物聯(lián)網(wǎng)RFID和ZigBee技術(shù)在高鐵列控系統(tǒng)的應(yīng)用研究

莫振棟，趙中華

（1.柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，廣西 柳州 545007；2.桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004）

物聯(lián)網(wǎng)RFID和ZigBee技術(shù)在高鐵列控系統(tǒng)的應(yīng)用研究

莫振棟1，趙中華2

（1.柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，廣西 柳州 545007；2.桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004）

為建設(shè)高鐵列控實(shí)驗(yàn)室，開展課程教學(xué)和企業(yè)職工培訓(xùn)，該文分析物聯(lián)網(wǎng)的RFID和ZigBee技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)和工作原理，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，按照物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架，對照我國高鐵列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)高鐵列車運(yùn)行控制系統(tǒng)，且對查詢應(yīng)答器和無線傳輸模塊等進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，開發(fā)應(yīng)用軟件。通過系統(tǒng)測試，證實(shí)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以廣泛地應(yīng)用于我國高速鐵路列車運(yùn)行控制系統(tǒng)。

物聯(lián)網(wǎng)；列控系統(tǒng)；高速鐵路；RFID技術(shù)；ZigBee技術(shù)

0 引 言

隨著我國高速鐵路的蓬勃發(fā)展，列控系統(tǒng)也不斷提高，從技術(shù)發(fā)展的趨勢看，列控系統(tǒng)是向著數(shù)字化、自動化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展[1]，其主要作用是保證列車行車安全、提高運(yùn)輸效率。

近年來，飛速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)開始被運(yùn)用到全球的各個領(lǐng)域中，如智能工業(yè)、智能農(nóng)業(yè)、智能物流、智能交通、智能電網(wǎng)、智能環(huán)保、智能安防、智能醫(yī)療、智能家居等[2]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的悄然興起，對我國鐵路運(yùn)輸領(lǐng)域也提供了新的挑戰(zhàn)和發(fā)展機(jī)遇。

高速鐵路的發(fā)展需要大量的人才，很多高等院校開設(shè)了高速鐵路信號技術(shù)專業(yè)，需要配套實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備，購買一套完整的列控系統(tǒng)成本較高，耗費(fèi)大量的人力、物力及巨額實(shí)驗(yàn)費(fèi)和維修費(fèi)用，建立高鐵列控系統(tǒng)是解決問題的最有效手段。物聯(lián)網(wǎng)很多關(guān)鍵技術(shù)可以應(yīng)用到高鐵列控系統(tǒng)中，本文應(yīng)用RFID技術(shù)模擬列控系統(tǒng)中的查詢應(yīng)答器，在列車上安裝讀卡

器，列車依靠讀取線路RFID卡片的信息實(shí)現(xiàn)控制列車速度。采用ZigBee技術(shù)模擬列控系統(tǒng)中的無線傳輸模塊，確保沒有列車檢測盲區(qū)，保證列車和地面設(shè)備之間的實(shí)時、大容量和快速地?cái)?shù)據(jù)交換。

1 物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)知識

1.1 物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架

物聯(lián)網(wǎng)大致分為3個層次，底層是用來感知數(shù)據(jù)的感知層，第二層是數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)層，最上面則是內(nèi)容應(yīng)用層。感知層是通過RFID移動終端、M2M終端、匯接節(jié)點(diǎn)、感知節(jié)點(diǎn)等獲取相關(guān)數(shù)據(jù)及信息，以便網(wǎng)絡(luò)的傳輸。網(wǎng)絡(luò)層是從感知層獲取數(shù)據(jù)后，通過各種有線和無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時準(zhǔn)確地傳輸和交換。一般網(wǎng)絡(luò)層的傳輸是通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)模瑪?shù)據(jù)量比較大，而且是長距離傳輸。應(yīng)用層解決的是信息處理和人機(jī)界面的問題，主要是利用經(jīng)過分析處理的感知數(shù)據(jù)，為用戶提供豐富的特定服務(wù)。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 RFID技術(shù)

