CC BY
15
Методы мониторинга в транспортных системах
УДК 625.421
А. М. Костроминов, д-р техн. наук О. Н. Тюляндин
Кафедра «Электрическая связь»
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Санкт-Петербург
ДИНАМИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА СРЕДСТВ РАДИОЧАСТОТНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ СИСТЕМЫ БЕСКОНТАКТНОЙ ПРИВЯЗКИ ПУТИ
МЕТРОПОЛИТЕНА
Для успешного развития подземной RFID-навигации требуется высокая надежность средств радиочастотной идентификации. Однако при эксплуатации системы бесконтактной привязки к координатам пути поездов метрополитена были замечены случаи пропуска считывания радиочастотных меток. Одной из причин пропуска меток является влияние дрейфа затухания в высокочастотном тракте между ридером и антенной головного вагона. Разработанный авторами метод контроля высокочастотного тракта в условиях электродепо не годится для такого контроля при работе поезда на линии метрополитена. Поэтому в настоящей статье предлагается метод, использующий уровень мощности сигналов, принятых от радиочастотных меток при работе поезда на линии, и с помощью этого параметра позволяющий контролировать текущее состояние высокочастотного тракта системы бесконтактной привязки пути и чувствительности радиочастотных меток.
СБПП, RFID, RFID-навигация, контроль высокочастотного тракта, динамическая диагностика. DOI: 10.20295/2412-9186-2019-5-4-467-477
Введение
В процессе эксплуатации системы бесконтактной привязки к пути (СБПП), базовой частью которой являются средства радиочастотной идентификации, имели место случаи увеличения затухания сигналов в высокочастотном тракте между ридером и антенной [1-6]. Увеличение затухания в тракте между приемопередатчиком головного вагона и радиочастотными метками происходит вследствие отклонения уровня питающего напряжения приемопередатчика из-за попадания влаги в разъемы кабеля, соединяющего ридер с антенной, в результате нарушения герметизации разъемов при вибрации либо неосторожном выполнении плановых ремонтов головных вагонов, а также других причин. Отсюда возникает актуальная задача
разработки метода контроля высокочастотного тракта между ридером и антенной СБПП в процессе рабочего движения поездов метрополитена на линии, позволяющего убедиться в его работоспособности и спрогнозировать ожидаемое время перехода в неработоспособное состояние, чтобы эксплуатационный персонал получил возможность предупредить отказ СБПП и облегчить проведение ее диагностики.
1. Исследование функциональных особенностей средств радиочастотной идентификации
Средства радиочастотной идентификации системы бесконтактной привязки пути включают в себя ридеры (считывающие устройства) и антенны, смонтированные на головных вагонах поездов метрополитена и соединенные между собой высокочастотным кабелем посредством разъемных соединений, а также пассивные радиочастотные метки, установленные на стенах тоннелей метрополитена.
Взаимодействие между ридером и метками осуществляется согласно протоколу EPC Gen2 [7] (рис. 1).
Ридер Метка
Ридер отправляет запрос Query, QueryAdjust или QueryRep
Ридер подтверждает прием сообщением AÇK с принятым RN16
Ридер посылает запрос Req_RH с принятым от метки RN16
Возможна работа с меткой, при каждом запросе handle используется как параметр
Рис. 1. Процесс считывания метки согласно протоколу Gen2
Инициатором обмена выступает ридер, который передает метке протокольное сообщение; из этого сигнала радиометка получает энергию, необходимую для ее работы, и выделяет запрос для последующей обработки.
Непосредственно после посылки запроса ридер в течение некоторого интервала времени излучает немодулированный радиочастотный сигнал. В это время метка, управляя коэффициентом отражения своей антенны (меняя параметры контура), отвечает ридеру модулированным сигналом [4, 7]. При этом в ридерах, используемых в СБПП, имеется возможность фиксировать уровень мощности принятого от метки сигнала - RSSI (eng.: Received Signal Strength Indication). Очевидно, что с увеличением затухания в
высокочастотном тракте между ридером и антенной уменьшается уровень этой мощности: ослабевает и сигнал, излучаемый антенной, и сигнал, получаемый ридером от метки. Поэтому указанная величина может быть использована как основополагающая при решении поставленной задачи.
2. Разработка метода контроля высокочастотного тракта системы бесконтактной привязки пути
Проведенные авторами экспериментальные исследования показали, что уровень мощности принятого от метки сигнала зависит от взаимного мгновенного расположения метки и антенны. Считывание меток занимает некоторое время, поэтому на высоких скоростях из-за малого числа считываний возможна только статистическая оценка состояния тракта.
