基于RFID的鐵路供電安全管理信息系統研究與設計

魏念龍，王婷婷

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基于RFID的鐵路供電安全管理信息系統研究與設計

魏念龍，王婷婷

將RFID技術引入鐵路供電系統安全生產與管理領域，提出RFID技術在鐵路供電安全系統中的結構設計和網絡傳輸應用方案，實現對作業現場安全控制、任務部署、設備壽命管理、GIS、定位、跟蹤管理等功能，實現安全生產與管理等各階段的信息聯動共享，提高鐵路供電安全生產與管理的現代化水平。

RFID；鐵路供電；安全；管理；信息系統

0 引言

目前，鐵路供電系統的現場作業基本依靠工作票和現場監護進行安全卡控，即現場作業人員根據收到的作業命令和停電信息進行作業。由于作業現場未設置必要的安全警示裝置進行提示以規范作業人員的作業，加上存在多回路線路，極易發生誤登、誤入等問題，造成人身傷害事故，類似案例發生多次，觸目驚心，教訓慘痛。同時設備管理與檢測、維護等信息的管理涉及多個部門，設備分散、信息量大、工作交叉多、工作量大，且目前仍利用Excel進行數據管理、統計、分析、任務下達等，不能實現高效、實時、動態、安全的管理。

“基于RFID（Radio Frequency Identification）鐵路供電安全管理信息系統”是通過安裝在設備本體上的RFID標簽和作業人員手持終端判斷工作位置及項目是否正確，能夠有效避免因作業人員和監護人員疏忽等造成的人身傷害事故。與此同時，該系統還可以作為設備檢測、維護、信息管理、任務管理等工作的綜合平臺，實現設備、人員、現場等綜合數據與安全管理的一體化應用，并為進一步實現智能化無人巡檢提供現場技術支撐，減少設備投資，具有高效、安全、經濟的特點，在鐵路安全生產與信息管理等方面具有廣闊的應用前景。

1 原理與結構

RFID技術又稱射頻識別技術，是一種基于射頻通信的非接觸式自動識別技術[1]。1948年，美國無線電工程師哈里?斯托克曼（Harry Stockman），在無線電工程師協會學報上發表的名為“Communication by Means of Reflected Power（利用能量反射進行通訊）”的學術論文為之后RFID技術的應用研究和發展奠定了理論基礎。RFID技術及藍牙、紅外、Zigbee、WLAN/WiFi、UWB等無線通信技術均屬于短距離無線通信技術，其主要區別是RFID技術采用無源被動通信工作模式，因RFID標簽處于無源狀態，需采用反射調制技術完成信息的傳輸。

在RFID系統中，閱讀器與RFID標簽之間無需建立機械、電氣或光學聯系，具有存儲信息容量大、識別距離遠、識別速率高、對讀取方向要求小、能同時識別多個目標、能識別移動目標、信息保密性高等優點[2]，在生產管理與控制、物流與供應鏈管理、貨物監管、交通管理、綜合服務體系、施工管理、過程控制、歷史追溯等領域均有廣泛的應用。

RFID系統由以下幾部分組成：（1）RFID標簽，由芯片和耦合元件組成，每個標簽配屬唯一ID；（2）讀寫器，讀取和寫入RFID標簽信息，是RFID標簽進行信息數據交換的終端設備，分移動式和固定式2種；（3）天線，在RFID標簽和讀寫器之間傳輸射頻信號，是RFID系統的中間件設備。

RFID系統的工作原理：閱讀器將要發送的信息編碼后加載于特定頻率的載波信號，當閱讀器進入RFID標簽特定的讀取范圍之內，即閱讀器的磁場覆蓋RFID標簽時，RFID標簽接收閱讀器發射的射頻信號，利用電磁感應產生的能量驅動向閱讀器發送存儲在RFID標簽芯片中的信息。對于經過加密的RFID標簽，接收閱讀器發送的射頻信號后，RFID標簽對射頻信號通過解碼和解密，對請求、密碼、權限等進行判斷，判斷是否為非法讀取，若非法將不發射信號。

