张天壮，刘 铭，程慈航
（北京交通大学 计算机与信息技术学院 交通数据分析与挖掘北京市重点实验室，北京 100044）
随着新型工业化进程的不断深化，越来越多的基础设施、生产环境、高端装备需要进行定时检修与维护。随着检修流程的日益复杂和所涉及的专业工具不断增多，需要对作业环境中所涉及的工具进行实时监管，以提升作业效率，增强作业过程的安全性。目前，在传统的电力线路检修、高速公路维护和新型的5G物联网基建、新能源汽车充电桩的部署等大量建设、维护场景中，都有对作业现场中工具进行实时监管的需求，以适应较高安全性的要求。
在“新基建”“交通强国建设”等国家政策的引领下，我国高铁运营、在建里程持续快速增长，为国民经济发展不断注入新动能。而基础设施和生产环境的安全性一直是现代交通运输体系的核心需求[1]。为了严格落实安全生产主体责任，强化安全基础建设，高铁检修工人会在天窗期（一般为凌晨0点到4点）对铁轨进行检查与维护。图1展示了一次典型的高铁巡道、检修作业中线路车间工人所需随身携带的专业工具。在检修的天窗期内，巡道工人需要使用专业仪器对铁轨线路、枕木、道岔等重要设施进行检测，作业范围通常超过数千米。若检测中发现安全隐患，则需要对相应的设备、设施进行保养、维护或者更换。整个巡道和检修作业过程均在夜间进行，环境光线不足、作业范围大、检修时间较为紧迫，有可能出现疏漏，容易将所携带的工具遗落在铁路线上，给高铁行车造成安全威胁。因此一旦发现工具遗失，需要返回作业区域进行寻找，排除安全隐患。然而夜间光线不足、作业范围较大导致寻回遗失工具的难度很高。因此，高铁检修过程中急需一套能够布设在作业现场的、对所使用工具进行实时监管的系统来协助作业人员管理携带的设备和工具，防止工具遗落。鉴于此，本文以高铁检修场景所面临的实际需求为背景，设计并实现了一种基于分布式RFID读写器的现场工具智能监管系统。
图1 一次典型高铁检修作业时携带的工具
近年来，RFID技术凭借着其读取速度快、非接触、非可视等良好特性得到了充分的发展，被广泛应用于车辆自动识别[2]、物流跟踪[3]、门禁系统[4]、图书管理[5]、药品追溯[6]、室内定位[7]等各个领域。通过将每个检修工具与一个RFID的电子标签绑定，则可以在作业过程中利用RFID技术的无线清点功能对设备进行高频次的查找，实时监控每个工具是否处于作业范围之内，以实现在作业现场对工具的实时监管，提升作业过程的安全性和效率。
一个典型的RFID系统包括三个部分：射频读写器、电子标签（也称作射频标签）和控制系统，其逻辑关系如图2所示。射频读写器通过天线发射电磁波读取周围电子标签携带的信息，也可以向指定标签写入信息。电子标签由收发无线信号的天线和存储信息的芯片组成，用于唯一标识待识别的物品。控制系统是用户操作射频读写器的中介，可以通过它向射频读写器发送特定的指令以及展示阅读器读取标签的信息。
图2 典型的RFID系统结构
RFID系统工作的典型流程为[8]：首先，通过控制系统的应用软件操控读写器，读写器通过天线发射一定频率的射频信号，这一过程被称为查询（Interrogation）；
其次，电子标签接收读写器的信号被激活后将存储在芯片中的信息通过天线发射出去，这一过程被称为应答（Response）；
最后，读写器接收到电子标签发射的信号后解码并传输给控制系统进行相应的处理。通常地，用户无法直接执行射频读写器的指令，因此控制系统扮演了与用户交互的角色。控制系统和射频读写器共同完成了查询的进程。
射频读写器与电子标签通过天线进行耦合实现数据的双向传输。耦合方式有两种：电感耦合和电磁反向散射耦合。电感耦合依据电磁感应定律，通过空间高频交变磁场实现耦合。这种耦合方式一般适用于近距离通信，常用的工作频率有125 kHz、225 kHz、13.56 MHz。电磁反向散射耦合类似于雷达的通信原理，即射频读写器通过天线发射的电磁波遇到电子标签后携带标签内部芯片中的数据并反射。这种耦合方式一般适用于远距离的数据通信，典型的工作频率有433 MHz、915 MHz、2.45 GHz和 5.8 GHz。
