李養(yǎng)民 彭朝亮 翟旺勛

1. 鄭萬鐵路客運(yùn)專線河南有限責(zé)任公司 河南 鄭州 450000；2. 通號(hào)工程局集團(tuán)北京研究設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中心有限公司 北京 100070

目前，隨著我國鐵路建設(shè)的高速發(fā)展，施工現(xiàn)場(chǎng)的人員及設(shè)備工具等管理問題日益突出。尤其是新建線路與既有線路交叉施工的情況，涉及鐵路的安全運(yùn)營和運(yùn)輸保障，管理問題更是重中之重。高速鐵路對(duì)檢修使用的工具管理有著嚴(yán)格的要求，在《高速鐵路信號(hào)作業(yè)指導(dǎo)意見》（運(yùn)基信號(hào)[2011]379號(hào)）文件中嚴(yán)格規(guī)定了上道前及下道后必須將工具清點(diǎn)一致后，方可進(jìn)行銷記、交付使用。現(xiàn)在所使用的管理方式多靠人工進(jìn)行清點(diǎn)、確認(rèn)，由于使用工具種類與數(shù)量較多，檢修作業(yè)多在夜間，視野不開闊，再加上人員素質(zhì)參差不齊，所以容易造成清點(diǎn)錯(cuò)誤，這既不利于在施工作業(yè)時(shí)間內(nèi)提升效率，也不利于規(guī)范管理，危及高鐵運(yùn)營安全。

1 智能工具防遺失系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

鐵路施工智能工具防遺失跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)，采用無線射頻標(biāo)簽（RFID）技術(shù)和通信技術(shù)，可將電子標(biāo)簽佩戴在施工人員與攜帶工具上，RFID讀卡器放置在進(jìn)出場(chǎng)處，當(dāng)施工人員進(jìn)場(chǎng)和出場(chǎng)過程中，讀卡器將施工人員攜帶的工具進(jìn)行識(shí)別，同時(shí)將進(jìn)出場(chǎng)核驗(yàn)數(shù)據(jù)上傳到后臺(tái)服務(wù)器，進(jìn)行統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)施工人員及工具設(shè)備的精確盤點(diǎn)，高效規(guī)范。

整個(gè)系統(tǒng)由多個(gè)硬件模塊共同組成，主要分為標(biāo)簽識(shí)別部分和上位機(jī)控制部分。標(biāo)簽識(shí)別部分，單片機(jī)STM32根據(jù)指令操作RFID控制芯片，通過天線識(shí)別電子標(biāo)簽，并將數(shù)據(jù)通過TCPIP協(xié)議傳輸?shù)綗o線網(wǎng)絡(luò)模塊，上傳至上位機(jī)，電池為硬件部分供電[1]。上位機(jī)控制部分，工控機(jī)通過無線網(wǎng)絡(luò)模塊，獲取電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)施工人員及工具的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、統(tǒng)計(jì)查驗(yàn)，并在顯示界面進(jìn)行用戶交互，整個(gè)流程標(biāo)準(zhǔn)化，電源為各個(gè)模塊供電，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)示意圖

1.2 stm32f103zet6最小系統(tǒng)

本系統(tǒng)使用的stm32f103zet6芯片（f103），是ST公司基于Cortex-M3核心的32 位微控制器，LQFP-144封裝。STM32f103芯片作為微處理器（MCU），功能是控制RFID傳感器讀取工具ID信息，并通過TCPIP協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。STM32f103正常使用需要搭建最小系統(tǒng)，包括電源電路、晶振電路和復(fù)位電路等。電源電路是為微處理器供電，其工作電壓為3.3V。電源電路通過LM1117芯片將5V轉(zhuǎn)換為3.3V，調(diào)理濾波后為微處理器供電；電源電路。晶振電路是為微處理器提供時(shí)鐘信號(hào)，選擇8MHz的無源晶振，配合f103芯片內(nèi)部鎖相環(huán)PLL模塊使能，可達(dá)到72MHz的主頻，同時(shí)再分高速時(shí)鐘和低速時(shí)鐘，分配給外設(shè)模塊。復(fù)位按鍵是為保證f103芯片的正常復(fù)位，低電平有效，輸入芯片引腳，使系統(tǒng)到初始狀態(tài)。

