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摘要:为便于对铁路信号设备巡检人员的管理,结合GPS(卫星定位系统)和RFID(射频识别)技术,设计了一种铁路信号设备巡检系统。它采用GPS技术记录巡检路径,考查巡检人员是否按照规定的路径和顺序检查设备,采用RFID技术考查巡检人员是否检查了某个设备。本文介绍了系统设计原理、关键技术的运用及软硬件实现。
关键词:巡检系统;铁路信号设备; GPS; RFID
中图分类号：F530.32文献标识码： A 文章编号：
为维护列车运行安全,信号设备巡检人员必须有规律地巡查各种信号设备,及时发现新生的隐患并排除隐患。随着列车提速,开天窗维护时间变短,维护工作难度越来越大,这要求维护工作时多巡视设备状况,少开箱检查,即“多看少动”,因此巡检信号设备的工作尤为重要。
1 电子巡检系统现状分析
為有效地对巡检人员进行管理,近年来出现了一些先进的电子巡检系统。电子巡检系统一般由被巡检设备、巡检仪、巡检管理主机组成。从应用的技术看,主要有基于信息钮扣的巡检系统、基于RFID的巡检系统以及基于GPS/GIS技术的巡检系统。
1.1 基于信息钮扣的电子巡检系统
信息钮扣(iButton)是一种自动识别芯片,安装在巡检设备上,巡检人员手持巡检仪碰触信息钮扣读取信息。执行完任务把巡检仪记录结果送往巡检管理主机,供管理人员考查。这种巡检仪的缺陷是:(1)巡检仪与信息钮扣必须非常准确地接触才能读取信息,操作起来很不方便,尤其在晚上。(2)信息钮扣需与巡检仪接触,必然是外露的,易被破坏。
1.2 基于RFID的电子巡检系统
RFID(Radio Frequency Identification)系统是一种利用射频实现非接触双向通信的射频自动识别技术,系统由读卡器与射频卡两部分组成。RFID的基本特点是读卡器和射频卡不需要直接接触,它们之间的能量传输和信息交换是通过电磁耦合或者电感耦合来实现的。
1.3 基于GIS /GPS技术的电子巡检系统
巡检人员执行任务时,手持巡检仪接收全球卫星定位系统(GPS)数据,到达信号设备后,待巡检仪有效定位后保存设备的位置,任务结束将数据导入管理主机,结合GIS(地理信息系统)功能软件进行分析,生成巡检报告。
2 系统设计及原理
2.1 系统组成及工作原理
针对现有电子巡检系统的缺点,综合GPS和RFID技术优势设计了新的电子巡检系统,本系统由巡检仪、射频卡、CF卡读卡器及管理主机组成,如图1所示。
其工作原理是执行任务时,巡检人员手持巡检仪接收GPS数据按巡检路径行走,到达巡检设备后,读取信号设备上的射频卡信息,依次检查完所有信号设备,所有巡检记录已经记录在CF中,任务执行完毕后用CF卡读卡器把巡检记录传送到管理主机,经管理软件分析处理,按照要求生成巡检报告供管理人员考查。
2.2 系统采用的关键技术
作者在某铁路编组站进行的现场试验时,所采用的关键技术包括:
2.2.1 制作铁路站场电子地图
在铁路站场中运用时,首先要制作站场的电子地图,特别是信号设备的分布图。作者采集了股道线路和信号设备的GPS数据,然后用GIS软件处理,同时结合站场给出的信号设备分布示意图,作出了站场的电子地图。
2.2.2 GPS和RFID的结合运用
系统结合运用两种技术的原则是采用GPS技术记录巡检路径,考查巡检人员是否按照规定的路径和顺序检查设备;采用RFID技术考查巡检人员是否检查了某个设备,结合两种技术考查巡检人员开箱检查信号设备时的操作规范性,具体为:
