基于射頻識(shí)別技術(shù)的列車跟蹤與定位系統(tǒng)研究

基于射頻識(shí)別技術(shù)的列車跟蹤與定位系統(tǒng)研究

實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的列車跟蹤和定位技術(shù)是基于固定封閉和移動(dòng)閉合的發(fā)展而必須解決的技術(shù)問題。與固定封閉相比，移動(dòng)封閉和封閉可以減少連續(xù)列車的距離，縮短跟蹤列車的距離，增加線路密度，提高線路輸送能力。歐洲的行動(dòng)管理系統(tǒng)hs-3級(jí)，日本的計(jì)算和廣播輔助列車控制系統(tǒng)avar和美國的精確間隔列車控制系統(tǒng)ptss采用了移動(dòng)封閉的方式，代表了列車控制的發(fā)展方向。在目前鐵路運(yùn)輸能力緊張的情況下,有必要對(duì)高速鐵路列車跟蹤與定位系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的研究,提出面向系統(tǒng)的系統(tǒng)方案和解決方案,對(duì)今后提高鐵路運(yùn)輸能力具有非常重要的意義。目前在國內(nèi)外高速鐵路中有多種列車定位方法。基于軌道電路的列車定位精度取決于軌道電路的長(zhǎng)度,不能實(shí)現(xiàn)精確定位,無法構(gòu)成移動(dòng)閉塞。基于查詢/應(yīng)答器的列車定位,在地面應(yīng)答器安裝點(diǎn)的定位精度較高,但是只能給出點(diǎn)式定位信息,存在設(shè)置間距和投資規(guī)模的矛盾;目前一般采用混合定位法,即用輪軸編碼器累加測(cè)距,以查詢/應(yīng)答器糾正累計(jì)誤差,這種方法在車輪磨耗、空轉(zhuǎn)和滑行時(shí),累計(jì)誤差可能很大,臨近前方應(yīng)答器時(shí),累計(jì)誤差達(dá)到最大。交叉感應(yīng)回線定位方式既可以實(shí)現(xiàn)列車定位,又能實(shí)現(xiàn)列車與地面之間的雙向通信,但定位精度受交叉長(zhǎng)度的限制,如果交叉區(qū)比較窄,位置脈沖漏計(jì)的可能性增大,在感應(yīng)回線交叉點(diǎn)之間可以采用轉(zhuǎn)速計(jì)測(cè)距,以達(dá)到更高的定位精度。通過多普勒雷達(dá)或加速度傳感器(陀螺儀)測(cè)量列車的行駛速度,計(jì)算已行駛的里程,確定列車在線路上的具體位置,這是一種典型的增量式相對(duì)定位,存在累計(jì)誤差,在定位精度要求較高的地點(diǎn),可以通過加標(biāo)志位的方法不斷校正其位置信息。無線擴(kuò)頻定位法可以實(shí)現(xiàn)列車比較精確的定位,但需要在沿線設(shè)置專用擴(kuò)頻基站,投資成本較高。裂縫波導(dǎo)定位技術(shù)通過計(jì)數(shù)器確定列車經(jīng)過的裂縫數(shù)來實(shí)現(xiàn)列車定位,也是一種相對(duì)定位技術(shù)。全球定位系統(tǒng)GPS(GlobalPositioningSystem)是基于GNSS全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用,用戶可在全球范圍內(nèi)確定自己的位置、速度和時(shí)間,且價(jià)廉,不用付費(fèi),屬自主定位方式。然而當(dāng)列車進(jìn)入隧道后,GPS由于遮蔽而性能下降,因此,要配以其他輔助定位方式。本文提出一種基于射頻識(shí)別RFID技術(shù)的列車跟蹤與定位系統(tǒng),用以實(shí)時(shí)、精確、高效的確定列車在線路上的位置、速度、車次等信息,為客運(yùn)專線各相關(guān)信息系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。1客運(yùn)專線最高列車列車追蹤間隔3min的客運(yùn)專線單條列車列車追蹤間隔3min應(yīng)用先進(jìn)的定位設(shè)備和分析技術(shù),準(zhǔn)確、及時(shí)地獲得列車跟蹤與定位信息,滿足客運(yùn)專線最高列車運(yùn)行速度350km/h,列車追蹤間隔3min的設(shè)計(jì)要求并兼顧發(fā)展的需求,系統(tǒng)應(yīng)服務(wù)于整個(gè)高速鐵路運(yùn)輸系統(tǒng),能為現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)人員提供安全防護(hù)信息。