沈 鑫

（中鐵四局集團(tuán)電氣化工程有限公司，安徽 蚌埠 233000）

我國(guó)高速公路建設(shè)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，基本形成了覆蓋全國(guó)各級(jí)行政單位的高速公路網(wǎng)絡(luò)，給人民生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)運(yùn)輸帶來(lái)了極大的便利。在高速公路的各組成結(jié)構(gòu)中，隧道是非常特殊的一個(gè)部分。有的隧道是因地質(zhì)結(jié)構(gòu)需要而建設(shè)的，有的隧道是因復(fù)雜公路交錯(cuò)而形成的。但無(wú)論何種原因形成的隧道，其內(nèi)部功能的實(shí)現(xiàn)和近年來(lái)智能化水平的提升都依賴于大量的機(jī)電設(shè)備[1]。正是因?yàn)檫@些機(jī)電設(shè)備的存在，才能確保隧道正常服務(wù)于高速公路，并給通行車輛和駕駛員提供各種信息和安全保障?？梢哉f(shuō)，機(jī)電設(shè)備在高速公路尤其是隧道中扮演了極為重要的角色[2]。一旦這些機(jī)電設(shè)備出現(xiàn)故障，就會(huì)導(dǎo)致高速公路隧道出現(xiàn)部分功能缺失，嚴(yán)重時(shí)甚至威脅高速公路的正常通行[3]。因此，對(duì)高速公路隧道中的機(jī)電設(shè)備進(jìn)行有效監(jiān)控具有十分重要的意義。因?yàn)樗淼肋h(yuǎn)離高速公路監(jiān)控中心，加之最直接的視頻監(jiān)控手段難以實(shí)施，所以電子標(biāo)簽技術(shù)成為一種更可能的技術(shù)手段。該文針對(duì)高速公路隧道機(jī)電設(shè)備的電子標(biāo)簽安裝和測(cè)試等工作進(jìn)行了研究。

1 電子標(biāo)簽的信號(hào)能量傳輸與控制

為了確保高速公路隧道的安全運(yùn)行，對(duì)其中的機(jī)電設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)控和信息傳輸是非常必要的。其中基于無(wú)線射頻的傳輸方案不僅成本低，而且還具有傳輸距離遠(yuǎn)、效果好的優(yōu)勢(shì)。電子標(biāo)簽就是基于無(wú)線射頻傳輸技術(shù)形成的機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控方案。其具體實(shí)施措施是在機(jī)電設(shè)別上配置電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽可以通過(guò)無(wú)線通信同遠(yuǎn)端的閱讀器進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)信息傳輸和狀態(tài)監(jiān)控。

首先來(lái)分析遠(yuǎn)端閱讀器和高速公路隧道中機(jī)電設(shè)備上電子標(biāo)簽的能量傳輸過(guò)程。遠(yuǎn)端閱讀器發(fā)射的信號(hào)是呈球面立體式向外擴(kuò)散的，較遠(yuǎn)距離之外的電子標(biāo)簽?zāi)芙邮盏降男盘?hào)密度的大小可以用公式（1）表示。

式中：Pt代表遠(yuǎn)端閱讀器通過(guò)天線向外發(fā)射的總體功率的大小；Gt代表遠(yuǎn)端閱讀器發(fā)射時(shí)可以達(dá)到的功率增益；r代表高速公路隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備上電子標(biāo)簽與遠(yuǎn)端閱讀器之間的信號(hào)傳輸距離。

在不考慮更多未知干擾的情況下，高速公路隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備上電子標(biāo)簽可以吸收的信號(hào)功率大小可以用公式（2）來(lái)表示。

式中：Ptag代表高速公路隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備上電子標(biāo)簽可以吸收的信號(hào)功率；Pt代表遠(yuǎn)端閱讀器通過(guò)天線向外發(fā)射的總體功率的大?。籊t代表遠(yuǎn)端閱讀器發(fā)射時(shí)可以達(dá)到的功率增益；Gr代表高速公路隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備上電子標(biāo)簽的功率增益；L代表傳輸介質(zhì)中載波的波長(zhǎng)；r代表高速公路隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備上電子標(biāo)簽與遠(yuǎn)端閱讀器之間的信號(hào)傳輸距離。

閱讀器的信號(hào)傳輸距離一般要大于電子標(biāo)簽的信號(hào)傳輸距離，因此二者之間的有效通信距離實(shí)際上取決于電子標(biāo)簽的信號(hào)最大傳輸距離，其計(jì)算如公式（3）所示。

式中：rmax代表高速公路隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備上電子標(biāo)簽的信號(hào)最大傳輸距離；λ代表自由空間中介質(zhì)的波長(zhǎng)；Pt代表遠(yuǎn)端閱讀器通過(guò)天線向外發(fā)射的總體功率的大??；Gt代表遠(yuǎn)端閱讀器發(fā)射時(shí)可以達(dá)到的功率增益；Gr代表高速公路隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備上電子標(biāo)簽的功率增益；Ph代表高速公路隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備上電子標(biāo)簽內(nèi)置芯片的閾值能量；τ代表電子標(biāo)簽天線和內(nèi)置芯片之間的功率傳送的比例。