(1) GPS的巡检
作者在分析采集的大量站场的GPS数据时发现,99%的采集点的可见卫星数在6~10颗(4颗以上便可有效定位),可见铁路站场无遮掩,GPS卫星信号良好,可以充分运用GPS的巡检功能。巡检时,巡检人员只需手持巡检仪按照巡检线路行走即可。
图中黑点表示信号设备(如信号灯,道岔转辙机),较粗的黑线表示GPS数据处理后,叠加到电子地图上的巡检路径。通过GPS数据轨迹回放就可知道巡检人员检查设备的路径和顺序。
(2) RFID的巡检
RFID的运用主要弥补了GPS技术精度差的不足。射频卡中存储了设备的信息,安装在信号设备上,巡检人员到达该设备后读取射频卡的信息,巡检仪中的CF卡便记录了该设备的ID、生产序列号、巡检时间等。
2.2.3 信息处理
巡检系统的信息来源是射频卡信息和GPS数据。信息的处理过程如下:
(1)信息的接收
射频卡信息的获取是通过巡检仪中的读卡模块与射频卡非接触通信完成的,通过GPS模块接收GPS卫星信息则可以得到GPS数据。
(2)信息的提取
实践证明,即使在室内卫星信号很弱的地方,GPS接收板仍可以接收到GPS数据,这时GPS数据中一般没有经纬度等信息,但至少含有时间信息,这为整个系统提供了可靠的时间信息来源。
(3)信息的存储
CF卡作为存储单元,它机械特性稳定、体积小、容量大。为了便于计算机管理软件处理巡检仪数据,采用FAT16文件系统把接收到的数据以文件形式存储在CF卡中,通过CF卡读卡器就在计算机上读取。信息提取完毕,CPU把外部数据存储器中的设备巡检数据和路径巡检数据以文件的形式存储在CF卡中。
(4)信息的分析处理
管理主机从CF卡中读取数据后,由系统管理软件的巡检仪数据处理模块进行处理,巡检仪数据处理模块将在下文介绍。
3 系统硬件设计
系统硬件由射频卡、PC机和巡检仪组成。
3.1 射频卡
用Mifare 1射频卡存储信号设备的信息( PHIL-IPS公司的MIFARE技术已经被制定为国际标准ISO/IEC 14443A)。Mifare 1射频卡为无源,工作时的电源能量由卡片读写器天线发送无线载波,信号耦合到卡片上天线产生电能,供卡片上IC工作在13.56MHz的频率上。Mifare 1射频卡标准操作距离为100mm(由MCM500作为读写器核心模块)和25mm(由MCM200作为读写器核心模块)。
3.2 巡检仪
巡检仪是系统硬件核心,其电路原理如图3所示,其中
(1)电源模块:系统是便携式巡检仪,因此电源模块的设计尤为重要,采用了锂电池提供2.8 V~4.2 V之间的电压,输出电流为360 mA至765 mA。
(2) RFID模块:使用了最新PHILIPS高集成ISO14443A读卡芯片MFRC500。
(3) GPS模块:选择了并行12通道的GPS接收板,采用圆柱形的GPS天线以适应便携式巡检仪的设计。
(4)微处理器:射频卡信息和GPS数据都是通过串口接收,因而选用了具有两个串口的W77E58芯片作为微处理器。W77E58是兼容51系列单片机,运算速度是51系列的4倍,有两个串口,8个外中断,1KRAM,带Watchdog等功能。
(5)其他部分:用串口连接巡检仪和PC机,实现配置射频卡的信息、巡检任务的输入等功能。CF卡和液晶模块均由单片机控制实现存储和显示的功能。
4 系统软件设计
系统的软件包括巡检仪软件和系统管理软件。
4.1 巡检仪软件
巡检仪程序始终处于循环运行状态,单片机通过串口中断方式接收GPS数据,由于读取射频卡信息的操作是间断的,故用按钮来控制读卡操作,程序流程圖如图4所示。
