基于无线射频识别技术的列车车组号自动识别系统

李 铮孔祥琦王建伟

（1.中国铁道科学研究院，100081，北京；2.北京市华铁信息技术开发总公司，100081，北京∥第一作者，助理研究员）

基于无线射频识别技术的列车车组号自动识别系统

李 铮1孔祥琦2王建伟2

（1.中国铁道科学研究院，100081，北京；2.北京市华铁信息技术开发总公司，100081，北京∥第一作者，助理研究员）

介绍了一种基于无线射频识别技术的列车车组号自动识别系统的结构和工作原理。通过在重庆市轨道交通2号线的现场试验，验证了该系统的车组号自动识别和自动校核的能力，并对日后的实际应用提出了可行性意见。该技术为轨道交通ATS（列车自动监控）系统的车组号的初始化和校核提供了一种新方法。

城市轨道交通；列车自动监控；无线射频识别；列车车组号识别

First-author’s addressChina Academy of Railway Science，100081，Beijing，China

对于城市轨道交通既有线，尤其是我国一线城市的部分线路，由于开工建设较早，受当时的技术水平限制，信号系统往往还处在基于轨道电路的模式下。相对于目前成熟的基于通信的列车控制（CBTC）系统模式，既有线的信号系统缺乏车地通信，不能准确地了解车辆信息，增大了调度指挥的难度，也增大了进一步提升运力的难度。因此，设计一款针对ATS（列车自动监控）系统的车组号自动识别系统，可以使ATS系统有效获取列车的车组号、运行方向等信息，能提高ATS系统的自动化水平，也有利于ATS系统在故障情况下的快速恢复。

1 车组号自动识别系统的设计

因为是针对于既有线路的升级改造，所以在设计ATS车组号识别系统时要考虑既有线的复杂因素。首先，该系统应不影响既有信号系统的使用；再者，该系统应具有安装简便、安装位置灵活等特点，能适应既有线的复杂环境，且系统在满足高可用性和可靠性的前提下，具有改造费用较为低廉的特性；最后，该系统应具备广泛的适应性，具有推广价值。基于以上设计原则，综合考虑目前较为成熟的识别技术，ATS车组号自动识别系统选择采用无线射频识别（RFID）技术。

RFID是一种非接触式的自动识别技术［1］。最基本的RFID系统通常由电子标签、天线和阅读器组成［2］。相对于传统的磁卡及IC卡技术，RFID具有非接触、阅读速度快、无磨损等特点。RFID系统的工作原理为：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［3］。车组号识别系统就是预先将列车的相关信息内置在电子标签中，当列车驶过时，地面阅读器将该信息读出并传送给ATS系统。

2 车组号自动识别系统的基本组成

从原理上讲，车组号自动识别系统设备主要包括电子标签、电子标签信息写入器（编程器）、地面阅读器（电子标签信息阅读器）、设备接口箱等4个核心部分。其中，电子标签是系统中最基本的部分。编程器和地面阅读器的设计均围绕电子标签的工作原理进行。系统中列车标识信息的传递流程如图1所示。

标签信息通过编程器写入电子标签。在车组号识别系统运用过程中，安装在车辆上的电子标签中的信息以无线方式传递到地面阅读器中，再由地面阅读器传送到后台的车站ATS系统中。电子标签信息在ATS系统中以过车信息方式体现，并由ATS系统通过转发程序将过车信息（含电子标签信息）进行二次分发，以满足各种应用系统对车组号基础信息的需求。

图1 车组号自动识别系统信息流程图

2.1 地面阅读器

设备接口箱电源开关打开后，解码板上电，解码程序正常运行。阅读器接收到“开”指令时，将射频子系统功放打开（若阅读器接收到“关”指令时，将射频子系统功放关闭）。在功放打开的状态下，当电子标签位于阅读器的接收区域内时，阅读器接收并存储电子标签内的数据，等待RS 485接口的读取指令。当上位机成功接收到标签数据后，上位机发出“确认”指令，阅读器随即清空当前存储的标签数据。

2.2 电子标签

电子标签通过编程器写入规定的标签信息。写入时，应对写入情况进行反馈确认，以保证车组号无重号、错号出现。编码信息如图2所示。

图2 电子标签信息编码

3 车组号自动识别系统的工作原理

3.1 车组号识别

车组号自动识别系统的工作原理如图3所示。射频源产生射频信号，经功率放大电路向外发射射频信号。可通过控制端控制功率放大电路的开关。接收到的标签信号经检波电路传至信号调理电路。为防止输出接口开路烧毁检波电路，射频组件设计了保护电路。信号调理电路实现检波信号调理功能，将信号幅值调整到与解码板相兼容的范围内。解码板是本系统的核心，完成车组号解码、功放控制、与ATS系统通信等功能，以及接收功放控制指令、传输解码后的标签信息功能。

系统的工作过程如下：

（1）解码板等待阅读器打开功放指令。接收到打开功放指令后，射频组件的功放打开并开始工作。

根据ADF4350的时序图将写控制分为3个单元,如图7所示。首先对整个多模射频配置模块的时钟CLK_IN进行分频,作为整个模块的工作时钟以及芯片的写时钟SCLK,利用控制信号线Control从ROM中读取ADF4350的配置参数Data[31:0],然后将此参数缓存起来并进行并串转换,通过移位寄存器将32位配置数据串行输出到SDIO信号线上,同时拉低片选信号CS,完成ADF4350的FPGA配置功能。

