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RFID 技术在铁路施封锁中应用的探讨
作者：史建立 许绍兴 王世东 张小霜 夏燕杰
来源：RFID世界网
日期：2008-01-10 16:42:15
摘要：在介绍RFID 技术的定义组成优势和实际应用的基础上，探讨该技术在铁路货车施封锁中的应用，阐述RFID 施封锁系统的构成数据库及计算机网络的组成、系统指标、作业流程和RFID 施封锁的优点。
射频识别技术Radio Frequency Identification RFID 是20 世纪90 年代开始兴起的一种自动识别技术。该技术在世界范围内正被广泛应用，在我国虽起步较晚，但正逐步得到应用，如铁路车号自动识别技术等。本文在简要介绍RFID 技术的基础上，探讨RFID技术在铁路施封锁中的应用。
1 RFID 技术简介
RFID 技术是一种利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触资讯传递，并通过所传递的资讯实现对静止或移动目标进行识别的技术。
1.1 RFID 技术的组成。
RFID 技术通常由电子标签（又称射频标签）和阅读器又称（读出装置）组成。
（1） 电子标签（Tag）。 电子标签记忆体内存贮有一定格式的电子数据常以此作为待识别物品的标识性资讯，应用中将电子标签附着在待识别物品上。阅读器与电子标签可按约定的通信协议互传资讯，通常的情况是由阅读器向电子标签发送命令电子标签根据收到的命令将记忆体的标识性数据回传给阅读器。这种通信是在无接触方式下，利用交变磁场或电磁场的空间耦合及射频信号调制与解调技术加以实现的。
电子标签具有各种形状，但不是任意形状都能满足阅读距离及工作频率的要求，必须根据系统的工作原理设计合适的天线外形及尺寸。电子标签通常由标签天线（或线圈）及标签晶片组成。标签晶片即相当于一个具有无线收发功能及存贮功能的单片系统（SoC）标签晶片上的内存部分用以储存识别号码或其它数据。
（2） 阅读器。典型的阅读器含有高频模块（发送器和接收器）、控制单元及阅读器天线许多阅读器还有附加接口（如RS232 RS485 红外以太网接口等），以便将所获得的数据传向应用系统或从应用系统接收命令。
在多数RFID 系统中，阅读器在一个区域内发射能量形成电磁场，其区域大小取决于工作频率和天线尺寸。阅读器发送的信号通常提供时钟信号及电子标签所需的足够能量，其中的时钟信号使数据同步从而简化了系统的设计。阅读器接收到数据后解码并进行错误校验来决定数据的有效性，然后通过RS232、RS422 、RS485 或无线方式将数据传送到计算机网络。
简单的RFID产品是一种非接触的IC。 卡而复杂的RFID 产品能通过与外部传感器接口的连接来测量、记录不同的参数，甚至可与GPS 系统连接来跟踪物体。
1.2 RFID 技术的优势
1 通过射频信号自动识别目标，无需可见光源。
2 具有穿透性，可以透过外部材料直接读取数据，保护外部包装，节省开箱时间。
3 射频产品可在恶劣环境下工作，对环境要求低。
4 读取距离远，无需与目标接触就可得到数据。
5 支持写入数据，无需重新制作新的标签。
6 使用防冲突技术，能够同时处理多个射频标签，适用于批量识别场合。
7 可以对RFID 标签所附着的物体进行追踪定位，提供位置信息。
1.3 RFID 技术的应用
射频识别技术以其独特的优势，逐渐被广泛应用于工业自动化、商业自动化和交通运输控制管理等领域。随着大型积体电路技术的进步及生产规模的不断扩大，射频识别产品的成本将不断降低其应用将越来越广泛。表1 列举了射频识别技术的典型应用
2 RFID 技术在铁路货车施封锁中应用的探讨
2.1 现有铁路货车用施封锁存在的不足
现有铁路货车用施封锁（棚车、罐车及集装箱）均为钢质施封锁。此类施封锁虽具有结构简单、成本低等特点，但存在以下不足：
（1）施封、破封、保管、登记等均为手工作业，差错率高。
（2）检查只能由货运人员或货运检查人员逐车、逐个现场检查，作业效率低下。
（3）所记载的标识只有局别、施封站（或专用线）和封号，无法提供诸如施封时间、施封人等信息。
（4）一旦中途破封，无法记录破封时间，不利于货运事故的分析和公安破案。
