基于射频识别的列车精确定位技术分析 张 志 （上海睿豪商贸有限公司，２００３３３，上海／／Ｘ程师） 摘要精确地确定列车在线路中的位置，是保证安全、提 高效率、优化服务的重要前提。基于射频识别的精确定位技 术，是通过２．４５ ＧＨｚ射频阅读器识别射频标签和监测场强 变化的功能，来精确定位列车在线路中的位置。以 ＴａｇＭａｓｔｅｒ公司的射频识别系统为例，介绍了基于射频识别 的精确定位技术的安装和测试方法。模拟测试和实测数据 表明，基于射频识别的列车精确定位技术的定位偏羞不超过 ±１０ ｃｍ。 关键词轨道交通；射频识别；列车定位 中图分类号Ｕ ２３１．６ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ａｃｃｕｒａｔｅ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＲＦＩＤ ｉｎ Ｒａｉｌ Ｔｒａｎ。 ｓｉｔ Ｚｈａｎｇ Ｚｈｉ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓａｆｅｔｙ，ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎ— ｃｙ ａｎｄ ｇｏｏｄ ｓｅｒｖｉｃｅ ｉｎ ｒａｉｌ ｔｒａｎｓｉｔ ｉｓ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｔｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ （ＡＰ０Ｓ）．Ａ＿Ｐ０Ｓ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉＳ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＲＦＩＤ ｗｈｉｃｈ ｃｏｕｌｄ ｒｅａｌｉｚｅｓ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｄｅｔｅｃｔ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｂｙ ２．４５Ｇｌ＿Ｌ ｒｅａｄｅｒ ｔｈａｔ ｒｅａｄｓ ｔｈｅ ｔａｇｓ． Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｔａｋｅｓ ＴａｇＭａｓｔｅｒ ＲＦＩＤ ｓｙｓｔｅｍ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ・ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｓｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ＡＰＯＳ． Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｔｅｓｔｅｄ ｄａｔａ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ｉＳ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ＋／一ｌＯｃｍ，ｔｈａｔ ｍｅａｎｓ Ａ Ｐ０Ｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＲＦＩＤ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｕｒｂａｎ ｒａｉｌ ｔｒａｎｓｉｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｒａｉｌ ｔｒａｎｓｉｔ；ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ； ｔｒａｉｎ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ａｕｔｈｏｒ’ｓ ａｄｄｒｅｓｓ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｒｉｃｈｏｒ Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．