Однако на каждой станции в зоне остановки первого вагона (ОПВ) установлена группа радиочастотных меток, где в штатном режиме скорости движения поездов не превышают 2 км/ч. На данном участке линейное перемещение поезда между двумя последующими считываниями метки не превышает 10 сантиметров, поэтому в условиях решаемой задачи ошибкой центрирования антенны ридера относительно метки в момент определения пика уровня мощности принятого от метки сигнала можно пренебречь.
С учетом указанных обстоятельств для контроля высокочастотного тракта СБПП предлагается метод, реализующий следующий алгоритм.
1. При заезде поезда на контрольную станцию (например, последнюю на линии перед тупиком) фиксируется и сохраняется в памяти контроллера головного вагона поезда максимальный уровень мощности принятого сигнала от радиочастотной метки в зоне ОПВ, соответствующий центру зоны ее радиовидимости.
2. Полученное значение сравнивается с контрольными уровнями отраженной мощности. Если это значение меньше порогового, то посредством радиоканала, организованного вагонной и станционной частями СБПП, через центральный пункт управления движением поездов передается информация о начале дрейфа уровня мощности принятого сигнала от радиочастотной метки в электродепо, обслуживающее данный поезд.
3. Для определения контрольного (в том числе порогового) уровня собирается статистика уровней мощности принятых сигналов от радиочастотных меток для множества поездов, не имеющих пропусков линейных меток при контрольном проезде пути линии, и отдельно - с пропусками. На основании полученной информации методом экспертных оценок принимается норматив допустимых значений уровня мощности принятого сигнала от радиочастотной метки, при котором возможна эксплуатация СБПП. Затем диапазон допустимых значений разбивается на две части: первая - с областью случайных колебаний затухания в высокочастотном тракте в стационарном диапазоне, вторая - с приемлемым отклонением от
стационарного диапазона, при котором сохраняется работоспособность СБПП.
При попадании текущего значения уровня мощности принятого сигнала от радиочастотной метки в первый поддиапазон (поддиапазон с нормальным затуханием) высокочастотный тракт считается не вызывающим опасений (нижнее значение диапазона примем пороговым ЛЖЛт). В остальных случаях высылается уведомление обслуживающему персоналу в соответствующее электродепо с предысторией для этого комплекта оборудования.
Работниками электродепо оценивается динамика изменений и принимается решение о возможности дальнейшей эксплуатации поезда на линии. В случае обнаружения быстрой динамики дрейфа высокочастотного тракта СБПП машинисту предлагается переход на временное ручное управление поездом.
3. Метод оценки динамики изменения состояния РРЮ-тракта
Примем, что динамика изменения (тренд) уровня мощности, принятой от меток, при эксплуатации СБПП линейна. При этом допущении для оценки момента выхода параметров оборудования СБПП за границы нормативных значений может быть использован метод экспоненциального сглаживания Хольта [8, 9].
Метод является расширением стандартного экспоненциального сглаживания, позволяющим прогнозировать последующие значения тренда, для чего вводятся уравнение прогноза и два уравнения сглаживания:
уг щ=1г+НЬ; (1)
для текущего значения
К = ау +(1 -а)( 11 _1 +Ь( _1); (2)
для тренда (линейного коэффициента)
Ь = -1-1) + (1 -р)Ь,_1, (3)
где уг - наблюдаемое значение на шаге г; ус+щ - прогноз значения параметра стохастического процесса на Н-м шаге после момента г; /1 - взвешенная
оценка значения выбранного параметра стохастического процесса в момент г; Ьг - взвешенная оценка линейного коэффициента тренда изменения параметра стохастического процесса значения в момент г; а - коэффициент значимости мгновенного значения (коэффициент сглаживания ряда), 0 < а < 1; в - коэффициент значимости мгновенного линейного коэффи-
циента тренда (коэффициент сглаживания линейного коэффициента тренда), 0 < в < 1.
Согласно уравнению (2), оценка ¡1 параметра стохастического процесса в момент г есть взвешенная сумма наблюдаемого значения и предыдущей оценки параметра. Уравнение (3) имеет тот же смысл, но для линейного коэффициента тренда.
Прогноз на последующие шаги относительно последнего измерения осуществляется по уравнению (1), где к - шаг прогноза.
Для определения параметров сглаживания а и в может быть использован метод наименьших квадратов, однако для известной системы допускается применение экспертных оценок [10-12].
Как показали исследования, проведенные авторами, для прогноза тренда и последующих значений Я881 приемлемы следующие значения коэффициентов: а= в = 0,25.
