射頻識別技術在城市軌道交通車輛檢修專業(yè)信息化建設中的應用*

劉斐然 徐 棟 田云峰 陳萬里 尚 倫

(1. 中國鐵道科學研究院集團有限公司城市軌道交通中心, 100081, 北京;2. 北京市軌道交通運營管理有限公司, 100068, 北京∥第一作者, 工程師)

在城市軌道交通車輛信息化建設中,RFID(射頻識別)技術并未廣泛應用,依然存在大量人工錄入、人工查找、人工測量、人工識別定位等工作,究其原因在于早期的RFID標簽抗金屬能力差、外殼防護能力弱、體積大、存儲容量低,無統(tǒng)一的使用規(guī)范。而隨著科技的發(fā)展,RFID標簽已具備很好的抗金屬能力,防護等級及使用壽命不斷增加,體積逐步縮小,存儲容量也在不斷增大。2016年我國還發(fā)布了GB/T 32829—2016《裝備檢維修過程射頻識別技術應用規(guī)范》[1]。因此,在RFID技術領域,針對車輛檢修專業(yè)進行系統(tǒng)的應用研究,設計出對應的管理系統(tǒng),解決現場“痛點”問題是非常必要的。

1 車輛檢修專業(yè)信息化建設現狀

目前,在車輛檢修專業(yè)進行信息化建設中已基本對各個流程進行了數字化轉型,拋棄了原有的紙質單據,但仍有大量工作需要進行人工識別、確認、批準及記錄,無法真正實現自動化或半自動化,下述問題尤為明顯。

1.1 現場人員安全管理

車輛檢修專業(yè)人員主要在停車場和車輛段(以下簡稱“場段”)進行工作。場段的特點是面積大,存在大量高壓和高空平臺、平交道等危險作業(yè)場所,并有鍋爐房、易燃品庫、物資庫、停車股道等重點區(qū)域。為保證安全,作業(yè)人員必須在控制中心進行施工登記并佩戴好相應勞動保障用品后才可進入。目前作業(yè)人員進入作業(yè)區(qū)域時主要通過安保人員進行管理,在管理過程中可能出現人員排隊登記、非計劃中人員混入、外來人員誤入、未攜帶勞動保護用品等情況。同時因作業(yè)區(qū)域面積大、通信信號不穩(wěn)定等問題,無法第一時間知曉作業(yè)人員位置,給管理帶來不便。

1.2 物資無人值守管理

因車輛部件種類多,數量多,在物資采購、入庫、領用、返還、返修時需耗費大量的人力進行晝夜不間斷管理,而既有的物資管理系統(tǒng)很難做到無人值守,領用時也需逐一進行登記,影響作業(yè)效率,較難對物資使用情況進行追溯和分析。

1.3 工具、工裝、搶險設備動態(tài)管理

車輛檢修專業(yè)使用的工具和工裝種類多,數量多,部分工具還需要定期進行計量檢定,一般會安排專人進行管理,耗時耗力。在結束作業(yè)時,也可能因人員疏忽出現工具遺留現場或丟失等情況,造成安全隱患和財產損失。同時,車輛檢修專業(yè)往往還負責防汛、防雪及車輛復軌等搶險工作。而執(zhí)行搶險作業(yè)時,因時間緊迫,易出現漏拿、錯拿等問題,影響搶險效率。

1.4 走行部及車下高壓部件、線纜溫度監(jiān)控

部分運營單位在列車回庫時,會通過人工對軸箱、牽引電機等部件進行溫度測量,并及時對異常發(fā)熱點進行檢查。部分單位還會在關鍵位置粘貼溫度貼紙,但該貼紙只能在溫度過高時記錄最高溫度,此時相應部件往往已受損,無法及時發(fā)現處理問題和降低損失。

1.5 車輛部件全生命周期管理

車輛檢修專業(yè)主要對城市軌道交通列車進行如日檢、列檢、月修、定修、架修及均衡修等計劃內的檢查和保養(yǎng)工作,以及對各系統(tǒng)進行故障維修工作。在此過程中,各系統(tǒng)與各部件的檢查記錄、保養(yǎng)記錄、維修記錄、使用時間、運營公里、安裝位置及存放位置等全壽命周期履歷信息尤為重要,但在記錄履歷過程中也存在著一定困難,具體情況如下:

