鄧 婕 上海鐵路局上海高鐵維修段

高速鐵路綜合巡檢車(chē)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)巡檢車(chē)）是自輪運(yùn)行的大型專(zhuān)用綜合檢測(cè)裝備，集成非接觸式攝像采集、激光掃描、計(jì)算機(jī)圖像處理、智能化分析判斷等先進(jìn)技術(shù)，對(duì)工電供專(zhuān)業(yè)設(shè)備結(jié)構(gòu)狀態(tài)、線路環(huán)境等同步進(jìn)行檢查、分析、預(yù)警，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高鐵基礎(chǔ)設(shè)施檢查、檢測(cè)、監(jiān)控。目前我段已對(duì)該車(chē)設(shè)備調(diào)試和試用取得較大進(jìn)展，其中電子射頻標(biāo)簽技術(shù)（RFID）的運(yùn)用，解決了里程精確定位的難題。

1 目前鐵路動(dòng)態(tài)檢測(cè)主要定位技術(shù)

只有實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)的精確定位，才能夠準(zhǔn)確和快速地找到缺陷。目前動(dòng)態(tài)檢測(cè)中常用的里程定位主要以下方法：

1.1 基于速度編碼器的里程累加定位方法

根據(jù)列車(chē)上速度編碼器的脈沖信號(hào)記錄下的車(chē)輪轉(zhuǎn)數(shù)，計(jì)算出列車(chē)?yán)鄯e轉(zhuǎn)動(dòng)的距離，從而計(jì)算出行駛里程，對(duì)列車(chē)定位。但因國(guó)內(nèi)鐵路線路長(zhǎng)短鏈、計(jì)數(shù)誤差(車(chē)輪空轉(zhuǎn)、滑行等)和輪徑磨損等因素，里程是個(gè)線性增加的數(shù)值，無(wú)法與地面真實(shí)的里程相對(duì)應(yīng)，不能保證其準(zhǔn)確性。

1.2 GPS 定位技術(shù)

利用線路公里牌的經(jīng)緯度提前建立里程經(jīng)緯度數(shù)據(jù)庫(kù)，車(chē)上安裝的GPS 接收機(jī)實(shí)時(shí)輸出經(jīng)緯度，并與數(shù)據(jù)庫(kù)中的里程經(jīng)緯度數(shù)據(jù)庫(kù)相匹配，經(jīng)過(guò)延遲處理及算法處理得到當(dāng)前的里程數(shù)。GPS 接收機(jī)使用方便，技術(shù)成熟，成本相對(duì)較低，維護(hù)相對(duì)容易，可為列車(chē)提供定位信息。但是由于GPS 定位精度受自然條件影響較大，在山區(qū)、隧道、車(chē)站、森林等地點(diǎn)信號(hào)遮蔽，GPS 接收存在大量盲區(qū)，無(wú)法實(shí)時(shí)獲取位置信息。另外目前大多GPS 點(diǎn)庫(kù)多是在動(dòng)態(tài)條件下根據(jù)公里標(biāo)獲取，設(shè)計(jì)和施工階段各專(zhuān)業(yè)公里換算略有不同，公里牌的標(biāo)稱(chēng)里程與實(shí)際里程多有差別，且受打點(diǎn)延時(shí)影響，影響了精度。

1.3 電子射頻標(biāo)簽技術(shù)（RFID）

電子射頻標(biāo)簽技術(shù)就是沿線路在一定距離處，在接觸網(wǎng)支柱上（或鑲嵌在長(zhǎng)大隧道襯砌）安裝電子射頻標(biāo)簽，并提前測(cè)量計(jì)算，建立好數(shù)據(jù)庫(kù)；在車(chē)上安裝標(biāo)簽閱讀器，通過(guò)讀取電子標(biāo)簽卡號(hào)，并和數(shù)據(jù)庫(kù)中的里程數(shù)進(jìn)行匹配得到實(shí)時(shí)里程。該技術(shù)的動(dòng)態(tài)精度較高，有試驗(yàn)證明在速度400 km/h 時(shí)定位精度可達(dá)到2 m 以?xún)?nèi)，具有通用性好、適應(yīng)惡劣環(huán)境、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。

