RFID技术及在轨道交通的应用

中心议题：
    *  RFID的概况和工作原理
    *  RFID的技术特点和分类  
    *  RFID在轨道交通应用的原理

1 RFID的概况和工作原理   

1．1概述   
RFID(Radio Frequency Identification，射频识别)是利用电磁感应或微波进行非接触双向通信，并通过交换数据来达到识别目标的一种最先进的自动识别技术。该技术始于二战时期。20世纪80年代以来，随着大规模集成电路技术的成熟，射频识别系统的体积大大缩小，射频识别技术进入实用化的阶段，到20世纪90年代，RFID技术在世界范围内被广泛应用。一般的RFID系统由读写器、标签和天线三部分组成。读写器的主要任务是控制射频模块向标签发射读写信号，接受标签的应答，并将信息传输到主机以供应用系统处理，在实际应用时还需要其他硬件和软件的支持。   

1．2 RFID的工作原理   
RFID的工作原理：标签进入读写器发出的无线射频信号区后，接收读写器发出的射频信号。无源标签或被动标签凭借线圈上的感应电流获得能量启动标签控制电路和射频电路发送出存储在芯片中的数据。有源标签或主动标签主动发送某一频率的信号，读写器直接接受标签发射的信号进行解码后，恢复为标签的原始信息，然后送至中央计算机等应用系统，进行有关数据处理，最后应用系统得到所需要的信息，从而实现识别的目的。RFID基本工作原理和基本组成如图1所示。   

2 RFID的技术特点和分类   

2．1 RFID 技术特点
    (1)非接触性：标签的读、写在非接触操作状态下完成， 阅读距离标签从几厘米到几十米，适用于相对较短距离无线传输信息的场合，如正在运行的列车和地面之间进行点式信息的交换。
    (2)高可靠性和耐用性：标签与读写器之间无机械接触，避免了由于接触不良所造成的读写错误等操作，即使在卡上有灰尘、油污或黑暗等外部恶劣环境下也不影响对卡的读写。另外，卡表面无裸露的芯片，无须担心芯片脱落，静电击穿，弯曲损坏等问题，所以，卡的使用寿命比较长。   
    (3)操作方便、读写速度快 ：由于非接触通信，读写器在几厘米至几十米范围内就可以对卡片操作，所以，不必像IC卡那样进行插拔工作。非接触使用时没有方向性，卡片可以从任意方向掠过读写器表面， 可大大提高使用的速度，在很短的时间内即可完成读、写操作。   
    (4)信息容量大、一卡多用：标签信息容量可达到2的96次方个码，~P268亿个码，现行一维EAN／UPC条形码，其容量不过几十个字符，容量最大的二维条形码(PDF417)最多也只能存储2725个数字，容量受限制。射频中有多个分区，每个分区又各自有密码，所以，可以将不同的分区用于不同的应用，实现一卡多用。   
    (5)防冲突机制：标签中有快速防冲突机制，能防止标签之间出现数据干扰， 因此，读写器可以同时处理多张非接触式标签，可同时处理多个标签。   
    (6)安全加密性能好：标签的序号是唯一的，制造厂家在产品出厂前已将此序列号固化，不可再更改。读写器可验证标签的合法性，同时标签也可验证读写器的合法性，处理前，卡要与读写器进行相互认证，而且在通信过程中所有的数据都加密。此外，标签中各部分都有自己的操作密码和访问条件。   
    (7)重复使用性：由于标签为电子数据，可以反复被覆写，进行通信。因此，可以将回收的标签重复使用。如果是被动式标签，不需要电池就可以使用，没有维护和保养的需要。   
    (8)穿透性 ：标签可穿透纸张、木材和塑料等非金属与读写器进行信息交换。铁质金属， 由于具有屏蔽作用，阻碍电磁波的传播无法进行正常的通信。   
    (9)追踪定位性：可以把RFID标签附着在物体上进行追踪定位。如果把标签与GPS结合， 可以对带有标签的货柜车、货舱、列车等进行有效地理位置的跟踪。   