电子标签是RFID系统的核心组成部分之一，由天线和芯片两部分组成。天线用于接收来自射频读写器的信号以及发送芯片存储信息调制后的信号。芯片存储了被识别物体的数据信息，通常是独一无二的。电子标签内部芯片的存储容量可达296以上，它突破了条形码和二维码在容量上的限制。当电子标签与生产线上的产品绑定后，那么每一个产品都因此具有独一无二的身份，可以非常容易地实现对物品的管理与追溯。在实际应用中，标签可根据供电需求分为有源标签、无源标签。有源标签带有电池为自身供电，其工作可靠性高、信号传输距离远，但是由于存在供电电路，其体积较大，生产成本以及使用管理的成本较高；
而无源标签内部没有任何供电设备，它利用来自射频读写器的射频信号为自身提供能量，因此具有体积小、成本低、易维护等优点，被资产盘点、物流监管、产品溯源、物品定位等新兴场景广泛采用。
典型的射频读写器由射频模块、读写模块、天线等组成。射频模块包含振荡器、处理器、接收器等元器件，它负责生成高频能量来激活电子标签并可以为无源标签提供能量，也对发送的指令进行调制以及对来自电子标签的信号进行解调。
2.1 架构设计与通信协议
在现有的多数RFID应用中，射频读写器是被固定在某一监测区域的，其体积较为庞大，布设相对复杂，采用固定方式供电，不适用于作业地点频繁移动、作业范围灵活多变的高铁维护检修的场景。本文采用便携式射频读写器，使用无线方式与手持无线终端相连，具有良好的便携性和使用的灵活性。每个检修工具与一个无源电子标签绑定，并将标签信息注册到数据库中实现对工具领用、使用、归还等进行全周期的管理。在作业过程中，便携式的射频读写器通过实时扫描周围的电子标签，以确保工具处于作业范围之内。一旦发现电子标签消失，则手持移动终端会向作业人员发出警告，提示及时寻回可能遗失的工具。
图3展示了本文所设计现场工具的实时监管系统，主要包括三部分：手持移动终端、射频读写器、工具与电子标签。手持移动终端包含应用软件和告警设备，负责控制射频读写器的行为以及当工具状态异常时及时提醒工人。电子标签与工具进行一对一绑定，且向芯片中写入唯一标识该工具的ID信息。手持移动终端通过无线通信协议与射频读写器进行通信，射频读写器通过EPC C1G2协议[8]与绑定在工具或者其他设备上的电子标签进行通信。
图3 本文设计的现场工具智能监管系统架构
在到达作业现场后，检修人员通过手持移动终端开启系统的实时监管功能。手持移动终端首先通过无线方式与射频读写器进行连接，然后每隔t秒向射频读写器发送“Inventory”指令来请求读取周围的电子标签的ID信息。射频读写器发出的电磁波所提供的能量会将电子标签激活。之后，电子标签会将芯片中存储的ID信息调制之后通过天线发射出去。当射频读写器收到电子标签的ID信息后，会将其传递给手持移动终端。而后，终端将读写器所接收的电子标签ID信息与数据库中注册的ID信息进行对比。若数据库中注册的ID集合是接收ID集合的一个子集，那么证明当前所有电子标签均在作业场地范围内；
否则，说明有工具遗失在作业现场，移动终端将向用户发出警告。
2.2 基于多个RFID读写器的分布式监管方法
由于RFID技术利用射频信号空间耦合来实现数据传输，所以当射频读写器与电子标签存在大型遮挡物时，传输信号会受到干扰，影响识别的准确率。具体到本文的工具监管场景中，当射频读写器与电子标签之间存在遮挡物时，即使检修工具绑定的电子标签处在射频读写器的工作范围内，也有可能因为遮挡物影响查询或应答的信号，导致发生错误的告警。为了解决这个问题，本文提出基于多个RFID读写器对电子标签进行协同清点的分布式监管方法。如图4所示，该方法采用在不同空间位置分布式部署的多台射频读写器，从不同的空间位置发射RFID的查询信号并监听其响应，实时判断盘点工具是否还处于系统监管范围之内。当开始对工具开展监管时，在一定时间内电子标签至少被一台射频读写器扫描到，即可以认为工具处于监管范围之内，判定为状态正常。反之，若系统超过一定时间都未接收到工具上电子标签的应答信号，则可以认为工具不在监管范围之内，可能发生工具遗失。需要说明的是，本方案采用了多个分布式布设的、协同工作的RFID射频读写器，其布设位置可以根据作业环境的具体需要进行灵活选择，形成一个能够良好覆盖作业区域的监管信号范围，以适应不同的使用环境。
图4 基于多个RFID读写器的分布式监管方法
2.3 射频读写器的多连接算法