，２００３３３，Ｓｈａｎｇｈａｉ，Ｃｈｉｎａ １城市轨道交通列车定位技术 １）定位的必要性：由于城市轨道交通列车运行 密度高、车站间距短、安全性要求高，以及列车自动 控制系统的需求，需要实时了解列车在线路中的精 确位置，便于列车自动控制系统根据线路中列车的 相对位置来实时、动态地对每一列车进行监督、控 制、调度和实施安全防护。实时、精确地确定列车在 ・ ３（】・ 线路中的位置也是保证安全、发挥效率、提供最佳服 务的前提。 ２）列车定位系统的基本功能：能够按要求在指 定地方实时确定列车的位置；为列车自动控制系统 进行实时控制提供可靠的位置信息；联锁系统和列 车自动防护系统可根据列车的实时速度和位置信息 进行运行问隔控制和移动授权，保证列车运行的安 全追踪间隔；车载信号设备获得列车的位置和速度 信息，根据速度一模式曲线进行控制和优化，防止列 车超速，实现到站精确定位。 ３）定位技术在轨道交通系统中的作用：为列车 自动防护系统提供信息，作为保证安全列车间隔的 依据；为列车自动运行系统提供信息，用以计算速度 曲线进而实施速度自动控制；为列车运行状态提供 信息，用以信息显示；还可为道岔、过分相、限速等的 控制提供信息。 ２ 目前国内外采用的定位技术及其优缺点 １）目前国内外采用的定位技术主要有：无绝缘 音频轨道电路法，测速定位法，无线扩频定位，电缆 环线定位技术和全球卫星定位法（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ，简为ＧＰＳ）。 ２）目前国内外定位技术的优缺点： ①无绝缘音频轨道电路定位方式的优点是经 济、方便，既可以实现列车定位，又可以检测轨道的 完好情况；缺点是定位精度取决于轨道电路的长度， 不精确，无法构成移动闭塞。 ②基于测速的列车定位是一种典型的增量式相 对定位，存在累计误差，不适合定位精度要求较高的 系统。 ③无线扩频列车定位的优点是定位比较精确， 但需要在沿线设置专用扩频基站，投资成本较高。 ④交叉感应回线定位方式成本较低，但只能实 现列车的相对定位，需要不断对列车的位置进行修 正，而且定位精度受交叉区长度的，如果交叉区 ÷增孙 ０ 誊 誊饔 善 ≯ 警 比较窄，位置脉冲漏计的可能性增大。 ⑤利用ＯＰＳ实现列车定位，优点是设备简单、 成本低；缺点是目前运动定位精度低，在高速运动中 无法应用，在并行线路上更容易发生认错股道的现 象，在周围阻挡物多的地方精度受到影响，在隧道等 区段存在定位盲区。 近年在国内外轨道交通控制系统中开始推广应 用的射频识别（ＲＦＩＤ）定位技术，特别是瑞典 ＴａｇＭａｓｔｅｒ射频识别定位技术，具有性价比高、可靠 性好、适应性强等特点。 ３基于射频识别定位技术的基本工作方式 ３．１射频识别定位技术的组成 ＴａｇＭａｓｔｅｒ射频识别系统有两部分组成：阅读 器和标签卡。阅读器为专用的车载阅读器（ＨＤ Ｒｅａｄｅｒ １５６６４Ｘ）；标签卡均为有源标签，分为工业 高速标签１４５６００和工业高速可编程标签１４９７００ （可根据用户需要编辑其ＩＤ号）。 ＴａｇＭａｓｔｅｒ ＲＦＩＤ系统是利用微波进行非接触 式的双向通信交换数据（如图１所示），实现可靠识 别和精确定位（ＡＰＯＳ）功能。 …Ｊ…ＪＩＩ反射携带卡数据的射频信号 三：一 ■读器 图１ 利用微波进行非接触式的双向通信交换数据 ３．２安装方式 ＲＦＩＤ系统用于精确定位时，一般有３种安装 方式（如图２所示）。在实际应用中一般采用第３种 安装方式，阅读器作为车载系统的一部分。 基 ．１、阅读器在 ２、阅读器在 覃曼 ３、阅读器在 轨旁 枕木上 车上 图２射频识别系统的３种安装方式 ３．３工作原理 以第３种安装方式为例说明射频识别系统的工 作原理。车载阅读器识别安装在枕木上的标签卡， 列车自动控制系统根据车载系统识别到的标签卡信 息来控制列车的运行。根据系统不同需求选用不同 的标签卡，在高速情况下进行识别通常选用 １４５６００，其识别速度可达到４００ ｋｍ／ｈ；在列车减速 进站且客户需要编辑特定的ＩＤ号的场合，则选用 １４９７００，其提供的接口可供用户一次性按其要求编 写ＩＤ号。 