浅谈射频标签定位技术在高铁综合巡检车上的应用

　　高速铁路综合巡检车(以下简称巡检车)是自轮运行的大型专用综合检测装备，集成非接触式摄像采集、激光扫描、计算机图像处理、智能化分析判断等先进技术，对工电供专业设备结构状态、线路环境等同步进行检查、分析、预警，实现对高铁基础设施检查、检测、监控。目前我段已对该车设备调试和试用取得较大进展，其中RFID技术的运用，解决了里程精确定位的难题。

　　1、目前铁路动态检测主要定位技术

　　只有实现动态检测数据的精确定位，才能够准确和快速地找到缺陷。目前动态检测中常用的里程定位主要以下方法：

　　1.1 基于速度编码器的里程累加定位方法。根据列车上速度编码器的脉冲信号记录下的车轮转数，计算出列车累积转动的距离，从而得出行驶里程，对列车定位。但是因国内铁路线路长短链、计数的误差(车轮空转、滑行等)和轮径磨损等因素，里程是个线性增加的数值，无法与地面真实的里程相对应，不能保证其准确性。

　　1.2 GPS定位技术。利用线路公里牌的经纬度提前建立里程经纬度数据库，车上安装的GPS接收机实时输出经纬度，并与数据库中的里程经纬度数据库相匹配，经过延迟处理及算法处理得到当前的里程数。GPS接收机使用方便，技术成熟，成本相对较低，维护相对容易，可为列车提供定位信息。但是由于GPS定位精度受自然条件影响较大，在山区、隧道、车站、森林等地点信号遮蔽，GPS接收存在大量盲区，无法实时获取位置信息。另外目前大多GPS点库多是在动态条件下根据公里标获取，设计和施工阶段各专业公里换算略有不同，公里牌的标称里程与实际里程多有差别，且受打点延时影响，精度因此打了折扣。

　　1.3 电子射频标签技术(RFID)

　　电子射频标签技术就是沿线路在一定距离处，在接触网支柱上(或镶嵌在长大隧道衬砌)安装电子射频标签，并提前测量计算，建立好数据库;在车上安装标签阅读器，通过读取电子标签卡号，并和数据库中的里程数进行匹配得到实时里程。该技术的动态精度较高，有试验证明在速度400km/h时定位精度可达到2m以内，其具有通用性好、适应恶劣环境、扩展性强等。

　　1.4 其他定位手段，如手持小键盘对公里标、轨道电路对标等常见铁路检测定位方式，其定位精度值得商榷，点式应答器定位技术精度高，但成本也较高。

　　无论专业检查车或者采用何种定位技术，其核心问题都是需要将GPS点位、电子标签或应答器校准点，与地面里程相对应并快速建立准确的数据库，因此需要探索利用高铁现有的资源来快速而准确地建立数据库。目前每条高铁沿线都布设轨道控制网(CPⅢ)平面控制网，是由施工单位在施工过程中基于三网合一原则建网测量，为轨道铺设和运营维护提供控制基准，具有相对精度高、点位分布密集、使用周期长、位置固定等特点。利用CPⅢ动态精确定位技术，是比较现实、准确的一种方法。本文介绍根据CPⅢ点来测算射频标签点的精确里程，用于巡检车检测精确定位。

　　2、RFID使用及验证

　　2.1 RFID标签选择

　　综合巡检车上阅读器固定在车内两侧，可以同时读取左右双侧标签，距离安装射频标签的接触网杆限界侧约1.5m，考虑到兼顾后期高速车辆阅读的需求，选择使用适用于高速轨道交通的只读型工业级高速、高频标签，工作频率2.45GHz，阅读延时20ms，识别距离6米，识别速度最高400km/h，采用半无源标签，内装电池可以维持内部芯片工作10年以上。

　　2.2 RFID标签安装及计算原则

　　标签安装里程应按每隔5.0~7.0km安设1对，距轨面高度控制在2.2m±1cm范围，上下行对应布设，根据不同接触网杆型确定所选用支架。里程测量利用CPⅢ系统大地坐标，采用圆心测量与等分法将需校准点和前后CPⅢ点均投影到钢轨外侧，利用卷尺测量安装射频卡接触网支柱中心与前后最近的CPⅢ桩点的距离并记录，同时核对、记录CPⅢ桩点号和接触网支柱杆号，使用软件精确地计算、输出该里程，并建立数据库。

图1 射频标签里程数据库计算与录入

　　2.3 系统设计实现

　　(1)系统组成：里程精确定位系统是在检测列车检测过程中，实时精确定位列车行驶里程位置，综合发布列车行驶状态的数据平台。其中，系统软件部分为里程同步软件，硬件部分包括里程校准接口单元、里程同步服务器及串口交换机、射频标签阅读器等。

