RFID電子標(biāo)簽在鐵路預(yù)制構(gòu)件和原材料管理中的應(yīng)用研究

■ 索寧 王楠 王輝麟 安然

RFID電子標(biāo)簽在鐵路預(yù)制構(gòu)件和原材料管理中的應(yīng)用研究

■ 索寧 王楠 王輝麟 安然

對RFID標(biāo)簽在鐵路工程預(yù)制構(gòu)件和原材料管理的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用進(jìn)行分析和研究。針對鐵路梁場和軌道板場的預(yù)制構(gòu)件和試驗試件的生產(chǎn)過程和信息化管理業(yè)務(wù)需求，以RFID電子標(biāo)簽為媒介，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和數(shù)據(jù)加密技術(shù)實現(xiàn)與鐵路工程建設(shè)管理信息平臺的數(shù)據(jù)互聯(lián)，并通過工程試點實現(xiàn)鐵路預(yù)制構(gòu)件從原材料進(jìn)場、加工、生產(chǎn)、架梁、鋪軌及開通運維等各個階段的全生命周期管理和質(zhì)量溯源。

預(yù)制構(gòu)件和原材料管理；RFID標(biāo)簽；數(shù)據(jù)加密；鐵路工程信息化

1 背景

鐵路工程施工過程中，對原材料、試件、預(yù)制構(gòu)件的管理和生產(chǎn)工藝流程的標(biāo)準(zhǔn)化尤其重要，與工程質(zhì)量息息相關(guān)，傳統(tǒng)的人工監(jiān)督和檢查手段無法適應(yīng)工程信息化的發(fā)展要求，耗費大量的人力和物力，無法嚴(yán)格規(guī)范生產(chǎn)工藝流程，不利于工程進(jìn)度、成本和質(zhì)量水平的提升。

根據(jù)鐵路工程施工特點，結(jié)合信息化和標(biāo)準(zhǔn)化的需求，引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對工程施工中的原材料、試件、預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一管理，同時嚴(yán)格規(guī)范生產(chǎn)工藝流程，讓每個步驟都被有效監(jiān)督，最終實現(xiàn)工程施工的質(zhì)量溯源，保證工程安全、順利完工，并對施工質(zhì)量、施工進(jìn)度、材料質(zhì)量、人員組織、機(jī)具設(shè)備等進(jìn)行全方位的信息化管理，提升施工單位預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)管理水平，優(yōu)化資源配置。

2 RFID電子標(biāo)簽設(shè)計

結(jié)合鐵路工程業(yè)務(wù)需求，將RFID標(biāo)簽的應(yīng)用場景分為預(yù)制構(gòu)件和原材料及試件兩類情況。其中預(yù)制構(gòu)件主要為預(yù)制軌道板和預(yù)制梁；原材料主要為鋼筋，工程試件可分為混凝土同條件養(yǎng)護(hù)時間和水泥抗折抗壓試驗試件兩種。RFID標(biāo)簽在鐵路工程中的應(yīng)用結(jié)構(gòu)見圖1。

預(yù)制梁和預(yù)制板是以鋼筋混凝土為主要結(jié)構(gòu)的預(yù)制構(gòu)件，還應(yīng)考慮RFID標(biāo)簽的工作頻率要求和其他特性，如抗金屬性。另外，對于本次設(shè)計使用的無源RFID標(biāo)簽的壽命也有要求，需要保證在一定的讀寫次數(shù)內(nèi)能有效工作。最后，在構(gòu)件與試件養(yǎng)護(hù)過程對標(biāo)簽的工作性能也提出了具體的環(huán)境要求。具體考慮如下設(shè)計要求：工作參數(shù)要求、安裝要求和性能要求。