（5）只能人工检查，无法实现检查的自动化、现代化，管理手段落后。
（6）检查信息只能停留在作业班组或车站，无法及时将检测信息上传，不能实现信息资源共享。
（7）不能使货主或上级管理部门对重点货物、重点车辆的施封状态进行跟踪，无法实时掌握货物状态，不能为客户提供及时的物流信息。
2.2 RFID 施封锁系统的构成
RFID 施封锁系统由门锁状态传感器、射频锁卡标签、阅读天线、手持读写器（手持机）、车序子系统、通信子系统、车号子系统、计算机软件系统构成。系统结构如图1 所示。
（2）门锁状态传感器。此传感器为无源传感器置于车门内侧，用于实时监测车门状态。
（3）固定阅读器。露天放置于列车进站时的线路两侧，在列车通过时读取射频锁卡标签信息。固定阅读器为可读写射频锁卡的工业级射频识别装置，可在10 m范围内对速度120 km/h 的锁卡进行读取。
（4）手持阅读器。用于货运或货运检查人员对静止车辆的射频锁卡标签进行施封、检封、补封、解封等操作。手持阅读器结合货运检查作业流程，可在1.5 m范围内对锁卡进行读写，并记录所有的历史操作。阅读器具有无线数据传输通道，历史操作记录可自动上传至服务器，形成数据库中的数据记录。手持阅读器由内部的锂离子二次电池供电，一次充电可供正常操作2 周。
（5）主控计算机。实时采集射频锁卡标签信息，并与铁路信息系统相联接，及时将采集的射频锁卡标签信息上传。
2.3 RFID 施封锁系统数据库及计算机网络组成
固定阅读器及手持阅读器中的数据经通信子系统传输至服务器与顺位系统车号，系统提供的顺位号及车号匹配后生成数据记录，录入本地数据库。本地数据库将有效数据中的重要数据经过铁路信息网汇总至站段。基层数据以三级落地的方式形成站段--铁路局--全路的货运电子施封管理体系详见图2。
（1）固定阅读器可支持列车以120 km/h的最高速度通过，并准确读取射频锁卡标签内的施封信息。
（2）固定阅读器的阅读距离不小于10 m。
（3）手持阅读器可在1.5 m范围内读写射频锁卡标签中的数据，包括重置标签中标志锁状态数据区的数据。
（4）手持阅读器具有键盘，显示屏和至少1 2 8 kBytes的历史记录存储器，并可利用商品化的通用存储器进行扩展。
（5）标签卡外形尺寸不超过91 mm*59 mm*8 mm。
（6）工作环境温度为-40 -85摄氏度。
（7）密码锁、标签卡使用寿命大于5 年。
（8） 系统误码率：小于十万分之一。
2.5 RFID 施封锁工作流程
（1） 施封。棚车罐车或集装箱装载完毕后，货运人员利用手持阅读器将施封信息，如施封站、封印内容、流水号、施封日期、时间、施封人等写入位于车门（盖）表面的射频锁卡标签中并将标签内数据中的锁状态位锁定在运输全过程中，若车门始终未被打开，则标志锁。状态位始终保持为锁定。
（2 ）检封。射频识别卡在运输的全程实时检测门锁状态，一旦门锁被打开，卡中的锁状态位立即变为开锁状态，并将锁第一次被打开的时间自动记录在卡中以便查询，即便门锁再次闭锁，锁状态位仍然为开锁状态。当列车高速通过位于铁路两侧的固定阅读器时，系统会检测每一个锁卡中的数据，将其内含的封印信息自动与铁路生产网中的电子票据比对并打印输出，且可在有施封无效的车辆出现时进行报警，以提高货运检查作业的针对性。在途中发生失窃案件后，铁路公安部门可通过卡中提供的门锁打开时间来推断作案时间、地点、嫌疑人等。对于可疑的施封，货运检查人员也可通过使用手持机对密码门锁状态进行检查。
（3 ）补封。对于高速在线检测系统检测后确认需要补封的车辆门锁，经有关部门检查、核实并授权后，可由货运检查或货运人员关闭车门，并用手持机对卡内锁状态数据进行复位（置于“0”）， 并写入补封信息，如施封站、封印内容、流水号、施封日期、时间施、封人等，相应补封记录可通过无线通道传回货运检查室的计算机。
（ 4）启封。对于到站车辆，由相关工作人员用手持阅读器对卡内锁状态进行检查，并进行启封处理，处理过程通过无线通道传回货运室的计算机。
2.6 RFID 施封锁系统的优点
1 施封、补封、解封、信息读取等均为计算机控制，没有或较少人为干预，差错率小。
2 列车以120 km/h的速度通过时，可被固定阅读器自动识别、读取，大大提高了对施封检查的作业效率。