4.2 系统管理软件
系统管理软件采用模块化设计,如图5所示。由主控界面控制整个系统的操作过程,实现各模块的切换,各模块的功能如下：
(1)系统信息管理模块:管理巡检人员、信号设备、射频卡、巡检仪等信息。
(2)射频卡设置模块:配置射频卡存储的信息,设置射频卡密码等操作。
(3)巡检任务输入模块:执行任务前输入巡检任务,如巡检的设备名称、巡检路径等。
(4)查询打印模块:查询巡检人员、信号设备、射频卡信息,以及某员工的巡检情况、设备被巡检情况等,需要时将这些信息按类别打印出来。
5 结论
系统综合运用GPS、RFID技术,提高了巡检系统的可靠性,其特点为:
(1) GPS技术实现“线”(巡检路径)的考查以确认巡检人员的巡检路径和顺序,RFID实现/点0(信号设备)的考查则确认了信号设备的巡检情况,而“点”与“线”的结合则考查了巡检人员开箱检查的操作规范性。
(2)采用RFID技术由于非接触通讯,避免了接触读写器而产生的各种故障。同时射频卡价格便宜、操作方便、快捷、防冲突、加密性能好。
(3) GPS数据处理后,可在电子地图上显示出巡检路径,对巡检情况一目了然。
(4)使用CF卡存储数据,方便有效。CF卡的安装和使用方便,并且采用了标准的文件系统,线路巡检信息文件和设备巡检信息文件分离,便于数据处理。
(5)在液晶显示屏上查询巡检任务及完成任务的状态,及时发现漏检。
本文研制的巡检系统,能够督促巡检人员在规定时间、规定路线按照操作规范巡查设备,同时也对巡检人员的管理提供了系统规范的方法,有利于提高铁路信号设备维护工作的质量。
参考文献:
[1]李俊娥,冯小宁.铁路信号设备巡检智能管理系统的设计[J].铁路计算机应用,2010,(4).
[2]射频识别(RFID)技术[M].陈大才译.第2版.北京:电子工业出版社,2005.6$11.
[3]王延亮,黄明.基于GIS/GPS的野外巡检系统[J].测绘工程,2007,13(2):38.
关键词:巡检系统;铁路信号设备; GPS; RFID
中图分类号：F530.32文献标识码： A 文章编号：
为维护列车运行安全,信号设备巡检人员必须有规律地巡查各种信号设备,及时发现新生的隐患并排除隐患。随着列车提速,开天窗维护时间变短,维护工作难度越来越大,这要求维护工作时多巡视设备状况,少开箱检查,即“多看少动”,因此巡检信号设备的工作尤为重要。
1 电子巡检系统现状分析
為有效地对巡检人员进行管理,近年来出现了一些先进的电子巡检系统。电子巡检系统一般由被巡检设备、巡检仪、巡检管理主机组成。从应用的技术看,主要有基于信息钮扣的巡检系统、基于RFID的巡检系统以及基于GPS/GIS技术的巡检系统。
1.1 基于信息钮扣的电子巡检系统
信息钮扣(iButton)是一种自动识别芯片,安装在巡检设备上,巡检人员手持巡检仪碰触信息钮扣读取信息。执行完任务把巡检仪记录结果送往巡检管理主机,供管理人员考查。这种巡检仪的缺陷是:(1)巡检仪与信息钮扣必须非常准确地接触才能读取信息,操作起来很不方便,尤其在晚上。(2)信息钮扣需与巡检仪接触,必然是外露的,易被破坏。
1.2 基于RFID的电子巡检系统
RFID(Radio Frequency Identification)系统是一种利用射频实现非接触双向通信的射频自动识别技术,系统由读卡器与射频卡两部分组成。RFID的基本特点是读卡器和射频卡不需要直接接触,它们之间的能量传输和信息交换是通过电磁耦合或者电感耦合来实现的。