2.1 RFID標(biāo)簽的工作參數(shù)要求

2.1.1 用于預(yù)制構(gòu)件的RFID電子標(biāo)簽

由于預(yù)制構(gòu)件為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，故為適應(yīng)工程實際應(yīng)用的要求，RFID標(biāo)簽應(yīng)采用抗金屬標(biāo)簽，確保其固定在預(yù)制構(gòu)件內(nèi)部時可以正常工作，不受鋼筋的影響。為保證讀寫距離，RFID電子標(biāo)簽應(yīng)選用超高頻電子標(biāo)簽，其工作頻率為920～925 MHz。考慮到埋入式的安裝方式，使得標(biāo)簽一旦埋入預(yù)制構(gòu)件將無法取出，故應(yīng)選用無需自帶電池?zé)o源工作方式的標(biāo)簽，且保證正常讀取次數(shù)為20萬次，寫入次數(shù)為10萬次。應(yīng)用在預(yù)制構(gòu)件中抗金屬標(biāo)簽的尺寸不宜過大，根據(jù)C60高強(qiáng)混凝土中骨料的粒徑大小，其厚度應(yīng)不大于為10 mm。電子標(biāo)簽外部封裝為ABS塑料材質(zhì)，采用超聲波焊接，具有耐弱酸弱堿性，可使電子標(biāo)簽在-45～+80 ℃下正常工作，其外觀見圖2。

2.1.2 用于試件表面的RFID電子標(biāo)簽

固定在試件表面的RFID標(biāo)簽可以選擇非抗金屬性標(biāo)簽，由于試件為立方體混凝土或者水泥試件，故可不考慮鋼筋的影響，但需要注意RFID標(biāo)簽的形狀和固定方式，在嵌入試件表面的同時又不對試件的受力結(jié)構(gòu)造成破壞，同時在試件和原材料管理中的RFID標(biāo)簽多為一次性使用，故應(yīng)盡量選擇低成本的標(biāo)簽，工作頻率13．56 MHz，封裝可選擇PVC材質(zhì)，利用四周的支腳與試件固定。試件用RFID標(biāo)簽外觀見圖3。

2.2 RFID標(biāo)簽的安裝要求

RFID標(biāo)簽的固定問題是需要解決的主要問題，為了滿足質(zhì)量溯源的功能要求，RFID標(biāo)簽需要與預(yù)制構(gòu)件或試件結(jié)合在一起，但又不能破壞預(yù)制構(gòu)件或試件的受力結(jié)構(gòu)，以免造成受力能力的喪失，這對標(biāo)簽的外觀有一定的要求。

為適應(yīng)預(yù)制構(gòu)件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同預(yù)制梁和預(yù)制軌道板的不同結(jié)構(gòu)設(shè)計可有效固定于預(yù)制構(gòu)件內(nèi)部的RFID標(biāo)簽外形。標(biāo)簽需安裝在混凝土構(gòu)件內(nèi)部，因為標(biāo)簽對方向性要求較高，故應(yīng)形成有效固定效果，避免在振搗和澆筑過程發(fā)生位置偏移，造成無法讀取的結(jié)果。對于試件表面的RFID標(biāo)簽也要求良好的方向性，可在試件初凝前安裝。（1）固定要求：通過定位孔沿上層非預(yù)應(yīng)力鋼筋縱向綁扎固定，保證標(biāo)簽識別的方向性和澆筑、振搗的固定性；（2）易檢測性：標(biāo)簽安裝位置易于手持終端的檢測和讀寫；（3）安裝位置：軌道板標(biāo)識牌正下方（以軌道板為例，見圖4）。

2.3 RFID標(biāo)簽的性能要求

根據(jù)應(yīng)用場景的不同，標(biāo)簽的性能要求也不同，主要可從標(biāo)簽壽命、工作環(huán)境、讀寫速度、存儲要求和讀寫距離等要求。一般來說預(yù)制構(gòu)件場景中的要求較高，由于其無法更換，故需要保證其性能在規(guī)定時間內(nèi)的有效性，同時通過冗余備份增加標(biāo)簽的使用壽命。（1）讀寫操作：無源電子標(biāo)簽可進(jìn)行10萬次寫操作，20萬次讀操作。（2）工作環(huán)境：滿足溫度沖擊、交變濕熱試驗、振動、IP防護(hù)、電磁兼容性試驗指標(biāo)參數(shù)。（3）標(biāo)簽冗余：預(yù)制構(gòu)件中應(yīng)對電子標(biāo)簽進(jìn)行1+1冗余備份。（4）讀寫速度：標(biāo)簽讀寫速度小于1 s。（5）讀寫率：埋入工程構(gòu)件中的電子標(biāo)簽讀寫成功率為100%。（6）存儲要求：用戶區(qū)512 b，EPC區(qū)96 b，TID區(qū)64 b。（7）讀寫距離：手持終端可在RFID電子標(biāo)簽埋入混凝土構(gòu)件前后正常讀寫，距離滿足相關(guān)技術(shù)要求規(guī)定。

