鐵路工具防遺失實時定位顯示系統

◇大連科技學院交通運輸學院 鄭欣宇 毛俊 楊瀟 李怡萱 弓埔政

鐵路維修大多在夜間進行，很容易發生工具丟失的現象，而現有的鐵路工具管理方式存在效率低、清點地點有限等缺點，為了解決工具丟失的問題，我們設計了一款基于RFID（Radio Frequency Identification）技術的“鐵路工具實時定位系統”，運用RFID技術，對工具進行身份信息標識，集所有身份信息構成數據庫；每個工具都有獨特的電子編碼，把電子編碼輸入到RFID定位系統中，并在其內部設置本路局本段的地圖數據，用于對工具進行實時追蹤和丟后定位尋找等。同時，還與移動通信模塊相結合，用以檢查工具的使用周期、使用壽命等信息，并將此信息發送到領用者的手機上，實現對鐵路現場作業工具的智能化、精細化管理。

目前，鐵路管理十分規范，現場維修作業是最薄弱的環節，因為鐵路各部門使用的維修工具各不相同，每次維修使用的工具多；作業人員素質不同[1]；易發生工具丟失現象，又因為維修多在夜間進行，視線不好等，所以丟失的工具很難找回，會對鐵路運輸造成安全隱患。這就急需一種可以對維修工具進行定位的系統，用以及時尋回丟失工具，保證鐵路運輸安全。本文提出一種“鐵路工具實時定位系統”，應用RFID技術，實現在工具領用、工具丟后追蹤、工具使用壽命等功能的智能化、精細化的鐵路作業現場工具管理系統。

1 研究背景

隨著我國鐵路運營里程不斷增加，開通的車次隨之增多，車次的速度不斷提升，導致鐵路信號設備的種類越來越復雜，維修工具的數量、種類增多[2]。這給鐵路工具的管理與清點帶來一定的難度。目前鐵路維修工具的管理大多靠人工清點和確認，成本高效率低；開天窗大多是在夜間，時間有限，易發生工具丟失的現象，給鐵路安全帶來一定的隱患，一旦發生危險，那么導致的后果是不堪設想的、不可挽回的。

2 設計原理

2.1 RFID鐵路防遺失定位技術

RFID定位技術是RFID系統的核心，也是本文重點研究方向之一。在分析了各種定位技術后，滿足了各領域對定位技術的需求，在分析了現存技術的優缺點后，得出RFID定位技術是最適合用來定位工具。利用電子標簽對鐵路夜間維護工具的標識特性，通過改變讀寫器與標簽之間的無線射頻通信信號強度確定工具的空間位置，最終通過測量得到工具的具體位置，避免產生工具丟失的現象。

2.2 數據庫構建與管理

RFID系統既要可以顯示機器本身的狀態，也要允許操作者完成簡單、快捷的操作。要求RFID系統顯示短時間內連續的作業動作，動作的穩定性就是這種連續的穩定動作。RFID系統要保證人機動作的連續，將整個系統進行優化，保持用戶和機器之間的適當配合，防止動作突然停止產生危害。比如在開關機器時，開啟時間和停止時間的位置一定要保持穩定，不然會打亂整個工作計劃。現有的工具清點系統多種多樣，不同的系統可以適用于不同的設備，展示出來的動作狀態也各不相同。人體方向性特點會使人的動作具有適應性，RFID清點功能要使用戶和機器的動作相互配合，要對每一個動作進行研究和分析，集于數據庫中。

2.3 硬件設計

把RFID技術融合到手持式的WinCE移動設備中，可以方便、快捷地清理查點夜間施工前后的維修工具數量，整個過程是自動進行的，不需要工作人員參與其中。經過該系統的清點，可以保證夜間施工前后所用的工具數量一致，當歸還到工具箱中的工具與出庫的工具數量不一致時，系統就會發出報警提示，提醒維護作業人員缺少工具的數量和種類等，避免將工具遺漏在鐵路上，留下安全隱患。在鐵路夜間施工工具管理的作業流程中加入超高頻RFID非接觸自動識別技術[3]，以此來完善鐵路夜間施工管理的方法，促使管理水平的升級。

