射频识别（RFID）在列车运行控制系统中的应用初探

1.引言

列车运行控制系统（又称信号系统）是城市轨道交通、国铁、捷运系统的核心部分，控制列车安全行驶、保证列车运营间隔、执行列车自动防护。新技术的引进给列控系统带来了革命，为提高列车运行速度和可靠性提供了有利的科学技术保障。

自动识别系统（Automatic Identification System，Auto ID）近年来在多种行业的物联网应用领域都得到了快速的普及和推广，根据使用的能量和数据传输方法，通常把非接触的识别系统称作射频识别系统（Radio Frequency Identification，RFID）。超高频RFID技术可以实现较远的识别距离，天气因素对识别效果的影响较小。同时，由于近几年RFID技术的发展和应用范围的扩大，RFID系统设备和电子标签的成本都大幅下降，使RFID技术在列控系统中的应用成为可能。

2.RFID技术简介

射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术，又称电子标签、无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。实现人们对各类物体或设备（人员、物品）在不同状态（移动、静止或恶劣环境）下的自动识别和管理。

从信息传递的基本原理来说，射频识别技术在低频段基于变压器耦合模型（初级与次级之间的能量传递及信号传递），在高频段基于雷达探测目标的空间耦合模型（雷达发射电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达接收机）。1948年哈里斯托克曼发表的”利用反射功率的通信”奠定了射频识别技术的理论基础。

2.1 RFID系统的组成

RFID系统一般由以下两部分构成：(1)应答器：应答器应放置在要识别的物体上；

(2)阅读器：阅读器可以是读或写/读装置，取决于所使用的结构和技术。基本组成见图1。

图1 RFID系统基本组成

图2 典型的列控系统结构

一台典型的阅读器包含有高频模块（发送器和接收器）、控制单元以及与应答器连接的耦合元件（线圈、微波天线）。此外，许多阅读器还都有附加的接口（RS232、RS485等），以便将所获得的数据进一步传输给另外的系统（个人计算机、机器人控制装置等）。

应答器是射频设别系统真正的数据载体。通常，应答器由耦合元件以及微电子芯片组成。在阅读器的响应范围之外，应答器处于无源状态。通常，应答器没有自己的供电电源（电池）。只是在阅读器的响应范围之内，应答器才是有源的。应答器工作所需的能量，如同时钟脉冲和数据一样，是通过耦合单元（非接触式）传输给应答器的。

2.2 RFID基本工作原理

RFID是一种简单的无线系统，只有两个基本器件，该系统用于控制、检测和跟踪物体。系统由一个询问器（或阅读器）和若干应答器（或标签）组成。标签（Tag）：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上以标识目标对象。

RFID技术的基本工作原理并不复杂：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（Passive Tag，无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签）；解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。

一套完整的RFID系统，是由阅读器（Reader）与电子标签（TAG）也就是所谓的应答器（Transponder）及应用软件系统三个部份所组成，其工作原理是阅读器发射一特定频率的无线电波能量给应答器，用以驱动应答器电路将内部的数据送出，此时阅读器便依序接收解读数据，送给应用程序做相应的处理。

以RFID卡片阅读器及电子标签之间的通讯及能量感应方式来看大致上可以分成，感应偶合（Inductive Coupling）及后向散射偶合（Backscatter Coupling）两种，一般低频的RFID大都采用第一种式，而较高频大多采用第二种方式。

阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读/写装置，是RFID系统信息控制和处理中心。阅读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。阅读器和应答器之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，同时阅读器通过耦合给无源应答器提供能量和时序。在实际应用中，可进一步通过以太网或WLAN等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。应答器是RFID系统的信息载体，目前应答器大多是由耦合原件（线圈、微波天线等）和微芯片组成无源单元。

图3 电子标签测速方案示意图

图4 RFID设备检测原理图

图5 车次号变化示意图

图6 典型点式列控系统示意图

3.RFID在列车运行控制系统中的应用

3.1 列车运行控制系统基本原理

列车运行控制系统是一种基于控制技术、通信技术、计算机技术及铁路信号的行车指挥、控制及管理自动化系统。目前成熟的列控系统有：日本新干线ATC；法国TGV的TVM系统；德国LZB、TGMT；英国及瑞典的ATP；地铁ATP系统；我国自主研发的列控系统有北京交大交控科技的LCF-300型移动闭塞系统及通号集团公司应用于客运专线的CTCS3级列控系统。

图2显示了典型的地铁列控系统结构。

总体而言，列控系统包括由地面设备、车载设备及信息传输设备组成。地面设备包括：联锁设备、区域控制中心、及轨旁基础设备（LEU、应答器等）；车载设备包括车载ATP设备、车载ATO设备、人机显示设备等；信息传输设备包括轨旁通信系统及车地通信系统等。

