鐵路工程埋入式射頻識別電子標簽技術標準和應用研究

安 然，王輝麟，邵 磐

（中國鐵道科學研究院 電子計算技術研究所，北京 100081）

鐵路工程埋入式射頻識別電子標簽技術標準和應用研究

安 然，王輝麟，邵 磐

（中國鐵道科學研究院 電子計算技術研究所，北京 100081）

分析和研究鐵路工程埋入式射頻識別（RFID）電子標簽的技術標準和應用。針對CRTSIII型軌道板的生產過程管理和質量溯源等業務需求，以埋入式RFID電子標簽為載體，利用信息化技術和數據安全技術，實現對RFID電子標簽的標準化管理。埋入式RFID電子標簽與預制軌道板的生產過程環節緊密結合，將軌道板信息和生產過程信息與鐵路工程管理信息平臺數據互聯。設計了適用于鐵路工程的埋入式RFID電子標簽，制定了標準化管理辦法，實現了從原材料進場、生產、入庫、鋪設及運營等各個階段的全生命周期管理和質量溯源。

埋入式RFID電子標簽；標準化管理辦法；初始化一體機；EPC編碼；質量溯源

目前，鐵路工程建設速度提升的同時，對工程質量的關注也越來越多。施工質量是鐵路工程建設的重要環節和堅實基礎，是鐵路開通運行的質量保障，需要進一步得到重視。以鐵路預制軌道的生產為例，其在機械化、專業化的生產管理方面已經有了成熟的標準和生產工藝流程，但在生產質量控制方面，尚未實現生產全過程的信息化管理和質量溯源。

鐵路工程預制軌道板生產場目前只有在全自動數控張拉、全數控鋼筋加工等個別幾個工序上采用了信息化手段，對工程信息化，尤其是生產過程控制信息化的推廣未能進一步有效展開。在鐵路工程施工過程中，從原材料進場到軌道板生產的各個環節都應對生產過程進行管理，對質量進行監控。因此，利用信息化技術，引入標準化過程尤其重要，與工程施工質量緊密相關。

1 鐵路工程射頻識別電子標簽技術標準

1.1 鐵路工程射頻識別電子標簽

鐵路工程射頻識別（RFID）電子標簽作為信息載體，為每個軌道板提供全路唯一的“身份證”，對RFID電子標簽內部的電子產品代碼（EPC）區域進行統一編碼（即電子標簽的初始化和發行過程）。使得軌道板從鋼筋綁扎階段開始，就與RFID電子標簽結合為一體，記錄軌道板生產的各個環節，與板場信息化軟件配合，完成軌道板號、標簽號的“兩號合一”，實現軌道板生產過程的監控和軌道板信息的統一上傳。

RFID電子標簽將軌道板生產管理過程和信息化手段聯系在一起，因此，為了規范鐵路工程RFID電子標簽的設計、生產、檢驗、驗收及使用，特研究制定了CRTSIII型板式無砟軌道埋入式電子標簽的技術標準，包括術語定義、技術要求、試驗方法、檢驗規則，以及標志、包裝、運輸和貯存等要求。

CRTSIII型軌道板是以鋼筋混凝土為主要結構的預制構件，還應考慮RFID標簽的工作頻率要求和其他特性，如：抗金屬性和防翻轉性。同時，埋入式軌道板內的RFID電子標簽應采用無源標簽以防止對鐵路其他系統的干擾，應能確保在一定的讀寫次數內有效工作，標簽在進行初始化EPC編碼后應具備防篡改的功能。具體考慮如下技術標準：RFID芯片和封裝要求、安裝要求和性能要求。

1.2 RFID芯片和封裝要求

1.2.1 RFID芯片要求

（1）工作環境

由于預制軌道板為鋼筋混凝土結構，RFID電子標簽需固定在軌道板內鋼筋處，故為適應工程實際應用和工作環境的要求，RFID標簽應具有抗金屬性能，并使用小外形封裝（SOT）形式。在背靠鋼筋時具有更遠的識別距離，保證其在軌道板內部時正常工作不受鋼筋屏蔽的影響。同時，標簽內芯片應適應軌道板室外工作環境，保證其在-45℃～+80℃下正常工作，在-50℃～+85℃下，應保證數據完整性。