ＴａｇＭａｓｔｅｒ标签卡一直处于工作状态，当阅读 器靠近标签卡，该标签卡～旦被识别时，ＡＰＯＳ检测 功能会立即自行启动，ＡＰＯＳ会不断读卡并检测该 卡信息场场强的强度。标签卡越是临近阅读器的中 心点时，信息场场强越大。ＡＰＯＳ检测功能将捕获 并精确计算出阅读器所采集微波峰值的时间点，经 过精准延时（可设定，默认为５００ ｍｓ）后输出电平信 号，车载系统通过计算得到车辆的精确位置（标签卡 的身份是唯一的，位置是固定的）。ＴａｇＭａｓｔｅｒ ＲＦＩＤ阅读器提供ＲＳ ２３２、ＲＳ ４８５、ＲＪ ４５端口，以 便各子系统调用ＡＰＯＳ发生时间点信息及阅读到 的标签卡身份数据。 ＴａｇＭａｓｔｅｒ为专用的车载阅读器（ＨＤ Ｒｅａｄｅｒ １５６６４０）开发了特殊的峰值检测方法。当车载阅读 器经过标签卡时，即可以测得阅读器通过标签卡时 信息场的微波场强峰值发生的时问点（如图３所 示）；通过通信口将该时问点及卡号上报控制中心， 经运算即能获得车辆的精确位置，从而实现精确定 位功能。 １ 图３ 阅读器通过标签卡时信息场的微波场 强峰值发生的时间点 ＴａｇＭａｓｔｅｒ峰值检测原理是：ＴａｇＭａｓｔｅｒ设备 在读到标签卡时，开启峰值检测功能，不断采集场强 变化；根据场强对时间的变化来绘制随时问变化产 生的相对面积，再计算该面积的变化曲线的斜率；当 该斜率大于１时计算出各点积分值所构成的曲线， 该曲线的拐点即表示标签接近于或位于阅读器的中 心位置。这样可以有效避免轨道交通中的干扰。 ・３１・ 誊 墨≮鼍 ｉ； ３．４模拟测试及测试数据 ； ｉ 誊 誊 蠹 睡 黼 ｌ ｌ《 魏辫ｌ鬻 ８《 平信号经双稳态电路（如图５所示）转换后送到阅读 搭建一模拟测试平台（如图４所示），阅读器置于 轨道下方；标签卡沿着轨道运动；倾斜的轨道是为了 适当抵消标签卡与轨道的摩擦力，以实现标签卡在匀 加速运动下的高速移动。在测试中，为了方便计算 ＡＰＯＳ发生的时间点和标签卡速度，在标签卡运动的 器的输入口，通过阅读器来获取事件的发生时间，同 时用示波器同步采集阅读器的输入口信号（如图６ 所示）。 方向上装有３个传感器，用来采集标签卡到达该点的 脉冲信号。传感器１作为原点，传感器２距原点为 ，阅读器中心距原点为Ｌ；传感器３距原点为 ， 在试验中，为了获得标签卡到达各点的时间，将 阅读器与标签运行轨道的间距为５００ ｍｍ。 传感器产生的脉冲信号与阅读器产生的ＡＰＯＳ电 图４射频识别系统模拟测试平台 注：ｓ１——传感器１输出的脉冲信号；ＡＰ０ｓ——Ｔａｇｍａｓｔｅｒ阅读器输出的ＡＰＯＳ电平信号；ｓ２——传感器２输出的脉冲信号 ｓ３——传感器３输出的脉冲信号；ＩＮＰＵＴ１——输送信号到ＴａｇＭａｓｔｅｒ阅读器输人口１产生事件，获取事件发生时间； ＩＮＰｕ ——输送信号到ＴａｇＭａｓｔｅｒ阅读器输入口２产生事件，获取事件发生时间。 图５信号经双稳态电路转换后送到阅读器的输入口 ＣＨ２ 设：列车经过传感器１的时间为Ｔ （精确到 耦合 ｍｓ）；速度为 ，单位为ｋｍ／ｈ。经过传感器２的时 间为Ｔ （精确到ｍｓ）；速度为 ，单位为ｋｍ／ｈ。经 过传感器３的时间为Ｔ，（精确到ｍｓ）；速度为 ，， 单位为ｋｍ／ｈ。ＡＰＯＳ发生的时间为丁，精准延时为 ５００ ｍｓ；速度为 ，单位为ｋｍ／ｈ。列车运动的加速 度为 。 则： △Ｔ１＝Ｔ３一Ｔ１ △Ｔ２＝Ｔ２一Ｔ１ △Ｔ＝Ｔ—Ｔ１—０．５ 皿 带宽 ￣２０ＭＨｚ 伏，格 衄ｌ０Ｘ 探头 ！塑 反相 为ＡＰＯＳ发生点与阅读器中心点的偏 移值，单位为ｍｍ。 圃７．２０Ｖ １４－Ｄｅｃ一０３ ０３：４３ ＜１０Ｈｚ ． 图６示波器同步采集阅读器的输入口信号 Ｖ＝Ｖ ＋ａＡＴ ・３２・ 潜 ０ ｔｔ 誊 安 ｔｔ Ｘ１＝Ｖ｛・△Ｔｉ＋（ａ△Ｔ ／２） ［（△Ｔ 一△Ｔ。）・（２・△Ｔ一△ ）］ ２＝Ｖ１・△丁：＋（ａ△ ；／２） ＝Ｘ１／△Ｔ１・△丁＋（ ／△丁１一 ２／ 推算出： ＡＴ２）ＩＦ（ＡＴ１一△７１２）・ ａ＝［（ １／△７ｎ１一Ｘ２／△ ２）／（／ＸＴ１一△ ２）］・２ （ＡＴ一△丁１）・△丁］一Ｌ Ｖ＝Ｘ１ ７ Ｔ１七 ｘｔ？ Ｔｔ—Ｘ ２ ７ Ｔ２、）７ 测试数据如表１所示。 表１ ＴａｇＭａｓｔｅｒ射频识别系统模拟测试数据 由表１的模拟测试数据可知，ＡＰＯＳ发生点的 在正常条件下，现场实测的定位精度要好于±１０ 偏移不超过±１０ ｃｍ。