1) 部件級公里實時追蹤。多數計劃內工作均與車輛運營公里有關,但隨著架修、故障修的出現,會造成部分部件未在原有列車上使用,造成該部件的運營公里記錄混亂,因此易出現對新部件的過度維修或老部件的欠修。

2) 部件安裝位置更新。周轉件、故障件在進行外委或返廠維修后,基本無法安裝在原車上。此時,需要人工將車輛履歷進行更新,占用時間多,不宜管理。

3) 故障維修信息。在進行故障維修時,檢修人員需要通過電腦檢索、紙質文件查閱、電話咨詢生產廠家及現場詢問其他同事等方式,確認可能發(fā)生故障部件的歷史故障信息、維修信息、生產日期、使用公里、使用時間及檢修記錄等內容,嚴重影響故障維修效率和質量,易出現漏修、錯修等問題,造成相同故障頻發(fā)。

2 RFID技術在車輛檢修專業(yè)信息化建設中的應用

上述問題主要是由于目前無成熟、可靠、便捷的數據采集、追蹤、記錄等手段造成的。隨著RFID技術的不斷發(fā)展與成熟,針對現有問題,可以結合RFID的技術特點在既有的信息化平臺基礎上進行建設。各應用層子系統(tǒng)在識別到RFID標簽中的唯一編碼及內置信息后,通過車輛段無線網絡傳輸至既有的信息化平臺中,該平臺根據不同的作業(yè)場景對相應數據進行存儲、修改或展示?；赗FID技術的車輛檢修專業(yè)信息化平臺構成如圖1所示。

圖1 基于RFID技術的車輛檢修專業(yè)信息化平臺構成

2.1 RFID技術的工作原理

RFID技術是讀寫器通過天線發(fā)送一定頻率的射頻信號,當電子標簽進入天線工作區(qū)域時會產生感應電流,此時電子標簽獲得能量被啟動并將自身編碼等信息通過電子標簽內置發(fā)送天線發(fā)送出去,電子標簽的讀取感知系統(tǒng)接收到從電子標簽發(fā)送來的載波信號后,經天線調節(jié)器傳送到讀寫器并對接收信號進行解調和譯碼。RFID技術的工作原理如圖2所示[2]。

圖2 RFID技術的工作原理

由電子標簽線圈天線形成的諧振回路如圖3所示。

注:ui為感應輸入電源電壓,單位V;u2為電容端電壓,單位V;R為RFID天線電阻,單位Ω;RL為鏈路電阻,單位Ω。

該回路可通過諧振頻率的載波實現雙向數據通信。其中,諧振頻率的計算公式為:

(1)

式中:

f——諧振頻率,單位 Hz;

L——RFID天線的線圈電感,單位H;

C——寄生電容Cp和并聯電容C2的等效電容,單位 F。

2.2 RFID技術的技術特點

基于RFID技術生產出的電子標簽具有很高的耐用性,理論壽命可大于30年。電子標簽芯片內部的COS(片內操作系統(tǒng))本身采用了安全的體系設計,不易偽造。電子標簽單體造價低,體積小,可通過不同方式安裝在任何物品表面。電子標簽工作時可遠距離識別高速運動物件,并同時識別多個目標。電子標簽在生產過程中會生成唯一代碼且無法修改,這對溯源、防偽等方面有極大幫助。在指定存儲器上可以進行反復讀寫,重復使用性高。存儲器主要分為Reserved(保留)、EPC(電子產品代碼)、TID(標簽識別號)及用戶等4個獨立的存儲區(qū)塊。

電子標簽種類繁多,需要從供能型式、數據讀寫類型、信號頻率波段及封裝型式等不同角度進行區(qū)分,不同類型電子標簽有其特定的應用場景,只有充分了解不同類型電子標簽的特點,才可選擇出正確的電子標簽種類。電子標簽分類見圖4。

圖4 電子標簽分類

2.3 人員監(jiān)控子系統(tǒng)

RFID技術可以實現攜帶RFID標簽卡人員在不主動刷卡且不主動停留的情況下,快速通過識別通道。在計劃內作業(yè)人員行進過程中,人員監(jiān)控子系統(tǒng)會自動授權其通過。作業(yè)人員未授權或未攜帶RFID標簽的勞動保護用品時,通道會發(fā)出聲光報警,有效防止非法人員、違規(guī)人員進入,也能防止人員未登記離開等情況出現。通過此方式,可以避免排長隊等情況,實現人員安全、高效流通。

2.4 物資無人值守子系統(tǒng)