1.3 基于GIS /GPS技术的电子巡检系统
巡检人员执行任务时,手持巡检仪接收全球卫星定位系统(GPS)数据,到达信号设备后,待巡检仪有效定位后保存设备的位置,任务结束将数据导入管理主机,结合GIS(地理信息系统)功能软件进行分析,生成巡检报告。
2 系统设计及原理
2.1 系统组成及工作原理
针对现有电子巡检系统的缺点,综合GPS和RFID技术优势设计了新的电子巡检系统,本系统由巡检仪、射频卡、CF卡读卡器及管理主机组成,如图1所示。
其工作原理是执行任务时,巡检人员手持巡检仪接收GPS数据按巡检路径行走,到达巡检设备后,读取信号设备上的射频卡信息,依次检查完所有信号设备,所有巡检记录已经记录在CF中,任务执行完毕后用CF卡读卡器把巡检记录传送到管理主机,经管理软件分析处理,按照要求生成巡检报告供管理人员考查。
2.2 系统采用的关键技术
作者在某铁路编组站进行的现场试验时,所采用的关键技术包括:
2.2.1 制作铁路站场电子地图
在铁路站场中运用时,首先要制作站场的电子地图,特别是信号设备的分布图。作者采集了股道线路和信号设备的GPS数据,然后用GIS软件处理,同时结合站场给出的信号设备分布示意图,作出了站场的电子地图。
2.2.2 GPS和RFID的结合运用
系统结合运用两种技术的原则是采用GPS技术记录巡检路径,考查巡检人员是否按照规定的路径和顺序检查设备;采用RFID技术考查巡检人员是否检查了某个设备,结合两种技术考查巡检人员开箱检查信号设备时的操作规范性,具体为:
(1) GPS的巡检
作者在分析采集的大量站场的GPS数据时发现,99%的采集点的可见卫星数在6~10颗(4颗以上便可有效定位),可见铁路站场无遮掩,GPS卫星信号良好,可以充分运用GPS的巡检功能。巡检时,巡检人员只需手持巡检仪按照巡检线路行走即可。
图中黑点表示信号设备(如信号灯,道岔转辙机),较粗的黑线表示GPS数据处理后,叠加到电子地图上的巡检路径。通过GPS数据轨迹回放就可知道巡检人员检查设备的路径和顺序。
(2) RFID的巡检
RFID的运用主要弥补了GPS技术精度差的不足。射频卡中存储了设备的信息,安装在信号设备上,巡检人员到达该设备后读取射频卡的信息,巡检仪中的CF卡便记录了该设备的ID、生产序列号、巡检时间等。
2.2.3 信息处理
巡检系统的信息来源是射频卡信息和GPS数据。信息的处理过程如下:
(1)信息的接收
射频卡信息的获取是通过巡检仪中的读卡模块与射频卡非接触通信完成的,通过GPS模块接收GPS卫星信息则可以得到GPS数据。
(2)信息的提取
实践证明,即使在室内卫星信号很弱的地方,GPS接收板仍可以接收到GPS数据,这时GPS数据中一般没有经纬度等信息,但至少含有时间信息,这为整个系统提供了可靠的时间信息来源。
(3)信息的存储
CF卡作为存储单元,它机械特性稳定、体积小、容量大。为了便于计算机管理软件处理巡检仪数据,采用FAT16文件系统把接收到的数据以文件形式存储在CF卡中,通过CF卡读卡器就在计算机上读取。信息提取完毕,CPU把外部数据存储器中的设备巡检数据和路径巡检数据以文件的形式存储在CF卡中。
(4)信息的分析处理
管理主机从CF卡中读取数据后,由系统管理软件的巡检仪数据处理模块进行处理,巡检仪数据处理模块将在下文介绍。
3 系统硬件设计
系统硬件由射频卡、PC机和巡检仪组成。
3.1 射频卡
