基于RFID技术的低地板有轨电车位置检测系统设计

李生军

伴随着城市轨道交通的快速发展,低地板有轨电车在城市轨道交通中日益普及,有轨电车以其站间距短、发车频次高、乘坐便捷等优势成为了市民出行常选的公共交通工具。有轨电车线路与城市道路之间大都存在交叉路口、部分线路存在天桥等特殊路段,这些路段往往不架设接触网供电线路,而对于单纯用接触网供电的有轨电车是无法通过这种无网无电区路段的。因而一种新型的混合供电制式列车应运而生,即列车采用接触网和超级电容双供电模式,在线路有电区列车升弓后采用接触网供电,在线路无电区列车降弓后采用超级电容供电。为提高有轨电车的运行效率和安全,提升列车的智能化水平,本文开发了一套位置检测系统来控制列车实现供电模式的自动切换、受电弓的自动升降等功能,从而保证列车安全、高效的运营。

1 位置检测系统组成及原理

有轨电车的车辆定位方式主要有2种:一是卫星系统定位技术,其信号易受到遮挡、反射、折射、多路径等因素影响,导致可用性受限［1］；二是轨旁定位技术,包括信标定位、轨道检测环线定位、裂缝波导定位等［2］。列车位置检测系统采用信标定位方式,应用射频识别（Radio Frequency Iden⁃tification,RFID）［3］技术对地面信标进行检测,通过无线射频信号准确、快速地获取信标的数据信息［4−5］,从而根据信标的位置对有轨电车的位置进行精确定位,进而实现具体的控制功能。

1.1 系统组成

位置检测系统是以信号接收、传输、控制为核心的自动控制系统,能够对有轨电车在线路特定位置处的列车地理位置进行精确定位［6］。该系统设备分为车载设备、地面设备和编码设备三部分:车载设备包括可编程控制器PLC、RFID阅读器（集成了天线内置模块）；地面设备为无源信标；编码设备为手持式读写器。以5模块编组的有轨电车为例,位置检测系统的组成及设备分布示意见图1。

图1 位置检测系统的组成及设备分布示意图

在Tp车的车内设置可编程控制器PLC,可采用以太网或RS-485串口通信以及硬线I/O与列车网络系统进行通信；在F1/F2车的车底合适位置对称安装2台阅读器,阅读器与可编程控制器之间通过RS-485以及硬线IO进行通信；在线路特定位置布设地面信标,信标的数量和布设位置根据阅读器的安装位置以及需要控制的具体功能等因素来确定。

1.2 工作原理

该系统利用轨旁信标进行位置定位,将无源信标按照设计需求布置在线路轨道路面下,通过手持式读写器给每个信标编写ID码；列车车体的底部安装RFID阅读器,列车经过信标路段时,由RFID阅读器的天线发射特定频率的无线射频信号来激活信标,信标通过内置天线将内存中的ID数据调制信号发射到RFID阅读器的接收天线,经阅读器解调和解码后,实现车载RFID阅读器和地面信标的数据信息交互［7］；车载可编程控制器PLC与RFID阅读器建立数据通信后,调用阅读器中的数据信息与软件数据库中存储的信息进行比对,根据信标的唯一ID码识别出列车此时的精确地理位置,可编程控制器经内部控制逻辑处理后输出控制信号进行列车相关功能的控制。

1.2.1 可编程控制器

根据系统控制功能电气接口及通信接口要求,可编程控制器选用西门子的S7-1200 PLC。该PLC集成了14个数字量输入、10个数字量输出接口及2个PROFINET通信接口。PROFINET接口可用于PLC的调试端口,也可用作与其他设备之间的以太网通信接口；该接口具有自动交叉网线的RJ45连接器接口,提供100 Mb/s的数据传输速率,支持TCP/IP通信协议,PLC供电电压为DC24 V［8］。为适应阅读器的RS-485通信需求,配置了2个RS-485通信模块来实现PLC与2个阅读器之间的点到点高速串行通信。