1.3 RC522芯片

本系統(tǒng)使用RC522芯片作為高頻RFID控制模塊的核心部分，該芯片需要配合STM32f103微處理器才能對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行讀寫操作。RC522芯片使用調(diào)制、解調(diào)技術(shù)，完成了與電子標(biāo)簽的信息傳遞，其芯片內(nèi)部由數(shù)據(jù)發(fā)送單元、接收單元、數(shù)字處理等組成。發(fā)送器用來給射頻卡發(fā)送信息，接收器用來處理應(yīng)答器傳回的數(shù)據(jù)，數(shù)字電路主要用來處理校驗(yàn)產(chǎn)生的錯(cuò)誤信息。工作原理：電子標(biāo)簽處于天線識(shí)別范圍內(nèi)，接受RC522發(fā)出的射頻信號(hào)后，通過其耦合元件獲得能量，將存儲(chǔ)在內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，RC522讀取數(shù)據(jù)并解調(diào)處理。

RC522芯片硬件電路。芯片引腳與微處理器的IO口進(jìn)行SPI通信，時(shí)鐘由MCU產(chǎn)生。此程序在RC522芯片在出廠時(shí)封裝SPI通信程序，每次工作前都會(huì)檢測(cè)用于SPI通信的5個(gè)管腳來識(shí)別微處理器，檢測(cè)MCU的接口類型。MCU通過MOSI將信息輸送到射頻模塊，射頻模塊通過MISO將信息傳回MCU[2]。

2 智能工具防遺失系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件架構(gòu)

智能工具防遺失系統(tǒng)按照層次結(jié)構(gòu)劃分，可以分為四層結(jié)構(gòu)，這四層分別為數(shù)據(jù)采集層、通信層、控制處理層和顯示層。數(shù)據(jù)采集層，主要通過微處理器控制RFID模塊采集電子標(biāo)簽，得到工具ID信息，并通過W5500以太網(wǎng)模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，包括STM32f103芯片初始化模塊、RFID芯片初始化與數(shù)據(jù)采集處理模塊、W5500芯片初始化與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和SPI數(shù)據(jù)通信協(xié)議模塊；通信層用于上位機(jī)與微處理器的數(shù)據(jù)交互，包括TCP/IP通信初始化模塊、通信數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和通信數(shù)據(jù)接收模塊；控制處理層是上位機(jī)對(duì)工具信息的整理和存儲(chǔ)，包括與RFID控制器進(jìn)行指令上傳模塊、與RFID控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)下載模塊、工具入庫操作識(shí)別模塊、工具出庫操作識(shí)別模塊和數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)模塊；顯示層作為用戶的交互界面，用于操作系統(tǒng)和顯示工具出入檢情況，包含主用戶界面操作與顯示模塊、主用戶界面操作與顯示模塊、工具出庫操作界面、出入庫工具結(jié)果列表數(shù)據(jù)模塊和導(dǎo)出歷史工具結(jié)果模塊。

2.2 上位機(jī)程序功能實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)系統(tǒng)使用C#編程語言，進(jìn)行電子標(biāo)簽信息的統(tǒng)計(jì)、分析處理和施工人員及工具的信息比對(duì)，并在界面進(jìn)行交互操作。運(yùn)行主程序，設(shè)置登陸人員，判斷是否為管理人員，只有管理員具有管理工具信息、管理人員信息和配置系統(tǒng)設(shè)置等權(quán)限，進(jìn)入主系統(tǒng)界面，通過TCPIP配置頁尋找設(shè)備的IP及通訊的端口號(hào)，配置工作模式參數(shù)設(shè)置，然后填寫施工人員和任務(wù)；選擇檢入工具選項(xiàng)，向RFID控制器發(fā)送指令，接收工具ID數(shù)組，進(jìn)行將物品ID、攜帶人員、時(shí)間、檢入地點(diǎn)錄入數(shù)據(jù)庫，并顯示在檢入界面，完成檢入操作；施工結(jié)束后，進(jìn)行檢出工具，向RFID控制器發(fā)送指令，接收工具ID數(shù)組，同將物品ID、攜帶人員等信息與數(shù)據(jù)庫檢入工具對(duì)比，若完全檢出則核查可走出施工區(qū)域，否則進(jìn)行報(bào)警。系統(tǒng)將所有測(cè)試結(jié)果進(jìn)行顯示、分析和保存，支持工具信息檢查結(jié)果查詢、導(dǎo)出和管理[3]。