经过城市轨道交通的现场实 ｃｍ。目前国内某些城市的轨道交通已采用庞巴迪 际测试，基于ＴａｇＭａｓｔｅｒ ＲＦＩＤ定位技术的轨道列 的ＣｉｔｙＦｌｏ ６５０列车控制系统，其中的列车车载控 车精确定位系统完全符合目前城市轨道交通精确定 制系统的精确定位装置就是应用了ＴａｇＭａｓｔｅｒ 位系统的精度要求。 ＲＦＩＤ定位技术。 ４ ＲＦＩＤ定位技术优点及其性能 ５ 结语 与目前国内外采用的几种定位技术相比较，以 ＲＦＩＤ技术可以精准确定列车在线路中的位 ＴａｇＭａｓｔｅｒ为代表的基于ＲＦＩＤ定位技术有以下优 置。由于射频卡身份的唯一性，可实时和动态地对 点：精度高，设备简单，成本低，不受周围环境影响 每一列车进行监控，确保各列车之间安全运行的最 等。由于标签卡提供的位置精度很高，达厘米量级， 小间隔，实现统一调度和管理，同时可有效提高列车 为列车的实际运行进行实时修正提供了依据。实践 在站台停靠的精确度。随着轨道交通的快速发展， 证明，雨水、阅读器安装方向、不同的阅读器频率等 基于ＲＦＩＤ的精确定位技术将会得到更为广泛的应 都不会影响ＲＦＩＤ精确定位功能的定位精度，所以 用。 （下转第３７页） ・ ３３ ・ 毫 瓣孙 圭 囊 拳 控制中心 分控中心厂 ］一 ’ ，－——．－－－—－－－－－．－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－／ …一 ．． …… ……… 图４新的多级系统架构模式图 ３．３先进的多级系统架构模式 储流和实时流）和控制流分离技术，采用图５的服务 目前有一种更为先进的视频监控系统能从多级 器Ⅳ十１热备技术，可以完美地实现对控制流的平 系统架构上提高系统的可靠性。图５为先进的多级 稳切换，而业务流的交换在本地完成的高可靠性技 系统架构模式图。 术同时也极大地兼顾了经济实用性。 ４结语 随着中国城市轨道建设的飞速发展，视频监控 系统在公共安全中发挥的作用将会越来越大。对视 频监控系统的选择除了关注系统功能实现以外，更 应该重视系统整体架构的先进性和可靠性，这样才 能给用户带来真正的价值，在关键时刻发挥其重要 的作用。 下级服务器 下级服务器 下级服务器 参考文献 图５先进的多级系统架构模式 ［１］ＧＢＴ ５０３４８安全防范工程技术规范Ｅｓ］． 如图５所示，通过在上级管理域，如派出所，配 ［２］ＧＢ ５０３９４入侵报警系统工程设计规范［ｓ］． 置一台热备冗余管理服务器，从而实现对其下面管 ［３３ ＧＢ ５０３９５视频安防监控系统工程设计规范［ｓ］． ［４］ＧＢ ５０３４８－－２００４安全防范工程技术规范Ｉｓ］． 辖的Ｎ个车站和派出所本地的管理服务器实现热 ［５］ＤＢ３３／Ｔ ６２９．１—２０Ｏ７跨区域视频监控联网共享技术规范 备：其中任何一台管理服务器出现故障将由热备服 ［ｓ］． 务器自动接管。结合ＮＧＮ架构带来的业务流（存 ［６］张立车，纪文莉，任海．上海轨道交通视频监控与安防系统网 络化兼容性研究＿Ｊ］．城市轨道交通研究，２０１０（１２）：６５． （收稿日期：２０１１—０３—２８） （上接第３３页） 上海：同济大学出版社，２００７． 参考文献 Ｅｓ］孙林祥，房坚．城市轨道交通的列车定位技术ＩＪ］．电子工程师， ［１］ＴａｇＭａｓｔｅｒ．ＴａｇＭａｓｔｅｒ ＨＤ Ｒｅａｄｅｒ Ｄａｔａ Ｓｈｅｅｔ［Ｇ］． ２００２，２８（７）：２８． ＴａｇＭａｓｔｅｒ，２０ｌ０． ［６］刘进，吴汶麒．轨道交通列车定位技术＿Ｊ］．城市轨道交通研究， ［２３ ＴａｇＭａｓｔｅｒ．ＴａｇＭａｓｔｅｒ Ａｕｔｏ ＴＸ Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｍａｎｕａｌ［Ｇ］． ２００１，４（１）：３０． ＴａｇＭａｓｔｅｒ，２００９． Ｅ７］吴汶麒．国外铁路信号新技术［Ｍ］．北京：中国铁道出版 ［３］ＴａｇＭａｓｔｅｒ．ＴａｇＭａｓｔｅｒ Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｋｉｔ Ｍａｎｕａｌ 社，２０００． ［Ｇ］．ＴａｇＭａｓｔｅｒ，２００８． （收稿日期：２０１１—０３—２８） ［４］曾小清，王长林，张树京．基于通信的轨道交通运行控制［Ｍ］． ・３７・