1.2.2 RFID阅读器

RFID阅读器采用无线射频读写器,内部集成了射频单元（发送和接收模块）、控制模块和天线单元,具有数据通信接口（RS-485/RS-232,可配置以太网接口）和I/O数字量输入输出接口,供电电压为DC24 V。

阅读器通过内置天线单元实现能量的传递和数据的交互,以无机械接触的方式通过发射射频信号获取信标数据［9］。阅读器工作时自动发送125 kHz的发射信号,信标接收此激活信号后,将存储在芯片中的数据信息通过6.78 MHz的频率发射给阅读器,由阅读器进行报文处理后存储在内部只读存储器（EEPROM）中,再通过PLC发出的信标读取指令将信标信息传送给可编程控制器进行相关逻辑功能控制。

阅读器对外电气接口采用的连接器具备IP67高防护等级,防护性能好,能够适应列车底部的安装环境。

1.2.3 RFID信标

RFID信标是安装在轨道线路沿线用来反映绝对位置的物理标志［10］。信标安装在轨道路面下,信标安装后沿轨道的纵向中心线与阅读器安装后沿车体的纵向中心线相对重叠,信标安装后的上表面与阅读器安装后的下表面之间的相对垂直距离在100～800 mm之间,以便于在阅读器发射的磁场范围内可靠地读取到信标信息。

当列车阅读器经过信标上方时,阅读器发射的125 kHz射频信号激活信标工作,信标将存储的ID编码信息以无线射频信号传递给阅读器,为列车提供绝对地理位置信息。信标信息包含具体的公里标、序列号等内容,可根据需要存储的数据要求通过手持式读写器对信标进行编码。无源信标采用全密封结构,外壳坚固,内装芯片（具有多个字节存储容量）,具有IP67高防护等级,能够适应地面潮湿环境。

在实际应用中,为避免路面长期积水损坏信标,便于现场施工作业及维护更换,可将信标安装在预制的非金属保护盒内后再安装于线路硬化路面或绿化带上。为避免金属环境对磁场的干扰和信号的衰减,信标需要安装在无金属环境的基坑内,并保证在信标周围一定距离范围内无金属环境,距离信标前、后方向D>100 mm,距离信标底部方向H>100 mm,信标顶部至地面方向h的距离范围应为无金属环境。信标周围无金属环境安装要求示意见图2。

图2 信标周围无金属环境安装要求示意图

1.2.4 手持式读写器

手持式读写器作为信标编码和线路信标检查维护的便携式读写设备,在信标安装完成后用来给线路上的每个信标进行唯一编码；自带液晶显示屏和操作键盘,由电池供电,其感应范围小,与信标之间的感应距离一般为几厘米到10几厘米；通过其内置天线为信标供电并与信标进行无线感应通信,从而将编程代码字节信息写入到信标的芯片存储器中或读出信标存储器中的ID码,以十进制或十六进制格式在液晶显示屏上显示。

2 信标布置及控制功能

信标在线路上的布设位置及数量是以实现具体的控制功能为前提进行设计的,本文以北京亦庄T 1线有轨电车位置检测系统的应用情景为例进行介绍。线路存在多个有网无电区和无网无电区,列车在有网有电区内行驶时通过接触网供电,从有网有电区进入有网无电区前需切换到车载电容供电,列车在进入无网无电区前需完成降弓,列车从无网无电区进入有网无电区后需完成升弓,列车从有网无电区进入有网有电区后需切换为接触网供电。基于此控制功能需求,利用位置检测系统来实现车辆供电模式的自动切换和受电弓的自动升降。当车辆经过信标路段时,由阅读器读取地面信标信息后,传输给PLC进行数据解析和功能逻辑处理,然后输出DO信号来控制车辆电路的继电器得电或失电,从而实现具体的电气控制功能。以其中一个区段为例进行地面信标布设,见图3。此区段布设5个信标T 1～T 5,第1个信标用来判断列车行驶的线路方向（上行线或下行线,功能1）,第2个信标用来触发车载电容供电（功能2）,第3个信标用来触发降弓（功能3）,第4个信标用来触发升弓（功能4）,第5个信标用来触发接触网供电（功能5）。当列车经过第1个信标时车辆控制电路自动闭合继电器K1、断开继电器K5,通过继电器K1的常开触点来控制功能1的实现；当列车经过第2个信标时车辆控制电路自动闭合继电器K2、断开继电器K1,从而控制功能2的实现。依次类推,列车经过第N个信标时闭合KN继电器、断开KN-1继电器,从而控制功能N实现。信标布置的相对距离是结合列车在此区间段的最大运行速度、信标采集传输时间、各功能的执行时间、阅读器的安装位置、受电弓的位置、车辆长度等因素综合计算后得出的。布设的原则是保证位置检测系统在检测到信标后列车有足够的距离和时间来执行对应的控制功能,确保行车安全。

