1.引言

列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（又稱信號(hào)系統(tǒng)）是城市軌道交通、國鐵、捷運(yùn)系統(tǒng)的核心部分，控制列車安全行駛、保證列車運(yùn)營間隔、執(zhí)行列車自動(dòng)防護(hù)。新技術(shù)的引進(jìn)給列控系統(tǒng)帶來了革命，為提高列車運(yùn)行速度和可靠性提供了有利的科學(xué)技術(shù)保障。

自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（Automatic Identification System，Auto ID）近年來在多種行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域都得到了快速的普及和推廣，根據(jù)使用的能量和數(shù)據(jù)傳輸方法，通常把非接觸的識(shí)別系統(tǒng)稱作射頻識(shí)別系統(tǒng)（Radio Frequency Identification，RFID）。超高頻RFID技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)的識(shí)別距離，天氣因素對(duì)識(shí)別效果的影響較小。同時(shí)，由于近幾年RFID技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，RFID系統(tǒng)設(shè)備和電子標(biāo)簽的成本都大幅下降，使RFID技術(shù)在列控系統(tǒng)中的應(yīng)用成為可能。

2.RFID技術(shù)簡介

射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)，又稱電子標(biāo)簽、無線射頻識(shí)別，是一種通信技術(shù)，可通過無線電訊號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸。實(shí)現(xiàn)人們對(duì)各類物體或設(shè)備（人員、物品）在不同狀態(tài)（移動(dòng)、靜止或惡劣環(huán)境）下的自動(dòng)識(shí)別和管理。

從信息傳遞的基本原理來說，射頻識(shí)別技術(shù)在低頻段基于變壓器耦合模型（初級(jí)與次級(jí)之間的能量傳遞及信號(hào)傳遞），在高頻段基于雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的空間耦合模型（雷達(dá)發(fā)射電磁波信號(hào)碰到目標(biāo)后攜帶目標(biāo)信息返回雷達(dá)接收機(jī)）。1948年哈里斯托克曼發(fā)表的”利用反射功率的通信”奠定了射頻識(shí)別技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

2.1 RFID系統(tǒng)的組成

RFID系統(tǒng)一般由以下兩部分構(gòu)成：(1)應(yīng)答器：應(yīng)答器應(yīng)放置在要識(shí)別的物體上；

(2)閱讀器：閱讀器可以是讀或?qū)?讀裝置，取決于所使用的結(jié)構(gòu)和技術(shù)?；窘M成見圖1。

圖1 RFID系統(tǒng)基本組成

圖2 典型的列控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一臺(tái)典型的閱讀器包含有高頻模塊（發(fā)送器和接收器）、控制單元以及與應(yīng)答器連接的耦合元件（線圈、微波天線）。此外，許多閱讀器還都有附加的接口（RS232、RS485等），以便將所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)一步傳輸給另外的系統(tǒng)（個(gè)人計(jì)算機(jī)、機(jī)器人控制裝置等）。

應(yīng)答器是射頻設(shè)別系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體。通常，應(yīng)答器由耦合元件以及微電子芯片組成。在閱讀器的響應(yīng)范圍之外，應(yīng)答器處于無源狀態(tài)。通常，應(yīng)答器沒有自己的供電電源（電池）。只是在閱讀器的響應(yīng)范圍之內(nèi)，應(yīng)答器才是有源的。應(yīng)答器工作所需的能量，如同時(shí)鐘脈沖和數(shù)據(jù)一樣，是通過耦合單元（非接觸式）傳輸給應(yīng)答器的。

2.2 RFID基本工作原理

RFID是一種簡單的無線系統(tǒng)，只有兩個(gè)基本器件，該系統(tǒng)用于控制、檢測(cè)和跟蹤物體。系統(tǒng)由一個(gè)詢問器（或閱讀器）和若干應(yīng)答器（或標(biāo)簽）組成。標(biāo)簽（Tag）：由耦合元件及芯片組成，每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上以標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象。