3 可以在线实时检测棚车及集装箱的施封是否有效，实现了施封锁检查的自动化、现代化，增加了货运检查作业的针对性。
4 有利于铁路管理部门依靠现有铁路网络，形成铁路货运物流管理系统，使货主或上级管理部门对重点货物、重点车辆的施封状态进行跟踪，实时掌握货物状态，为客户提供及时的物流信息。
5 除提供施封站（专用线）和封号等信息外，还可提供施封日期、时间、施封人等信息。
6 中途破封时，可以记录破封时间，有利于货运事故的分析和公安破案。
1 RFID 技术简介
RFID 技术是一种利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触资讯传递，并通过所传递的资讯实现对静止或移动目标进行识别的技术。
1.1 RFID 技术的组成。
RFID 技术通常由电子标签（又称射频标签）和阅读器又称（读出装置）组成。
（1） 电子标签（Tag）。 电子标签记忆体内存贮有一定格式的电子数据常以此作为待识别物品的标识性资讯，应用中将电子标签附着在待识别物品上。阅读器与电子标签可按约定的通信协议互传资讯，通常的情况是由阅读器向电子标签发送命令电子标签根据收到的命令将记忆体的标识性数据回传给阅读器。这种通信是在无接触方式下，利用交变磁场或电磁场的空间耦合及射频信号调制与解调技术加以实现的。
电子标签具有各种形状，但不是任意形状都能满足阅读距离及工作频率的要求，必须根据系统的工作原理设计合适的天线外形及尺寸。电子标签通常由标签天线（或线圈）及标签晶片组成。标签晶片即相当于一个具有无线收发功能及存贮功能的单片系统（SoC）标签晶片上的内存部分用以储存识别号码或其它数据。
（2） 阅读器。典型的阅读器含有高频模块（发送器和接收器）、控制单元及阅读器天线许多阅读器还有附加接口（如RS232 RS485 红外以太网接口等），以便将所获得的数据传向应用系统或从应用系统接收命令。
在多数RFID 系统中，阅读器在一个区域内发射能量形成电磁场，其区域大小取决于工作频率和天线尺寸。阅读器发送的信号通常提供时钟信号及电子标签所需的足够能量，其中的时钟信号使数据同步从而简化了系统的设计。阅读器接收到数据后解码并进行错误校验来决定数据的有效性，然后通过RS232、RS422 、RS485 或无线方式将数据传送到计算机网络。
简单的RFID产品是一种非接触的IC。 卡而复杂的RFID 产品能通过与外部传感器接口的连接来测量、记录不同的参数，甚至可与GPS 系统连接来跟踪物体。
1.2 RFID 技术的优势
1 通过射频信号自动识别目标，无需可见光源。
2 具有穿透性，可以透过外部材料直接读取数据，保护外部包装，节省开箱时间。
3 射频产品可在恶劣环境下工作，对环境要求低。
4 读取距离远，无需与目标接触就可得到数据。
5 支持写入数据，无需重新制作新的标签。
6 使用防冲突技术，能够同时处理多个射频标签，适用于批量识别场合。
7 可以对RFID 标签所附着的物体进行追踪定位，提供位置信息。
1.3 RFID 技术的应用
射频识别技术以其独特的优势，逐渐被广泛应用于工业自动化、商业自动化和交通运输控制管理等领域。随着大型积体电路技术的进步及生产规模的不断扩大，射频识别产品的成本将不断降低其应用将越来越广泛。表1 列举了射频识别技术的典型应用
2 RFID 技术在铁路货车施封锁中应用的探讨
2.1 现有铁路货车用施封锁存在的不足
现有铁路货车用施封锁（棚车、罐车及集装箱）均为钢质施封锁。此类施封锁虽具有结构简单、成本低等特点，但存在以下不足：
（1）施封、破封、保管、登记等均为手工作业，差错率高。
（2）检查只能由货运人员或货运检查人员逐车、逐个现场检查，作业效率低下。
（3）所记载的标识只有局别、施封站（或专用线）和封号，无法提供诸如施封时间、施封人等信息。
（4）一旦中途破封，无法记录破封时间，不利于货运事故的分析和公安破案。
（5）只能人工检查，无法实现检查的自动化、现代化，管理手段落后。
（6）检查信息只能停留在作业班组或车站，无法及时将检测信息上传，不能实现信息资源共享。
（7）不能使货主或上级管理部门对重点货物、重点车辆的施封状态进行跟踪，无法实时掌握货物状态，不能为客户提供及时的物流信息。
2.2 RFID 施封锁系统的构成
