基于射頻識別rfid技術(shù)的地鐵列車跟蹤與定位系統(tǒng)

基于射頻識別rfid技術(shù)的地鐵列車跟蹤與定位系統(tǒng)

軌道列車跟蹤和定位是軌道列車控制系統(tǒng)的一項重要技術(shù)，在地鐵信號控制系統(tǒng)中發(fā)揮著越來越重要的作用。準確、及時、可靠的獲取列車位置信息,是地鐵安全、有效運行的保障,也是發(fā)揮效率,提高運能的前提。目前在國內(nèi)外鐵路中有多種列車定位方法,從采取的定位方法上可分為:編碼里程儀、軌道電路、應(yīng)答器、裂縫波導(dǎo)、交叉感應(yīng)回線、無線擴頻、GPS、地圖匹配定位等。與國外列車跟蹤定位系統(tǒng)相比較,國內(nèi)的列車跟蹤定位系統(tǒng)尚處于初級階段,目前還沒有形成完整的體系結(jié)構(gòu)。我國地鐵列車跟蹤定位系統(tǒng)的研究最早始于調(diào)度監(jiān)督、調(diào)度集中系統(tǒng)的車次跟蹤功能需求,由于受到當時無線通信系統(tǒng)在技術(shù)和成本上的限制,系統(tǒng)采用了信號聯(lián)鎖設(shè)備和自動閉塞設(shè)備提供的軌道電路狀態(tài)條件,通過軟件實現(xiàn)列車位置判斷和跟蹤,這種方案應(yīng)用在地鐵運行監(jiān)視系統(tǒng)中是一種比較經(jīng)濟適用的方式,能夠滿足當時的運輸需要。但隨著我國地鐵的發(fā)展,國內(nèi)的地鐵跟蹤定位系統(tǒng)亟待提升,如國內(nèi)的城市軌道交通部分采用了裂縫波導(dǎo)、交叉感應(yīng)回線等先進的跟蹤定位方法。RFID被列為21世紀最有前途的重要產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用技術(shù)之一,可識別高速運動物體,是最具變革力與核心價值的一項新技術(shù)。目前RFID技術(shù)已成功用于德國慕尼黑火車進站定位系統(tǒng)。RFID技術(shù)在我國鐵路運輸中也有應(yīng)用:鐵路車號自動識別系統(tǒng)(ATIS)已在全路各鐵路局推廣使用、國內(nèi)地鐵中已經(jīng)使用的站臺與門禁自動鑒別系統(tǒng)、電力機車自動過分相系統(tǒng)以及在鐵路貨運的應(yīng)用。本文針對目前國內(nèi)地鐵控制系統(tǒng)國產(chǎn)化的需求,提出了采用一種基于射頻識別RFID技術(shù)的列車跟蹤與定位系統(tǒng),用以實時、精確、高效的確定地鐵列車在線路上的位置,并在綜合站場表示圖上展現(xiàn)出來,為調(diào)度系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。1高速運動界面RFID射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術(shù),它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù),識別工作無須人工干預(yù),可工作于各種惡劣環(huán)境。其基本原理是利用射頻信號和空間耦合(電感或電磁耦合)傳輸特性,實現(xiàn)對被識別物體的自動識別。RFID技術(shù)可識別高速運動物體,操作快捷方便?；镜臒o線射頻識別系統(tǒng)由電子標簽(Tag)和讀寫器(Reader)及相應(yīng)的應(yīng)用支撐軟件三部分組成。2rfid技術(shù)射頻識別技術(shù)RFID(RadioFrequencyIdentification)是近年來新興的一項自動識別技術(shù)。RFID利用射頻方式進行非接觸雙向通信,從而實現(xiàn)對物體的識別并將采集到的相關(guān)信息數(shù)據(jù)通過無線技術(shù)遠程進行傳輸。