2數(shù)據(jù)標(biāo)簽的組成系統(tǒng)由RFID天線、RFID閱讀器、RFID標(biāo)簽、列車定位處理單元、線路數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、車載數(shù)據(jù)閱讀/發(fā)送器、地面數(shù)據(jù)閱讀/發(fā)送器、司機(jī)數(shù)據(jù)卡和信息共享平臺(tái)組成。系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1。2.1u3000聲表面波標(biāo)簽與閱讀器射頻識(shí)別(RadioFrequencyIdentification)是一種利用射頻信號(hào)通過空間耦合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞,并通過所傳遞的信息達(dá)到自動(dòng)識(shí)別目的的技術(shù)。射頻識(shí)別系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、閱讀器和數(shù)據(jù)交換與管理系統(tǒng)3大基本部分組成,如圖2。電子標(biāo)簽(或稱射頻卡、應(yīng)答器等),由耦合元件及芯片組成,其中包含帶加密邏輯、串行EEPROM(電可擦除及可編程式只讀存儲(chǔ)器)、微處理器以及射頻收發(fā)及相關(guān)電路。電子標(biāo)簽具有智能讀寫和加密通信的功能,它通過無線電波與讀寫設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,工作的能量是由閱讀器發(fā)出的射頻脈沖提供。目前有一種以SAW(表面聲波)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的標(biāo)簽具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),其讀取范圍大且可靠,可達(dá)數(shù)米;標(biāo)簽芯片與天線匹配簡(jiǎn)單,制作工藝成本低;不僅能識(shí)別靜止物體,而且能識(shí)別速度達(dá)300km/h的高速運(yùn)動(dòng)物體;可在高溫差(-100℃~300℃)、強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用,能滿足高速列車跟蹤與定位的需要。OIS-W聲表面波標(biāo)簽、SOFIS聲表面波系統(tǒng)已成功用于德國慕尼黑火車進(jìn)站定位系統(tǒng)。閱讀器,有時(shí)也被稱為查詢器、讀寫器或讀出裝置,主要由無線收發(fā)模塊、天線、控制模塊及接口電路等組成。閱讀器可將主機(jī)的讀寫命令傳送到電子標(biāo)簽,再把從主機(jī)發(fā)往電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)加密,將電子標(biāo)簽返回的數(shù)據(jù)解密后送到主機(jī)。數(shù)據(jù)交換與管理系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)及管理、對(duì)卡進(jìn)行讀寫控制等。RFID的工作原理如圖3,閱讀器將要發(fā)送的信息,經(jīng)編碼后加載在某一頻率的載波信號(hào)上經(jīng)天線向外發(fā)送,進(jìn)入閱讀器工作區(qū)域的電子標(biāo)簽接收此脈沖信號(hào),卡內(nèi)芯片中的有關(guān)電路對(duì)此信號(hào)進(jìn)行調(diào)制、解碼和解密,然后對(duì)命令請(qǐng)求、密碼和權(quán)限等進(jìn)行判斷。若為讀命令,控制邏輯電路則從存儲(chǔ)器中讀取有關(guān)信息,經(jīng)加密、編碼、調(diào)制后通過卡內(nèi)天線再發(fā)送給閱讀器,閱讀器對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、解碼、解密后送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理;若為修改信息的寫命令,有關(guān)控制邏輯引起的內(nèi)部電荷泵提升工作電壓,提供擦寫EEPROM中的內(nèi)容進(jìn)行改寫,若經(jīng)判斷其對(duì)應(yīng)的密碼和權(quán)限不符,則返回出錯(cuò)信息。