基于射频识别技术的动车组关键配线接线端子松虚防火预警系统

郭浩

摘要：针对动车组配电柜关键配线接线端子松脱在运用中导致的的火灾隐患，从防火预警角度出发，结合RFID（Radio Frequency Identification）技术，通过信息化、系统化等措施，达到动车组关键配线接线端子防火预警的目的。经过实车检测试验，考核效果良好，可以将本系统作为通用的防火预警方案推广应用。

关键词：动车组;接线端子;射频技术;防火

中图分类号：U279.3+24   文献标志码：A

0 引言

國铁集团明确提出“加强安全风险排查和隐患治理，保障机车车辆质量良好，强化现场作业管控及应急处置，坚决守住高铁和旅客列车安全万无一失的政治红线和职业底线”。动车组的安全运行尤其重要，而防火更是重中之重，动车组任何部位的火灾隐患都可能迅速发展为重大故障，进而引发重大事故，造成巨大人员伤亡及财产损失。现有的和谐号动车组及复兴号动车组在关键位置均安装有烟雾检测装置，作为预防火灾故障的常规措施，但烟雾检测装置只能实现报警，尚不能对某一处具体位置（如配电柜关键配线接线端子）执行精准检测预警。因此，采用更加先进的“技防”手段来提升火灾隐患检测效率，降低安全隐患已是迫在眉睫。

1 存在问题

动车组电气柜是保证铁路车辆安全运行的核心部件，配电柜运行工况是影响铁路车辆能否安全运行的关键因素之一。高速动车组列车电气柜内空气开关、继电器等电气元件是车辆各部分电路运行的基础，是车辆安全稳定行驶的必要保障，对车内电气柜的工作状态检测起着至关重要的作用。

车辆运行过程中，由于存在端子压接不良、安装不到位、缩针、弯针等接触不良情况，会造成接线端子局部接触电阻过大。如果线路电流很大，当接触电阻过大时，会产生大量的热量，使接线端子金属变色甚至融化，破坏绝缘层，严重时导致发生火灾。

尤其是高速运行的动车组列车电气柜内接触器、空开等电气元件，多次发生过此类故障，严重影响列车运行安全。如CRH5型动车组客室空调控制板电加热器接触器K8、K9，由于接线端子虚接问题，造成接触电阻增大，在天气寒冷情况下，当客室空调加热器全部启动时，接线处会发生过流打火现象。

目前的修程要求是：在高级修的装配阶段，需通过目视检查电气柜内各接线端子的接线状态;在调试阶段，采用钳形电流表对电气柜内线路电流进行测量。但由于外界环境、接触电阻等因素的不确定性，以及产生的热量随时间成正比增大，造成端子温度（ 产生过流打火的直接因素） 无法准确检测。

2 常用松虚防火预警方案

为了更好地监控电气柜内各接触器、空开等电气部件配线的安装及工作状态，降低由于虚接等原因造成电流过大等风险，铁路部门采取了多种保障措施。

2.1、基于测温胶贴的防火预警方案

测温贴的原理顾名思义就是一种能够测量温度的测试纸，它是带有自粘贴功能的测温贴，能够粘贴在被测物体表面，并可根据欲测量温度的不同来选择不同的测温范围，当温度达到某一温度点时相对应位置会发生不可逆的变色，达到超温记录的目的。目前，基于测温胶贴的防火预警是铁路部门的重要预警手段，常用有三类不同检测范围的测试胶贴，如下图1所示：

2.2 基于红外热像仪的防火预警方案

红外热像仪是利用红外探测器、光学成像物镜和光机扫描系统（目前先进的焦平面技术则省去了光机扫描系统）接收被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元上，在光学系统和红外探测器之间，有一个光机扫描机构对被测物体的红外热像进行扫描，并聚焦在单元或分光探测器上，由探测器将红外辐射能转换成电信号，经放大处理、转换或标准视频信号通过电视屏或监测器显示红外热像图。当前，在电气柜上的应用如下图2所示：

3 系统总体设计

研制基于RFID技术的动车组关键配线接线端子防火预警系统，将动车组关键部件，特别是配电柜关键配线接线端子松脱状态进行检测预警。达到在动车组担当运行任务时，自动监测、识别各关键接线端子松脱状态，对出现松脱的螺栓进行报警提醒，并整体分析动车组配电柜关键配线接线端子的紧固性能状态，为动车组运行安全、质量提供更可靠的保障。

预警系统由基于RFID技术的防火预警检测模块、防火预警管理系统软件等组成。

RFID电子标签：存储动车组关键配线接线端子的身份信息和温度信息，并可以通过无线电讯号识别，读写相关数据;