RFID技術(shù)的基本工作原理并不復(fù)雜：標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號(hào)，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息（Passive Tag，無源標(biāo)簽或被動(dòng)標(biāo)簽），或者主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)（Active Tag，有源標(biāo)簽或主動(dòng)標(biāo)簽）；解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。

一套完整的RFID系統(tǒng)，是由閱讀器（Reader）與電子標(biāo)簽（TAG）也就是所謂的應(yīng)答器（Transponder）及應(yīng)用軟件系統(tǒng)三個(gè)部份所組成，其工作原理是閱讀器發(fā)射一特定頻率的無線電波能量給應(yīng)答器，用以驅(qū)動(dòng)應(yīng)答器電路將內(nèi)部的數(shù)據(jù)送出，此時(shí)閱讀器便依序接收解讀數(shù)據(jù)，送給應(yīng)用程序做相應(yīng)的處理。

以RFID卡片閱讀器及電子標(biāo)簽之間的通訊及能量感應(yīng)方式來看大致上可以分成，感應(yīng)偶合（Inductive Coupling）及后向散射偶合（Backscatter Coupling）兩種，一般低頻的RFID大都采用第一種式，而較高頻大多采用第二種方式。

閱讀器根據(jù)使用的結(jié)構(gòu)和技術(shù)不同可以是讀或讀/寫裝置，是RFID系統(tǒng)信息控制和處理中心。閱讀器通常由耦合模塊、收發(fā)模塊、控制模塊和接口單元組成。閱讀器和應(yīng)答器之間一般采用半雙工通信方式進(jìn)行信息交換，同時(shí)閱讀器通過耦合給無源應(yīng)答器提供能量和時(shí)序。在實(shí)際應(yīng)用中，可進(jìn)一步通過以太網(wǎng)或WLAN等實(shí)現(xiàn)對(duì)物體識(shí)別信息的采集、處理及遠(yuǎn)程傳送等管理功能。應(yīng)答器是RFID系統(tǒng)的信息載體，目前應(yīng)答器大多是由耦合原件（線圈、微波天線等）和微芯片組成無源單元。

圖3 電子標(biāo)簽測(cè)速方案示意圖

圖4 RFID設(shè)備檢測(cè)原理圖

圖5 車次號(hào)變化示意圖

圖6 典型點(diǎn)式列控系統(tǒng)示意圖

3.RFID在列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 列車運(yùn)行控制系統(tǒng)基本原理

列車運(yùn)行控制系統(tǒng)是一種基于控制技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及鐵路信號(hào)的行車指揮、控制及管理自動(dòng)化系統(tǒng)。目前成熟的列控系統(tǒng)有：日本新干線ATC；法國TGV的TVM系統(tǒng)；德國LZB、TGMT；英國及瑞典的ATP；地鐵ATP系統(tǒng)；我國自主研發(fā)的列控系統(tǒng)有北京交大交控科技的LCF-300型移動(dòng)閉塞系統(tǒng)及通號(hào)集團(tuán)公司應(yīng)用于客運(yùn)專線的CTCS3級(jí)列控系統(tǒng)。

圖2顯示了典型的地鐵列控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

總體而言，列控系統(tǒng)包括由地面設(shè)備、車載設(shè)備及信息傳輸設(shè)備組成。地面設(shè)備包括：聯(lián)鎖設(shè)備、區(qū)域控制中心、及軌旁基礎(chǔ)設(shè)備（LEU、應(yīng)答器等）；車載設(shè)備包括車載ATP設(shè)備、車載ATO設(shè)備、人機(jī)顯示設(shè)備等；信息傳輸設(shè)備包括軌旁通信系統(tǒng)及車地通信系統(tǒng)等。