2．2射频识别系统分类及特点 
(1)工作频率   
根据各种发送频率可划分为低频(30～300kHz)、高频或射频(3～30MHz)和超高频(300MHz～3GHz)或微波(>3GH z)。低频系统一般指其工作频率小于30M H z~9系统，其典型的使用频率低于l35kH z或6．75MH z 、l3．56MHz及 27．125MH z。其基本特点是：标签的成本较低，能耗较低，标签内保存的数据量较少，阅读距离相对较短，但阅读天线方向性不强(无源情况，典型阅读距离为几十厘米)，标签外形多样(卡状、环状、钮扣状、笔状)等。低频系统多用于短距离、低成本、低能耗、安全性要求较高的场合，如门禁控制、动物监管、货物跟踪、高速列车与地面之间点式信息的传输。高频系统一般指其工作频率大于400MHz的系统。高频系统的基本特点是标签及读写器成本均较高，标签内保存的数据量较大， 阅读距离较远(可达几米至十几米)，适应物体高速运动性能好，外形一般为卡状，阅读天线及标签天线均有较强的方向性。高频系统多应用于需要较长的读写距离和高的读写速度的场合，例如列车车次号识别、高速公路不停车收费等系统。   

(2)数据传输方式   
按照应答器回送到阅读器的数据传输方法可分为三类：反射或方向散射式(反射波的频率与阅读器的发射频率一致)或负载调制式(阅读器的电／磁场受应答器的影响，频率比为l：1)、分谐波(1／n倍)式，以及应答器中产生的高次谐波式(n倍)。   

(3)作用距离
射频识别系统按读写器与标签之间作用距离分为：紧密耦合(0～lcm)、遥控耦合(0～lm)和远距离(>lm)系统。 
 
(4)有源与无源标签   
标签可分为有源及无源两种。有源标签使用卡内电池为微型芯片提供全部或部分能量，但不会为标签与应答器之间传送数据提供能量，识别距离较长(可达十几米)，但是它的寿命有限(3至l0年)，且价格较高；无源标签不含电池，接受读写器发射的电磁波提供能量，重量和体积较小使用寿命长，但它的发射距离受限制，而且要求读写器的发射功率大，应答器工作电路的功耗小。 
 
(5)调制方式 
根据调制方式的不同还可分为主动式和被动式： 
    1)主动式标签，主动地发送数据给读写器。2)被动式标签，使用调制散射方式发射数据，它必须利用读写器的载波调制的信号，适宜在门禁、交通的应用中使用。读写器可以确保只激活一定范围之内的标签。目前使用的多数系统中，一次只能读写一个标签。标签之间要保持一定距离，确保一次只能有一个卡在读写区域内。读写距离长，标签之间的距离就要大，应用不方便。现在的标签具有防碰撞的功能，这对于RFID来说十分重要。所谓碰撞是指多个标签进入识别区域时信号互相干扰的情况。具有防碰撞性能的系统可以同时识别进入识别距离的所有标签，这种工作方式大大提高了系统的效率。   

3 RFID在轨道交通领域的应用   

由于RFID系统具有可靠性高、信息容量大、结构简单、安装灵活、维护方便等优点，随着轨道交通的发展，列车与地面之间需要传输大量的信息，原有轨道电路信息量难以满足要求，尤其在一些特殊的点，比如：进出车站、区间信号点、弯道、坡度等。车载和地面之间需要其他传输信息的通道增加车载控制设备的参考数据以满足列车安全、舒适运营的要求，所以，RFID系统随着轨道交通的发展作为列车和地面之间传输点式信息的通道，成为轨道交通列车控制系统的重要组成部分，也是我国CTCS指定使用的设备。   

3．1 RFID在国、内外轨道交通的应用情况和基本技术参数   
RFID在轨道交通领域运用也称为查询应答器，最早由瑞典铁路提出，上世纪80年代初期开始研制使用。后来德国、荷兰、日本、法国等都相继采用了这种查询应答器方式作为地面一机车的信息传送方式，在经过了多年的应用后，最终确定了查询应答器的框架技术数据。它是一个电感耦合的射频识别系统，采用非谐性反馈频率。机车的数据传输在4．237MH z的射频上进行，并且当列车以非常高的速度通过的瞬间仍可确保数据报文能够正确读出。   