進(jìn)一步明確高速公路隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備上電子標(biāo)簽的功率增益，其計(jì)算如公式（4）所示。

式中：Dr代表高速公路隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備上電子標(biāo)簽天線功率發(fā)射的方向性；er代表高速公路隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備上電子標(biāo)簽天線功率發(fā)射的輻射效率。

2 高速公路隧道機(jī)電設(shè)備電子標(biāo)簽系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為了增加機(jī)電設(shè)備狀態(tài)信息讀寫(xiě)的機(jī)動(dòng)性和靈活性，在隧道內(nèi)電子標(biāo)簽固定、無(wú)法移動(dòng)的情況下，可以將閱讀器配置在巡檢車上進(jìn)行巡檢。通過(guò)巡檢車的靈活移動(dòng)，增強(qiáng)電子標(biāo)簽信息讀取的靈活性。電子標(biāo)簽和巡檢車載閱讀器進(jìn)行信息傳送時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)影響分析原理圖如圖1 所示。

圖1 電子標(biāo)簽和巡檢車載閱讀器進(jìn)行信息傳送時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)影響原理

圖1 給出了電子標(biāo)簽和閱讀器進(jìn)行通信時(shí)可能受到影響的空間結(jié)構(gòu)。其中最上方的圓弧代表隧道的頂部，隧道頂部中心距離底部形成了隧道最大高度。隧道底部是高速公路的路基，其上是高速公路的路面。整個(gè)高速公路路面被3 個(gè)護(hù)欄分割成左、右兩側(cè)區(qū)域。根據(jù)實(shí)際情況，每側(cè)區(qū)域?qū)?yīng)的路面寬度可供三車并行或兩車并行。3 個(gè)護(hù)欄分別是左側(cè)的波形護(hù)欄、中間的混凝土護(hù)欄和右側(cè)的波形護(hù)欄。

對(duì)我國(guó)公路里程最長(zhǎng)的時(shí)速在120km/h 類型的高速公路，其單車通行路面寬度為3.75m，雙車并行為7.5m，三車并行則為11.25m，同時(shí)要配置3.5m 寬度的緊急停車帶，這樣雙車并行的高速公路路面寬度應(yīng)為10.5m~12m。同樣地，三車并行的單側(cè)路面寬度應(yīng)為14.75m~16m?？紤]隧道內(nèi)容空間較小，路面寬度盡可能取下限值。路面寬度的大小決定了截面上隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備電子標(biāo)簽和巡檢車上閱讀器之間的最短通信距離。巡檢車安裝閱讀器及天線時(shí)還要考慮隧道的最大高度，一般不超過(guò)14m。

隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備電子標(biāo)簽的工作頻率一般可以從3 個(gè)頻率區(qū)間中選擇。1）低頻頻率區(qū)間。這里一般可供選擇的頻率有2 個(gè)，一個(gè)是125kHz，另一個(gè)是135kHz。在這2 個(gè)頻率區(qū)間工作，電子標(biāo)簽基本接近無(wú)源配置，其技術(shù)非常成熟，缺點(diǎn)是有效通信距離很短且可以承載的通信信息量較少。2）高頻頻率區(qū)間。這里的工作頻率范圍一般為1MHz~400MHz。在這個(gè)頻率區(qū)間工作，電子標(biāo)簽也基本接近無(wú)源配置，技術(shù)成熟，閱讀器成本也不高，但安全性相對(duì)較差。3）超高頻頻率區(qū)域。這里的工作頻率一般為400MHz~1GHz。在這個(gè)頻率區(qū)間工作，電子標(biāo)簽可以選擇主動(dòng)和被動(dòng)2 種通信模式，尤其是被動(dòng)通信模式的通信距離可以超過(guò)20m 且能達(dá)到較高的傳輸速率。

接下來(lái)需要對(duì)閱讀器和機(jī)電設(shè)備上電子標(biāo)簽之間的通信模式進(jìn)行設(shè)計(jì)。這里也有2 種選擇，一個(gè)是閱讀器主動(dòng)、電子標(biāo)簽被動(dòng)的通信模式，另一個(gè)是閱讀器和電子標(biāo)簽之間應(yīng)答的通信模式。2 種通信模式的結(jié)構(gòu)框架分別如圖2、圖3 所示。

圖2 閱讀器主動(dòng)、電子標(biāo)簽被動(dòng)通信模式

圖3 閱讀器和電子標(biāo)簽應(yīng)答通信模式

在圖2 所示的閱讀器主動(dòng)、電子標(biāo)簽被動(dòng)通信模式下，閱讀器主動(dòng)讀取電子標(biāo)簽的信息，然后通過(guò)串行通信或TCP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議回傳到遠(yuǎn)程終端或云服務(wù)器，完成整個(gè)信息的讀取。這種模式便于操作，但隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)可能無(wú)法及時(shí)被閱讀器獲悉。