目前射頻識(shí)別技術(shù)在列車跟蹤與定位系統(tǒng)中取得了重大突破,基于這一技術(shù)的系統(tǒng)能滿足300km/h高速列車運(yùn)行的需要。如圖4,系統(tǒng)將無源標(biāo)簽以100m的間距固定于枕木上,標(biāo)簽讀寫器及通訊設(shè)備安裝于車上,并聯(lián)至車載微機(jī)。當(dāng)列車通過一枚定位標(biāo)簽時(shí),車載讀寫裝置(射頻主動(dòng)天線RF-ActiveAntennas,安裝在火車底部)讀取標(biāo)簽內(nèi)的數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)包括精確定位信息(高速時(shí)定位誤差小于20cm,低速時(shí)小于1cm)及指導(dǎo)司機(jī)駕駛的前方路況及行車信息(可存儲(chǔ)16種列車的駕駛指導(dǎo)信息)。在通過一枚標(biāo)簽時(shí),車載讀寫裝置同時(shí)向定位標(biāo)簽的空閑內(nèi)存寫入本車運(yùn)行信息,如車速及有關(guān)變量,使后續(xù)列車可讀取這些信息以做出相應(yīng)反應(yīng)。即使列車的外部通訊出現(xiàn)中斷,定位系統(tǒng)仍可正常工作。高度的定位精度使其適合用于無人駕駛列車系統(tǒng)。2.2速度傳感器輸出數(shù)據(jù)列車定位處理單元,相當(dāng)于RFID定位的應(yīng)用主機(jī),是列車跟蹤與定位系統(tǒng)的核心。接收從點(diǎn)式信息處理(RFID閱讀器)、測(cè)速測(cè)距信息處理(測(cè)速測(cè)距模塊)和參數(shù)輸入裝置(線路數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器)傳來的信息,實(shí)時(shí)計(jì)算列車運(yùn)行的位置、速度等相關(guān)數(shù)據(jù)。列車定位處理單元提供絕對(duì)定位數(shù)值。為了獨(dú)立地確定列車位置,隨車攜帶的里程表系統(tǒng)可以把讀取的速度積分,計(jì)算出每個(gè)位置標(biāo)簽的運(yùn)行距離。相反的,系統(tǒng)的定位標(biāo)簽可以用于標(biāo)定列車?yán)锍瘫砘蚱渌问降乃俣葌鞲衅鞯妮敵鰯?shù)據(jù)。同時(shí),列車定位處理單元可以提供前行列車通過該點(diǎn)時(shí)的相關(guān)信息,包括車次號(hào)、運(yùn)行方向、運(yùn)行速度和通過時(shí)間等信息。列車定位處理單元提供的數(shù)據(jù)信息經(jīng)由車載數(shù)據(jù)閱讀/發(fā)送器傳輸給地面系統(tǒng)。在閱讀器讀取標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息的同時(shí),列車定位處理單元發(fā)送命令通過閱讀器向標(biāo)簽無線寫入本次列車的車次號(hào)、運(yùn)行方向、運(yùn)行速度及當(dāng)前時(shí)間等有關(guān)變量,使后續(xù)列車可讀取這些信息以做出相應(yīng)反應(yīng)。這一功能保證定位系統(tǒng)在外部通訊出現(xiàn)中斷時(shí)仍可正常工作,為列車控制系統(tǒng)提供前行列車相關(guān)的運(yùn)行信息。2.3精細(xì)坐標(biāo)及相關(guān)國際信號(hào)線路數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)了列車運(yùn)行全程中整個(gè)運(yùn)行線路的完整的線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù):包括各車站、應(yīng)答器、軌道區(qū)段、坡道、彎道、隧道、橋梁、道岔、分相點(diǎn)和信號(hào)機(jī)等精確坐標(biāo)及相關(guān)限速值,涉及區(qū)段速度的應(yīng)包含起始坐標(biāo)、終止坐標(biāo)、允許速度等信息;計(jì)劃時(shí)刻表,包括圖定區(qū)間運(yùn)行時(shí)間、?？炕蛲ㄟ^車站的股道號(hào)和時(shí)間等;以及必須向地面系統(tǒng)報(bào)告數(shù)據(jù)信息的時(shí)間、內(nèi)容要求。2.4地面設(shè)備識(shí)別碼車載(地面)數(shù)據(jù)閱讀/發(fā)送器完成系統(tǒng)車—地間數(shù)據(jù)傳輸?shù)男畔⒔粨Q。