图3 车组号自动识别系统工作原理框图

（2）射频组件产生射频信号，向外发出电磁波，等待电子标签进入读取区域。

（3）当列车经过阅读器上方时，安装于车厢底部的电子标签进入读取区域。电子标签接收到阅读器的电磁波，标签通过电磁波将标签信息发射至功率放大组件。

（4）阅读器将接收到的标签信号传回射频组件，射频组件进行检波处理得到低频的检波信号。

（5）检波信号经信号调理电路进行整形，调整至相应幅度并传输至解码板。

（6）解码板进行解码处理，将得到的标签信息通过RS 485接口传至ATS系统。

（7）上述过程重复进行，直到解码板接收到关闭功放的指令，解码板关闭射频组件的功放。

3.2 ATS系统车组号的初始化及校核

增加了车组号自动识别系统后，列车在出入段、进站和折返时，通过分别安装在车头和车尾的电子标签，可唯一确定其车组号及运行方向，结合日班计划即可准确确定列车的车次号和对应交路；在变换交路后，也能较快对应新的交路和车次，大大提高了效率。同时，在信号系统故障恢复后，通过车组号识别系统，可以快速地将列车位置、车次号、交路等信息与轨道电路的占用情况相对应，提高了系统恢复的速度和准确度，提高了调度指挥的效率。

4 现场试验

本次研究选择重庆轨道交通2号线动物园站作为车组号自动识别系统的现场试验环境。重庆轨道交通2号线为固定闭塞区段，无车地通信；动物园站为出入段站，兼具正线行车、出入段、折返多种运行方式。

4.1 安装方案

列车信标安装位置：信标安装在两侧车头负极侧第一个裙板下方中间位置，中心距轨道梁侧面450 mm±20 mm，采用螺栓固定；正面向下面向地面，以便与地面的阅读器相互发送、接收信号（见图4）。

图4 电子标签安装示意图

地面阅读器安装：地面阅读器安装位置示意图如图5所示。安装股道位置见表1。

图5 地面阅读器安装位置示意图

表1 地面阅读器安装股道

4.2 试验记录

静态测试：①阅读器上电后，阅读器与室内设备通信正常；②手刷信标模拟试验车测试，读取功能正常。

动车测试：①出、入段线阅读器监测的识别结果见表2；②日间行车，上下站台阅读器为4级功率时，其识别结果如表3所示。

表2 出入段线阅读器监测的识别结果个

表3 日间行车时上下站台阅读器识别结果个

4.3 试验结论

采用基于无线射频技术实现列车车组号自动识别的技术方案是可行的。电子标签和地面阅读器的安装十分简便、灵活性高，不影响日间的正常运营；辐射强度较低，对其他系统无影响；功率不高，对既有线电源容量不造成影响。

但是，通过试验数据可以看到，仍然有个别丢包的情况。这是由于重庆轨道交通2号线为跨座式单轨，电子标签只能安装在裙护板内侧。裙护板为玻璃钢结构，内有铝网屏蔽，削弱了电磁场场强，导致存在个别丢包现象。在实际使用中，可将电子标签安装在裙护板的非屏蔽区域；由于电子标签尺寸较小，也可采用破除铝网的方式安装。

5 结语

基于RFID技术的车组号自动识别系统作为ATS系统的辅助系统，识别信息准确率高，安装简便灵活，既适用于轮轨线路列车，也可用于单轨线路列车；既有系统的升级改造对现场环境的依存度小，同时不需要对关键安全系统进行变更；既保障了轨道交通系统整体的安全性，又降低了投资，因此具有推广价值。此外，该系统具有很好的扩展性能，通过将地面阅读器设定在不同位置，可使系统具有列车接近/离去预告、场段车辆管理等功能；该系统通过接口能向多个外部系统传送旅客向导信息。

［1］ 亢军贤，尚永平，李武社.无线射频识别技术与应用研究综述［J］.甘肃科技，2008，24（9）：84.

［2］ 许艳红.浅析RFID技术及其应用［J］.河北北方学院学报：自然科学版，2009，25（2）：51.

［3］ 丁昌华，路小波.无线射频识别技术在车辆识别系统中的应用研究［J］.交通科技与经济，2006（1）：89.

On Train-number Identification System Base on Radio Frequency Identification Technique

Li Zheng，Kong Xiangqi，Wang Jianwei

In this paper，the structure and working principle of train-number identification system base on radio frequency identification（RFID）technique for ATS system are introduced.Through an experiment on Chongqing rail transit Line 2，the features of this technique，including automatical generation of train number and automatical check are verified，the feasibility and reliability of which are discussed，some feasible advices are proposed.This technique provides a new method for ATS signal system to identify and check the train-number of urban rail transit.

urban rail transit；automatic train supervision（ATS）；radio frequency identification（RFID）；train-number identification

U 284.55

2013-06-05）