3.2 RFID在列控系统中的应用方式

3.2.1 测速定位的应用

RFID测速的基本原理是利用车载阅读器周期性读取轨道上固定安装的标签，获取标签ID，根据标签ID和车载存储的数据，得到位置，同时结合读取时间计算列车速度。

车载阅读器在读取标签数据的同时也记录读取该标签 的时间。当车载设备连续读取两个以上标签时，即可以通过标签之间的距离差和时间差计算列车的速度。

首先，在轨道上均匀安装信标（即电子标签），由于RFID具有唯一识别的特性和信标能够存储用户数据的特点，每一个信标对应不同的编号同时存储该标签位于线路中的位置信息。

其次，在车载设备中按照信标的编号存储每一个信标处于线路中的位置。在列车上安装读写器和天线。

当列车在轨道上运行时，读写器会读取到轨道上的信标，并且能够在车载的数据中查找出这些标签对应的线路位置，如图3所示。

设T1时刻列车读取到标签A1，其在电子地图中的位置为S1；T2时刻列车读取到标签A2，其在电子地图中的位置为S2，则列车在T2-T1时间内的平均速度为：

V=(S2-S1)/(T2-T1)

如果信标铺设的间距足够小以及读写器读取信标所花费的时间足够短，即可认为上述速度及为列车的实时速度。

3.2.2 列车占用检测的应用

电子标签RFID方案原理是基于列车通过检测点时阻断标签读取机读取无源标签信息的方式，类似于红外线阻断原理。因电子标签采用无线通信方式，一般的障碍物如树叶、行人等无法阻断设备之间的通信，因此不会对系统造成干扰，故可用性较高，如图4所示。

3.2.3 车次号追踪的应用

车次号是ATS系统中用于识别在线运行列车的标识符，是列车进路自动排列的基础，是列车运行自动调整和实际运行图自动生成的重要条件，是调度命令实现的前提，是ATS系统的关键信息，也是实现城市轨道交通运输管理和指挥真正现代化和智能化的基础和有力保障。正常运行的列车都与1个车次号相关联，ATS系统根据车次号对全线列车进行自动控制及管理列车从车辆段出发经过转换轨获得车次号，如果它是计划列车则按计划运行图自动分配一个车次号，如果是临时加车或计划运行图中没有的车辆，则赋予它一个非计划车次号。列车到站时，车次号会在对应车次窗内显示；ATS时刻表比较模块计算出早晚点偏差，将调整计划发送给车载ATO，控制列车出站时间和站间运行时间；当车站倒计时为零且进路己排列时，出站信号机亮绿灯，指示列车出站。列车到达折返站时，ATS按运行情况校对并修改车次号，使全线列车按计划运行图运行，车次号的变化过程如下图5所示。

车组号是唯一的，每列车都不同。车次号、车组号、目的地号等构成了ATS使用的列车识别号。因此可以将车组号写入列车上的RFID。

3.2.4 在点式列控系统中的应用

在传统的点式列控系统中，通常采用应答器进行控制信息的传输，应答器传送的信息主要包括两部分：应答器的位置及与此应答器相关的信号机状态，另有一些链接信息等，可以组合不同的包构成复杂的控制命令，实现点式信息传输下的列车控制。

RFID在点式列控系统中的应用可以有如下方式：

利用无源RFID作为绝对定位信息载体；

利用有源RFID作为移动授权（信号机状态）的信息载体。

在传统的点式列控系统中，应答器是SIL4级安全设备，这是因为其承担传送安全信息的职责，若信号机状态等安全信息传输错误，将可能造成列车脱轨或冲撞的风险。RFID很难进行欧标SIL4的安全认证，因此其应用方式应成为提高安全性的主要手段，例如多个RFID构成一组，进行定位信息的传输，可以增强接收的可靠性，提高安全性；利用有源RFID进行移动授权传输时，也可以使用RFID组进行移动授权传输，例如只有所有的RFID传送绿灯信息，才认为信号机是绿灯等。

典型点式列控系统示意图见图6。

4.总结

基于列控系统本身的高可靠性和安全-故障原则，RFID系统不可能作为主要的列控技术解决方案，如果一定要做，成本会大幅上升，系统实现也会变得更加复杂。但在安全性较低的子系统或环节，完全可以采用RFID技术，以提高该子系统的可适用性和易维护性。随着物联网技术的发展，无线网络技术的完善，RFID技术将会在车载单元之间的互相通信、有限空间内的列车自动识别、以及列车防撞系统中得到更广泛的应用。

[1]吴晓峰,陈大才译.Klaus Finkenzeller.射频识别(RFID)技术(第三版)[M].北京:电子工业出版社,2006.

[2]中华人民共和国建设部.GB 50490-2009.城市轨道交通技术规范[S].2009.