　　(2)里程同步方式：服务器端将里程、时间、增减里程、上下行等相关信息通过里程同步通道以RS-422串口协议传输给各检测系统，各系统配备该串口板及里程同步信息的客户端软件。服务器数据信息每500ms发送一次，遇到长短链等里程跳变较大时及RFID定位点时优先发送，各检测系统必须实时修正里程。里程同步服务器与差分GPS接收机通过RS232通信串口连接。差分GPS用于初次使用标签时对里程误差较大情况下的校核、辅助修正。

　　(3)当阅读器随着巡检车的移动到达电子标签附近，电子标签进入阅读器读写场范围时，阅读器发射的载波信号激活电子标签，电子标签向阅读器循环发送电子标签信息，阅读器接收电子标签发送的信号，并对信号进行解调和解码，得到电子标签信息，判断信息的有效性，计算得到电子标签信息后与数据库中的预存信息进行比对，识别标签号对应的里程信息和线路特征点信息，并对累加的里程信息进行修正，最后将准确的里程定位信息发送至各个系统。

　　2.4 应用精度分析

　　为了验证射频标签定位准确性，利用综合巡检车(速度80km/h)、CRH2-150C综合检测车(速度300km/h)分别进行了低速和高速动态检验。地点选择在我段管内沪宁城际已经安装射频标签卡的线路。从结果可以看出，在以5~7km为间隔的区段，整个36公里试验平均每公里的定位误差≤0.55m。CRH2-150C每公里的定位误差≤0.75m。对于现场巡视检查，精度已经满足。

　　2.5 影响里程精度的几种情况

　　在试验中发现一些里程偏差较大或者射频标签卡扫描不出。主要有以下几种原因：

　　(1)CPⅢ编号记录错误。如管内沿线CPⅢ点有新旧之分，距离相隔很近，编号经日晒雨淋都比较模糊，偶尔错误记录了旧CPⅢ编号。这种情况对检测影响很大，后期需要现场再次复核和修正数据库才使得能正常使用，费时费力，在标签安装时期应避免发生。

　　(2)GPS修正点库里程不准。初次使用巡检车时，同时利用标签和GPS两种方式定位，发现两种定位方式里程修正偏差大，经调查、分析发现部分GPS点里程与实际里程偏差大。因此应该避免选择GPS修正里程，应把它作为校核的辅助手段。

　　(3)标签卡扫描不出，经现场调查一是卡的正反面安装错误，二是安装高度不对，安装高度应该距离轨面2.2米(偏差1cm内)，偏高、偏低不符高度的需适当调整。

　　(4)阅读器读取的标签信息为-1或0的情况，日记记录显示为NULL，说明数据库中无该射频标签的数据记录，此时数据采集服务器只能采集到标签内标签号，但不会进行里程修正，应检查并更新数据库。

　　2.6 里程定位在巡检车检测系统的应用

　　里程的精确定位能是巡检车综合系统核心，能够实时给轨道状态巡检、限界检测、钢轨轮廓检测、接触网部件巡检、环境视频监视等系统实时发布线别、里程、速度、经纬度等信息，把缺陷与里程对应在一起。以下是RFID定位技术在巡检车上的运用实例(部分)。

(a轨道状态巡检;b定位器坡度检测;c环境视频监测;d接触网部件巡检)

　　3、后期应用展望

　　RFID技术除了上述的用途外，通过不断探索与实践，相信在后期还会有更广泛的应用空间。如：

　　(1)对特定位置设备检查回放。有些设备具有安装位置跨度大，分布离散、结构复杂、形式多样的特点，人工巡查耗时耗力。由于巡检车图像和视频资料丰富清晰，且定位精确，通过回放可以对照查找该处的设备结构状态，从而实现代替人工现场巡查，不仅节约了天窗、人工，效率也能极大提高。

　　(2)接触网综合巡检系统实现了对杆号定点抓拍和智能识别，同时引入了精确里程定位，由此笔者建议，后期各检测系统通过修改完善软件与通讯协议，实现里程加杆号(或杆号范围)的数据定位模式，那么查出的设备缺陷将会更加符合现场维修人员查找的作业习惯，以提高检修效率和质量。

　　(3)巡检车综合系统同时具备维护编码器里程及GPS里程两个实时里程。因此可根据RFID按需自动生成更精准、打点密度更高的线路GPS点数据库，替代目前添乘机车动态打点的点库，以便在添乘仪、晃车仪、动检车定位、设备台账资料更新、各专业设备里程统一等方面发挥重要作用。

　　4、结论与建议

　　里程同步射频标签卡为综合巡检车的各检测系统提供精确定位，同时也适用于已安装标签阅读器的高速综合检测列车、钢轨探伤车和其他专业检测车的精确定位，既实现了动态检测数据的精确定位，也便于现场维修人员能够快速准确地查找超限处所，提高检测数据的判定率和现场复核的准确性，同时有利于将有各专业的基础里程统一、规范，在铁路检测领域具有广阔的应用空间。