图3 信标的布置方案示意图

3 系统控制软件设计

位置检测系统的控制软件设计是通过TIA软件对PLC进行硬件组态后,按照控制功能需求进行PLC程序编程,通过阅读器的上位机配置软件对阅读器进行通信接口参数设置。阅读器的所有参数都存储在非易失型EEPROM存储器中,可编程控制器PLC与阅读器RFID之间通过RS-485进行串口通信,支持多种波特率选择。PLC和阅读器的RS-485接口参数均配置为19 200 bps、偶校验、8位数据位+1位停止位。通过PLC对阅读器进行指令问询,阅读器返回应答数据,数据以十六进制格式发送和接收。

基于上述信标布置及控制功能需求,位置检测系统软件控制流程见图4。

图4 位置检测系统软件控制流程图

3.1 设备正常模式下的控制

系统上电后PLC与RFID阅读器建立数据通信,PLC和阅读器进行自诊断,设备正常后列车司机台上的位置检测系统状态指示灯亮,司机将位置检测控制模式开关打到自动位,车辆进入自动控制模式,PLC自动发送信标读取指令使得阅读器进入信标读取模式。列车行驶中当检测到信标时,由RFID阅读器采集信标存储的编码信息并解码后,将数据传送给PLC,PLC经过内部数据处理和功能逻辑判断后输出相关指令信号,控制继电器来实现车辆相关功能控制。完成此区间路段的自动控制功能后列车继续前行,在线路下一个特定位置区间内继续重复信标检测控制功能,直至设备断电或手动控制模式激活时,位置检测系统退出。

3.2 设备异常模式下的控制

系统上电后PLC与RFID阅读器建立数据通信,PLC和阅读器进行自诊断,当PLC发生故障时位置检测系统退出；如果阅读器设备自检出现故障,PLC将发送复位代码指令给阅读器进行复位,复位后PLC发送诊断指令给阅读器对其进行诊断,如果系统设备正常则进入正常控制模式,如果系统设备依旧故障,系统根据故障来源将相应的故障代码信号报告给列车网络系统,位置检测系统退出,同时司机台上的位置检测状态指示灯保持熄灭状态,此时司机需将位置检测控制模式开关打到手动位,在列车行驶至有网无电区前司机停车后,通过操作司机台上的供电模式切换开关打到电容模式位切换到电容模式供电,再按下降弓按钮进行降弓,车辆驶离无电区后司机通过升弓按钮进行升弓并将供电模式开关打到接触网模式位继续行驶。手动控制模式会大大降低列车运行的效率,因而仅作为位置检测系统故障模式下的应急处理方案。

为实现上述案例流程图控制功能,对可编程控制器PLC的软件程序进行模块化设计,包括主程序、中断程序、通信程序、故障诊断程序、指令控制程序、信息采集处理程序、数据校验程序、控制逻辑输出程序、数据记录程序等。通过数据记录程序,可将读到的信标、通信数据、控制信息等数据以.csv格式存储在PLC的WEB界面下,便于查询和分析。

4 结语

位置检测系统通过RFID技术对列车进行准确定位,实现了低地板有轨电车供电模式的自动切换控制、受电弓自动控制等功能,也可用于列车位置检测的其他辅助控制功能。该系统已在北京亦庄T 1线有轨电车上装车应用,通过在运营线路上的试验验证,位置检测系统的控制功能能够满足车辆定位控制需求,数据记录显示列车在不同速度下（0～70 km/h）,信标的读取率均可达到100%。