RFID电子标签在铁路预制构件和原材料管理中的应用研究

■ 索宁 王楠 王辉麟 安然

RFID电子标签在铁路预制构件和原材料管理中的应用研究

■ 索宁 王楠 王辉麟 安然

对RFID标签在铁路工程预制构件和原材料管理的技术标准和应用进行分析和研究。针对铁路梁场和轨道板场的预制构件和试验试件的生产过程和信息化管理业务需求，以RFID电子标签为媒介，利用物联网技术和数据加密技术实现与铁路工程建设管理信息平台的数据互联，并通过工程试点实现铁路预制构件从原材料进场、加工、生产、架梁、铺轨及开通运维等各个阶段的全生命周期管理和质量溯源。

预制构件和原材料管理；RFID标签；数据加密；铁路工程信息化

1 背景

铁路工程施工过程中，对原材料、试件、预制构件的管理和生产工艺流程的标准化尤其重要，与工程质量息息相关，传统的人工监督和检查手段无法适应工程信息化的发展要求，耗费大量的人力和物力，无法严格规范生产工艺流程，不利于工程进度、成本和质量水平的提升。

根据铁路工程施工特点，结合信息化和标准化的需求，引入物联网技术对工程施工中的原材料、试件、预制构件进行标准化统一管理，同时严格规范生产工艺流程，让每个步骤都被有效监督，最终实现工程施工的质量溯源，保证工程安全、顺利完工，并对施工质量、施工进度、材料质量、人员组织、机具设备等进行全方位的信息化管理，提升施工单位预制构件的生产管理水平，优化资源配置。

2 RFID电子标签设计

结合铁路工程业务需求，将RFID标签的应用场景分为预制构件和原材料及试件两类情况。其中预制构件主要为预制轨道板和预制梁；原材料主要为钢筋，工程试件可分为混凝土同条件养护时间和水泥抗折抗压试验试件两种。RFID标签在铁路工程中的应用结构见图1。

预制梁和预制板是以钢筋混凝土为主要结构的预制构件，还应考虑RFID标签的工作频率要求和其他特性，如抗金属性。另外，对于本次设计使用的无源RFID标签的寿命也有要求，需要保证在一定的读写次数内能有效工作。最后，在构件与试件养护过程对标签的工作性能也提出了具体的环境要求。具体考虑如下设计要求：工作参数要求、安装要求和性能要求。

2.1 RFID标签的工作参数要求

2.1.1 用于预制构件的RFID电子标签

由于预制构件为钢筋混凝土结构，故为适应工程实际应用的要求，RFID标签应采用抗金属标签，确保其固定在预制构件内部时可以正常工作，不受钢筋的影响。为保证读写距离，RFID电子标签应选用超高频电子标签，其工作频率为920～925 MHz。考虑到埋入式的安装方式，使得标签一旦埋入预制构件将无法取出，故应选用无需自带电池无源工作方式的标签，且保证正常读取次数为20万次，写入次数为10万次。应用在预制构件中抗金属标签的尺寸不宜过大，根据C60高强混凝土中骨料的粒径大小，其厚度应不大于为10 mm。电子标签外部封装为ABS塑料材质，采用超声波焊接，具有耐弱酸弱碱性，可使电子标签在-45～+80 ℃下正常工作，其外观见图2。

2.1.2 用于试件表面的RFID电子标签

固定在试件表面的RFID标签可以选择非抗金属性标签，由于试件为立方体混凝土或者水泥试件，故可不考虑钢筋的影响，但需要注意RFID标签的形状和固定方式，在嵌入试件表面的同时又不对试件的受力结构造成破坏，同时在试件和原材料管理中的RFID标签多为一次性使用，故应尽量选择低成本的标签，工作频率13．56 MHz，封装可选择PVC材质，利用四周的支脚与试件固定。试件用RFID标签外观见图3。

2.2 RFID标签的安装要求

RFID标签的固定问题是需要解决的主要问题，为了满足质量溯源的功能要求，RFID标签需要与预制构件或试件结合在一起，但又不能破坏预制构件或试件的受力结构，以免造成受力能力的丧失，这对标签的外观有一定的要求。

为适应预制构件的内部结构，根据不同预制梁和预制轨道板的不同结构设计可有效固定于预制构件内部的RFID标签外形。标签需安装在混凝土构件内部，因为标签对方向性要求较高，故应形成有效固定效果，避免在振捣和浇筑过程发生位置偏移，造成无法读取的结果。对于试件表面的RFID标签也要求良好的方向性，可在试件初凝前安装。（1）固定要求：通过定位孔沿上层非预应力钢筋纵向绑扎固定，保证标签识别的方向性和浇筑、振捣的固定性；（2）易检测性：标签安装位置易于手持终端的检测和读写；（3）安装位置：轨道板标识牌正下方（以轨道板为例，见图4）。

2.3 RFID标签的性能要求

根据应用场景的不同，标签的性能要求也不同，主要可从标签寿命、工作环境、读写速度、存储要求和读写距离等要求。一般来说预制构件场景中的要求较高，由于其无法更换，故需要保证其性能在规定时间内的有效性，同时通过冗余备份增加标签的使用寿命。（1）读写操作：无源电子标签可进行10万次写操作，20万次读操作。（2）工作环境：满足温度冲击、交变湿热试验、振动、IP防护、电磁兼容性试验指标参数。（3）标签冗余：预制构件中应对电子标签进行1+1冗余备份。（4）读写速度：标签读写速度小于1 s。（5）读写率：埋入工程构件中的电子标签读写成功率为100%。（6）存储要求：用户区512 b，EPC区96 b，TID区64 b。（7）读写距离：手持终端可在RFID电子标签埋入混凝土构件前后正常读写，距离满足相关技术要求规定。