RFID為物體貼上電子標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)高效靈活管理，是物聯(lián)網(wǎng)最關(guān)鍵的一個技術(shù)。典型的RFID系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、讀寫器和信息處理系統(tǒng)組成。在射頻識技術(shù)（RFID）中要實(shí)現(xiàn)任何物體之間的互聯(lián)就必須給每件物體一個識別編碼，也就是用于身份驗(yàn)證的ID[3]。

1.2.2 ZigBee技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重點(diǎn)之一，而ZigBee則是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的熱門技術(shù)。ZigBee是一種低數(shù)據(jù)速率、短距離的無線技術(shù)，其出發(fā)點(diǎn)是希望發(fā)展一種拓展性強(qiáng)、容易布建的低成本無線網(wǎng)絡(luò)。

無線傳感網(wǎng)是由大量部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的多個、自組織的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通常被用來監(jiān)測在不同地點(diǎn)的物理或者環(huán)境參量，如光、溫度、濕度、聲音、振動、壓力、運(yùn)動或者污染等。它主要是通過各節(jié)點(diǎn)相互協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的監(jiān)測信息，并發(fā)布給觀察者。物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展依賴于終端的大規(guī)模、大范圍的部署，而物聯(lián)網(wǎng)終端的多形態(tài)和泛在化是物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展的特點(diǎn)。

2 高鐵列控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

列車運(yùn)行控制系統(tǒng)是我國鐵路提速線路和客運(yùn)專線保證列車行車安全、提高列車運(yùn)行效率的重要技術(shù)裝備，以有效的技術(shù)手段對列車運(yùn)行速度、運(yùn)行間隔進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和超速防護(hù)；同時能夠減輕司機(jī)勞動強(qiáng)度、改善工作條件，提高乘客舒適度。

2.1 我國高鐵列控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

我國列控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)按鐵路運(yùn)輸管理層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、地面設(shè)備層和車載設(shè)備層配置，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

地面設(shè)備主要有：車站列控中心、軌道電路、點(diǎn)式設(shè)備、GSM-R無線通信模塊、聯(lián)鎖設(shè)備和調(diào)度集中系統(tǒng)等。

車載設(shè)備主要有：車載安全計(jì)算機(jī)、設(shè)備監(jiān)控記錄裝置、測速模塊、安全輸入輸出模塊、點(diǎn)式信息接收模塊、連續(xù)式信息接收模塊、無線通信模塊等。

查詢應(yīng)答器是一種基于電磁耦合原理而構(gòu)成的，高速點(diǎn)式數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，是ATP系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，用于在特定地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)車-地間的數(shù)據(jù)交換，為列車提供ATP所需的各種點(diǎn)式信息，包括進(jìn)路長度、岔區(qū)長度、閉塞分區(qū)長度、坡度、曲線等，確保列車在高速運(yùn)行狀態(tài)下的安全[4]。查詢應(yīng)答器系統(tǒng)包括地面設(shè)備和車載設(shè)備。地面設(shè)備主要包括地面應(yīng)答器；車載設(shè)備包括車載查詢器天線和車載查詢器主機(jī)[5]。查詢應(yīng)答器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 查詢應(yīng)答器結(jié)構(gòu)圖

GSM-R（GSM for railways）無線通信模塊是專門為鐵路通信設(shè)計(jì)的綜合專用數(shù)字移動通信系統(tǒng)，作為系統(tǒng)信息傳輸平臺完成地-車間大容量的信息交換。CTCS-3級列控系統(tǒng)地面子系統(tǒng)和車載子系統(tǒng)之間的信息交換由GSM-R網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，并且列控信息在網(wǎng)絡(luò)中要求安全、可靠、及時地傳遞[6]。系統(tǒng)行車指令由無線閉塞中心（RBC）通過GSM-R網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給列車，車載 ATP設(shè)備按接收到的移動授權(quán)及動車組數(shù)據(jù)，生成速度和目標(biāo)距離控制曲線，控制列車安全運(yùn)行[7]。軌道占用由軌道電路檢測，里程確認(rèn)通過應(yīng)答器完成。