3 功能

滿足鐵路工程信息化和標(biāo)準(zhǔn)化的業(yè)務(wù)需求，結(jié)合預(yù)制構(gòu)件和原材料試件生產(chǎn)量大、質(zhì)量要求高、過程難追溯和不易管理等特點，RFID標(biāo)簽的功能和性能應(yīng)具有如下功能。

3.1 預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)管理與質(zhì)量溯源

對預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)管理主要包括預(yù)制軌道板和預(yù)制梁等基礎(chǔ)構(gòu)件，具有生產(chǎn)量大、應(yīng)用廣、質(zhì)量要求高等特點，通過將RFID電子標(biāo)簽固定在預(yù)制構(gòu)件中，利用其唯一的RFID識別碼實現(xiàn)對預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)流程的規(guī)范化管理。在預(yù)制構(gòu)件每個生產(chǎn)環(huán)節(jié)對RFID標(biāo)簽進(jìn)行配對讀寫，對生產(chǎn)所處的狀態(tài)進(jìn)行標(biāo)記。一般的預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)流程包括鋼筋處理、澆筑、養(yǎng)護(hù)、張拉、管道壓漿、封錨、成品檢查、出庫、使用、維護(hù)等全生命周期進(jìn)行管理，并將相關(guān)的生產(chǎn)單位、施工單位、維護(hù)單位的信息進(jìn)行統(tǒng)計和關(guān)聯(lián)，最終實現(xiàn)質(zhì)量溯源。同時通過數(shù)據(jù)安全加密技術(shù)對RFID內(nèi)部存儲的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行不對稱算法加密處理，保證數(shù)據(jù)交互的安全性和數(shù)據(jù)的嚴(yán)肅性。

3.2 原材料和試驗試件管理

對原材料和試驗試件的管理主要包括鋼筋原材、混凝土養(yǎng)護(hù)試件和水泥抗壓抗折試件等。利用RFID標(biāo)簽對原材料進(jìn)場檢驗、試驗和領(lǐng)用等各個環(huán)節(jié)進(jìn)行質(zhì)量管控，在試件制作初凝前將RFID標(biāo)簽固定在試件表面，在同條件養(yǎng)護(hù)期對試件在高溫、低溫、交變濕熱、振動、試驗等全生命周期進(jìn)行管理，并將相關(guān)的制作人員、制作單位、試驗人員的信息進(jìn)行統(tǒng)計和關(guān)聯(lián)，最終實現(xiàn)質(zhì)量溯源。

4 RFID電子標(biāo)簽在預(yù)制板場中的試點應(yīng)用

2014年9月，在鄭徐客專民權(quán)板場對RFID電子標(biāo)簽在預(yù)制板場中的應(yīng)用進(jìn)行試點，先后完成適合CRTSIII型無砟軌道板RFID標(biāo)簽的設(shè)計、安裝、試驗、調(diào)試、應(yīng)用等工作，共投入500枚RFID標(biāo)簽，全部埋入預(yù)制板中，參與從鋼筋綁扎、入模、澆筑、振搗、養(yǎng)護(hù)、入庫、出庫、鋪設(shè)等全過程的生產(chǎn)，與板場信息化系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)對預(yù)制軌道板的生產(chǎn)管理和質(zhì)量監(jiān)督。

2015年8月至今，在京沈高鐵沈陽段的4個板場完成RFID電子標(biāo)簽的第二次試點工作，對其各項參數(shù)進(jìn)行驗證，修改并最終確定安裝方式、安裝位置和性能參數(shù)，實現(xiàn)在軌道板正式生產(chǎn)過程中的應(yīng)用，完成對軌道板生產(chǎn)過程的信息化管理和質(zhì)量監(jiān)督功能。

4.1 RFID標(biāo)簽的安裝

根據(jù)軌道板的構(gòu)造特點，CRTSIII型無砟軌道板內(nèi)部為雙層鋼筋，RFID標(biāo)簽須固定在上層鋼筋上，同時需要避開接地端子部分，為了檢測的方便，最終把標(biāo)簽的安裝固定位置定在軌道板左右兩側(cè)的標(biāo)識處。