3 功能

满足铁路工程信息化和标准化的业务需求，结合预制构件和原材料试件生产量大、质量要求高、过程难追溯和不易管理等特点，RFID标签的功能和性能应具有如下功能。

3.1 预制构件生产管理与质量溯源

对预制构件的生产管理主要包括预制轨道板和预制梁等基础构件，具有生产量大、应用广、质量要求高等特点，通过将RFID电子标签固定在预制构件中，利用其唯一的RFID识别码实现对预制构件生产流程的规范化管理。在预制构件每个生产环节对RFID标签进行配对读写，对生产所处的状态进行标记。一般的预制构件生产流程包括钢筋处理、浇筑、养护、张拉、管道压浆、封锚、成品检查、出库、使用、维护等全生命周期进行管理，并将相关的生产单位、施工单位、维护单位的信息进行统计和关联，最终实现质量溯源。同时通过数据安全加密技术对RFID内部存储的数据信息进行不对称算法加密处理，保证数据交互的安全性和数据的严肃性。

3.2 原材料和试验试件管理

对原材料和试验试件的管理主要包括钢筋原材、混凝土养护试件和水泥抗压抗折试件等。利用RFID标签对原材料进场检验、试验和领用等各个环节进行质量管控，在试件制作初凝前将RFID标签固定在试件表面，在同条件养护期对试件在高温、低温、交变湿热、振动、试验等全生命周期进行管理，并将相关的制作人员、制作单位、试验人员的信息进行统计和关联，最终实现质量溯源。

4 RFID电子标签在预制板场中的试点应用

2014年9月，在郑徐客专民权板场对RFID电子标签在预制板场中的应用进行试点，先后完成适合CRTSIII型无砟轨道板RFID标签的设计、安装、试验、调试、应用等工作，共投入500枚RFID标签，全部埋入预制板中，参与从钢筋绑扎、入模、浇筑、振捣、养护、入库、出库、铺设等全过程的生产，与板场信息化系统数据交互，实现对预制轨道板的生产管理和质量监督。

2015年8月至今，在京沈高铁沈阳段的4个板场完成RFID电子标签的第二次试点工作，对其各项参数进行验证，修改并最终确定安装方式、安装位置和性能参数，实现在轨道板正式生产过程中的应用，完成对轨道板生产过程的信息化管理和质量监督功能。

4.1 RFID标签的安装

根据轨道板的构造特点，CRTSIII型无砟轨道板内部为双层钢筋，RFID标签须固定在上层钢筋上，同时需要避开接地端子部分，为了检测的方便，最终把标签的安装固定位置定在轨道板左右两侧的标识处。

4.2 RFID标签在生产流程管理中应用

以轨道板场为应用实例，RFID电子标签在生产流程管理中的应用包括RFID识别码初始化、钢筋绑扎的初步固定、入模、浇筑和振捣、终凝固定、出模、封锚、养护、入库、出库和现场铺设等过程，包含了轨道板生产到使用的全部过程。（1）初始化：RFID标签出厂后进行的第一次数据写入，包括ID识别码等基本标志信息；（2）钢筋绑扎：将RFID标签通过钢丝初步固定在轨道板的上层钢筋上，要求方向朝向为上，且有效固定；（3）入模：已绑扎标签的钢筋笼入模工序；（4）浇筑和振捣：对入模后的钢筋笼进行混凝土浇筑，边浇筑边振捣，同时确保整个过程中RFID标签不发生移位；（5）出模：经过初凝和终凝阶段后，利用龙门吊将轨道板吊起出模；（6）养护：先后经过水养和干养过程；（7）入库：经过养护后的轨道板入库，并通过洒水等方式继续养护直至出库；（8）出库：一般周期为30 d；（9）使用：轨道板的铺设。

5 结束语

针对铁路工程预制构件生产流程和原材料管理的标准化、信息化要求，采用射频识别和信息化技术相融合方式，以RFID标签作为媒介，通过其内部存储数据信息（生产参数、施工信息、养护信息和维保信息等）与铁路梁场或板场信息化系统进行交互，实现对预制构件和原材料试件的全生命周期信息化管理和质量溯源，从工程源头对质量进行有效监督和管控，同时对RFID标签内部信息进行加密，保证数据的严谨性和安全性。

RFID标签内部数据信息通过算法加密，不仅实现数据交互功能，还能实现对预制构件的产能分析、工序管控、质量监督、数据整合、分析处理、综合统计查询、图表展示和安全预警等功能，并通过对用户反馈问题的不断改进，逐步满足铁路工程建设业务需求，提高业务融合程度，为铁路工程质量管理提供信息化支持和系统级的保障。

[1] 中国铁道科学研究院． 铁路工程CRTSIII型板式无砟轨道埋入式电子标签暂行技术要求[R]，2015．

[2] GB/T 25340—2010 铁路机车车辆自动识别设备技术条件[S]．

[3] TB/T 3070—2002 铁路机车车辆自动识别设备技术条件[S]．

[4] GB/T 29768—2013 信息技术 射频识别 800～900 MHz空中接口协议[S]．

索 宁：中国铁道科学研究院电子计算技术研究所，助理研究员，北京，100081

王 楠： 中国铁道科学研究院，助理研究员，北京，100081

王辉麟：中国铁道科学研究院电子计算技术研究所，副研究员，北京，100081

安 然：中国铁道科学研究院电子计算技术研究所，工程师，北京，100081

责任编辑 王志明

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