和目前廣泛采用的條型碼技術(shù)比較,RFID通過射頻信號使用戶可以自動識別目標對象,無需可見光源,讀寫器在一定距離范圍內(nèi)可以從任意方向?qū)崿F(xiàn)卡片的操作。它具有穿透性,以透過外部材料直接讀取數(shù)據(jù)。利用這項技術(shù)能夠同時處理多個射頻標簽,適用于批量識別場合并對RFID標簽所附著的物體進行追蹤定位,提供位置信息。同時具有抗污染、讀取距離遠、信息量大的特點。其在地鐵隧道中使用擁有特殊的優(yōu)勢。3eprom及射頻收縮電路如圖1。RFID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器)、微處理器以及射頻收發(fā)及相關(guān)電路。電子標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。4信號的信號傳輸閱讀器將要發(fā)送的信息,經(jīng)編碼后加載在某一頻率的載波信號上經(jīng)天線向外發(fā)送,進入閱讀器工作區(qū)域的電子標簽接收此脈沖信號,卡內(nèi)芯片中的有關(guān)電路對此信號進行調(diào)制、解碼和解密,然后對命令請求、密碼和權(quán)限等進行判斷。5跟蹤和定位軌道列車的系統(tǒng)工作原理5.1系統(tǒng)的全球結(jié)構(gòu)如圖2所示:5.2標簽精確定位系統(tǒng)的工作原理:系統(tǒng)將無源標簽每隔一定間隔(如1.5m)依次固定安放,標簽讀寫器及通訊設(shè)備安裝于車上,并聯(lián)至車載微機。當?shù)罔F列車通過一枚定位標簽時,車載讀寫裝置(射頻主動天線RF-ActiveAntennas,安裝在地鐵列車底部)讀取標簽內(nèi)的精確位置信息數(shù)據(jù),從而實現(xiàn)精確定位(精度0.5m)。系統(tǒng)設(shè)計除利用RFID定位模塊獲取當前位置信息外,還配置了GPRS通信模塊,以便實時采集和發(fā)送所需信息,實現(xiàn)與調(diào)度中心的通信。地鐵列車在運行時連續(xù)、依次讀取多個標簽內(nèi)的位置信息,系統(tǒng)根據(jù)列車位置信息的變化就可判斷其運行的方向及運行距離,從而實現(xiàn)對地鐵列車的跟蹤定位。5.3軌道交通系統(tǒng)列車定位處理單元,相當于RFID定位的應(yīng)用主機,是列車跟蹤與定位系統(tǒng)的核心。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)。并接收從定位標簽(RFID標簽)和參數(shù)輸入裝置(線路數(shù)據(jù)存儲器)傳來的信息,實時得到列車的位置數(shù)據(jù)。5.4信號到達方向的確定利用到達角信息定位方法(AOA)到達角(AoA—AngleofArrival)定位方法是閱讀器通過陣列天線測出從閱讀器到標簽的傳輸路徑的到達方向(電波的入射角)來獲得位置信息。如圖4所示,通常標簽處于天線陣元的遠區(qū)場,因此可近似看作是平面波,則間隔位置為d的相鄰陣元所接收到的來自標簽到達角為θ的相位差為:其中λ表示空中傳播的無線信號的波長。根據(jù)上式測量不同相差φ,可得到來波信號的到達角θ。根據(jù)閱讀器接收到的標簽信號的到達角信息,可以利用幾何知識計算出列車的位置。5.8磁環(huán)境的影響仿真建模思路由于建立直觀的試驗?zāi)M場地,其費用也非常高,并且測試結(jié)果受測試場所電磁環(huán)境的影響較大。本文提出了利用射頻、信號處理、控制、軟件等技術(shù)手段,采用信號模擬的方式來構(gòu)造測試環(huán)境,通過對典型信號、干擾情況等進行建模,利用軟/硬件控制,產(chǎn)生典型的測試信號,形成與現(xiàn)場典型情況比較一致的測試環(huán)境,分析測試機載讀出設(shè)備的性能。6