車載數(shù)據(jù)閱讀/發(fā)送器從地面數(shù)據(jù)閱讀/發(fā)送器閱讀的數(shù)據(jù)信息包括:司機(jī)數(shù)據(jù)和列車數(shù)據(jù),識(shí)別身份、明確任務(wù);地面設(shè)備識(shí)別碼;線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù),寫入或更新線路數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)容,提供列車定位處理單元運(yùn)算參數(shù)。發(fā)送給地面數(shù)據(jù)閱讀/發(fā)送器的數(shù)據(jù)信息包括:列車定位處理單元運(yùn)算校核輸出的列車定位信息,包括列車車次號(hào)、運(yùn)行位置、速度、方向和時(shí)間等,為地面系統(tǒng)信息共享平臺(tái)提供信息源;車載設(shè)備識(shí)別碼;確認(rèn)信息,正確收到司機(jī)數(shù)據(jù)和列車數(shù)據(jù)、地面設(shè)備識(shí)別碼、線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后的回執(zhí)確認(rèn)。2.5系統(tǒng)所采用的移動(dòng)通信方式機(jī)車的移動(dòng)性決定了系統(tǒng)必須采用移動(dòng)通訊方式來構(gòu)架機(jī)車定位數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)。本系統(tǒng)所要采用的移動(dòng)通信方式有多種形式的選擇?？梢圆捎梦⒉ㄍㄐ欧绞健⒓阂苿?dòng)通信方式、高保真無線通信網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信方式、鐵路專用全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM-R)或GPRS通信方式作為列車跟蹤與定位系統(tǒng)的車—地、地—車信息傳輸通道。2.6司機(jī)數(shù)據(jù)卡用以明確司機(jī)身份、出乘任務(wù)(時(shí)間、車次、往返區(qū)間)和工作動(dòng)車底的列車數(shù)據(jù)。2.7數(shù)據(jù)庫的改造信息共享平臺(tái)基于GIS模式,對(duì)全路范圍內(nèi)所有在途列車的跟蹤與定位數(shù)據(jù)統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一管理。信息共享平臺(tái)的功能結(jié)構(gòu)如圖5,底下3層是GIS基礎(chǔ)平臺(tái),第4層是列車定位數(shù)據(jù)服務(wù)模塊,第5層是業(yè)務(wù)功能模塊。分布式空間數(shù)據(jù)庫,存儲(chǔ)高速鐵路地理信息系統(tǒng)相關(guān)的所有數(shù)據(jù);鐵路空間數(shù)據(jù)的共享服務(wù)模塊,提供空間數(shù)據(jù)的共享服務(wù),提供調(diào)用接口供GIS業(yè)務(wù)功能模塊調(diào)用;GIS核心功能模塊,提供地理信息的基本操作和分析功能,是GIS二次開發(fā)的基礎(chǔ);列車定位數(shù)據(jù)服務(wù)模塊,提供全路的列車的定位數(shù)據(jù)、列車數(shù)據(jù)、出乘司機(jī)數(shù)據(jù);業(yè)務(wù)功能模塊,提供調(diào)用接口供各種高速鐵路應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)訪問和運(yùn)行調(diào)用。信息共享平臺(tái),最大限度地實(shí)現(xiàn)了列車定位信息的資源共享,為高速鐵路各相關(guān)信息系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。鐵路運(yùn)輸管理各MIS系統(tǒng)可以在統(tǒng)一模式的平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的互通互連,通過電子地圖將列車定位信息與各自的業(yè)務(wù)需求相融合,全面、直觀、準(zhǔn)確地反映運(yùn)輸對(duì)象和運(yùn)輸設(shè)備及其它信息的現(xiàn)狀、分布及技術(shù)特征,為鐵路系統(tǒng)各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)指揮運(yùn)輸