轨道交通RFID 温度传感技术研究与应用

钱曙杰

（苏州市轨道交通集团有限公司，江苏 苏州 215000）

轨道交通车辆温度实时监控事关设备状态监控与火灾防护工作，特别是车载大功率设备、电缆、高转速动力系统，均存在高温实时监控需求，温度监控系统时效性与预警告警能力直接关系到车辆与乘客安全。近年来，基于先进传感与智能处理技术的信息化监控水平快速提升，特别是随着人工智能与大数据分析技术的长足进展，基于海量温度数据的传感采集与分析融合，进一步研究车辆设备全寿命全周期老化管理与故障预判等工作正应运而生。

1 RFID 温度传感技术概述

1.1 RFID 无源温度传感原理

传 统 的RFID（Radio Frequency Identification）技术具有无源无线传输、电子标签识别号唯一等特点，并且具备一定的存储能力，因此，广泛应用于身份识别、物件盘点和金融付费等领域。按照RFID 工作频率与传输距离的差别，可以分为低频（Low Frequency）、高频(High Frequency)、超高频(Ultra-High Frequency)等多种类型，超高频RFID 技术由于传输距离更远，所以目前应用领域越来越广泛。

随着集成电路技术的快速发展，传统的RFID 普通芯片开始集成各类先进传感器，向多功能集成化方向发展，使得RFID 电子标签不但可以实现无线身份识别，还可以进行温度、湿度等重要传感信息的监测，具有无线免布线、无源免电池供电以及单芯片集成度可靠性高等优点，因此，一经推出便得到了广泛应用，尤其适用于诸多特殊应用场合。常见的RFID 测温电子标签如图1 所示，主要由RFID 感温芯片与微型射频天线封装构成，可选用陶瓷、印制电路板（PCB）或者柔性印制电路板（FPC）等多种制成。RFID测温电子标签内部架构如图2所示，虽然外形小巧，但是，其内部集成了传感器、射频收发前端与天线等众多功能模块。作为RFID 测温电子标签的核心部件，RFID 感温芯片与RFID 普通芯片的主要区别在于增加了传感检测单元（Sensor）与模数转换单元（ADC）。

图1 RFID 测温电子标签实图

RFID 测温电子标签实际应用效果主要取决于读写器功率与标签本身的接收灵敏度，常用UHF RFID 读写器功率为1W，电子标签灵敏度如果采用FCC 标准，需要在902 ～928MHz 频段完成性能优化。RFID 测温电子标签灵敏度测试曲线如图3 所示，当频率为915MHz 中心频率时，最佳灵敏度性能优于-15dB。

图2 RFID 测温电子标签内部电路框图

1.2 RFID 无线无源测温系统架构

本文提出一种基于RFID 无线无源测温技术的轨道交通电缆温度监控方案，通过在车载大功率线缆上安装无线无源RFID 测温电子标签，并组建RS485 有线通信网络，完成对整车关键线缆温度实时监控与高温报警。

RFID 无线无源测温系统架构如图4 所示，主要由感知层、传输层和应用层构成。其中，感知层主要包括RFID 测温电子标签与拾温天线；传输层可以采用有线RS485 组网或者以太网，也可以采用Lora、4G 或5G 等无线网络组网，组网模式的选定依托于环境与客户的综合选择；应用层可以直接数据读取与显示，或者兼顾后期阈值比对可增加AI 处理等。图4 中超高频RFID 测温电子标签贴附于各种被监控设备，测温对象周边布置超高频天线采集标签温度，并通过标签读写器上传给上位机汇总显示与处理。根据标签类型、读写器性能与应用环境的不同，测温电子标签与超高频天线之间最远距离可达10m 以上，天线与读写器的射频连线距离也可远超10m，因此，施工运用非常便利。

1.3 传统测温方案与RFID 无线无源测温方案对比

传统轨道交通车载电缆温度监控主要有两类方案：第一类采用纸质过温变色标签。常用纸质过温变色标签过温阈值为70℃，将纸质过温变色标签缠绕于被监控电缆上，当发生过温事件时，纸质标签由白色变为黑色，以此告知巡检人员电缆过温事件曾经发生。第二类采用感温电缆。将感温电缆与被测设备或电缆贴附在一起，当被测设备或电缆温度高于感温电缆阈值时，感温电缆内部两根芯线发生熔断短路从而触发高温报警。

图3 RFID 测温电子标签灵敏度测试曲线

图4 RFID 无线无源测温系统架构

上述两种传统方案的缺点均是无法进行温度实时监控，无法提前预警，只有当过温事件发生后才提醒用户，高温引发风险控制能力低。同时，两种方式温度传感单元均为一次性使用，发生过温事件后传感单元随即损坏不可再行使用，这些缺点限制了温度监控系统智能化水平与应用范围。