2 功能簡述

基于RFID的鐵路供電安全管理信息系統將RFID技術引入到鐵路供電安全管理領域，通過融合SCADA、RFID、GIS/北斗等技術，按照“統一接口、統一制式”的原則，在接口定義、數據傳輸、通信協議以及軟、硬件平臺配置等方面執行相關的國際標準、國家標準或行業標準，可處理不同生產廠家、不同設備的數據，并與其他相關系統實現互連互通和信息共享。在軟硬件配置、軟件產品性能方面滿足高可靠性、高安全性的要求，采用先進的計算、存儲、圖像處理、大數據及可視化等技術，探索建立一套綜合性、系統性的鐵路供電安全管理信息系統，對各種檢測監測數據進行整合，實現數據集中、信息共享、互通共享，滿足不同建設時期、不同設備、不同裝備、不同系統的接入需求，能夠隨技術發展和設備數量增加，方便靈活地進行容量、功能擴展，適應發展的超前規劃。

3 系統設計

3.1 系統結構

針對現場需求和管理，考慮數據融合、網絡傳輸等因素，對系統進行設計，系統結構如圖1所示。

3.2 系統設計

（1）RFID標簽單元。RFID標簽選用無源標簽，每一個標簽具有全路系統唯一地址，地址依據室內外設備及各單元設備特點、讀寫距離等進行制定，可應用于貫通自閉桿塔、接觸網支柱、箱變、配電箱、燈塔、燈柱、變配電所亭等設備上。其中接觸網支柱、貫通自閉桿塔、燈塔、燈柱等的RFID標簽按支柱安裝，箱變按本體安裝；對于室外桿架式變電臺無論單桿還是雙桿均以支柱為準；對于變配電所亭按照最小室安裝，例如變電所室外設備以落地安裝為準，即安裝于柱上或變壓器本體上；對于變配電所亭室內設備按照柜體分割安裝。

圖1 系統結構

（2）讀寫器。采用PDA和車載閱讀器，其中PDA應用于巡檢、維修、安全控制、任務部署、壽命管理、GIS數據、跟蹤管理等。作業人員攜帶PDA按計劃巡檢、維修時，PDA自動讀取并比對RFID標簽信息，同時記錄讀取出的當前位置RFID標簽信息和讀取時的準確時刻，自動提示在數據中心部署的工作任務和讀取對象的作業項目。車載閱讀器主要用于檢測車定位以及數據的采集。

（3）網絡。由于供電設備基本沿鐵路線路布置，設備分散且無網絡特別是鐵路內網覆蓋，只能采用移動公網（WiFi/3G/4G）進行數據傳輸。接入的信息源主要包括文本、數值、圖像，信息通過移動公網安全平臺接入鐵路綜合信息網，PDA或車載閱讀器采集的數據通過移動公網、互聯網傳送到鐵路綜合信息網外網，由移動公網安全平臺負責接收并穿越鐵路計算機網絡安全平臺等設施傳送到鐵路綜合信息網內網部署的數據中心平臺；數據中心平臺向PDA發送的數據通過鐵路綜合信息網內網發送到移動公網安全平臺，由移動公網安全平臺發送到PDA，實現PDA或車載閱讀器數據與鐵路內網的實時通信和數據傳輸。

（4）防護問題。由于RFID標簽大部分安裝于室外且安裝在供電設備上，需克服環境和供電設備對RFID標簽特性的影響，因此選用的RFID標簽應具有較強的穩定性、較遠的讀取距離、較好的方向性，能夠在惡劣環境下保持長期穩定、完好。