欧洲标准应答器的技术参数如下:   
    耦合方式： 电感式   
    能量传输频率： 27．095MHz   
    数据传输频率： 4．237MHz   
    调制方式： FSK   
    调制指数： l   
    数据传输率： 565kbit／s   
    电报长度： l023或者341bit   
    有效数据范围： 863或者216bit   
    读取距离： 230至450ram   
    最大侧偏移： l80mm   
    雪、水、矿石覆盖：不影响   

目前， 国内铁路地面与机车的信息传递大部分仍依靠轨道电路完成， 我国自行研制开发的ZPW-2000系列轨道电路已在全路大面积装备，具有1 8个低频信息， 但是，单纯依靠轨道电路信息已无法满足进一步提速对信号系统的技术要求。   

随着第六次大提速的实施，速度将突破160km／h达到200～250km／h，列车必须装设列车控制系统；TDCS／CTC等系统的应用，传统的区域分散控制转变为统一指挥，对临时限速设置方式等带来了革命性的变化，需要为运行中的列车提供临时限速信息。立足于我国既有信号技术装备， 参照欧盟ETCS 相关标准，我国自主研发了完全拥有自主知识产权、符合我国国情的CTCS2级列车控制系统实施方案：通过轨道电路提供与前车(目标)距离和进路状态等实时连续信息，由列车控制中心控制应答器发送线路参数、进路信息和临时限速，列车车载设备自动生成连续速度控制模式曲线，实时监控列车安全运行，巧妙地解决了信息连续要求和信息量的矛盾。CTCS2系统构成如图2所示。   

另外，我国幅员辽阔，大交路运输需要跨区域运行，为完成CTCS2一CTCS0的级间转换需要向车载提供点式信息，这些需求为应答器的应用提供了广阔的空间。目前，我国已对京哈、京沪、京广、陇海、沪昆、胶济、广深、京九、兰新等l8条线路进行了提速改造，200km／h线路达到了 14000km。   

3．2 RFID在轨道交通应用的原理   
查询应答器由地面应答器、车载查询器、发射天线、轨旁电子单元LEU (可变应答器才有，用于列车控制中心为地面应答器传送临时可变信息)四部分组成。地面应答器的电源取自正在通过的机车上的查询器发射的27．095MHz信号，地面应答器利用对该频率点的电感耦合取得工作所需能量。地面向机车传输数据的载频为4．237MH z，可以确保列车高速通过瞬间完整读出数据报文。当机车驶过地面应答器时，车载查询器首先通过电磁感应方式将能量传递给地面应答器，地面应答器在接收到来自列车的能量后开始工作，通过整流电路提供可靠的电源，为应答器工作提供能量，将报文数据以频移调制方式通过电磁感应传送至车上。查询应答器基本电路原理框图如图3所示。   

车载查询器的主要功能是发射信号为地面应答器提供工作所需能量、接收应答器发出的信号、解调数据信号、解码后再通过串行输出送至控制设备。实现功能原理框图如图4所示。   

4  总结和展望   

射频识别技术在中国已开始进入了应用阶段，发展潜力巨大。在信息社会，要求对各种信息的获取及处理快速、准确。在不久的将来，RFID技术将同其它识别技术一样， 深入到人们生活的各个领域。在轨道交通领域，目前引进欧洲标准的查询应答器，技术成熟、安全可靠，国内正处于引进、消化和吸收阶段，技术方面还需要进一步探索和提高，全面大提速和客运专线建设大面积展开，广阔的市场空间已经为技术发展提供了肥沃的土壤，我国正处在发展的关键时期。社会主义现代化建设根本要靠科学技术。科学技术上的重大突破可以使社会生产力产生革命性的飞跃，相信不久的将来，我国在此技术领域也会有突破性的进展。