2.2 查詢應(yīng)答器仿真設(shè)計(jì)

早在2001年，RFID技術(shù)就已經(jīng)運(yùn)用在鐵路車號自動識別系統(tǒng)中，成為物聯(lián)網(wǎng)目前在我國鐵路運(yùn)輸領(lǐng)域運(yùn)用最早的成熟典范。該系統(tǒng)主要由車輛標(biāo)簽、地面AEI設(shè)備、車站CPS設(shè)備、列檢復(fù)示系統(tǒng)、鐵路局AEI監(jiān)控中心設(shè)備、標(biāo)簽編程網(wǎng)絡(luò)等部分組成。

RFID技術(shù)可用于模擬查詢應(yīng)答器，包括有源和無源應(yīng)答器，是一種突破性技術(shù)。采用RFID模擬查詢應(yīng)答器具有以下優(yōu)勢：可以識別單個的非常具體的物體；其采用無線電射頻，可以透過外部材料讀取數(shù)據(jù)；同時對多個物體進(jìn)行識讀；儲存信息量也非常大。這些技術(shù)特點(diǎn)完全符合模擬應(yīng)答器的要求，在沙盤線路的中央間隔一段距離設(shè)置RFID卡片，寫入限制速度、線路參數(shù)等列車運(yùn)行需要的信息[8]，在列車上安裝讀卡器，列車依靠讀取線路的RFID卡片的信息實(shí)現(xiàn)控制列車速度。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.3 無線傳輸模塊仿真設(shè)計(jì)

由于高鐵仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是在沙盤上實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸距離較短，可以采用ZigBee作為無線傳輸模塊[9-10]。因?yàn)閆igBee具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、功耗低、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大、時延短、安全、工作頻段靈活、雙向傳輸、感應(yīng)功能和傳輸可靠等特點(diǎn)，在沙盤上合適的位置布設(shè)ZigBee接點(diǎn)，需要經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)的優(yōu)化，確保沒有列車檢測的盲區(qū)，保證列車和地面設(shè)備之間的實(shí)時、大容量和快速地?cái)?shù)據(jù)交換。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.4 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

高鐵列控系統(tǒng)涉及很多軟件設(shè)計(jì)，要靈活應(yīng)用各種編程語言實(shí)現(xiàn)功能，如做界面采用VB.NET語言，網(wǎng)絡(luò)編程采用C#語言，應(yīng)用程序采用Visual C++語言[11]，可以加入少量的匯編和C語言，這種方法會帶來開發(fā)工具的不統(tǒng)一以及更新的不便，所以有必要將控件的源代碼升級為統(tǒng)一的源代碼，以便在相同的平臺下開發(fā)軟件，便于修改和調(diào)試。控件重用作為代碼重用性的一個實(shí)現(xiàn)方式，是一種可執(zhí)行代碼的重用技術(shù)，是軟件代碼資源重用技術(shù)的一個重要進(jìn)展。通過重用控件，程序開發(fā)人員不必再為實(shí)現(xiàn)控件已經(jīng)具備的功能進(jìn)行重復(fù)性的開發(fā)，可以有效地壓縮任務(wù)。所以在高鐵列控系統(tǒng)應(yīng)用軟件開發(fā)過程中要注意運(yùn)用空間重用技術(shù)。車載ATP速度控制軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

2.4.1 界面設(shè)計(jì)

高鐵仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的調(diào)度、監(jiān)控、聯(lián)鎖等界面部分，需要繪制現(xiàn)場圖，以模擬現(xiàn)場環(huán)境，要求達(dá)到與實(shí)際系統(tǒng)95%以上相似程度的仿真效果。基于實(shí)際高鐵列控系統(tǒng)工作站界面的構(gòu)成元素類型集中、數(shù)量眾多、有各自的屬性和規(guī)則且相對較獨(dú)立的特點(diǎn)，將界面各個不同的元素制作成為獨(dú)立的控件。主要