4.2 RFID標(biāo)簽在生產(chǎn)流程管理中應(yīng)用

以軌道板場為應(yīng)用實例，RFID電子標(biāo)簽在生產(chǎn)流程管理中的應(yīng)用包括RFID識別碼初始化、鋼筋綁扎的初步固定、入模、澆筑和振搗、終凝固定、出模、封錨、養(yǎng)護(hù)、入庫、出庫和現(xiàn)場鋪設(shè)等過程，包含了軌道板生產(chǎn)到使用的全部過程。（1）初始化：RFID標(biāo)簽出廠后進(jìn)行的第一次數(shù)據(jù)寫入，包括ID識別碼等基本標(biāo)志信息；（2）鋼筋綁扎：將RFID標(biāo)簽通過鋼絲初步固定在軌道板的上層鋼筋上，要求方向朝向為上，且有效固定；（3）入模：已綁扎標(biāo)簽的鋼筋籠入模工序；（4）澆筑和振搗：對入模后的鋼筋籠進(jìn)行混凝土澆筑，邊澆筑邊振搗，同時確保整個過程中RFID標(biāo)簽不發(fā)生移位；（5）出模：經(jīng)過初凝和終凝階段后，利用龍門吊將軌道板吊起出模；（6）養(yǎng)護(hù)：先后經(jīng)過水養(yǎng)和干養(yǎng)過程；（7）入庫：經(jīng)過養(yǎng)護(hù)后的軌道板入庫，并通過灑水等方式繼續(xù)養(yǎng)護(hù)直至出庫；（8）出庫：一般周期為30 d；（9）使用：軌道板的鋪設(shè)。

5 結(jié)束語

針對鐵路工程預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)流程和原材料管理的標(biāo)準(zhǔn)化、信息化要求，采用射頻識別和信息化技術(shù)相融合方式，以RFID標(biāo)簽作為媒介，通過其內(nèi)部存儲數(shù)據(jù)信息（生產(chǎn)參數(shù)、施工信息、養(yǎng)護(hù)信息和維保信息等）與鐵路梁場或板場信息化系統(tǒng)進(jìn)行交互，實現(xiàn)對預(yù)制構(gòu)件和原材料試件的全生命周期信息化管理和質(zhì)量溯源，從工程源頭對質(zhì)量進(jìn)行有效監(jiān)督和管控，同時對RFID標(biāo)簽內(nèi)部信息進(jìn)行加密，保證數(shù)據(jù)的嚴(yán)謹(jǐn)性和安全性。

RFID標(biāo)簽內(nèi)部數(shù)據(jù)信息通過算法加密，不僅實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互功能，還能實現(xiàn)對預(yù)制構(gòu)件的產(chǎn)能分析、工序管控、質(zhì)量監(jiān)督、數(shù)據(jù)整合、分析處理、綜合統(tǒng)計查詢、圖表展示和安全預(yù)警等功能，并通過對用戶反饋問題的不斷改進(jìn)，逐步滿足鐵路工程建設(shè)業(yè)務(wù)需求，提高業(yè)務(wù)融合程度，為鐵路工程質(zhì)量管理提供信息化支持和系統(tǒng)級的保障。

[1] 中國鐵道科學(xué)研究院． 鐵路工程CRTSIII型板式無砟軌道埋入式電子標(biāo)簽暫行技術(shù)要求[R]，2015．

[2] GB/T 25340—2010 鐵路機(jī)車車輛自動識別設(shè)備技術(shù)條件[S]．

[3] TB/T 3070—2002 鐵路機(jī)車車輛自動識別設(shè)備技術(shù)條件[S]．

[4] GB/T 29768—2013 信息技術(shù) 射頻識別 800～900 MHz空中接口協(xié)議[S]．

索 寧：中國鐵道科學(xué)研究院電子計算技術(shù)研究所，助理研究員，北京，100081

王 楠： 中國鐵道科學(xué)研究院，助理研究員，北京，100081

王輝麟：中國鐵道科學(xué)研究院電子計算技術(shù)研究所，副研究員，北京，100081

安 然：中國鐵道科學(xué)研究院電子計算技術(shù)研究所，工程師，北京，100081

責(zé)任編輯 王志明

U21

A

1672-061X（2015）06-0090-03