相比而言，RFID 无线无源测温方案可以监测实时温度，记录被测物体实时温度变化与历史温度变化规律。该方案不仅可以设置多级高温预警与告警阈值，还可以结合监控对象物料特性，通过人工智能与大数据分析技术，进一步分析被测对象的温度变化特性，由此推断设备关键部位工作温度与老化特性关联特性，有助于设备的全周期全寿命管理。可以预见，基于设备海量温度数据集的AI 特性分析，以此助力提升设备监控管理科学水平，将成为今后工业信息化改造的重要方向。

2 RFID 温度传感轨道交通研究与应用

2.1 轨道交通温度监控需求

轨道交通车辆由于存在众多高压大功率设备、线缆和蓄电池设备，设备或电池工作状态与其温度特性密切相关。另外，由于车辆高速运转，车辆轴温状态也需实时监控，所以测温监控技术在轨道交通车辆信息化升级中有着广泛应用前景。

2.2 基于RFID 温度传感技术的轨道交通测温监控

由于轨道交通车载设备的不同特点，RFID 无源无线测温方案实际工程应用时需要灵活采用不同技术方案进行实施，以便完成不同设备点、线、面等各种特色区域温度监控。对于低压箱、空调柜等进出线缆布局密集测温场合，如果采用有线测温方案，传感器布线会十分复杂，而采用RFID 无源无线测温方案，则可以省去复杂布线工作，在被测物体上直接布置RFID 测温电子标签，并就近采用拾温天线进行面状区域整体测温；对于缆槽内部电缆等长线形测温对象，又可以采用射频漏泄同轴电缆输送射频信号，在漏缆周边布置RFID 测温电子标签完成测温与信息传输。

图5 为某项目半列车RFID 无源无线测温方案整体系统布置，其中TC/MP/M 车每车配置一台RFID 温度读写器，分别提供三路测温监控通道，包含两路缆槽和低压箱进出线温度实时监控。另外，TC 车布置上位机一台，用于指令控制、温度汇总与向列车控制管理系统（TCMS）的温度转发，所有温度数据与告警信息于车载显示单元DDU 显示输出，系统内部采用RS485 有线组网，为提高系统可靠性系统做双机冗余热备份。图6 为低压箱进出线缆温度监控示意，RFID 测温电子标签捆扎于线缆端头，拾温天线就近布置于附近给标签实时提供射频电磁供电的同时，完成温度信息读取与采集。

图5 RFID 轨道交通车辆测温应用

图6 测温电子标签安装运用示意

2.3 试验数据与结论

RFID 温度监控系统温度显示与报警功能与列车车载显示系统进行集成，如图7 所示，图中左侧1 ～6 分别表示6 节车厢，A1 ～A6，B1 ～B6，C1 ～C6 则用于表示不同测温部位的位置信息，全车可以实时监控108个测温点位温度，点击任意点位温度，可以进一步查询该点位的温度历史记录，由此可以发掘设备监控点温度变化信息，如图8 所示。

与现有其他无线测温方案相比，本RFID 无源无线测温方案在测温一致性、稳定性和测温精度等方面具备明显优势，现有无线无源测温方案技术方案对比结果如表1 所示。其中，第三类方案是采用磁感应线圈温度传感器测试电缆温度，该方案将磁感应线圈温度传感器捆扎于电缆上测温，并通过无线方式发送温度信息给后端监控设备实现监控。其缺点在于磁感应线圈温度传感是通过电磁耦合产生电能给温度传感器供电，故只有当所监控电缆的电流高于一定数值之后，磁感应线圈温度传感才能获取足够电能以开始工作，否则，感应线圈无法取电，导致该方案使用范围受限，所以综合评价而言，RFID 测温监控方案优势最强。

图7 列车全车多点位温度实时监控显示

图8 任意测温点位温度历史查询统计

3 结语

本文介绍了一种基于RFID 温度传感技术的轨道交通车辆温度监控方案。通过理论分析与试验结果表明，与传统的温度监控方案相比，该方案具有更好的测温一致性、稳定性和测温精度，在高温定位与温度实时监控告警方面均更有优势。基于本文提出的测温方案能够更便捷、准确地获取海量车辆温度数据，为轨道交通和大数据、物联网和人工智能等前沿技术的融合运用提供了数据基础，符合智慧轨道交通的发展趋势，在轨道交通领域具有广泛的应用价值。

表1 现有无线无源测温技术方案特点对比