元素有軌道、道岔、信號機(jī)等。將這些元素分別編寫為獨(dú)立的控件能使整個系統(tǒng)界面部分組裝方便快捷，而且能使界面部分獨(dú)立于系統(tǒng)其他模塊，控件代碼的編寫，要求逼真模擬高鐵列控系統(tǒng)的界面。

圖3 模擬查詢應(yīng)答器設(shè)計(jì)圖

圖4 無線傳輸模塊設(shè)計(jì)圖

圖5 車載ATP速度控制軟件設(shè)計(jì)流程圖

2.4.2 數(shù)字I/O模塊的仿真

由于高鐵列控系統(tǒng)是虛擬的系統(tǒng)，需要大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持，如軌道電路區(qū)段狀態(tài)、道岔位置、信號機(jī)顯示等，實(shí)際設(shè)備不可能完全一致，需要用軟件仿真數(shù)字I/O模塊模擬設(shè)備的采集和監(jiān)控。

2.5 高鐵列控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)

高鐵列控系統(tǒng)的終端設(shè)備都需要以某種方式連接起來，發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，考慮到方便性（需要數(shù)據(jù)線連接）、信息基礎(chǔ)設(shè)施的可用性以及列車和線路需要實(shí)時監(jiān)控，因此移動網(wǎng)絡(luò)將是最主要的接入手段，物聯(lián)網(wǎng)在感知層獲得大量數(shù)據(jù)后要進(jìn)行遠(yuǎn)距離的傳輸[12]。實(shí)現(xiàn)不同終端的互聯(lián)互通就要借助于互聯(lián)網(wǎng)；同樣，在高鐵列控系統(tǒng)中，需要互聯(lián)網(wǎng)連接終端設(shè)備，保證信息有序正確的流送。

3 系統(tǒng)測試

模擬駕駛臺設(shè)置在沙盤軌道旁，模型列車的速度、位置、目標(biāo)速度、目標(biāo)距離、線路參數(shù)等數(shù)據(jù)通過ZigBee模塊傳輸?shù)侥M駕駛臺，車載ATP系統(tǒng)采用可視化編程，經(jīng)過算法運(yùn)算，得到列車的控制曲線和列車當(dāng)前的控制速度，實(shí)現(xiàn)ATP列車超速防護(hù)，沙盤線路、列車速度等數(shù)據(jù)經(jīng)過比例放大，系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)如表1所示。本仿真采用法國TGV-2N列車為參考模型，參數(shù)如下：

（1）G：常用制動平均減速度，在上坡度為3‰時為0.8m/s2。

（2）常用制動距離計(jì)算公式為

Applying RFID and ZigBee technology of IOT in high-speed railway train control system

MO Zhen-dong1，ZHAO Zhong-hua2
（1.Department of Electronic Engineering，Liuzhou Railway Vocational Technical College，Liuzhou 545007，China；2.College of Information and Communication，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China）

In order to build high-speed railway train control laboratories，carry out course teaching and train corporate staff，this article analyzes the key technology of Internet of things RFID technology，ZigBee technology and the principle of work，conjugating networking technology application status and according to the architecture of Internet of things and the control of Chinese high-speed railway train operation control system structure，designs the operation of highspeed railway train control simulation system，the simulation of Balise and wireless transmission module，and develops application software.By testing the system，it verifies that the technology will be widely used in the high-speed railway train operation control system in our country.

internet of things；train control system；high-speed railway；RFID technology；ZigBee technology

U292.91+4；U264.91+1；TP391.45；TP393.71

：A

：1674-5124（2014）01-0097-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.01.025

2013-06-30；

：2013-08-19

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（60872022）廣西教育廳立項(xiàng)項(xiàng)目（200808LX019）

莫振棟（1973-），男，廣西陽朔縣人，副教授，碩士，研究方向?yàn)殍F道信號自動控制。