物流监控作业管理软件等.

2.1 物流监控作业管理流程

结合铁路维修相关管理制度[5]，高速铁路综合维修物流监控作业管理流程如下：

(1)下达维修或抢修命令，并下达同意上道命令;

(2)根据路局调度所下达维修或抢修命令，给出需要上道人员、物料数量建议，同时要求作业人员进行内容校核、确认;

(3)将维修或抢修作业书通过无线或有线网络传输至手持终端、作业通道门禁识别器、材料库出库门禁识别器，给出材料库出库、上道许可凭证(无源标签或二维码等)、上道人员、物料数量等信息；

(4)按照手持终端接收信息，对小型工具、材料进行装箱并配带标识货箱身份的无源电子标签，并通过手持终端扫描确认;

(5)作业人员、大型物料、各种工具仪器仪表单独配有标识身份的无源电子标签;

(6)携带电子标签的作业人员、大型物料、各种工具仪器仪表、工具箱，从车间、工区材料库出库时，经过材料库门禁识别器应自动登记，也可通过手持终端进行出库登记.所有信息传至远程终端记录留存.如发现与上位机传至的维修或抢修作业书有差异时，材料库门禁识别器发出声光报警;

(7)作业通道门禁识别器需对手持终端存储的上道许可凭证进行扫描，信息正确后方可打开通道门，同时对进入线路的人员、物料自动进行上道登记，也可使用手持终端进行上道登记.所有信息传至远程终端记录留存，远程终端将记录的人员和物料信息再发至相关作业通道门禁识别器;

当发现预进入物料无材料库门禁识别器登记物料时，发出报警信息.

作业通道门禁识别器设有A、B两个远距离读写器，依据A、B顺序方能打开上道作业门.

(8)作业通道门禁识别器在作业时间到达时给出声光提示，对时间结束前未撤离线路的人员、物料给出告警，同时对撤离线路的人员、物料自动进行下道销记，也可通过手持终端进行下道销记.所有信息传至远程终端记录留存;

如发现与上位机传至的上道人员和物料信息有差异时，作业通道门禁识别器发出声光报警.

作业通道门禁识别器设有C、D两个远距离读写器，依据C、D顺序方能打开上道作业门.

(9)携带电子标签的作业人员、大型物料、各种工具仪器仪表、工具箱，从车间、工区材料库出库时，经过材料库门禁识别器应自动登销记，也可通过手持终端进行入库销记.所有信息传至远程终端记录留存;

(10)可通过手持终端GPS定位功能对走行径路进行跟踪记录;

(11)单次作业结束.

2.2 物流监控作业管理软件功能分析

高速铁路综合维修物流监控系统是以计算机为核心，电子识别为基础，建立一整套软硬件相结合的完整的监控体系，实现对高速铁路综合维修物流的全程实时跟踪和智能化管理[4].主要功能是实现从维修指令下达到维修结束各环节的信息共享.系统的基本功能如图1所示.

基于物联网技术的高速铁路综合维修物流监控作业管理软件的功能模块有：系统管理；标签管理；识别器管理；报警处理；调度指挥管理；在线物流管理；出、入库门禁管理；上、下线门禁管理.

系统管理：登录控制和数据备份.

标签管理：标签注册和标签注销.

识别器管理：识别器注册和识别器注销.

报 警处理：报警查询和解除报警.

调度指挥管理：终端信息管理；任务级别、种类；动车线状态；人员及材料信息；信息比对报警.

在线物流管理：在线人员；人员定位跟踪；在线时间；在线时间越限报警；在线物流轨迹回放.

出、入库门禁管理：出、入库地点；出、入库时间；出、入库人员；出、入库材料；出、入库信息比对报警.

上、下线门禁管理：上、下线地点；上、下线时间；上、下线人员；上、下线材料；上、下线信息比对报警.

图1 监控作业管理软件功能模块图

3 多阅读器件的信息碰撞问题

基于物联网技术的高速铁路综合维修物流监控系统是以计算机为核心，建立一套硬软件相结合的完整的线路维修物流监控体系.涉猎的领域较广，其核心问题主要包括3个方面的问题：高速铁路综合维修物流监控作业管理流程、RFID标签与多阅读器件的信息碰撞问题及多阅读器信息碰撞问题.高速铁路综合维修物流监控作业管理流程本文2.1部分已论述，RFID标签与多阅读器件的信息碰撞问题可用曼彻斯特算法及巡检轮回工作方式解决[4].

目前，解决多阅读器信息碰撞问题的方法主要采用协调计划算法和功率控制算法[5].文中讨论了采用概率功率控制算法来解决多阅读器的碰撞问题.这些研究都限于5台以上阅读器的碰撞问题研究.高铁综合维修物流监控系统多阅读器主要集中在线路出入口，阅读器多在2～5台.根据概率功率控制算法理论，本文对2～10台阅读器的概率功率控制算法的防碰撞算法在MATLAB中进行仿真实验.最后，利用现场实验进行对理论进行了实际验证.

