基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速鐵路綜合維修物流監(jiān)控系統(tǒng)

張志榮,劉迪，劉軍

(1.大連交通大學(xué) 管理學(xué)院,遼寧 大連 116028;2.哈爾濱鐵路局 電務(wù)處,黑龍江 哈爾濱 150001)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速鐵路綜合維修物流監(jiān)控系統(tǒng)

張志榮1,劉迪2，劉軍1

(1.大連交通大學(xué) 管理學(xué)院,遼寧 大連 116028;2.哈爾濱鐵路局 電務(wù)處,黑龍江 哈爾濱 150001)

提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速鐵路綜合維修物流作業(yè)管理流程及監(jiān)控系統(tǒng)組成，并對該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)問題即多閱讀器碰撞問題進(jìn)行了Matlab仿真實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)，研究結(jié)果表明利用概率功率控制算法的閱讀器，在閱讀器5臺以下的情況，高鐵綜合維修物流監(jiān)控系統(tǒng)多閱讀器可利用嵌入式軟件監(jiān)控范圍超過3.5 m,可達(dá)到比較理想的狀態(tài)，保證了該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的可行性.

高速鐵路；物聯(lián)網(wǎng)；維修物流監(jiān)控；Matlab仿真

0 引言

截止到2012年底，中國投入運(yùn)營的高鐵總里程達(dá)到8千多公里.另有1萬多公里的高速鐵路正在建設(shè)中,不僅總里程位居世界第一，投入運(yùn)營的高鐵里程也居世界第一，鐵路科技創(chuàng)新水平也明顯提高.王夢恕院士提到了高鐵運(yùn)營的三大問題：“柔性”接觸網(wǎng)、輪軌及信號系統(tǒng)及壯觀的維護(hù)大軍[1]，高鐵線路的維護(hù)安全管理尤為其重要問題.日本、法國、德國普遍采用二、三級分級管理模式，即：總局、地區(qū)局、綜合維修段,我國采用的是管檢修分開模式[2].目前信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過對物流信息的采集、傳輸、加工、共享、傳輸?shù)龋沟眯畔?yīng)用更廣泛地成為控制、決策的依據(jù)和基礎(chǔ).高鐵維修管理的信息化可采用工務(wù)、電務(wù)、供電綜合管理模式，實(shí)現(xiàn)維修的實(shí)時管理[3].基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速鐵路綜合維修物流監(jiān)控系統(tǒng)，旨在通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，保障高鐵封閉線路內(nèi)作業(yè)狀態(tài)的監(jiān)督及施工作業(yè)完畢后的線路安全，對進(jìn)入高速鐵路封閉線路內(nèi)的人員、物料、工具實(shí)行高效的監(jiān)管，通過實(shí)時的信息化管理，確保高速鐵路封閉線路開關(guān)狀態(tài)實(shí)時監(jiān)控以及作業(yè)結(jié)束后無人員遺留、無物料遺漏在防護(hù)柵欄內(nèi)，為高鐵安全行車提供保障.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速鐵路綜合維修物流監(jiān)控系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為核心，建立一套硬軟件相結(jié)合的完整的線路維修物流監(jiān)控體系.系統(tǒng)由設(shè)備標(biāo)簽(無源電子標(biāo)簽、二維碼)、小件零件電子貨箱、作業(yè)通道門禁識別器、材料庫出庫門禁識別器、手持終端機(jī)、無源電子標(biāo)簽遠(yuǎn)距離讀寫器、中繼器、數(shù)據(jù)傳輸信道、傳輸接口及高速鐵路綜合維修物流監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控軟件組成[4].

主要工作原理：上位機(jī)將維修或搶修作業(yè)書傳輸至手持終端、作業(yè)通道門禁識別器、材料庫出庫門禁識別器，給出材料庫出庫、上道許可憑證(無源標(biāo)簽或二維碼)、上道人員、物料數(shù)量等信息.

上道人員、物料、工具、儀器儀表佩戴標(biāo)識其身份的無源電子標(biāo)簽，通過材料庫門禁識別器、作業(yè)通道門禁識別器時自動登記，也可通過手持終端機(jī)進(jìn)行登記.識別器將接收到的所有信息傳至上位機(jī)記錄留存.如發(fā)現(xiàn)與上位機(jī)傳至的相應(yīng)數(shù)據(jù)有差異時，識別器發(fā)出聲光報(bào)警.通道門禁識別器控制電子門的開、關(guān)，數(shù)據(jù)相同方能實(shí)現(xiàn)電子門的開、關(guān).