3.2 RFID在列控系統(tǒng)中的應(yīng)用方式

3.2.1 測(cè)速定位的應(yīng)用

RFID測(cè)速的基本原理是利用車載閱讀器周期性讀取軌道上固定安裝的標(biāo)簽，獲取標(biāo)簽ID，根據(jù)標(biāo)簽ID和車載存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，得到位置，同時(shí)結(jié)合讀取時(shí)間計(jì)算列車速度。

車載閱讀器在讀取標(biāo)簽數(shù)據(jù)的同時(shí)也記錄讀取該標(biāo)簽 的時(shí)間。當(dāng)車載設(shè)備連續(xù)讀取兩個(gè)以上標(biāo)簽時(shí)，即可以通過標(biāo)簽之間的距離差和時(shí)間差計(jì)算列車的速度。

首先，在軌道上均勻安裝信標(biāo)（即電子標(biāo)簽），由于RFID具有唯一識(shí)別的特性和信標(biāo)能夠存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，每一個(gè)信標(biāo)對(duì)應(yīng)不同的編號(hào)同時(shí)存儲(chǔ)該標(biāo)簽位于線路中的位置信息。

其次，在車載設(shè)備中按照信標(biāo)的編號(hào)存儲(chǔ)每一個(gè)信標(biāo)處于線路中的位置。在列車上安裝讀寫器和天線。

當(dāng)列車在軌道上運(yùn)行時(shí)，讀寫器會(huì)讀取到軌道上的信標(biāo)，并且能夠在車載的數(shù)據(jù)中查找出這些標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的線路位置，如圖3所示。

設(shè)T1時(shí)刻列車讀取到標(biāo)簽A1，其在電子地圖中的位置為S1；T2時(shí)刻列車讀取到標(biāo)簽A2，其在電子地圖中的位置為S2，則列車在T2-T1時(shí)間內(nèi)的平均速度為：

V=(S2-S1)/(T2-T1)

如果信標(biāo)鋪設(shè)的間距足夠小以及讀寫器讀取信標(biāo)所花費(fèi)的時(shí)間足夠短，即可認(rèn)為上述速度及為列車的實(shí)時(shí)速度。

3.2.2 列車占用檢測(cè)的應(yīng)用

電子標(biāo)簽RFID方案原理是基于列車通過檢測(cè)點(diǎn)時(shí)阻斷標(biāo)簽讀取機(jī)讀取無源標(biāo)簽信息的方式，類似于紅外線阻斷原理。因電子標(biāo)簽采用無線通信方式，一般的障礙物如樹葉、行人等無法阻斷設(shè)備之間的通信，因此不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成干擾，故可用性較高，如圖4所示。

3.2.3 車次號(hào)追蹤的應(yīng)用

車次號(hào)是ATS系統(tǒng)中用于識(shí)別在線運(yùn)行列車的標(biāo)識(shí)符，是列車進(jìn)路自動(dòng)排列的基礎(chǔ)，是列車運(yùn)行自動(dòng)調(diào)整和實(shí)際運(yùn)行圖自動(dòng)生成的重要條件，是調(diào)度命令實(shí)現(xiàn)的前提，是ATS系統(tǒng)的關(guān)鍵信息，也是實(shí)現(xiàn)城市軌道交通運(yùn)輸管理和指揮真正現(xiàn)代化和智能化的基礎(chǔ)和有力保障。正常運(yùn)行的列車都與1個(gè)車次號(hào)相關(guān)聯(lián)，ATS系統(tǒng)根據(jù)車次號(hào)對(duì)全線列車進(jìn)行自動(dòng)控制及管理列車從車輛段出發(fā)經(jīng)過轉(zhuǎn)換軌獲得車次號(hào)，如果它是計(jì)劃列車則按計(jì)劃運(yùn)行圖自動(dòng)分配一個(gè)車次號(hào)，如果是臨時(shí)加車或計(jì)劃運(yùn)行圖中沒有的車輛，則賦予它一個(gè)非計(jì)劃車次號(hào)。列車到站時(shí)，車次號(hào)會(huì)在對(duì)應(yīng)車次窗內(nèi)顯示；ATS時(shí)刻表比較模塊計(jì)算出早晚點(diǎn)偏差，將調(diào)整計(jì)劃發(fā)送給車載ATO，控制列車出站時(shí)間和站間運(yùn)行時(shí)間；當(dāng)車站倒計(jì)時(shí)為零且進(jìn)路己排列時(shí)，出站信號(hào)機(jī)亮綠燈，指示列車出站。列車到達(dá)折返站時(shí)，ATS按運(yùn)行情況校對(duì)并修改車次號(hào)，使全線列車按計(jì)劃運(yùn)行圖運(yùn)行，車次號(hào)的變化過程如下圖5所示。