用Mifare 1射频卡存储信号设备的信息( PHIL-IPS公司的MIFARE技术已经被制定为国际标准ISO/IEC 14443A)。Mifare 1射频卡为无源,工作时的电源能量由卡片读写器天线发送无线载波,信号耦合到卡片上天线产生电能,供卡片上IC工作在13.56MHz的频率上。Mifare 1射频卡标准操作距离为100mm(由MCM500作为读写器核心模块)和25mm(由MCM200作为读写器核心模块)。
3.2 巡检仪
巡检仪是系统硬件核心,其电路原理如图3所示,其中
(1)电源模块:系统是便携式巡检仪,因此电源模块的设计尤为重要,采用了锂电池提供2.8 V~4.2 V之间的电压,输出电流为360 mA至765 mA。
(2) RFID模块:使用了最新PHILIPS高集成ISO14443A读卡芯片MFRC500。
(3) GPS模块:选择了并行12通道的GPS接收板,采用圆柱形的GPS天线以适应便携式巡检仪的设计。
(4)微处理器:射频卡信息和GPS数据都是通过串口接收,因而选用了具有两个串口的W77E58芯片作为微处理器。W77E58是兼容51系列单片机,运算速度是51系列的4倍,有两个串口,8个外中断,1KRAM,带Watchdog等功能。
(5)其他部分:用串口连接巡检仪和PC机,实现配置射频卡的信息、巡检任务的输入等功能。CF卡和液晶模块均由单片机控制实现存储和显示的功能。
4 系统软件设计
系统的软件包括巡检仪软件和系统管理软件。
4.1 巡检仪软件
巡检仪程序始终处于循环运行状态,单片机通过串口中断方式接收GPS数据,由于读取射频卡信息的操作是间断的,故用按钮来控制读卡操作,程序流程圖如图4所示。
4.2 系统管理软件
系统管理软件采用模块化设计,如图5所示。由主控界面控制整个系统的操作过程,实现各模块的切换,各模块的功能如下：
(1)系统信息管理模块:管理巡检人员、信号设备、射频卡、巡检仪等信息。
(2)射频卡设置模块:配置射频卡存储的信息,设置射频卡密码等操作。
(3)巡检任务输入模块:执行任务前输入巡检任务,如巡检的设备名称、巡检路径等。
(4)查询打印模块:查询巡检人员、信号设备、射频卡信息,以及某员工的巡检情况、设备被巡检情况等,需要时将这些信息按类别打印出来。
5 结论
系统综合运用GPS、RFID技术,提高了巡检系统的可靠性,其特点为:
(1) GPS技术实现“线”(巡检路径)的考查以确认巡检人员的巡检路径和顺序,RFID实现/点0(信号设备)的考查则确认了信号设备的巡检情况,而“点”与“线”的结合则考查了巡检人员开箱检查的操作规范性。
(2)采用RFID技术由于非接触通讯,避免了接触读写器而产生的各种故障。同时射频卡价格便宜、操作方便、快捷、防冲突、加密性能好。
(3) GPS数据处理后,可在电子地图上显示出巡检路径,对巡检情况一目了然。
(4)使用CF卡存储数据,方便有效。CF卡的安装和使用方便,并且采用了标准的文件系统,线路巡检信息文件和设备巡检信息文件分离,便于数据处理。
(5)在液晶显示屏上查询巡检任务及完成任务的状态,及时发现漏检。
本文研制的巡检系统,能够督促巡检人员在规定时间、规定路线按照操作规范巡查设备,同时也对巡检人员的管理提供了系统规范的方法,有利于提高铁路信号设备维护工作的质量。
参考文献:
[1]李俊娥,冯小宁.铁路信号设备巡检智能管理系统的设计[J].铁路计算机应用,2010,(4).
[2]射频识别(RFID)技术[M].陈大才译.第2版.北京:电子工业出版社,2005.6$11.
[3]王延亮,黄明.基于GIS/GPS的野外巡检系统[J].测绘工程,2007,13(2):38.