通過RFID技術、稱重貨架及視頻監(jiān)控的綜合應用,可實現對所有物資的無人值守。其中,所有大件物資可通過RFID標簽進行實時追蹤,螺栓、密封圈等小件物資可通過稱重貨架進行實時監(jiān)控。采購人員只需在入庫時進行RFID標簽識別或將小件物資質量錄入后,即可將相應物資入庫,無需人工盤點。作業(yè)人員在領取物資前使用個人ID(身份標志號)卡進行授權后即可隨意領取所需物資,此時稱重貨架或電子標簽讀取器會自動識別所取物資的種類和數量,省去了人工管理環(huán)節(jié)。未授權人員若私自拿取物資,稱重貨架或電子標簽讀取器會第一時間進行聲光報警和視頻記錄,真正實現物資庫的無人值守。

2.5 工具、工裝、搶險設備動態(tài)管理子系統(tǒng)

工具、工裝、搶險設備動態(tài)管理系統(tǒng)的設計思路與車輛物資管理相同,但應在該系統(tǒng)中根據工藝或搶險類型提前錄入不同工況下所需物品的種類和數量,實現自動檢查、自動提醒等功能,真正實現實時動態(tài)管理[3]。

2.6 溫度監(jiān)控子系統(tǒng)

針對車下需要進行溫度監(jiān)控的部件,應使用RFID溫感標簽。在列車出入庫時,軌旁、道心讀取器可進行溫度的全自動測量。并通過合理、有效的算法,自動發(fā)現部件異常,為檢修人員提供數據支持和維修建議,減少人工成本[4]。

2.7 車輛全生命周期履歷管理子系統(tǒng)

車輛全生命周期履歷管理系統(tǒng)應結合上述系統(tǒng)一同開發(fā),針對主要且具有維修性的部件實施一件一簽,并可與運營單位既有的信息化系統(tǒng)聯動,增加如運營公里實時更新、維修履歷實時更新、部件安裝位置更新及部件存放位置更新等功能。同時可利用該系統(tǒng)提前將部件生產日期、維護說明等內容寫入電子標簽中,方便作業(yè)人員在無網狀態(tài)下讀取相應數據,以及開展檢修工作[5]。

3 RFID技術在車輛檢修專業(yè)信息化建設應用中的關鍵問題

3.1 電子標簽選型與安裝

針對不同部件應采用不同類型的電子標簽,一般選用840.0～845.0 MHz或920.5～924.5 MHz頻率波段,并通過不同的安裝方式將部件固定在特定的位置以保證使用效果。不同類型電子標簽性能測試結果如圖5所示。由圖5可見:固定在厚20 mm鋼板上的兩種抗金屬電子標簽在相同頻段內的可識別距離不同,A1、A2型電子標簽最大識別距離分別約為5.5 m和 8.5 m。

圖5 不同類型電子標簽識別距離-頻率關系對比

綜上,結合電子標簽性能測試和實物測試結果,從封裝形式、識別距離、安裝方式及安裝位置等因素選擇不同類型電子標簽。不同車型應根據實際情況和應用需求進行適當調整。

3.2 降低電子標簽安裝成本

目前,運營單位對RFID技術的需求最為迫切,但在實際應用過程中,需要大量人員對既有部件進行電子標簽的臨時安裝,嚴重影響了RFID技術的應用發(fā)展。

針對此情況,若在部件生產過程中將電子標簽有效安裝在指定位置,可以最大限度地降低安裝成本,也可最大程度地提高安裝可靠度,并提前寫入相應產品編號、生產日期及指導文件等只讀信息。

城市軌道交通行業(yè)編碼標準,可由相應的協會或部門進行統(tǒng)一管理,可按表1中的 EPC區(qū)存儲代碼進行設計,便于零部件供應商寫入相應編號,為日后的廣泛性應用打好基礎。

表1 EPC區(qū)存儲代碼設計

4 結語

RFID技術可以很好地應用于城市軌道交通車輛檢修專業(yè)中,對人員安全管理、物資管理、工器具及設備管理、溫度采集、全壽命周期履歷建設提供支持,在檢修過程中真正實現降本增效,為企業(yè)的數字化轉型提供幫助。未來,應盡快開展系統(tǒng)性的實際應用,制定出統(tǒng)一的應用標準,將RFID技術應用在城市軌道交通中的各個環(huán)節(jié),以完善現代綜合交通運輸體系,實現智能化管理、一體化服務及綠色化發(fā)展。