RFID 施封锁系统由门锁状态传感器、射频锁卡标签、阅读天线、手持读写器（手持机）、车序子系统、通信子系统、车号子系统、计算机软件系统构成。系统结构如图1 所示。
（2）门锁状态传感器。此传感器为无源传感器置于车门内侧，用于实时监测车门状态。
（3）固定阅读器。露天放置于列车进站时的线路两侧，在列车通过时读取射频锁卡标签信息。固定阅读器为可读写射频锁卡的工业级射频识别装置，可在10 m范围内对速度120 km/h 的锁卡进行读取。
（4）手持阅读器。用于货运或货运检查人员对静止车辆的射频锁卡标签进行施封、检封、补封、解封等操作。手持阅读器结合货运检查作业流程，可在1.5 m范围内对锁卡进行读写，并记录所有的历史操作。阅读器具有无线数据传输通道，历史操作记录可自动上传至服务器，形成数据库中的数据记录。手持阅读器由内部的锂离子二次电池供电，一次充电可供正常操作2 周。
（5）主控计算机。实时采集射频锁卡标签信息，并与铁路信息系统相联接，及时将采集的射频锁卡标签信息上传。
2.3 RFID 施封锁系统数据库及计算机网络组成
固定阅读器及手持阅读器中的数据经通信子系统传输至服务器与顺位系统车号，系统提供的顺位号及车号匹配后生成数据记录，录入本地数据库。本地数据库将有效数据中的重要数据经过铁路信息网汇总至站段。基层数据以三级落地的方式形成站段--铁路局--全路的货运电子施封管理体系详见图2。
（1）固定阅读器可支持列车以120 km/h的最高速度通过，并准确读取射频锁卡标签内的施封信息。
（2）固定阅读器的阅读距离不小于10 m。
（3）手持阅读器可在1.5 m范围内读写射频锁卡标签中的数据，包括重置标签中标志锁状态数据区的数据。
（4）手持阅读器具有键盘，显示屏和至少1 2 8 kBytes的历史记录存储器，并可利用商品化的通用存储器进行扩展。
（5）标签卡外形尺寸不超过91 mm*59 mm*8 mm。
（6）工作环境温度为-40 -85摄氏度。
（7）密码锁、标签卡使用寿命大于5 年。
（8） 系统误码率：小于十万分之一。
2.5 RFID 施封锁工作流程
（1） 施封。棚车罐车或集装箱装载完毕后，货运人员利用手持阅读器将施封信息，如施封站、封印内容、流水号、施封日期、时间、施封人等写入位于车门（盖）表面的射频锁卡标签中并将标签内数据中的锁状态位锁定在运输全过程中，若车门始终未被打开，则标志锁。状态位始终保持为锁定。
（2 ）检封。射频识别卡在运输的全程实时检测门锁状态，一旦门锁被打开，卡中的锁状态位立即变为开锁状态，并将锁第一次被打开的时间自动记录在卡中以便查询，即便门锁再次闭锁，锁状态位仍然为开锁状态。当列车高速通过位于铁路两侧的固定阅读器时，系统会检测每一个锁卡中的数据，将其内含的封印信息自动与铁路生产网中的电子票据比对并打印输出，且可在有施封无效的车辆出现时进行报警，以提高货运检查作业的针对性。在途中发生失窃案件后，铁路公安部门可通过卡中提供的门锁打开时间来推断作案时间、地点、嫌疑人等。对于可疑的施封，货运检查人员也可通过使用手持机对密码门锁状态进行检查。
（3 ）补封。对于高速在线检测系统检测后确认需要补封的车辆门锁，经有关部门检查、核实并授权后，可由货运检查或货运人员关闭车门，并用手持机对卡内锁状态数据进行复位（置于“0”）， 并写入补封信息，如施封站、封印内容、流水号、施封日期、时间施、封人等，相应补封记录可通过无线通道传回货运检查室的计算机。
（ 4）启封。对于到站车辆，由相关工作人员用手持阅读器对卡内锁状态进行检查，并进行启封处理，处理过程通过无线通道传回货运室的计算机。
2.6 RFID 施封锁系统的优点
1 施封、补封、解封、信息读取等均为计算机控制，没有或较少人为干预，差错率小。
2 列车以120 km/h的速度通过时，可被固定阅读器自动识别、读取，大大提高了对施封检查的作业效率。
3 可以在线实时检测棚车及集装箱的施封是否有效，实现了施封锁检查的自动化、现代化，增加了货运检查作业的针对性。
4 有利于铁路管理部门依靠现有铁路网络，形成铁路货运物流管理系统，使货主或上级管理部门对重点货物、重点车辆的施封状态进行跟踪，实时掌握货物状态，为客户提供及时的物流信息。
5 除提供施封站（专用线）和封号等信息外，还可提供施封日期、时间、施封人等信息。
6 中途破封时，可以记录破封时间，有利于货运事故的分析和公安破案。