1.4 其他定位手段

其他定位手段如手持小鍵盤(pán)對(duì)公里標(biāo)、軌道電路對(duì)標(biāo)等常見(jiàn)鐵路檢測(cè)定位方式，其精度值得商榷。點(diǎn)式應(yīng)答器定位技術(shù)精度高，但成本也較高。

所有的定位技術(shù)，其核心問(wèn)題都是將GPS 點(diǎn)位、電子標(biāo)簽或應(yīng)答器校準(zhǔn)點(diǎn)，與地面里程相對(duì)應(yīng)并快速建立準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)庫(kù)，因此需要探索利用高鐵現(xiàn)有的資源來(lái)快速而準(zhǔn)確地建立數(shù)據(jù)庫(kù)。目前每條高鐵沿線都布設(shè)軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)平面控制網(wǎng)，是由施工單位在施工過(guò)程中基于三網(wǎng)合一原則建網(wǎng)測(cè)量，為軌道鋪設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供控制基準(zhǔn)，具有相對(duì)精度高、點(diǎn)位分布密集、使用周期長(zhǎng)、位置固定等特點(diǎn)。利用CPⅢ動(dòng)態(tài)精確定位技術(shù)，是比較現(xiàn)實(shí)、準(zhǔn)確的一種方法。本文介紹了如何將CPⅢ點(diǎn)測(cè)算射頻標(biāo)簽點(diǎn)的精確里程應(yīng)用于巡檢車(chē)檢測(cè)精確定位。

2 RFID 使用及驗(yàn)證

2.1 RFID 標(biāo)簽選擇

綜合巡檢車(chē)上閱讀器固定在車(chē)內(nèi)兩側(cè)，可以同時(shí)讀取左右雙側(cè)標(biāo)簽，距離安裝射頻標(biāo)簽的接觸網(wǎng)桿限界側(cè)約1.5 m，考慮到兼顧后期高速車(chē)輛閱讀的需求，選擇使用適用于高速軌道交通的只讀型工業(yè)級(jí)高速、高頻標(biāo)簽，工作頻率2.45 GHz，閱讀延時(shí)20 ms，識(shí)別距離6 m，識(shí)別速度最高400 km/h，采用半無(wú)源標(biāo)簽，內(nèi)裝電池可以維持內(nèi)部芯片工作10 年以上。

2.2 RFID 標(biāo)簽安裝及計(jì)算原則

標(biāo)簽安裝里程應(yīng)按每隔5.0～7.0 km 安設(shè)1 對(duì)，距軌面高度控制在2.2 m±1 cm 范圍，上下行對(duì)應(yīng)布設(shè)，根據(jù)不同接觸網(wǎng)桿型確定所選用支架。里程測(cè)量利用CPⅢ系統(tǒng)大地坐標(biāo)，采用圓心測(cè)量與等分法將需校準(zhǔn)點(diǎn)和前后CPⅢ點(diǎn)均投影到鋼軌外側(cè)，利用卷尺測(cè)量安裝射頻卡接觸網(wǎng)支柱中心與前后最近的CPⅢ樁點(diǎn)的距離并記錄，同時(shí)核對(duì)、記錄CPⅢ樁點(diǎn)號(hào)和接觸網(wǎng)支柱桿號(hào)，使用軟件精確地計(jì)算、輸出該里程，并建立數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)如圖1 所示。

圖1 射頻標(biāo)簽里程數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算與錄入

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

（1）系統(tǒng)組成。里程精確定位系統(tǒng)是在檢測(cè)列車(chē)檢測(cè)過(guò)程中，實(shí)時(shí)精確定位列車(chē)行駛里程位置，綜合發(fā)布列車(chē)行駛狀態(tài)的數(shù)據(jù)平臺(tái)。其中，系統(tǒng)軟件部分為里程同步軟件，硬件部分包括里程校準(zhǔn)接口單元、里程同步服務(wù)器及串口交換機(jī)、射頻標(biāo)簽閱讀器等。