手持終端機(jī)內(nèi)存有門禁標(biāo)識二維碼，可單獨(dú)操作電子門.另手持終端機(jī)還可記錄上道人員行進(jìn)軌跡，下道時如發(fā)現(xiàn)有物料遺留，可依軌跡尋找.作業(yè)通道門禁識別器設(shè)有兩臺無源電子標(biāo)簽遠(yuǎn)距離讀寫器，標(biāo)識方向.

上位機(jī)、材料庫門禁識別器、作業(yè)通道門禁識別器相互通訊.

鐵路局管內(nèi)調(diào)度所、各火車站、公安部門及高鐵各級維修部門可通過公共通訊網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，實(shí)時了解工作人員、物料及工具的在線狀況.

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

物流監(jiān)控系統(tǒng)的研制所涉獵的領(lǐng)域較廣，主要有：高速鐵路綜合維修物流監(jiān)控作業(yè)管理流程、無線識別與傳輸技術(shù)、條碼技術(shù)、嵌入式軟件、電子電路、物流監(jiān)控作業(yè)管理軟件等.

2.1 物流監(jiān)控作業(yè)管理流程

結(jié)合鐵路維修相關(guān)管理制度[5]，高速鐵路綜合維修物流監(jiān)控作業(yè)管理流程如下：

(1)下達(dá)維修或搶修命令，并下達(dá)同意上道命令;

(2)根據(jù)路局調(diào)度所下達(dá)維修或搶修命令，給出需要上道人員、物料數(shù)量建議，同時要求作業(yè)人員進(jìn)行內(nèi)容校核、確認(rèn);

(3)將維修或搶修作業(yè)書通過無線或有線網(wǎng)絡(luò)傳輸至手持終端、作業(yè)通道門禁識別器、材料庫出庫門禁識別器，給出材料庫出庫、上道許可憑證(無源標(biāo)簽或二維碼等)、上道人員、物料數(shù)量等信息；

(4)按照手持終端接收信息，對小型工具、材料進(jìn)行裝箱并配帶標(biāo)識貨箱身份的無源電子標(biāo)簽，并通過手持終端掃描確認(rèn);

(5)作業(yè)人員、大型物料、各種工具儀器儀表單獨(dú)配有標(biāo)識身份的無源電子標(biāo)簽;

(6)攜帶電子標(biāo)簽的作業(yè)人員、大型物料、各種工具儀器儀表、工具箱，從車間、工區(qū)材料庫出庫時，經(jīng)過材料庫門禁識別器應(yīng)自動登記，也可通過手持終端進(jìn)行出庫登記.所有信息傳至遠(yuǎn)程終端記錄留存.如發(fā)現(xiàn)與上位機(jī)傳至的維修或搶修作業(yè)書有差異時，材料庫門禁識別器發(fā)出聲光報(bào)警;

(7)作業(yè)通道門禁識別器需對手持終端存儲的上道許可憑證進(jìn)行掃描，信息正確后方可打開通道門，同時對進(jìn)入線路的人員、物料自動進(jìn)行上道登記，也可使用手持終端進(jìn)行上道登記.所有信息傳至遠(yuǎn)程終端記錄留存，遠(yuǎn)程終端將記錄的人員和物料信息再發(fā)至相關(guān)作業(yè)通道門禁識別器;

當(dāng)發(fā)現(xiàn)預(yù)進(jìn)入物料無材料庫門禁識別器登記物料時，發(fā)出報(bào)警信息.

作業(yè)通道門禁識別器設(shè)有A、B兩個遠(yuǎn)距離讀寫器，依據(jù)A、B順序方能打開上道作業(yè)門.

(8)作業(yè)通道門禁識別器在作業(yè)時間到達(dá)時給出聲光提示，對時間結(jié)束前未撤離線路的人員、物料給出告警，同時對撤離線路的人員、物料自動進(jìn)行下道銷記，也可通過手持終端進(jìn)行下道銷記.所有信息傳至遠(yuǎn)程終端記錄留存;

如發(fā)現(xiàn)與上位機(jī)傳至的上道人員和物料信息有差異時，作業(yè)通道門禁識別器發(fā)出聲光報(bào)警.

作業(yè)通道門禁識別器設(shè)有C、D兩個遠(yuǎn)距離讀寫器，依據(jù)C、D順序方能打開上道作業(yè)門.