2.4 研究方法

電子標簽是由耦合元件及芯片共同組成；讀寫器主要由邏輯控制單元和射頻接口組成，主要用來對電子標簽中的信息進行讀取或寫入[4]，讀寫器與主機相連，實時傳輸數據給主機并接收主機發來的命令；天線有近場工作模式和遠場工作模式兩種，通過控制電流來改變讀寫器天線的磁場強弱，用來傳遞標簽和讀寫器之間的信號。標簽、讀寫器和天線這三大部分共同組成了RFID技術。信號傳遞結構圖如圖1所示。

圖1 標簽的基本結構圖

在無線傳輸的過程中信號中的能量會隨傳輸距離的增加逐漸被削減，測量定位節點到參考節點的無線傳輸電信號強度，然后把電信號轉換為信號傳輸距離，再根據常態分布模型（logdistance distribution）構建幾何模型方程，求解該方程得到丟失工具的具體位置坐標，本節主要介紹RSSI測距法和三角質心定位法。根據信號強度指示測量距離，傳播距離和強度成反比關系，符合對數-常態分布的數學模型如式（1）。

設信號的強度為A，則通過式（2），

將式（2）代入式（1）中，得到式（3）。

參考節點通過無線傳輸方式把電信號發送到定位節點中，可以測量出被測位置的信號強度指示值，信號強度A、信號和減因子n可以表明當前環境的狀態，通過確定環境狀態也可以確定數值大小。所以如果已知信號強度的大小和環境參數，就可以利用公式（3）計算定位節點和參考節點的信號傳輸距離。

三角質心定位法參考節點a、b、c是在坐標系中3個節點，其所處位置坐標分別為，（xa,ya）、（xb,yb）和（xc,yc）。需要定位的節點M（x,y）到三個參考節點的距離分別為da,db,dc，以這三個距離為半徑畫圓，則這三個圓有一個共同的交點，定為M點，根據圓心坐標和半徑的關系進行計算，可以得出式（4）。

基于WinCE嵌入式管理系統把移動計算平臺作為最基本的模塊，可已更新的的32位嵌入式操作系統，它具有極好的圖形用戶界面。其中CE中的C代表袖珍（Compact）、消費（Consumer）、通信能力（Connectivit）和伴侶（Companion）；E代表電子產品（Electronics）。

2.5 創新特色

由于鐵路情況的特殊性，減少因工具遺失而產生的問題，靠人力清點工具成本高效率低，此方式已不再適用。鐵路運輸一旦發生事故就是無法挽回的，所以在任何細小的方面都要做到極致，保證絕對的安全。本系統借助智能技術，實現對鐵路維護工具的智能化管理，運用RFID技術對每個工具進行身份信息標識；另外，我們為工具設置使用周期，對鐵路工具使用狀況進行實時監管。通過這樣的信息管理，將工具的借用信息，人員的登陸信息，工具的壽命等輸入到該系統的數據輸入模塊中，達到對鐵路工具的智能化精細管理。RFID在一些特定的領域中已經可以代替傳統的通信和識別技術，使信號的傳輸不易受到外界環境的干擾，使其更加的可靠。且RFID的標簽具有耐久性、高效性、穿透性、容量大、可進行加密、可自行更改的優點，與傳統的標簽相比較，成本低、使用時間長。

3 應用前景

本次設計的“鐵路工具防遺失實時定位顯示系統”是為防止鐵路維護工具遺失而造成安全隱患所研究，通過該系統可以有效清點夜間維護工具并實時定位該工具的位置。

RFID技術被認為是最具有發展前景的信息技術之一，它所涉及的領域十分廣泛。RFID技術在各國發展都十分迅速，近年來，國內的無線射頻技術已經廣泛運用到零售、物流、服裝、制造、醫療、軍事、航空等領域；在鐵路上，RFID技術也被運用在購票、身份信息標識、車次號的顯示和票證管理等方面。隨著人們的生活質量日益提高，人們對定位服務的需求飛速增加，對定位信息的要求也越來越高，人們通過定位技術獲取各種實時定位信息的方法也越來越便捷。對于鐵路而言，該系統的設計，大大降低了工具遺失對鐵路安全的威脅，為鐵路運輸和人民的生命財產安全提供了更大的保障，在一定程度上為作業人員減少了不必要的麻煩，將人力和財力花費在更有需要的地方。

4 結束語

基于RFID技術，構建相應數據庫對鐵路工具進行智能化管理，可以減少因丟失產生的損失及安全隱患，此系統也可應用于其他定位方面，具有很大的發展前景；對于系統的不足，我們也會不斷的發現并改進。