В таблице приведен пример расчета ожидаемых значений Я881 на к-м проезде линии после пересечения порогового значения с визуализацией результата на рис. 2. В стационарной части данных за базовый уровень принята величина -18 ёБш, соответствующая экспериментальным данным на некоторых поездах 4-й линии ГУП «Петербургский метрополитен». Значения уровней сигналов, принятых от меток, смоделированы в программной среде Я*.
Таблица. Пример прогноза уровня мощности сигнала, принятого от контрольной метки, +^ на к-м проезде линии после последнего измерения
в момент г = 50
Номер измерения (г) Я881 (у) ¡г Ьг У г + Щ
1 2 3 4 5
22 -18,08 -18,08 0,00
23 -17,31 -17,89 0,05
24 -18,10 -17,90 0,03
25 -17,67 -17,82 0,04
26 -17,83 -17,79 0,04
27 -18,41 -17,91 0,00
28 -17,54 -17,82 0,02
29 -18,23 -17,73 0,04
30 -17,49 -17,83 0,01
31 -18,40 -17,74 0,03
32 -18,22 -17,88 -0,02
33 -18,83 -17,98 -0,04
34 -17,99 -18,22 -0,09
35 -19,68 -18,23 -0,07
* https://www.r-project.org.
Окончание таблицы
1 2 3 4 5
36 -20,19 -18,64 -0,15
37 -18,77 -19,14 -0,24
38 -19,61 -19,23 -0,20
39 -20,10 -19,48 -0,21
40 -20,08 -19,79 -0,24
41 -20,39 -20,04 -0,24
42 -20,56 -20,31 -0,25
43 -19,98 -20,56 -0,25
44 -21,24 -20,60 -0,20
45 -20,58 -20,91 -0,22
46 -21,37 -21,00 -0,19
47 -21,56 -21,23 -0,20
48 -21,10 -21,47 -0,21
49 -22,34 -21,53 -0,17
50 -21,80 -21,86 -0,21
h = 1 -22,07
h = 2 -22,28
h = 3 -22,49
Рис. 2. Пример построения линии тренда для прогноза момента пересечения нижней границы норматива. Пороговое значение и нижняя граница норматива выбраны
условно для иллюстративных целей
Вычисление значений и Ьг произведено по формулам (2) и (3). Пример расчета для строки с номером измерения г = 25:
lt=25 = аУ=25 + (1 - а)( lt=24 + bt=24) = = 0,25 • (-17,67) + (1 - 0,25) • (-17,9 + 0,03) = -17,82;
bt=25 = P(lt=25 - lt=24 ) + (1 - P)bt=24 =
= 0,25 • (-17,82 +17,9) + (1 - 0,25) • 0,03 = 0,0425.
Вычисление ytщ произведено по формуле (1). Пример расчета для шага прогноза h = 2:
У+h|t = h + hbt = -21,86 + 3 • (-0,21) = -22,49.
Данный метод позволяет оценить тренд и ожидаемое время (число оборотов поезда) h до выхода параметра RSSI за нижнюю границу норматива после пересечения порогового значения уровня мощности сигнала, принятого от контрольной метки:
, RSSI н - lt ,. ч
h =-н—L, (4)
bt
где RSS/н - нижняя граница норматива уровня мощности сигнала, принятого от контрольной метки.
Согласно формуле (4), в приведенном ранее примере ожидаемое число оборотов поезда до пересечения нижней границы норматива
-28 + 21,86 h =-« 29.
-0,21
Для удобства работников электродепо предлагается создать специальное программное обеспечение, позволяющие автоматизировать решение задачи прогноза.
Отметим, что предложенный метод контроля высокочастотного тракта вагонной части СБПП может быть применен для контроля радиочастотных меток.
4. Контроль чувствительности радиочастотных меток
Во время эксплуатации СБПП пассивные радиочастотные метки, установленные в тоннелях метрополитена, показали очень высокую надежность: за 10 лет при общем количестве меток около 1000 отказов не было. Однако наблюдались случаи внешнего воздействия на их параметры (например, временное экранирование). Поэтому существует актуальность контроля чувствительности меток.
Динамический контроль чувствительности радиочастотных меток может быть реализован следующим образом. Для множества поездов на основании результатов измерения мощности от меток определяется тренд изменения чувствительности каждой метки с последующим усреднением результата. Результат усреднения и есть фактический тренд. Однако для меток требуется большая статистическая база, так как на высоких скоростях метки могут считываться при различном взаимном расположении антенны ридера и метки.