RFID读写设备：通过RFID读写设备输出一定强度的无线电信号，以激活接线端子RFID电子标签进入采集模式，记录UHF RFID电子标签返回的有关接线端子对应的工作温度信息，并将采集到的数据及时上传应用管理平台;

应用管理平台：应用管理系统通过读取接线端子RFID电子标签的数据来预警监测接线端子超温状态，系统接收解析存储温度检测数据。对检修作业进行管理，并通过数据分析来判断动车组关键配线接线端子紧固整体情况。系统包括基础信息管理模块、作业管理模块、设备管理模块、统计分析模块、系统管理模块等。

4 RFID标签防松预警检测原理

4.1 RFID技术简介

射频识别，RFID（Radio Frequency Identification）技术，又称无线射频识别，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。其结构框图如图3所示：

超高频射频识别技术（UHF RFID）是物联网时代的一种自动识别技术，是一项利用射频信号通过空间电磁耦合实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到物体识别的技术。其主要技术特点有：

●阅读距离远（最远可达10m以上）;

●读卡速度快，毫秒级;

●无源型、免维护，使用寿命长达10年以上，反复擦写10万次以上，性价比高，一致性好，适于大规模使用;

●采用有效的防冲突通讯协议，每秒可读300张以上的识别卡;

●可全天候工作，不受刮风、雨、雪、雾等天气影响等;

●超宽工作频段设计，采用跳频工作模式，具有超强抗干扰能力。

4.2 防火檢测的原理

RFID防火预警检测依托于高度集成的UHF RFID TAG集成电路，通过在既有UHF RFID芯片内部嵌入智能控制电路，并集成高精度的温度检测模块，使该芯片在使用过程中具备温度检测功能，并可通过标准的UHF RFID协议读取温度监控数据，可用于本文所涉及关键配线接线端子的松虚预警检测。

该产品可工作在极低的输入功率信号，同时提供较大的反射信号，使标签可以在极低的RF功率下进行高速读写操作。

5 RFID标签设计

本文设计了一种粘贴式防火预警检测结构，如下图4所示。RFID标签紧密粘贴在现有关键空开、接触器等的外侧，当有关键配线发生松动时，接触点电阻会变大，温度会随之升高，而后可通过RFID的方式读取实时检测温度是否超过预定值来判定接线端子是否松动的目的。

6 检测试验

2019年7月在兰州西动车所组织了实车检测试验，试验环境如下：

试验时间：2019年7月～2019年9月，这个时间段正值暑运高峰，动车组空调等处于满负荷运行状态，温度变化大;

试验线路：兰新客运专线;

试验车型：选取CRH5G作为试验车型;

试验位置：01车空调系统440V供电空开35A02Q01及K8、K9接触器;

02车空调系统440V供电空开35A02Q01及K8、K9接触器;

05车餐厅配电柜内-QF5、-QF6、-QF7微波炉供电空开;

共安装了9枚RFID防松虚预警测温标签，如下图6所示：

通过近3个月的跟车测试，详细记录了不同阶段各试验位置对应设备的监控温度，如下图7所示：

汇总跟踪测试数据，形成数据分析曲线如下图8所示。进一步分析跟踪数据，选取02车K8、K9接触器温度跟踪曲线做深入对比分析，如下图9所示：

通过近3个月的跟踪测试，并分析跟踪测试数据，可以得出如下信息：

（1）标签结构强度可靠，无破损情况;

（2）标签及检测带粘贴牢固，无脱落情况;

（3）标签温度监控功能正常，精度较高;

（4）软件读取标签信息正确;

（5）标签检测范围符合要求，软件可一次性读取所有标签信息;

（6）通过环比相关测试数据，可以有效分析出各运行工况下接触器、空开等的工作温度变化趋势，可及时准确预判出有超温异常的关键配线，做到超前预警。

7 结语

通过在CRH5G型动车组配电柜的关键配线上加装基于RFID技术的防火检测标签，经过近3个月的检测试验，所有标签粘贴牢固，标签检测精度高，环境适应好，可在动车组运行环境下保持良好工作性能;标签检测信息可靠，能准确检测并传递关键配线接线端子的温度状态;标签检测性能优异，随车机械师通过检测装置可一次性检测到每个配电柜中所有标签信息，能够极大的减少作业者检修强度。综上所述，可以作为动车组关键配线接线端子防火预警的检测手段，有较好的推广应用前景，为动车组行车安全提供有力的技术支撑。

参考文献：

[1] 于淼，智能热像检测仪在轨道交通领域主动安全检测应用[J]，2018（36），1-3

[2] 张彩持.动车组配电柜连线识别系统[D].成都：西南交通大学，2016.

[3] 江敏.动车组运用检修作业理论和实践研究 [D].北京：中国铁道科学研究院，2015.