在圖3 所示的通信模式下，電子標(biāo)簽可以主動(dòng)向閱讀器發(fā)出匯報(bào)自身狀態(tài)信息的請(qǐng)求，這樣閱讀器需要配置偵聽(tīng)程序，軟件需求量較大，但在隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備信息的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和上傳方面具有更好的實(shí)時(shí)性。

3 電子設(shè)備標(biāo)簽安裝和性能測(cè)試

隧道機(jī)電設(shè)備大多都具有金屬外殼，因此該文對(duì)電子標(biāo)簽的安裝采用如圖4 所示的方式。

圖4 金屬外殼上的電子標(biāo)簽安裝

從圖4 可以看出，最下方的反45 度剖面線表示的是機(jī)電設(shè)備的金屬基層，其上附著一層吸波材料，再在上方放置電子標(biāo)簽，最后用貼膜或貼紙完成粘貼，從而將電子標(biāo)簽安裝在隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備的金屬外殼表面。這種安裝方式一方面避免了機(jī)電設(shè)備金屬基層可能對(duì)電子標(biāo)簽形成的電磁干擾，另一方面也確保了電子標(biāo)簽安裝的可靠性。

下面對(duì)高速公路隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備安裝電子標(biāo)簽之后的信息傳輸性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 高速公路隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備上電子標(biāo)簽的通信性能測(cè)試

從表1 所示的高速公路隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備上電子標(biāo)簽的通信性能測(cè)試結(jié)果可以看出，該文在3 個(gè)通信頻率區(qū)間內(nèi)選擇了400MHz~1000MHz 的超高頻通信頻率。在700MHz之后，按每隔50MHz 設(shè)置一個(gè)測(cè)試組別。測(cè)試過(guò)程中綜合考慮最高通信準(zhǔn)確率和最大通信距離2 個(gè)參數(shù)，通過(guò)橫向?qū)Ρ瓤梢郧宄匕l(fā)現(xiàn)：1）隨著通信頻率的增加，最高通信準(zhǔn)確率這一指標(biāo)呈現(xiàn)出在波動(dòng)中不斷提升的趨勢(shì)。例如在第一組測(cè)試情況下，通信頻率為400MHz，最高通信準(zhǔn)確率只有88.5%。在第二組測(cè)試情況下，通信頻率增加到500MHz，最高通信準(zhǔn)確率也增加到了90.6%。這種狀態(tài)雖然有所起伏，但當(dāng)通信頻率增加到950MHz 時(shí)，最高通信準(zhǔn)確率達(dá)到了最高的99.8%。2）隨著通信頻率的增加，最大通信距離持續(xù)增加且沒(méi)有波動(dòng)，從400MHz 時(shí)的86m 一直增加到950MHz時(shí)的113m。其中，通信頻率為500MHz 和600MHz 的最大通信距離均為88m，而通信頻率為1000MHz 的最大通信距離為104m，比通信頻率為950MHz 時(shí)的最大通信距離有所下降，這在整個(gè)測(cè)試頻率區(qū)間內(nèi)屬于一個(gè)特例。3）綜合全部數(shù)據(jù)的對(duì)比情況，對(duì)該文的電子標(biāo)簽安裝，采用950MHz 的通信頻率可以同時(shí)得到高速公路隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備信息傳輸?shù)淖罡邷?zhǔn)確率和最大傳輸距離。因此，在實(shí)地的電子標(biāo)簽安裝中也應(yīng)該選擇950MHz 的通信頻率作為工作頻率使用。

4 結(jié)論

隧道在高速公路系統(tǒng)中具有十分重要的地位，并發(fā)揮了提升整個(gè)公路系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)位安全性的重要作用。在高速公路隧道內(nèi)工作的機(jī)電設(shè)備可使公路發(fā)揮更好的功能性和智能性。為了確保隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備工作的穩(wěn)定性和可靠性，該文提出了一種電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)和安裝方法。首先，以電子標(biāo)簽+閱讀器結(jié)構(gòu)分析機(jī)電設(shè)備上電子標(biāo)簽的最大通信距離和可以接收到的閱讀器信號(hào)的大小。其次，對(duì)高速公路隧道內(nèi)的結(jié)構(gòu)配置進(jìn)行了分析，明確了路面寬度、隧道高度對(duì)電子標(biāo)簽性能的影響。再次，將低頻區(qū)域、高頻區(qū)域和超高頻區(qū)域的通信效果進(jìn)行對(duì)比，提供電子標(biāo)簽通信模式可以選擇的依據(jù)。機(jī)電設(shè)備上電子標(biāo)簽安裝和性能測(cè)試結(jié)果顯示：對(duì)于該文的電子標(biāo)簽安裝，采用950MHz 的通信頻率可以同時(shí)得到高速公路隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備信息傳輸?shù)淖罡邷?zhǔn)確率和最大傳輸距離。