（2）工作頻率和工作方式

為保證軌道板生產過程中的多次讀寫環節，RFID電子標簽應選用超高頻電子標簽，其工作頻率為920～925 MHz，從而擴大其被識別的距離范圍。考慮到埋入式的安裝方式，標簽一旦埋入預制構件將無法取出，故應選用無需自帶電池的無源工作方式的標簽，且保證正常讀取次數為20萬次，寫入次數為10萬次。同時，RFID芯片存儲應符合以下要求：（1）用戶存儲區為512 bit。（2）EPC區為96 bit。（3）標簽識別號（TID）區為64 bit。（4）保留區為64 bit。

1.2.2 RFID電子標簽封裝要求

RFID電子標簽需采用ABS塑料作為封裝材料且不應使用再生ABS塑料，采用超聲波焊接，具有耐弱酸弱堿性和較低的熱膨脹系數。同時，根據C60高強混凝土中骨料的粒徑大小，應用在CRTSIII軌道板中抗金屬標簽的尺寸不宜過大否則會阻礙粗骨料流動，影響混凝土的結構強度。因此，RFID電子標簽封裝的厚度應不大于10 mm。另外，為加強電子標簽安裝的穩固性，封裝外形需設計成具備防翻轉功能的結構，有效固定在軌道板內部鋼筋上，保證標簽在混凝土澆筑過程中的穩定性，確保電子標簽有效被讀寫設備識別。

1.3 安裝要求

固定問題是RFID電子標簽如何埋入軌道板中首先需要解決的問題。為了滿足對軌道板的生產過程控制和質量溯源的要求，適應軌道板的內部工作環境和鋼筋結構，設計可有效固定于軌道板內部的RFID標簽外形，如圖1所示。RFID電子標簽需要在鋼筋張拉之前就安裝在軌道板內部，但又不能破壞軌道板的受力結構，以免造成結構性損傷，使軌道板喪失工作基本性能。

圖1 鐵路工程埋入式防翻轉RFID電子標簽

同時，RFID電子標簽對識別的方向性要求較高，故應有效固定，避免在振搗和澆筑過程發生位置偏移，造成無法讀取的結果。因此，埋入式RFID電子標簽需滿足如下安裝要求。

（1）固定要求：通過標簽定位孔和“防翻轉抓手”沿上層非預應力鋼筋縱向綁扎固定，保證標簽識別的方向性和澆筑、振搗的固定性。（2）易檢測性：標簽安裝位置易于手持終端的檢測和讀寫。（3）安裝位置：軌道板標識牌正下方。

1.4 性能和功能要求

1.4.1 性能要求

RFID電子標簽性能主要可從標簽壽命、工作溫度和濕度環境、讀寫距離、存儲要求、IP防護等級、振動性、抗壓性、抗拉伸能力和電磁兼容性等方面提出要求。預制軌道板應用場景中由于其無法更換，故對標簽性能的要求較高，不僅需要保證其性能在規定時間內的有效性，同時還應該通過冗余備份增加標簽的使用壽命，性能要求見參考文獻[1]。

1.4.2 功能要求

RFID電子標簽結合預制軌道板生產量大、質量要求高、過程難追溯和不易管理等特點，對其生產過程進行監督管理并實現質量溯源。通過將RFID電子標簽固定在軌道板中，利用其唯一的RFID身份識別碼實現對生產流程的規范化管理：（1）對RFID電子標簽進行初始化，在其內部編寫根據行業和項目確定的EPC編碼，同時進行防篡改處理。（2）在軌道板的每個生產環節對RFID電子標簽進行配對讀取，對生產所處的狀態進行標記，將軌道板號、電子標簽EPC編碼組合并，通過板場信息化管理軟件上傳至鐵路工程管理平臺。

軌道板的生產流程包括鋼筋綁扎、鋼筋預應力張拉、混凝土澆筑、養護、管道壓漿、封錨、成品檢查、出庫、鋪設使用和運營維護等全生命周期進行管理，并將相關的生產單位、施工單位、維護單位的信息進行統計和關聯，最終實現質量溯源。