(9)攜帶電子標(biāo)簽的作業(yè)人員、大型物料、各種工具儀器儀表、工具箱，從車間、工區(qū)材料庫出庫時，經(jīng)過材料庫門禁識別器應(yīng)自動登銷記，也可通過手持終端進(jìn)行入庫銷記.所有信息傳至遠(yuǎn)程終端記錄留存;

(10)可通過手持終端GPS定位功能對走行徑路進(jìn)行跟蹤記錄;

(11)單次作業(yè)結(jié)束.

2.2 物流監(jiān)控作業(yè)管理軟件功能分析

高速鐵路綜合維修物流監(jiān)控系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為核心，電子識別為基礎(chǔ)，建立一整套軟硬件相結(jié)合的完整的監(jiān)控體系，實(shí)現(xiàn)對高速鐵路綜合維修物流的全程實(shí)時跟蹤和智能化管理[4].主要功能是實(shí)現(xiàn)從維修指令下達(dá)到維修結(jié)束各環(huán)節(jié)的信息共享.系統(tǒng)的基本功能如圖1所示.

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速鐵路綜合維修物流監(jiān)控作業(yè)管理軟件的功能模塊有：系統(tǒng)管理；標(biāo)簽管理；識別器管理；報(bào)警處理；調(diào)度指揮管理；在線物流管理；出、入庫門禁管理；上、下線門禁管理.

系統(tǒng)管理：登錄控制和數(shù)據(jù)備份.

標(biāo)簽管理：標(biāo)簽注冊和標(biāo)簽注銷.

識別器管理：識別器注冊和識別器注銷.

報(bào) 警處理：報(bào)警查詢和解除報(bào)警.

調(diào)度指揮管理：終端信息管理；任務(wù)級別、種類；動車線狀態(tài)；人員及材料信息；信息比對報(bào)警.

在線物流管理：在線人員；人員定位跟蹤；在線時間；在線時間越限報(bào)警；在線物流軌跡回放.

出、入庫門禁管理：出、入庫地點(diǎn)；出、入庫時間；出、入庫人員；出、入庫材料；出、入庫信息比對報(bào)警.

上、下線門禁管理：上、下線地點(diǎn)；上、下線時間；上、下線人員；上、下線材料；上、下線信息比對報(bào)警.

圖1 監(jiān)控作業(yè)管理軟件功能模塊圖

3 多閱讀器件的信息碰撞問題

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速鐵路綜合維修物流監(jiān)控系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為核心，建立一套硬軟件相結(jié)合的完整的線路維修物流監(jiān)控體系.涉獵的領(lǐng)域較廣，其核心問題主要包括3個方面的問題：高速鐵路綜合維修物流監(jiān)控作業(yè)管理流程、RFID標(biāo)簽與多閱讀器件的信息碰撞問題及多閱讀器信息碰撞問題.高速鐵路綜合維修物流監(jiān)控作業(yè)管理流程本文2.1部分已論述，RFID標(biāo)簽與多閱讀器件的信息碰撞問題可用曼徹斯特算法及巡檢輪回工作方式解決[4].

目前，解決多閱讀器信息碰撞問題的方法主要采用協(xié)調(diào)計(jì)劃算法和功率控制算法[5].文中討論了采用概率功率控制算法來解決多閱讀器的碰撞問題.這些研究都限于5臺以上閱讀器的碰撞問題研究.高鐵綜合維修物流監(jiān)控系統(tǒng)多閱讀器主要集中在線路出入口，閱讀器多在2～5臺.根據(jù)概率功率控制算法理論，本文對2～10臺閱讀器的概率功率控制算法的防碰撞算法在MATLAB中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn).最后，利用現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對理論進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證.

3.1 2～10臺閱讀器的概率功率控制算法MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)

仿真環(huán)境在Matlab中建立,閱讀器功率按照ISO15693標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定0～30 dB,門限信噪比為12 dB.多個閱讀器采用隨機(jī)分布網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),閱讀器間的最小距離分別為3.5 m,閱讀器個數(shù)從2～10.假設(shè)多閱讀器環(huán)境下期望的閱讀范圍為2.5 m.仿真結(jié)果如圖2所示.

β分布的概率密度分布圖如圖2所示,改變α和β參數(shù),可以控制功率分布來達(dá)到期望的閱讀范圍分布.

圖2 閱讀器功率β分布

閱讀器間的最小距離為3.5m時的閱讀距離仿真結(jié)果如圖3所示.