（5）讀取距離。接觸網支柱內側距線路中心距離不小于3 100 mm[4]，鐵路線路直線軌距標準為1 435 mm[5]，車載閱讀器安裝于檢測車靠近田野側（支柱側），因此選擇讀取距離為0～1 383 mm；安裝于其他位置的RFID標簽采用PDA進行數據讀取，因此其讀取距離通常選擇0～1 000 mm。綜合上述2種距離，同時考慮到裕量，讀取距離宜選擇0～2 000 mm。

（6）接口問題。系統預留與既有接觸網一桿一檔系統、供電生產管理信息系統、鐵路公用基礎編碼及主數據管理平臺等相關系統的接口。接口信息為雙向傳輸，數據信息編碼采用鐵路公用基礎編碼格式，數據信息符合《鐵路公用基礎編碼及主數據管理平臺》、《鐵路牽引供電設備設施單元劃分、編碼暫行規范》等相關文件的要求。各類接口的數據通信采用基于TCP/IP的網絡傳輸規約和基于WebService規范的應用程序接口方式。

（7）系統安全。采用統一的用戶權限管理，配置用戶登錄失敗處理功能和超時自動退出策略；對用戶身份標識進行唯一鑒別及復雜度要求，確保用戶名具有唯一性，保證應用系統中不存在重復的用戶身份標識，對登錄操作系統、數據庫系統、平臺軟件的用戶進行身份標識和鑒別，防止身份被冒用；及時刪除多余、過期帳戶，避免共享帳戶的存在；授權主體即超級管理員統一配置訪問控制策略，嚴格限制默認帳戶的訪問權限，給予不同帳戶為完成各自承擔任務所需的最小權限，并在他們之間形成相互制約的關系；系統采用數據有效性檢驗，保證通過人機接口輸入或通過通信接口輸入的數據格式、長度符合系統設定要求[6，9]。

4 系統工作流程

系統需要對人員、車輛進行定位及信息傳輸、任務部署、軌跡捕捉與形成、現場作業安全卡控、設備及維修信息綜合統計、壽命管理等多項綜合工作任務，需要利用公網進行所有數據的傳輸，而數據的綜合處理則部署在專網上，保證其安全。系統工作流程如圖2所示。

4.1 任務部署

作業人員根據數據中心傳輸至PDA的工作內容到達作業現場，PDA讀取作業對象上RFID標簽信息，核實作業對象，任務匹配后進行作業。作業完成后對作業內容、設備參數變化等信息通過PDA進行錄入并上傳至數據中心，由數據中心進行整合、統計、存儲。

圖2 鐵路供電安全管理信息系統工作流程

4.2 定位

（1）檢測車定位。車載閱讀器在檢測車運行過程中實時獲取芯片預寫入的編碼信息，結合基礎線路數據庫、LKJ/GYK信息、射頻芯片編碼數據庫，匹配出當前芯片所在線路定位桿的位置，計算處理后跳轉到當前車載設備在實際線路中的位置，并實現誤差修正功能，準確定位檢測車位置，從而保證檢測數據的準確性。

（2）人員定位。作業人員攜帶PDA到達作業現場后，PDA自動讀取RFID標簽信息，同時與數據中心下達的作業對象進行自動比對，以確認該作業是否擁有作業權限，發現非法作業時PDA通過聲音、光和振動等方式進行報警；作業完畢后若作業人員未全部撤出作業現場，PDA向數據中心、調度指揮中心、現場工作領導人PDA發送信息，給出未撤出人數、人員信息、位置等信息，并不間斷提醒，防止發生誤登、誤入、誤送電等情況，達到保護的目的。

4.3 運行/巡視軌跡

PDA中預植GIS/北斗芯片，人員攜帶PDA作業和巡視時，PDA自動閱讀現場RFID標簽信息，并定位自身位置和RFID標簽自身位置信息，確定作業人員進行作業和巡視的時間和位置，融合GIS北斗形成軌跡信息，可用于實時或歷史調閱。車載閱讀器定位信息和LKJ/GYK信息綜合在GIS北斗上給出運行軌跡，作業人員處理時利用PDA直接讀取現場RFID標簽信息，實現準確定位及對檢測數據和缺陷數據的調閱。

