冰雪天氣對RFID美標的影響及防范探究

占禮輝，黃 璞， 劉小磊

（1.杭州市地鐵集團有限責任公司運營分公司，杭州 310017；2.杭州杭港地鐵有限公司，杭州 310017；3.杭州市地鐵集團有限責任公司，杭州 310017）

截止2018 年12 月31 日，中國內地共有35 座城市總計運營5 766.6 km 軌道交通線路，其中60%以上為基于通信的列車控制（CBTC）運營線路。CBTC 系統對列車的定位精度有較高的要求，以滿足高密度的運營間隔及高精確的列車對標停車需求，從而保證軌道交通運營安全。

目前，杭州地鐵所有CBTC 運營線路均采用無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）美標輔助列車定位技術，以滿足CBTC 列車高精度定位的需求。然而在系統開通運營后，在大雪天時，高架露天段發生多起因列車無法精確定位，導致列車無法以CBTC 模式正常運營的事件，降低了運營服務質量。

1 原因初步分析

1.1 RFID美標簡述

RFID 技術是自動識別技術的一種，在物流交通、軍事安全、服裝食品安全、資產管理等各行各業得到廣泛應用，它通過無線射頻信號獲取物體的相關數據，并對物體加以識別。RFID 技術無需與被識別物體直接接觸，即可完成信息的輸入和處理，能快速、實時、準確地采集和處理信息。RFID 系統基本均由電子標簽、讀寫器和系統高層（處理模塊）3 大部分組成。RFID 系統的結構框如圖1 所示。

圖1 RFID系統結構框Fig.1 RFID System structure diagram

在城市軌道交通領域，RFID 技術主要應用于列車定位，通過RFID 信標與測速裝置融合來實現列車精準定位。RFID 信標根據設計標準不同可分為美式信標（簡稱美標）和歐洲應答器（簡稱歐標）2種，2 種信標廣泛用于城市軌道交通領域，根據不同信號系統平臺設計需求分別采用。RFID 美標即采用AAR S-918-94《北美鐵道學會設備自動識別標準》與ISO STANDARD 10374《國際標準化組織貨運集裝箱自動識別標準》標準的鐵路應答器。美標廣泛應用于城市軌道交通信號系統中，用于列車定位、提供線路數據和提供列車移動授權等，故障后將導致列車無法精確定位，甚至觸發緊急制動（根據通用設計，列車連續丟失2 個美標將觸發緊急制動），當前國內軌道交通線路使用美標的信號系統廠家主要為浙江眾合科技、安薩爾多、泰雷茲等。美標定位系統主要由美標、查詢器天線、查詢器主機3 部分構成，具體組成結構如圖2 所示。

圖2 美標定位系統組成結構Fig.2 Composition structure of American beacon positioning system

利用查詢器主機天線發出的無線電頻率激活布置在軌道上的信標，當讀取到該信標的ID 信息后，定位系統將信標ID 進行解碼，確認有效的ID 信息并發送給CBTC 車載信號主機，用于CBTC 列車實時定位。

1.2 故障情況分析

根據故障當天CBTC 車載日志分析，所有高架露天段運行的列車，共19 列，均出現美式信標處理異常報錯情況，報錯時間如表1 所示。

表1 故障時間統計表Tab.1 Failure time statistics table

列車回庫檢查查詢器天線及查詢器主機各項參數指標均正常，根據ATP 列車運行記錄分析，美標丟失均發生在高架站露天區域，站臺雨棚區域內美標讀取正常，且均在下午17：00 后發生，初步判斷與當天下午杭州普降大雪有關，美標被雨雪覆蓋后導致列車無法正確處理信標數據，從而導致CBTC列車無法精定位。

2 冰雪天氣對RFID美標影響

2.1 冰雪天氣因素分析

雪是水在固態的一種形式，是水在空中凝結再落下的自然現象。雪層中液態水的數量稱為雪層的含水量，含水量是雪在電磁學角度的主要特征參數，而根據含水量的不同雪可分為干雪和濕雪，北方氣溫低容易下干雪，而南方氣溫相對較高容易下濕雪。