Для устранения влияния возможного дрейфа затухания в радиочастотном тракте при контроле меток требуется пересчет результатов измерений мощности с учетом результатов измерений на контрольной метке:
Д5Е/' = + ЯЖ/НоМ - ЯЖ/коНТр,
где - уровень сигнала, полученного от метки; Я55/ном - номинальный уровень сигнала от контрольной метки; ЯЖТконтр - фактический уровень сигнала от контрольной метки.
Заключение
Предложенный метод позволит полнее использовать диагностический потенциал системы бесконтактной привязки к пути и, как следствие, уменьшить вероятность пропуска радиочастотных меток путем эксплуатационной диагностики увеличения затухания в высокочастотном тракте.
Таким образом, по максимуму сигнала от метки в сочетании с показаниями датчика меры пройденного пути дополнительно к диагностике открывается возможность повысить точность прицельного торможения на закрытых станциях метрополитенов/железных дорог и реализовать на базе СБПП надежную высокоточную навигацию подвижного состава на линиях, которая позволит перейти от рельсовых цепей в системах интервального регулирования движения поездов к координатному способу (актуальность такого решения растет по мере расширения внедрения асинхронных электродвигателей на подвижном составе).
Библиографический список
1. Костроминов А. М. Применение ЯНО-технологий в системе автоведения поездов метрополитена / А. М. Костроминов, М. Ю. Королев, В. В. Гаврилов, Т. В. Крючкова // Известия ПГУПС. - 2009. - Вып. 3. - С. 91-97.
2. Костроминов А. М. Анализ и повышение точности ЯБШ-навигации в условиях метрополитена / А. М. Костроминов, Е. А. Стрекаловский, О. Н. Тюляндин // Транспорт Урала. - 2018. - № 4 (59). - С. 23-27.
3. Патент № 104133. Система управления движением электроподвижного состава / В. В Гаврилов, М. Ю. Королев, А. М. Костроминов, Т. В. Крючкова. Опубл. 10.05.2011. Бюл. № 13.
4. Дшхунян В. Л. Электронная идентификация. Бесконтактные электронные идентификаторы и смарт-карты / В. Л. Дшхунян, В. Ф. Шаньгин. - М. : ООО «Изд-во АСТ» ; Изд-во «НТ Пресс», 2004. - 695 с.
5. Костроминов А. М. Контроль состояния ридер-антенного тракта аппаратуры СБПП в условиях электродепо метрополитена / А. М. Костроминов, С. А. Рахманин, Б. О. Смирнов, О. Н. Тюляндин // Известия Петербургского ун-та путей сообщения. - 2016. -Т. 13. - Вып. 2. - С. 180-186.
6. Костроминов А. М. Оценка вероятности пропуска считывания информации с радиочастотных меток аппаратурой СБПП / А. М. Костроминов, Ал-р А. Костроминов, О. Н. Тюляндин // Известия Петербургского ун-та путей сообщения. - 2017. -Т. 14. - Вып. 4. - С. 650-656.
7. EPCTM Radio-Frequency Identity Protocols Generation-2 UHF RFID [Online] // GS1 EPCglobal Inc. 2018. - URL : ttps://www.gs1.org/sites/default/files/docs/epc/gs1-epc-gen2v2-uhf-airinterface_i21_r_2018-09-04.pdf (accessed: 15 March 2019).
8. Tirke§ G., Guray C., £elebi N. Demand forecasting: a comparison between the Holt-Winters, trend analysis and decomposition models. // Tehnicki vjesnik. - Turkey, Ankara, 2017. - No 24. - Pp. 503-509.
9. Hyndman R. J., Athanasopoulos G. Forecasting: Principles and Practice. - 2nd edition. -OTexts, 2018. - 382 p.
10. Линник Ю. В. Метод наименьших квадратов и основы математико-статистической теории обработки наблюдений. - 2-е изд. - Л. : Физматгиз, 1962. - С. 352.
11. Вентцель Е. С. Теория вероятностей. - 4-е изд. - М. : Наука, 1969. - С. 576.
12. Rao C. R., Toutenburg H. Linear Models: Leasts Squares and Alternatives. - 2nd edition. - New York, N. Y., USA : Springer, 1999. - 427 p.
