NFER在铁路运营管理中的应用
2016-12-22 17:06:26
    近场电磁测距(NFER)定位系统的优势主要体现在两个方面,一个是技术优势,一个是商业优势。 
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    第一、技术优势 
    该系统采用的低频率(3MHz)射频信号可以有效的穿透或者绕过障碍物进行感知,通过对信号强度而不是到达时间来测距,不要求标签和接收器之间无阻挡,所以相对于其它通过计算到达时间差来测距的定位系统来说,近场电磁测距(NFER)定位系统在多径效应明显,阻挡严重的恶劣环境内工作具有绝对的优势。 
    第二、商业优势 
    定位系统所采用的近场电测测距技术全世界仅此一家,独一无二,而基于其它技术的系统都有多个厂商。我们的 NFER 系统又是当前市场上唯一一个从技术本征上适用于高铁检修站或者机务段作业管理的定位系统,而这套定位系统全球只有一家制造商,所以这套系统目前没有竞争对手。 
    第三、在国外的应用案例 
    近场电磁测距定位系统在国外有很多成熟的应用案例,这些案例主要存在于以下领域: 
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    1)核辐射仿真训练 
    如果核电站或者核设施发生了核泄漏,工作人员需要知道如何应对。这个仿真系统就提供了一个逼真的训练环境。核泄漏辐射强度是和位置相关的,所以需要一个定位系统来确定位置,然后软件来模拟该位置所承受的辐射强度。这个定位系统就是仿真系统的子系统。美国已经有几十家核电站采用这套仿真系统。 
     2)军事战术训练 
    在进行战术训练时,需要即时掌握受训人员的位置和运动信息,这些信息可以被保存下来便于训练后总结和提高。
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    3)仓储和供应链管理 
    定位系统帮助仓库管理人员随时掌握货物、人员以及流动车辆的位置,该系统还可以作为防碰撞系统 
    4)安全管理 
    定位系统可提供在各种环境下建筑物内的人员、车辆位置以及各自的运动方向,为防止人员和车辆,车辆之间的碰撞提供了传感网络。
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    5)生产管理 
    定位系统提供和设备和物料的位置,便于查找和追踪。 
    6)运动管理 
    定位系统为篮球、冰球、足球和橄榄球运动员在训练时的跑位提供数据支持。 
    7)监狱管理 
    定位系统对警员和被关押人员的位置提供数据支持,如果发现被关押人员存在聚集行为或者袭警行为,可报警干预。
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    8)医疗管理 
    定位系统对医生、护士、病人和贵重医疗器械的位置提供数据,便于医院提高管理水平和工作效率。 
    从以上工作场景可以看出,大部分的工作环境都存在大量的阻挡,有的环境金属物比较多,多径效应明显。
    近场电场测距定位系统的信号可以穿透或者绕过障碍物,具有其它基于射频技术的定位系统所无可比拟的技术优势。 
    第四、NFER在铁路运营管理的应用 
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    我国高速铁路建设近年来实现了飞速发展。为保障高速列车安全运行,减少故障率,需要定期对列车进行安全检修以确保列车处于最佳的运行状态。与此同时,还有大量运营的其他铁道交通系统也面临着相同的问题。 
但是,铁道交通系统检修站面积大,阻挡多,管理人员难以掌握检修工人的实时位置。迫切需要一种系统对检修人员进行实时定位和作业评价。这样的系统能够实现检修人员实时定位监控;作业时间、区域、流程异常报警;作业流程和路径规划、跟踪、记录、回放;与视频监控系统交联及安全保护联动等功能。实现对检修库检修人员作业的集中监管,有效保证各种轨道交通车辆检修的质量和人员安全。 
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    我们引入的近场电磁测距(NFER)高精度实时定位系统,可广泛应用于铁路、矿山、军事训练、工厂、物流仓库等场合。该系统是集跟踪定位、实时查找、日常管理等功能为一体的综合性运用系统,集合了识别技术、传输技术、计算机软件技术等最顶尖的技术,能够帮助用户迅速有效地找到分布在各处的设备和人员,大大提高生产和转运效率,节省搜索时间,保障现场人员安全。 
    一、系统建设依据 
    NFER 系统部署符合本项目通过在固定场所布设定位接收装置,被定位人员佩戴发射射频信号的定位标签的方式,实现指定区域内人员的实时精确定位的要求。定位标签位置偏差通常情况下在一米以内,达到或者超过建设要求。如果部署在室外,标签的防护等级可达 IP68,满足建设要求。信号频率范围是 3MHz 左右,该频段属于低频波段,不会和现有通讯设备相互干扰,符合我国无线电管理规定。 
    二、系统建设原则 