2 RFID電子標簽檢驗

2.1 檢驗項目

電子標簽檢驗項目、要求、方法和判定依據如表1所示。

2.2 檢驗規則

（1）檢驗分為型式檢驗、出廠檢驗和進場驗收。其中，進場驗收由軌道板生產單位完成。（2）以同種封裝材料成份、同種顏色、同種封裝工藝、同型號RFID芯片和同種芯片封裝工藝的電子標簽作為同一批產品進行抽樣。

2.3 型式檢驗

表1 RFID電子標簽檢驗項目

（1）型式檢驗是由電子標簽生產廠家委托有資質的第三方完成型式檢驗并出具型式檢驗報告。（2）抽樣方案判定標準：依據參考文獻[2]的要求選擇抽樣方案和檢驗水平進行正常檢驗，如有任意一項檢驗項目不合格，則判定該批產品不合格。（3）以下情況應進行型式檢驗：a.初次投產；b.RFID芯片變更；c.封裝材料、結構、生產工藝變更；d.連續生產電子標簽12個月；e.因工程需求和技術發展，增加檢驗項目或指標變更時；f.出廠檢驗結果與上次型式檢驗有較大差異時。

2.4 出廠檢驗

（1）在通過型式檢驗基礎上，由電子標簽生產廠家完成出廠檢驗并出具出廠檢驗報告。（2）抽樣方案判定標準：依據參考文獻[2]的要求選擇抽樣方案和檢驗水平進行正常檢驗，如有任意一項檢驗項目不合格，則判定該批產品不合格。

3 標準化管理

對于RFID電子標簽應采用標準化管理模式，利用初始化一體機完成對RFID電子標簽的初始化、EPC編碼、防篡改和配對檢測等過程的標準化管理。

RFID標簽內部存在生產出廠時帶有的唯一編碼TID，TID區域出廠后不能再次寫入。對于EPC區域，出廠時不對其進行寫入，可在RFID標簽應用到具體的行業和項目時由使用方重新編寫，以獲得行業或項目內的唯一身份編碼，使電子標簽具有行業和項目屬性。同時，RFID電子標簽內部的TID區域編碼可能重復，原因包括：（1）RFID電子標簽內部芯片生產過程寫入TID過程中出現問題，如寫入設備出現故障等。（2）內部芯片廠家大多采用委外生產模式，故存在代工廠私自出貨的可能。（3）其他芯片廠家模仿大廠家芯片而產生TID重復。因此在鐵路工程信息化項目中，推薦在RFID電子標簽初始化過程中采用EPC編碼作為標簽的唯一身份證使用。

3.1 EPC編碼

EPC編碼是指在RFID電子標簽初始化過程中，在標簽EPC區域寫入針對不同項目的具體編碼信息，使得RFID電子標簽具備唯一的身份信息，便于對軌道板的生產過程、鋪設過程、運營維護等全生命周期進行管理，同時進行質量監控，實現對軌道板的質量溯源。

EPC編碼的優勢是：（1）EPC區域可按照行業和項目進行編碼，編碼內容具有項目代表性且不重復，可作為軌道板的唯一身份證在全路使用。（2）EPC區域編碼內容與板場和軌道板編碼內容對應，便于對其生產過程進行管理。（3）可對RFID電子標簽的EPC區域設定防篡改模式，確保EPC區域編碼后不被修改。

3.2 初始化一體機

初始化一體機外形如圖2所示。

圖2 初始化一體機

3.2.1 性能要求

（1）工作頻率：配合超高頻RFID電子標簽的使用，保證在920～925 MHz頻率范圍內能正常工作。（2）支持接口協議：支持USB2.0及以上，支持Wi-Fi協議。（3）工作溫度：在0～40℃溫度范圍內能正常工作。（4）操作系統：支持Windows 7及以上版本。（5）防護等級：具備IP66的防塵防水等級。

3.2.2 功能要求

（1）電子標簽初始化：在EPC區寫入用戶定制編碼信息，作為RFID電子標簽唯一身份信息。（2）電子標簽配對：實現冗余電子標簽配對。（3）電子標簽TID檢測：防止未經正常途徑采購的電子標簽被使用。