3.1 2～10台阅读器的概率功率控制算法MATLAB仿真实验

仿真环境在Matlab中建立,阅读器功率按照ISO15693标准设定0～30 dB,门限信噪比为12 dB.多个阅读器采用随机分布网络拓扑结构,阅读器间的最小距离分别为3.5 m,阅读器个数从2～10.假设多阅读器环境下期望的阅读范围为2.5 m.仿真结果如图2所示.

β分布的概率密度分布图如图2所示,改变α和β参数,可以控制功率分布来达到期望的阅读范围分布.

图2 阅读器功率β分布

阅读器间的最小距离为3.5m时的阅读距离仿真结果如图3所示.

图3 阅读器间的最小距离为3.5 m时的阅读距离

从仿真结果可以看出,利用概率功率控制算法的阅读器阅读距离一般都要比没采用算法的阅读距离要大,提高了阅读器的读写范围.同一网络下,阅读器的读写功率范围分布为β(2,2)、β(4,4)、β(5,5).针对阅读器5台以下的情况，阅读器间最小距离为2.6～3.2m之间，由此，高铁综合维修物流监控系统多阅读器可利用嵌入式软件监控范围超过3.5m,可达到比较理想的状态.

3.2 物流监控系统试验

针对多阅读器信息碰撞问题，利用“基于物联网技术的高速铁路综合维修物流监控系统”的各种装置及相应的上位机软件，在哈局双城北高铁线路出入口进行了现场试验，阅读器采用概率功率控制算法.

现场试验目的：测试多阅读器的信息碰撞.

试验设备及系统布置：现场试验设备明细表见表1.

现场试验在哈局双城北高铁线路出入口进行，现场试验设备布置简图如图4.

表1 现场试验设备明细表

图4 哈局双城北高铁线路出入口现场试验设备布置简图

试验方法：

保持RFID远距离读卡器间距离大于7 m，分别将20、30、40、50张UHF-RFID无源远距离特种标签货物电子标签置于货箱内，作业人员分4组，沿高铁维修通道及线路反复通过10次，上位机软件分别记录20、30、40、50张UHF-RFID无源远距离特种标签货物电子标签识别效果.

试验结果表明均无漏读电子标签信息状况发生.

4 结论

本文针对我国高速铁路综合维修物流管理状况，提出了基于物联网技术的高速铁路综合维修物流作业管理流程及监控系统组成，并对该系统实现的关键技术问题多阅读器碰撞问题进行了Matlab仿真实验和现场试验，研究结果证明利用了概率功率控制算法的阅读器，在阅读器5台以下的情况，阅读器间最小距离为2.6～3.2 m之间，高铁综合维修物流监控系统多阅读器可利用嵌入式软件监控范围超过3.5 m,可达到比较理想的状态，保证了该系统实现的可行性.

[1]王梦恕.三大系统故障可能成为京沪高铁常见问题[EB/OL].[2011-07-13].http://www.zwhighway.com/news_show.asp?id=1875.

[2]陈东生.中国高速铁路工务维修管理模式研究[J].铁道建筑,2012(5)：129- 133.

[3]高文.高速铁路检测、维修管理信息化研究[J].企业家天地,2009(10)：110- 112.

[4]张志荣.基于RFID铁路物流系统电子识别技术研究[J].大连交通大学学报，2011，32(1)：139- 140.

[5]CHA K,RAMACHANDRAN A,JAGANNATHAN S.Decentralized Power Control with Implementation for RFID Networks[C]//IEEE Conference on Decision and Control，2006:1858- 1863.

High Speed Railway Integrated Maintenance Logistics Monitoring System based on the Internet Things Technology

ZHANG Zhirong1,LIU Di2,LIU Jun1

(1.School of Management,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China;2.Harbin Railway Bureau Electric Department,Harbin 150001,China)

A high-speed railway comprehensive maintenance logistics operation management processes and control system are presented based on networking technology,and the system to achieve the key technical more reader collision issues matlab is simulatied and tested.Research results show that using the probability reader power control algorithm when the reader units are less than 5,the high speed rail integrated maintenance logistics monitoring system with multi-reader monitoring and embedded software can be used more than 3.5 m,to ensure the feasibility of the implementation of the system.

high speed railway;internet of things;maintenance logistics monitoring;matlab simulation

1673- 9590(2015)01- 0092- 05

2014- 02- 15

中国铁路总公司科技研究开发计划资助项目(2013X009-B)

张志荣(1962-),男,教授，硕士，主要从事物流工程的研究

E-mail:rory_zhang@dl.cn.

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