为了实现上面提出的基于多个RFID读写器协同清点的分布式监管方法，本文设计了一种灵活可扩展的、适用于一般商用射频读写器使用规范的多读写器连接方法。具体地，本文考虑最一般的场景假设，即手持移动终端在同一时刻仅能与一台射频读写器建立通信链路，以降低本文所提出方法对于硬件规格和无线连接协议的要求，增强本文所提出方法的通用性。不失一般性地，考虑某监管系统包含1台手持智能终端和N台射频读写器，需要对M个工具（对应于M个电子标签）进行实时监管，通常N<
（3）退出系统。当C=0时，开启实时监管功能。当C=N时，重新测试链路或者退出系统。
本设计中，移动终端将采用时间片轮转的方式与多个RFID读写器逐一建立无线连接。图5展示了多RFID读写器轮询盘点的时隙分配。在一个清点周期（也称盘点周期）内，手持移动终端依次与N个读写器进行数据通信来传递现场工具的实时状态信息，在盘点周期末端执行工具清点，判断是否有工具遗失。手持移动终端与射频读写器建立连接后，每隔s秒执行一次子盘点，共执行n次子盘点。子盘点包含读写器发送询问指令和接收电子标签应答信息等过程。一次子盘点的时间包含询问指令的时长、询问间隙、应答信息的时长、应答间隙、子盘点时间间隔等。其中子盘点时间间隔决定了监管的实时性。为了防止由于无线信道环境的影响导致询问或者应答进程执行失败，使用重复执行n次子盘点的方法，以减少因信道变化导致的错误告警，提升监管系统的鲁棒性。为提升监管系统的实时性，将每次子盘点的结果异步传输到手持移动终端并及时渲染展示。
图5 多RFID读写器盘点时隙分配
手持移动终端与射频读写器之间的链路测试通过后，利用上述多连接算法操控N台射频读写器开展协同监管。为增强监管系统的通用性，设手持移动终端同时连接射频读写器的最大数量为P。当N>P时，采用先进先出的淘汰策略断开暂时不需要连接的射频读写器。本文针对读写器的连接默认采用了轮询盘点的使用策略。轮询盘点即按照用户选择的排序方式将所有的射频读写器加入到一个单向循环队列中，从队列头部开始依次连接射频读写器，若连接数量超过最大连接数，则断开最早建立连接的射频读写器。轮询盘点时，与所有的读写器都要通信一次，因此适用于对环境、范围、安全性要求较高的监管场景。然而一些对安全性要求相对较低、监管范围较小的场景也可以采用随机盘点的策略，即从读写器集合中随机挑选一批用于盘点的现场工具。在不影响监管功能的前提下，采用随机盘点的策略能够降低监管系统的功率消耗，延长监管设备的工作时长。
图6展示了本文提出的基于多RFID阅读器的电子标签清点算法流程。读写器依次与手持终端进行通信，每次通信重复执行多次子盘点的过程再切换为下一个读写器，直到逻辑上手持移动终端与所有的读写器都通信一次。当所有的子盘点完成之后，对扫描到的电子标签ID集合S1再次去重汇总，与数据库中注册的电子标签ID集合S2进行匹配。若S1是S2的一个子集，则所有电子标签均被扫描到，工具未丢失；
若S1不是S2的子集，则再随机选取r个射频读写器重新执行一次子盘点，若仍然未扫描到“丢失”的电子标签集合，则判定为工具已丢失并发出告警，提醒作业人员及时 查找。
图6 基于多RFID阅读器的电子标签清点算法流程
根据上一章提出的方案，本文使用了商用货架产品（Commercial Off-The-Shelf, COTS）设计并实现了一套基于RFID技术的分布式现场工具监管系统，以证明所提方案的有效性。
3.1 硬件实现
在硬件层面，本文选择深坂科技生产的手持式蓝牙超高频RFID读写器，型号为BT-800[9]。采用蓝牙2.0/4.0与手持终端进行通信，搭载5 dBi超高频天线，协议标准为EPC Global UHF Class 1 Gen 2/ISO 18000-6C/6B，工作频率为902～928 MHz/865～868 MHz，输出功率为0～33 dBm，读取范围约为8 m，一次最多可以读取超过200个电子标签。本文选择了符合国际通信标准EPC G2 ISO18000-6C的电子标签，其中集成了ALIEN H3 IC芯片，工作频率为860～960 MHz。手持移动终端选择使用搭载Android 6.0及以上操作系统的智能设备，集成有音频设备和振动马达，以实现实时报警。使用射频读写器、电子标签、工具、手持终端部署硬件如图7所示，每个工具都绑定一个电子标签且电子标签内部芯片写入了唯一标识该工具的ID，三台射频读写器分布式部署，从不同的角度捕获电子标签中的信息。