Alexander M. Kostrominov Oleg N. Tyulyandin «Electrical communication» department, Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University, St. Petersburg
The dynamic diagnostics of radio frequency identification systems of non-contact
binding to the underground track
Underground RFID navigation requires high reliability of RFID equipment. However, during the operation of the system of non-contact binding to the underground track, there were cases of missing reading tags. One of the reasons for missing tags is the effect of attenuation drift in the high-frequency path between the transceiver and the antenna of the leading car. The RFID-channel monitoring method developed by the authors under the conditions of an electric depot is not suitable for such monitoring when the train is operating on the subway line. Therefore, this article proposes a method that uses the received signal strength indicator when the train is on the line and allows to monitor the current state of the high-frequency path of the SNCBT system.
RFID-technology, RFID link, RFID navigation, monitoring of RFID link, SNCBT, dynamic diagnosis.
References
1. RFID-technology application for automatic metro train operation [Primenenie RFID -tekhnologii' v sisteme avtovedeniia poezdov metropolitena] / A. M. Kostrominov, M. Yu. Korolev, V. V. Gavrilov, T. V. Kryuchkova // Proceedings of Petersburg Transport University (Izvestiya PGUPS). - 2009. - No 3. - Pp. 91-97.
2. Analysis and increase of RFID-navigation accuracy in metro conditions [Analiz i povy'shenie tochnosti RFID-navigatcii v usloviiakh metropolitena] / A. M. Kostrominov, E. A. Strekalovkskiy, O. N. Tyulyandin // Transport of the Ural (Transport Urala). -2018. - Vol. 59. - No 4. - Pp. 23-27.
3. The traffic management system of electric stock [Sistema upravleniia dvizheniem e'lektropodvizhnogo sostava] : pat. 104133 Russian Federation. Published 10.05.2011. - 3 p.
4. Dshhunyan V. L., Shan'gin V. F. Electronic Identification: contactless electronic identificators and smart cards [E'lektronnaia identifikatciia. Beskontaktny'e e'lektronny'e identifikatory' i smart-karty']. - Moscow : LLC «Izdatel'stvo AST»: «NT Press», 2004. - 695 p.
5. Control of reader-antenna link of sncbt equipment in the conditions of metro depot [Kontrol' sostoianiia rider-antennogo trakta apparatury' SBPP v usloviiakh e'lektrodepo metropolitena] / A. M. Kostrominov, S. A. Rakhmanin, B. O. Smirnov, O. N. Tyulyandin // Proceedings of Petersburg Transport University (Izvestiya PGUPS). - 2016. - No 2. - Pp. 180-186.
6. Kostrominov A. M., Tyulyandin O. N. The assesment of information readout omission probability from RF tags by the system of contactless track connection (SBPP) [Ocenka veroiatnosti propuska schity'vaniia informatcii s radiochastotny'kh metok apparaturoi' SBPP] // Proceedings of Petersburg Transport University (Izvestiya PGUPS). - 2017. - No 4. - Pp. 650-656.
7. EPCTM Radio-Frequency Identity Protocols Generation-2 UHF RFID [Online] // GS1 EPCglobal Inc. 2018. URL: ttps://www.gs1.org/sites/default/files/docs/epc/gs1-epc-gen2v2-uhf-airinterface_i21_r_2018-09-04.pdf (accessed: 15 March 2019).
8. Tirke§ G., Guray C., Qelebi, N. Demand forecasting: a comparison between the Holt-Winters, trend analysis and decomposition models. // Tehnicki vjesnik. - Turkey, Ankara, 2017. - No 24. - Pp. 503-509.
9. Hyndman R. J., Athanasopoulos G. Forecasting: Principles and Practice. - 2nd edition. - OTexts, 2018. - P. 382.
10. Linnik Yu. V. Method of least squares and principles of the theory of observations [Metod naimen'shikh kvadratov i osnovy' matematiko-statisticheskoi' teorii obrabotki nabliudenii']. - 2nd edition. - Leningrad : Fizmatgiz, 1962. - 352 p.
11. Ventcel' E. S. Probability Theory [Teoriia veroiatnostei']. - Moscow : Nauka, 1969. -576 p.
12. Rao C. R., Toutenburg H. Linear Models: Leasts Squares and Alternatives. - 2nd edition. - New York, NY, USA : Springer, 1999. - 427 p.
Статья представлена к публикации членом редколлегии Д. В. Ефановым.
Поступила в редакцию 05.10.2019, принята к публикации 23.10.2019.
КОСТРОМИНОВ Александр Михайлович - доктор технических наук, профессор кафедры «Электрическая связь» Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I. e-mail: triak@spb.grozon.ru
ТЮЛЯНДИН Олег Николаевич - аспирант кафедры «Электрическая связь» Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I. e-mail: tyulyandin@vklay.ru
© Костроминов А. М., Тюляндин О. Н., 2019
