基于射频识别rfid技术的地铁列车跟踪与定位系统

基于射频识别rfid技术的地铁列车跟踪与定位系统

轨道列车跟踪和定位是轨道列车控制系统的一项重要技术，在地铁信号控制系统中发挥着越来越重要的作用。准确、及时、可靠的获取列车位置信息,是地铁安全、有效运行的保障,也是发挥效率,提高运能的前提。目前在国内外铁路中有多种列车定位方法,从采取的定位方法上可分为:编码里程仪、轨道电路、应答器、裂缝波导、交叉感应回线、无线扩频、GPS、地图匹配定位等。与国外列车跟踪定位系统相比较,国内的列车跟踪定位系统尚处于初级阶段,目前还没有形成完整的体系结构。我国地铁列车跟踪定位系统的研究最早始于调度监督、调度集中系统的车次跟踪功能需求,由于受到当时无线通信系统在技术和成本上的限制,系统采用了信号联锁设备和自动闭塞设备提供的轨道电路状态条件,通过软件实现列车位置判断和跟踪,这种方案应用在地铁运行监视系统中是一种比较经济适用的方式,能够满足当时的运输需要。但随着我国地铁的发展,国内的地铁跟踪定位系统亟待提升,如国内的城市轨道交通部分采用了裂缝波导、交叉感应回线等先进的跟踪定位方法。RFID被列为21世纪最有前途的重要产业和应用技术之一,可识别高速运动物体,是最具变革力与核心价值的一项新技术。目前RFID技术已成功用于德国慕尼黑火车进站定位系统。RFID技术在我国铁路运输中也有应用:铁路车号自动识别系统(ATIS)已在全路各铁路局推广使用、国内地铁中已经使用的站台与门禁自动鉴别系统、电力机车自动过分相系统以及在铁路货运的应用。本文针对目前国内地铁控制系统国产化的需求,提出了采用一种基于射频识别RFID技术的列车跟踪与定位系统,用以实时、精确、高效的确定地铁列车在线路上的位置,并在综合站场表示图上展现出来,为调度系统提供数据支持。1高速运动界面RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,识别工作无须人工干预,可工作于各种恶劣环境。其基本原理是利用射频信号和空间耦合(电感或电磁耦合)传输特性,实现对被识别物体的自动识别。RFID技术可识别高速运动物体,操作快捷方便。基本的无线射频识别系统由电子标签(Tag)和读写器(Reader)及相应的应用支撑软件三部分组成。2rfid技术射频识别技术RFID(RadioFrequencyIdentification)是近年来新兴的一项自动识别技术。RFID利用射频方式进行非接触双向通信,从而实现对物体的识别并将采集到的相关信息数据通过无线技术远程进行传输。和目前广泛采用的条型码技术比较,RFID通过射频信号使用户可以自动识别目标对象,无需可见光源,读写器在一定距离范围内可以从任意方向实现卡片的操作。它具有穿透性,以透过外部材料直接读取数据。利用这项技术能够同时处理多个射频标签,适用于批量识别场合并对RFID标签所附着的物体进行追踪定位,提供位置信息。同时具有抗污染、读取距离远、信息量大的特点。其在地铁隧道中使用拥有特殊的优势。3eprom及射频收缩电路如图1。RFID由耦合元件及芯片组成,其中包含带加密逻辑、串行EEPROM(电可擦除及可编程式只读存储器)、微处理器以及射频收发及相关电路。电子标签具有智能读写和加密通信的功能,它通过无线电波与读写设备进行数据交换,工作的能量是由阅读器发出的射频脉冲提供。4信号的信号传输阅读器将要发送的信息,经编码后加载在某一频率的载波信号上经天线向外发送,进入阅读器工作区域的电子标签接收此脉冲信号,卡内芯片中的有关电路对此信号进行调制、解码和解密,然后对命令请求、密码和权限等进行判断。5跟踪和定位轨道列车的系统工作原理5.1系统的全球结构如图2所示:5.2标签精确定位系统的工作原理:系统将无源标签每隔一定间隔(如1.5m)依次固定安放,标签读写器及通讯设备安装于车上,并联至车载微机。当地铁列车通过一枚定位标签时,车载读写装置(射频主动天线RF-ActiveAntennas,安装在地铁列车底部)读取标签内的精确位置信息数据,从而实现精确定位(精度0.5m)。系统设计除利用RFID定位模块获取当前位置信息外,还配置了GPRS通信模块,以便实时采集和发送所需信息,实现与调度中心的通信。地铁列车在运行时连续、依次读取多个标签内的位置信息,系统根据列车位置信息的变化就可判断其运行的方向及运行距离,从而实现对地铁列车的跟踪定位。5.3轨道交通系统列车定位处理单元,相当于RFID定位的应用主机,是列车跟踪与定位系统的核心。列车定位处理单元提供的数据信息经由车载数据阅读/发送器传输给地面系统。并接收从定位标签(RFID标签)和参数输入装置(线路数据存储器)传来的信息,实时得到列车的位置数据。5.4信号到达方向的确定利用到达角信息定位方法(AOA)到达角(AoA—AngleofArrival)定位方法是阅读器通过阵列天线测出从阅读器到标签的传输路径的到达方向(电波的入射角)来获得位置信息。如图4所示,通常标签处于天线阵元的远区场,因此可近似看作是平面波,则间隔位置为d的相邻阵元所接收到的来自标签到达角为θ的相位差为:其中λ表示空中传播的无线信号的波长。根据上式测量不同相差φ,可得到来波信号的到达角θ。根据阅读器接收到的标签信号的到达角信息,可以利用几何知识计算出列车的位置。5.8磁环境的影响仿真建模思路由于建立直观的试验模拟场地,其费用也非常高,并且测试结果受测试场所电磁环境的影响较大。本文提出了利用射频、信号处理、控制、软件等技术手段,采用信号模拟的方式来构造测试环境,通过对典型信号、干扰情况等进行建模,利用软/硬件控制,产生典型的测试信号,形成与现场典型情况比较一致的测试环境,分析测试机载读出设备的性能。6