圖3 閱讀器間的最小距離為3.5 m時的閱讀距離

從仿真結(jié)果可以看出,利用概率功率控制算法的閱讀器閱讀距離一般都要比沒采用算法的閱讀距離要大,提高了閱讀器的讀寫范圍.同一網(wǎng)絡(luò)下,閱讀器的讀寫功率范圍分布為β(2,2)、β(4,4)、β(5,5).針對閱讀器5臺以下的情況，閱讀器間最小距離為2.6～3.2m之間，由此，高鐵綜合維修物流監(jiān)控系統(tǒng)多閱讀器可利用嵌入式軟件監(jiān)控范圍超過3.5m,可達(dá)到比較理想的狀態(tài).

3.2 物流監(jiān)控系統(tǒng)試驗(yàn)

針對多閱讀器信息碰撞問題，利用“基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速鐵路綜合維修物流監(jiān)控系統(tǒng)”的各種裝置及相應(yīng)的上位機(jī)軟件，在哈局雙城北高鐵線路出入口進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，閱讀器采用概率功率控制算法.

現(xiàn)場試驗(yàn)?zāi)康模簻y試多閱讀器的信息碰撞.

試驗(yàn)設(shè)備及系統(tǒng)布置：現(xiàn)場試驗(yàn)設(shè)備明細(xì)表見表1.

現(xiàn)場試驗(yàn)在哈局雙城北高鐵線路出入口進(jìn)行，現(xiàn)場試驗(yàn)設(shè)備布置簡圖如圖4.

表1 現(xiàn)場試驗(yàn)設(shè)備明細(xì)表

圖4 哈局雙城北高鐵線路出入口現(xiàn)場試驗(yàn)設(shè)備布置簡圖

試驗(yàn)方法：

保持RFID遠(yuǎn)距離讀卡器間距離大于7 m，分別將20、30、40、50張UHF-RFID無源遠(yuǎn)距離特種標(biāo)簽貨物電子標(biāo)簽置于貨箱內(nèi)，作業(yè)人員分4組，沿高鐵維修通道及線路反復(fù)通過10次，上位機(jī)軟件分別記錄20、30、40、50張UHF-RFID無源遠(yuǎn)距離特種標(biāo)簽貨物電子標(biāo)簽識別效果.

試驗(yàn)結(jié)果表明均無漏讀電子標(biāo)簽信息狀況發(fā)生.

4 結(jié)論

本文針對我國高速鐵路綜合維修物流管理狀況，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速鐵路綜合維修物流作業(yè)管理流程及監(jiān)控系統(tǒng)組成，并對該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)問題多閱讀器碰撞問題進(jìn)行了Matlab仿真實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)，研究結(jié)果證明利用了概率功率控制算法的閱讀器，在閱讀器5臺以下的情況，閱讀器間最小距離為2.6～3.2 m之間，高鐵綜合維修物流監(jiān)控系統(tǒng)多閱讀器可利用嵌入式軟件監(jiān)控范圍超過3.5 m,可達(dá)到比較理想的狀態(tài)，保證了該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的可行性.

[1]王夢恕.三大系統(tǒng)故障可能成為京滬高鐵常見問題[EB/OL].[2011-07-13].http://www.zwhighway.com/news_show.asp?id=1875.

[2]陳東生.中國高速鐵路工務(wù)維修管理模式研究[J].鐵道建筑,2012(5)：129- 133.

[3]高文.高速鐵路檢測、維修管理信息化研究[J].企業(yè)家天地,2009(10)：110- 112.

[4]張志榮.基于RFID鐵路物流系統(tǒng)電子識別技術(shù)研究[J].大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32(1)：139- 140.

[5]CHA K,RAMACHANDRAN A,JAGANNATHAN S.Decentralized Power Control with Implementation for RFID Networks[C]//IEEE Conference on Decision and Control，2006:1858- 1863.

High Speed Railway Integrated Maintenance Logistics Monitoring System based on the Internet Things Technology

ZHANG Zhirong1,LIU Di2,LIU Jun1

(1.School of Management,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China;2.Harbin Railway Bureau Electric Department,Harbin 150001,China)

A high-speed railway comprehensive maintenance logistics operation management processes and control system are presented based on networking technology,and the system to achieve the key technical more reader collision issues matlab is simulatied and tested.Research results show that using the probability reader power control algorithm when the reader units are less than 5,the high speed rail integrated maintenance logistics monitoring system with multi-reader monitoring and embedded software can be used more than 3.5 m,to ensure the feasibility of the implementation of the system.

high speed railway;internet of things;maintenance logistics monitoring;matlab simulation

1673- 9590(2015)01- 0092- 05

2014- 02- 15

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013X009-B)

張志榮(1962-),男,教授，碩士，主要從事物流工程的研究

E-mail:rory_zhang@dl.cn.

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