图7 系统硬件的部署
3.2 软件实现
在软件层面上，本文基于Android操作系统设计了手持移动终端管理系统。如图8所示，该系统包括设备连接、读写器管理、射频读写器指令集合、数据库、工具实时监管等五个模块。其中，设备连接模块负责查找、连接、断开射频读写器设备，为射频读写器管理提供稳定可靠的服务。为了克服无线信道带来的不确定因素，在设备连接模块加入重试机制以增强系统的可用性。射频读写器管理模块利用多连接算法实现在实时监管过程中的射频读写器设备选择决策。射频读写器指令集合模块将控制读写器的指令封装为简单的函数调用。例如“Inventory”指令为读写器发送一次盘点并接收盘点到的电子标签数据。基于“Inventory”指令派生出了不同的盘点功能，如一次盘点、持续盘点、持续定时盘点等功能。实时监管模块与射频读写器管理模块、射频读写器指令集合模块、数据库模块均通过函数调用进行交互，向射频读写器管理模块传递读写器切换策略参数获取读写器的MAC地址等信息并进行连接；
向射频读写器指令集合模块传递不同的盘点指令参数来启动读写器完成不同的盘点功能并将盘点结果回传；
向数据库模块传递写入或者读取参数来注册电子标签ID或者读取电子标签ID。
图8 手持移动终端应用软件架构
根据上述设计，开发平台采用Android Studio 3.3[10]，使用Gradle 4.10.1[11]构建项目，开发语言为JAVA 1.8。实时监管模块是系统中的核心模块，对监管方式进行了顶层抽象，并实现了单读写器工作模式和多读写器工作模式，它结合其他模块提供的服务共同完成监管的功能。射频读写器管理模块采用单例的设计模式，定义了一种单向循环队列的数据结构来存储读写器指令。射频读写器指令集合模块采用多线程实现盘点功能，通过函数回调的方式将盘点获取的标签ID回传给实时监管模块。数据库采用内嵌Android操作系统中轻量级的SQLite。
3.3 参数设置
本文所设计的方案具有一般性，能够通过设置不同的参数适应不同的应用场景。在一个子盘点过程中，发送“Inventory”命令的时间间隔s的默认值为2 s，命令发送次数n的默认值为5次，发现有工具丢失，随机选择重试盘点的读写器数量r的默认值为1。因此，一个子盘点的周期时长为s×n秒，子盘点周期时长与工具监管的实时性成反比。n的值越大，则读取周围电子标签的次数越多，结果更稳定，但付出的代价是消耗更多的电源，降低射频读写器的工作时长。实时监管模块对“监管”功能进行了抽象，具体实现的实例有单连接监管和多连接监管，单连接监管适用于将待监管工具注册到本地数据库中，多连接监管适用于较大的监管场地且有遮挡物干扰信号的场景。射频读写器指令集合模块对底层命令作了进一步封装，默认以开启子线程的方式发送“Inventory”。射频读写器管理模块封装了对读写器选择的逻辑，根据用户选择的决策方式实施不同的方法。设备连接则是屏蔽了蓝牙底层连接的细节，为射频读写器模块提供一个简单且稳定的方法。最终的实施监管界面正常状态如图9所示，所有工具状态均正常。图10展示了工具“扳手-1”发生异常状态，此时系统会向用户告警。
图9 受监管工具正常状态
图10 受监管工具异常状态
3.4 设备连接耗时评估
在实际使用过程中，主要消耗时间的模块是设备连接，因此对设备连接消耗用时进行了性能评估。使用手持移动终端系统通电后首次与射频读写器连接消耗大约1 000～3 000 ms，再次连接消耗约426 ms，时间损耗上对实时监管系统功能影响基本可以忽略不计。实验证明，本文设计的基于分布式的现场工具实时监管系统能够有效地监视是否有工具遗失，无论在白天还是夜间，该系统均能够稳定可靠地工作。
本文设计并实现一个基于RFID技术的现场工具智能监管系统，能够实时监管高铁检修工具的状态，便于高铁检修工人管理携带的工具，显著提升了检修作业的效率以及增强作业过程中的安全性。该系统采用基于多个RFID读写器的分布式监管方法，扩大了监管范围以及提升了系统的鲁棒性。除了高铁检修场景之外，该系统也适用于电力线路检修、高速公路维修、5G物联网基建、新能源汽车充电桩的部署等大量建设、维护场景，具有广泛的应用前景。
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