車組號(hào)是唯一的，每列車都不同。車次號(hào)、車組號(hào)、目的地號(hào)等構(gòu)成了ATS使用的列車識(shí)別號(hào)。因此可以將車組號(hào)寫入列車上的RFID。

3.2.4 在點(diǎn)式列控系統(tǒng)中的應(yīng)用

在傳統(tǒng)的點(diǎn)式列控系統(tǒng)中，通常采用應(yīng)答器進(jìn)行控制信息的傳輸，應(yīng)答器傳送的信息主要包括兩部分：應(yīng)答器的位置及與此應(yīng)答器相關(guān)的信號(hào)機(jī)狀態(tài)，另有一些鏈接信息等，可以組合不同的包構(gòu)成復(fù)雜的控制命令，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)式信息傳輸下的列車控制。

RFID在點(diǎn)式列控系統(tǒng)中的應(yīng)用可以有如下方式：

利用無源RFID作為絕對(duì)定位信息載體；

利用有源RFID作為移動(dòng)授權(quán)（信號(hào)機(jī)狀態(tài)）的信息載體。

在傳統(tǒng)的點(diǎn)式列控系統(tǒng)中，應(yīng)答器是SIL4級(jí)安全設(shè)備，這是因?yàn)槠涑袚?dān)傳送安全信息的職責(zé)，若信號(hào)機(jī)狀態(tài)等安全信息傳輸錯(cuò)誤，將可能造成列車脫軌或沖撞的風(fēng)險(xiǎn)。RFID很難進(jìn)行歐標(biāo)SIL4的安全認(rèn)證，因此其應(yīng)用方式應(yīng)成為提高安全性的主要手段，例如多個(gè)RFID構(gòu)成一組，進(jìn)行定位信息的傳輸，可以增強(qiáng)接收的可靠性，提高安全性；利用有源RFID進(jìn)行移動(dòng)授權(quán)傳輸時(shí)，也可以使用RFID組進(jìn)行移動(dòng)授權(quán)傳輸，例如只有所有的RFID傳送綠燈信息，才認(rèn)為信號(hào)機(jī)是綠燈等。

典型點(diǎn)式列控系統(tǒng)示意圖見圖6。

4.總結(jié)

基于列控系統(tǒng)本身的高可靠性和安全-故障原則，RFID系統(tǒng)不可能作為主要的列控技術(shù)解決方案，如果一定要做，成本會(huì)大幅上升，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)也會(huì)變得更加復(fù)雜。但在安全性較低的子系統(tǒng)或環(huán)節(jié)，完全可以采用RFID技術(shù)，以提高該子系統(tǒng)的可適用性和易維護(hù)性。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的完善，RFID技術(shù)將會(huì)在車載單元之間的互相通信、有限空間內(nèi)的列車自動(dòng)識(shí)別、以及列車防撞系統(tǒng)中得到更廣泛的應(yīng)用。

[1]吳曉峰,陳大才譯.Klaus Finkenzeller.射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)(第三版)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[2]中華人民共和國建設(shè)部.GB 50490-2009.城市軌道交通技術(shù)規(guī)范[S].2009.