4 工程信息化應用

RFID電子標簽的應用是對鐵路工程信息化的創新和推廣，使得信息化不只局限于傳統的工程施工中，而是建立了一條從原材料進場、生產、使用到運營等完整生命周期的標準化解決方案，利用RFID電子標簽信息載體的特性，設計出可用于混凝土預制構件的埋入式抗金屬防翻轉電子標簽，不僅從生產環節入手實現了過程可控，也從質量環節切入，完成了質量監督和溯源。

自2014年9月在現場進行工程試點應用，先后完成了應用于CRTSIII型軌道板的RFID電子標簽的設計、固定安裝、檢驗試驗、系統調試、工程信息化應用等工作，參與從鋼筋綁扎、入模、澆筑、振搗、養護、入庫、出庫、鋪設等全過程的生產，與板場信息化系統數據交互，實現對預制軌道板的生產管理和質量監督。

2015年8月至今，在京沈高速鐵路遼寧段的4個板場進行RFID電子標簽的第2次試點應用工作，對標簽芯片和外部封裝的各項參數進行試驗驗證，修改并最終確定安裝方式、安裝位置和性能參數，實現在軌道板正式生產過程中的應用，完成對軌道板生產過程的信息化管理和質量監督功能。

與此同時，承德、密云和樂山板場均開展了RFID電子標簽的工程信息化使用工作，采用初始化一體機等設備建立標準化的管理流程，提升了生產過程控制和質量監督的水平，提高了工作的效率，獲取的數據信息統一上傳至鐵路工程管理平臺。

5 結束語

本文結合鐵路工程CRTSIII型軌道板生產過程管理和質量溯源的信息化要求，將傳統施工技術與信息化技術相融合，將RFID電子標簽作為信息載體，使得軌道板具有全路唯一的身份信息。將RFID電子標簽內部存儲的數據信息與鐵路板場信息化管理系統的信息進行交互，實現對軌道板的全生命周期信息化管理和質量溯源。

RFID電子標簽采用EPC編碼作為軌道板唯一身份信息，通過初始化一體機完成EPC編碼、防篡改和配對檢測功能，不僅實現與鐵路工程管理平臺的數據交互功能，還能實現對軌道板的產能分析、工序管控、質量監督、數據整合、分析處理、綜合統計查詢、圖表展示和安全預警等功能，滿足鐵路工程建設業務需求，提高了業務融合程度，可為鐵路工程質量管理提供信息化支持和系統級的保障。

[1]中國鐵路總公司工程管理中心.工管科信函（2015）266號鐵路工程CRTSIII型板式無砟軌道埋入式電子標簽暫行技術要求[S].中國鐵路總公司工程管理中心，2015.

[2]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T2828.1-2012計數抽樣檢驗程序 第1部分：按接收質量限（AQL）檢索的逐批檢驗抽樣計劃[S].北京：中國標準出版社，2012.

[3]中國鐵路總公司.GB/T 25340-2010 鐵路機車車輛自動識別設備技術條件[S].北京：中國標準出版社，2010.

[4]中國鐵路總公司.TB/T 3070-2002 鐵路機車車輛自動識別設備技術條件[S].北京：中國鐵道出版社，2002.

責任編輯 王 浩

Technology standard of embedded RFID electronic tag for railway engineering and its application

AN Ran,WANG Huilin,SHAO Pan
( Institute of Computing Technologies,China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China)

This article analyzed and researched on the technology standard of embedded RFID electronic tag and its application for railway engineering.In view of the business requirements that were production process management and quality traceability of CRTSIII track slab,with embedded RFID electronic tag as a carrier,the article used information technology and data security technology to implement the standardized management of the RFID electronic tag.The RFID electronic tag was combined closely with the production process of precast track slab which connected the track slab process information to the data of railway project management information platform.The designed embedded RFID electronic tag and standardized management method for railway engineering were used to implemente the stages of the life cycle management and quality traceability from the raw material,production,storage,laying and operating process.

embedded RFID electronic tags;standardized management method;initialization integrated equipment;EPC coding;quality traceability

U213.2∶TP39

A

1005-8451（2016）07-0030-05

2015-12-14

安 然，工程師；王輝麟，副研究員。