3 綜合監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

施工作業(yè)進(jìn)場(chǎng)前，施工人員攜帶嵌入電子標(biāo)簽的工具，經(jīng)RFID射頻檢測(cè)識(shí)別后，系統(tǒng)核對(duì)檢測(cè)施工人員信息和工具信息后，方可攜帶經(jīng)授權(quán)許可的工具設(shè)備進(jìn)場(chǎng)施工作業(yè)，管理系統(tǒng)將檢測(cè)信息存儲(chǔ)至后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，以便后續(xù)出場(chǎng)進(jìn)行識(shí)別核驗(yàn)。施工作業(yè)過程中，定位手環(huán)持續(xù)向后臺(tái)服務(wù)器上報(bào)定位信息，監(jiān)控施工人員現(xiàn)場(chǎng)情況。施工作業(yè)完成后，施工人員攜帶工具設(shè)備進(jìn)行出場(chǎng)檢測(cè)識(shí)別，系統(tǒng)將出場(chǎng)檢測(cè)信息與后臺(tái)服務(wù)器中進(jìn)場(chǎng)檢測(cè)信息進(jìn)行對(duì)比，核對(duì)一致后方可出場(chǎng)，否則需進(jìn)行排查與確認(rèn)。當(dāng)出現(xiàn)工具遺失時(shí)，根據(jù)施工人員的實(shí)時(shí)定位，及時(shí)有效地沿施工人員定位軌跡進(jìn)行尋找，高效可靠。施工安全員課攜帶移動(dòng)終端或手機(jī)登錄監(jiān)控平臺(tái)，進(jìn)行施工人員及智能工具設(shè)備可在后臺(tái)管理系統(tǒng)上線監(jiān)控，管理人員可在后臺(tái)監(jiān)控施工作業(yè)情況，后臺(tái)管理人員可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)上報(bào)情況輔助施工人員回收工具設(shè)備。

上位機(jī)界面系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工工具的檢入檢出顯示、分析和保存，同時(shí)支持對(duì)工具結(jié)果歷史查詢、導(dǎo)出和管理。

（1）自動(dòng)化施工進(jìn)出場(chǎng)管理；

（2）施工人員及工具設(shè)備的精確盤點(diǎn)、高效核驗(yàn)；

（3）施工現(xiàn)場(chǎng)的后臺(tái)記錄、統(tǒng)計(jì)查驗(yàn)功能，流程標(biāo)準(zhǔn)化管理；

（4）工具設(shè)備遺失，現(xiàn)場(chǎng)告警提示；

（5）施工情況后臺(tái)數(shù)據(jù)上報(bào)；

（6）施工人員及工具設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控與定位。

智能工具防遺失系統(tǒng)綜合監(jiān)控平臺(tái)具有以下特點(diǎn)：

（1）采用RFID射頻技術(shù)，可快速對(duì)施工人員和攜帶工具進(jìn)行唯一識(shí)別，大大提高數(shù)據(jù)采集的速度。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)1s進(jìn)行20個(gè)工具的同時(shí)檢入檢出操作。

（2）采用后臺(tái)數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理，將多處進(jìn)出場(chǎng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳，統(tǒng)一后臺(tái)管理，方便進(jìn)出場(chǎng)的同時(shí)檢入和檢出。施工過程中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)和后臺(tái)的監(jiān)控，包括工具信息、人員信息、各種借用與歸還記錄以及使用記錄等，這些信息需要使用數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)起來，以便于后期使用。

（3）采用北斗定位設(shè)備，對(duì)人員進(jìn)行定位和監(jiān)控，方便人員管理和軌跡追蹤，在工具遺失后及時(shí)定位[4]。

4 結(jié)束語

智能工具防遺失系統(tǒng)綜合監(jiān)控平臺(tái)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)調(diào)試和試用，將原來進(jìn)場(chǎng)和出場(chǎng)時(shí)間從原來的60分鐘，縮短到10分鐘，大大提高了效率。綜合監(jiān)控平臺(tái)借助多種通信及檢測(cè)方式，實(shí)現(xiàn)施工人員及工具設(shè)備的進(jìn)出場(chǎng)核驗(yàn)，簡(jiǎn)便高效的盤點(diǎn)與記錄工具，同時(shí)結(jié)合北斗定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)的人員的實(shí)時(shí)定位與綜合監(jiān)控，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除運(yùn)營安全隱患，可大大提升作業(yè)效率，防止遺失作業(yè)工具，便于第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)及排除運(yùn)營安全隱患。綜合監(jiān)控平臺(tái)在京津列控改造項(xiàng)目武清段和京張高鐵施工中應(yīng)用，得到了施工企業(yè)和鐵路局的好評(píng)和認(rèn)可。