（2）里程同步方式。服務(wù)器端將里程、時(shí)間、增減里程、上下行等相關(guān)信息通過(guò)里程同步通道以RS-422 串口協(xié)議傳輸給各檢測(cè)系統(tǒng)，各系統(tǒng)配備該串口板及里程同步信息的客戶端軟件。服務(wù)器數(shù)據(jù)信息每500 ms 發(fā)送一次，遇到長(zhǎng)短鏈等里程跳變較大時(shí)及RFID 定位點(diǎn)時(shí)優(yōu)先發(fā)送，各檢測(cè)系統(tǒng)必須實(shí)時(shí)修正里程。里程同步服務(wù)器與差分GPS 接收機(jī)通過(guò)RS232 通信串口連接。差分GPS 用于初次使用標(biāo)簽時(shí)對(duì)里程誤差較大情況下的校核、輔助修正。

（3）當(dāng)閱讀器隨著巡檢車(chē)的移動(dòng)到達(dá)電子標(biāo)簽附近，電子標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器讀寫(xiě)場(chǎng)范圍時(shí)，閱讀器發(fā)射的載波信號(hào)激活電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽向閱讀器循環(huán)發(fā)送電子標(biāo)簽信息，閱讀器接收電子標(biāo)簽發(fā)送的信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼，得到電子標(biāo)簽信息，判斷信息的有效性。計(jì)算得到電子標(biāo)簽信息后與數(shù)據(jù)庫(kù)中的預(yù)存信息進(jìn)行比對(duì)，識(shí)別標(biāo)簽號(hào)對(duì)應(yīng)的里程信息和線路特征點(diǎn)信息，并對(duì)累加的里程信息進(jìn)行修正，最后將準(zhǔn)確的里程定位信息發(fā)送至各個(gè)系統(tǒng)。

2.4 應(yīng)用精度分析

為了驗(yàn)證射頻標(biāo)簽定位準(zhǔn)確性，利用綜合巡檢車(chē)（速度80 km/h）、CRH2-150C綜合檢測(cè)車(chē)（速度300 km/h）分別進(jìn)行低速和高速動(dòng)態(tài)檢驗(yàn)。地點(diǎn)選擇在我段管內(nèi)滬寧城際已經(jīng)安裝射頻標(biāo)簽卡的線路。試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。從結(jié)果可以看出，在以5～7 km 為間隔的區(qū)段，整個(gè)36 km 試驗(yàn)平均每公里的定位誤差≤0.55 m。CRH2-150C每公里的定位誤差≤0.75 m。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)巡視檢查，精度已經(jīng)滿足。

表1 綜合巡檢車(chē)和綜合檢測(cè)車(chē)讀取的標(biāo)簽里程修正結(jié)果

2.5 影響里程精度的幾種情況

在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)一些里程偏差較大或者射頻標(biāo)簽卡掃描不出，主要有以下幾種原因：

（1）CPⅢ編號(hào)記錄錯(cuò)誤。如管內(nèi)沿線CPⅢ點(diǎn)有新舊之分，距離相隔很近，編號(hào)經(jīng)日曬雨淋都比較模糊，偶爾錯(cuò)誤記錄了舊CPⅢ編號(hào)。這種情況對(duì)檢測(cè)影響很大，后期需要現(xiàn)場(chǎng)再次復(fù)核和修正數(shù)據(jù)庫(kù)才使得能正常使用，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，在標(biāo)簽安裝時(shí)期應(yīng)避免發(fā)生。

（2）GPS 修正點(diǎn)庫(kù)里程不準(zhǔn)。初次使用巡檢車(chē)時(shí)，同時(shí)利用標(biāo)簽和GPS 兩種方式定位，發(fā)現(xiàn)兩種定位方式里程修正偏差大，經(jīng)調(diào)查、分析發(fā)現(xiàn)部分GPS 點(diǎn)里程與實(shí)際里程偏差大。因此應(yīng)該避免選擇GPS 修正里程，應(yīng)把它作為校核的輔助手段。