《百度百科》中定義介電常數是介質在外加電場時會產生感應電荷而削弱電場，介質中的電場減小與原外加電場（真空中）的比值即為相對介電常數又稱誘電率，與頻率相關。介電常數是相對介電常數與真空中絕對介電常數乘積。雪中主要包含水、冰粒和空氣，其中水的介電常數遠遠大于后兩者，所以含水量決定了微波在雪層中的穿透性。同時，冰、濕雪可使電磁波發生散射，當RFID 美標（工作頻率為902 ～928 MHz 微波）的表面覆蓋有冰或濕雪時，電磁波將發生散射，也將影響美標讀取效果。

2.2 實驗仿真

RFID 美標在低溫雨雪環境時，表面會形成積雪，而積雪成分主要為空氣、冰、水。經查詢介電常數表，積雪中各介質的相對介電常數如表2 所示。

表2 介電常數表Tab.2 Dielectric constant table

為確認干雪與濕雪對RFID 美標讀取效果的影響，對美標工作環境進行建模，并對相關數據進行MATLAB 仿真，在表面分別覆蓋干雪和濕雪（含水量達到5%以上）介質。通過對比檢測到的電場強度值前后的變化，確認干雪與濕雪分別對RFID 美標讀取效果的影響。實驗仿真結果匯總如表3 所示。

表3 實驗仿真統計表Tab.3 Experimental simulation statistics table

2.3 冰雪影響總結

根據實驗仿真結果，當表面覆蓋干雪與濕雪時，對比無介質覆蓋情況，電場強度分別下降5.42%與35.34%，RFID 射頻主瓣寬度均有所減小，但濕雪覆蓋狀態下變化更大。

從實驗仿真結果及現場使用情況分析，濕雪對美標讀取的影響遠大于干雪，但南方尤其杭州市屬于江南地區，雪天主要為濕雪，且杭州地鐵部分線路為高架露天段，極易造成濕雪對美標的覆蓋，影響運營效率。

3 防范措施

為解決該問題的發生，根據美式信標讀取特性及現場安裝情況，提出以下3 種解決方案。

1）方案一：采用人工融雪，防止積雪

利用運營行車間隔或在非運營時間，采用最原始的人工掃雪及噴灑融雪劑融雪方式，但該方案僅限于行車間隔較大且露天線路比較短的運營線路，否則造成維護人員的大量浪費；利用行車間隔下軌，作業時間控制不當極易造成運營線路的列車延誤，故該方案風險系數較高。

2）方案二：加裝蓋板，阻止積雪覆蓋到美標表面

考慮到美標上方不積雪、不積冰即可解決該問題的發生，選用在美標上方加裝蓋板。蓋板的安裝需考慮不影響設備侵限，且材質不能影響RFID 射頻的傳播，蓋板簡要安裝方式如圖3 所示。

3）方案三：更換美標型號，使用歐式應答器

歐式應答器的設計尺寸為450 mm×260 mm×45.5 mm，下行信號工作頻率為27.095 MHz，上行信號工作頻率為4.234 MHz，因尺寸及工作頻率的不同可有效解決冰雪天氣的影響。但既有線路改造時將涉及CBTC 系統的整體變更，費用成本昂貴，不適用運營線路，可在新線建設時采用。

圖3 蓋板安裝示意圖Fig.3 Cover plate installation diagram

綜上所述，3 種解決方案均存在一定程度的優缺點，具體歸納如表4 所示。

表4 方案對比表Tab.4 Scheme comparison table

根據線路建設、運營、維護情況，選用適合本項目的最佳解決方案，杭州地鐵線路是既有線路，在現有維護人員不變，投入資金最少的情況下，選用方案一與方案二相結合的方式為最佳。

4 結語

RFID 信標輔助列車定位系統是保證CBTC 列車精確定位的基礎條件，是確保列車穩定有效運營的基石。杭州地鐵高架露天段采用美標加裝蓋板與非運營時間人工掃雪方式相結合的措施后，有效解決了大雪天CBTC 列車無法精確定位問題，保障了軌道交通線路安全高效運營。