4.4 壽命管理

物資采購驗收合格入庫時粘貼RFID標簽，通過PDA或掃碼槍將設備信息、規格、數量、用途、存儲位置等信息上傳至數據中心，與物資代碼進行匹配分類，消除人工統計、紙質存儲模式下的重復錄入、漏查漏錄、勞動強度大、時間消耗大等弊端，實現物資庫房管理的智能化、數字化、可靠化。物資送達安裝現場時，作業人員利用PDA讀取物資RFID標簽信息，確認安裝位置、對象等信息后，將該物資信息直接轉至現場設備最大對象RFID標簽信息，標明安裝時間、地點、人員等信息，并除去物資上臨時性RFID標簽。對于現場拆除的物資，則粘貼臨時性RFID標簽，通過PDA錄入信息，便于廢舊物資利用或物資報廢跟蹤處理，實現物資設備的全過程壽命管理。

4.5 運維管理

在設備運營維護管理過程中，作業人員和管理人員利用PDA或數據中心讀取和傳輸作業維修驗收等各類信息，核對設備標示信息與現場是否一致，作業內容是否完成，驗收是否合格，是否實現了實名檢、實名修、實名驗等工作，是否存在漏檢漏修等情況，以高可靠性、低人力物力成本實現設備運營維護管理的高效優質。

5 結語

本文主要對RFID技術在鐵路供電安全管理方面進行應用研究與設計，同時結合現場實際和供電安全管理系統特點對其在綜合應用方面進行了拓展，對于鐵路供電安全信息以及綜合信息應用的開發設計具有現實意義，可切實提高鐵路供電系統的安全性和綜合管理的可靠性、經濟性，具有廣闊的應用前景，同時對鐵路各系統的現代信息化應用具有參考價值。

[1] 中華人民共和國科學技術部等十五部委．中國射頻識別（RFID）技術政策白皮書[R]．北京，2006．

[2] 黃玉蘭．射頻識別（RFID）核心技術詳解[M]．北京：人民郵電出版社，2010．

[3] 賀彩玲，張翠花．RFID 國內外發展現狀與趨勢探究[J]．電子測試，2013，4（8）：217-218．

[4] 中國鐵路總公司．鐵路技術管理規程（高速鐵路部分）[M]．北京：中國鐵道出版社，2016．

[5] 中國鐵路總公司．鐵路技術管理規程（普速鐵路部分）[M]．北京：中國鐵道出版社，2016．

[6] 李春芳，李超，湛高群．無線局域網中實現信息系統安全等級保護的要求[J]．信息網絡安全，2011（8）：17-19．

[7] 中國鐵路總公司．高速鐵路接觸網運行維修規則[M]．北京：中國鐵道出版社，2016．

[8] 中國鐵路總公司．高速鐵路接觸網安全工作規則[M]．北京：中國鐵道出版社，2016．

[9] 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．GBT22239-2008信息系統安全等級保護基本要求[S]. 北京：中國質檢出版社，2008.

[10] 李寶山，付社衛．基于ARM的嵌入式RFID中間件系統設計[J]．電子與封裝，2012，2（106）：23-25．

The FRID technology is introduced into the fields of safety production and management of railway power supply system, and the schemes for application of FRID technology for the structural design and network transmission in the railway power supply safety system are put forward, for realizing the functions of safety control of operation site, task allocation, equipment service life management, GIS, positioning and tracking management, for realizing of the information linkage and sharing in several stages of safety production and management so as for improving the modernization level of railway power supply safety production and management.

RFID; railway power supply; safety; management; information system

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.06.006

U226.1

A

1007-936X(2018)06-0029-04

2018-05-08

魏念龍.中國鐵路呼和浩特局集團有限公司呼和浩特供電段，助理工程師；

王婷婷.中國鐵路呼和浩特局集團有限公司呼和浩特供電段，工程師。