（3）標(biāo)簽卡掃描不出。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查一是卡的正反面安裝錯(cuò)誤，二是安裝高度不對(duì)，安裝高度應(yīng)該距離軌面2.2 m（偏差1 cm內(nèi)），偏高、偏低不符高度的需適當(dāng)調(diào)整。

（4）閱讀器讀取的標(biāo)簽信息為-1 或0 的情況，日記記錄顯示為NULL，說(shuō)明數(shù)據(jù)庫(kù)中無(wú)該射頻標(biāo)簽的數(shù)據(jù)記錄，此時(shí)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器只能采集到標(biāo)簽內(nèi)標(biāo)簽號(hào)，但不會(huì)進(jìn)行里程修正，應(yīng)檢查并更新數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.6 里程定位在巡檢車(chē)檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

里程的精確定位是巡檢車(chē)綜合系統(tǒng)核心，能夠?qū)崟r(shí)給軌道狀態(tài)巡檢、限界檢測(cè)、鋼軌輪廓檢測(cè)、接觸網(wǎng)部件巡檢、環(huán)境視頻監(jiān)視等系統(tǒng)實(shí)時(shí)發(fā)布線別、里程、速度、經(jīng)緯度等信息，把缺陷與里程對(duì)應(yīng)在一起。圖2 是RFID 定位技術(shù)在巡檢車(chē)上的運(yùn)用實(shí)例（部分）。

圖2 精確定位在巡檢車(chē)上的應(yīng)用

3 后期應(yīng)用展望

RFID 技術(shù)除了上述的用途外，通過(guò)不斷探索與實(shí)踐，相信在后期還會(huì)有更廣泛的應(yīng)用空間。

（1）對(duì)特定位置設(shè)備檢查回放。有些設(shè)備具有安裝位置跨度大，分布離散、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形式多樣的特點(diǎn)，人工巡查耗時(shí)耗力。由于巡檢車(chē)圖像和視頻資料豐富清晰，且定位精確，通過(guò)回放可以對(duì)照查找該處的設(shè)備結(jié)構(gòu)狀態(tài)，從而代替人工現(xiàn)場(chǎng)巡查，既能節(jié)約天窗、減少人工，也極大提高了效率。

（2）接觸網(wǎng)綜合巡檢系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)桿號(hào)定點(diǎn)抓拍和智能識(shí)別，同時(shí)引入了精確里程定位，后期各檢測(cè)系統(tǒng)可通過(guò)修改完善軟件與通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)里程加桿號(hào)（或桿號(hào)范圍）的數(shù)據(jù)定位模式，查出的設(shè)備缺陷將會(huì)更加符合現(xiàn)場(chǎng)維修人員查找的作業(yè)習(xí)慣，以提高檢修效率和質(zhì)量。

（3）巡檢車(chē)綜合系統(tǒng)同時(shí)具備維護(hù)編碼器里程及GPS 里程兩個(gè)實(shí)時(shí)里程。因此，可根據(jù)RFID 按需自動(dòng)生成更精準(zhǔn)、打點(diǎn)密度更高的線路GPS 點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)，替代目前添乘機(jī)車(chē)動(dòng)態(tài)打點(diǎn)的點(diǎn)庫(kù)，以便在添乘儀、晃車(chē)儀、動(dòng)檢車(chē)定位、設(shè)備臺(tái)賬資料更新、各專(zhuān)業(yè)設(shè)備里程統(tǒng)一等方面發(fā)揮重要作用。

4 結(jié)論與建議

里程同步射頻標(biāo)簽卡為綜合巡檢車(chē)的各檢測(cè)系統(tǒng)提供精確定位，同時(shí)也適用于已安裝標(biāo)簽閱讀器的高速綜合檢測(cè)列車(chē)、鋼軌探傷車(chē)和其他專(zhuān)業(yè)檢測(cè)車(chē)的精確定位。它既實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)的精確定位，也便于現(xiàn)場(chǎng)維修人員快速準(zhǔn)確地查找超限處所，提高檢測(cè)數(shù)據(jù)的判定率和現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核的準(zhǔn)確性，同時(shí)有利于將各專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)里程統(tǒng)一、規(guī)范，在鐵路檢測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間。