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    (1)先进性与成熟性原则:NFER 系统是著名实时射频定位系统生产商Q-Track 公司的产品。Q-Track 公司的产品以其独树一帜的近场电磁测距技术在该领域享有盛誉,10 年来在美国众多的医疗机构、军事训练基地、铁路检修、矿山、仓库、工厂、农场和核电站等场所部署,是先进成熟的产品。该产品也多次获得美国的创新奖项并且获得美国专利。 
    (2)高可用性原则:包含中国在内的世界各国的安装的经验表明,NFER系统具有稳定可靠、健壮耐用,故障率低等特点,既可以部署在室内,也可以部署在室外自然环境。 
    (3)安装操作简便性原则:NFER 系统的安装调试操作非常简单方便,普通工程技术人员就可以快速布设,不需要专业人员,安装调试所需时间大大少于市场上其它定位系统。 
    (4)通信协议简洁性原则:NFER 系统与上层应用系统的数据通信协议非常简单方便,应用程序只需要调用为数不多的库函数或者直接读取定位服务传送来的信息就可以获得定位数据信息和标签信息。 
    (5)可扩展性原则:NFER 系统具有良好的可扩展性和易维护性,增加定位接收器不需要变动更改已经部署的系统,能够轻松地不断扩大定位范围与被定位人员或者物品数量。 
    三、系统建设目标 
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    该系统暂定命名为“铁路运营管理系统”,能够实现对整个铁路系统所有人员的实时定位监控。当前着重解决铁路系统内与生产、检修、营运有关的高要求、高危险条件下作业区内的人员的实时定位监控管理;可实现整个铁路运营系统内相关的作业时间、区域、流程异常报警;作业流程和路径规划、跟踪、记录与回放;与视频监控系统交联及安全保护联动等功能。本系统完全实现对铁路运营中相关人员作业的集中监管,有效地保障轨道交通车辆生产、检修的质量和工作人员的人身安全。 
    四、系统技术特点 
    近场电磁测距(Near-Field Electromagnetic Ranging ,简称NFER)技术是美国 Q-TRACK 公司 Hans Schantz 博士近几年来开发的独特的测距和定位新技术。 
    采用这项技术的定位系统相对于传统的测距和定位系统最大优点是,近场电磁测距定位系统可以在非视距条件下(Non-Line of Sight)穿透阻挡物对目标进行定位和跟踪。 
    近场电磁测距实时定位系统的技术优势 
    ● 可以穿透阻挡物进行测距和定位,也就是能够在非视距条件下工作; 
    ● 单个接收器就可以对标签进行 2 维定位; 
    ● 在无法布线的场所,系统可以实现数据无线传输; 
    ● 多径环境中具有优越的性能; 
    ● 低功耗和低截获率; 
    ● 安装、调试和校验及其方便省时;
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    由于以上的技术优势,相对于传统实时定位系统,近场电磁测距具有布点少、成本低、特殊场合无需布线、抗电磁干扰能力强、对人体安全、安装方便和部署快速等突出特点,也使该系统可以应用在传统实时定位系统无法应用的场合,例如在高铁检修车间、数据库机房、核电站等复杂的多金属环境。 
    近场电磁测距实时定位系统的标签发射的是低频信号,频率为 3MHz左右,波长很长,所以信号在多径条件下具有卓越的抗干扰性能,而且比高频段信号有更好的穿透性能。此外低频信号还可以通过衍射绕过包括人体在内的阻挡物体,即使对于金属材料,只要有“窗口”,信号就可以透过这些“窗口”进行传播,所以在多金属环境下具有卓越的性能。 
    近场电磁测距定位系统的技术特点使其特别适用于需要同时满足以下条件的困难的工业环境: 
    ● 有很多阻挡的非视距(NLOS)环境; 
    ● 多径室内环境; 
    ● 基础结构无法多布点; 
    ● 对定位精度有很高的要求; 
    由于铁路系统现场阻挡多,各类金属物体多,不少作业场地遍布大型金属物件。由于近场电磁测距的技术特点,应用这项技术是目前最适合于这种场合的定位解决方案。 
    五、系统工作原理 
    ●  系统主要由定位接收机、定位标签、定位服务器、系统软件等组成; 
    ●  定位标签发射抗多径低频跟踪信号; 
    ●  定位接收器抓取近场信号数据,然后通过有线或无线网络把数据传送给定位服务器; 
    ●  定位服务器应用近场电磁测距算法来定位标签同时汇报它们的位置; 
    ●  系统软件是整个系统的重要组成部分。在实现系统自身的协调运行控制、目标定位与跟踪的基本功能外,为其他管理系统的软件提供各种相关基础数据。 
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    近场电磁测距技术是根据相互正交的电场和磁场的三个分量的信号强度而不是到达时间或者到达时间差来定位的,所以不需要对接收信号进行同步处理。也正是由于这个原因,信号也可以“绕过”阻挡物进行传播而丝毫不影响定位精度。 
    不同于传统意义上的单纯依靠提取接收信号强度(RSSI)的定位系统,近场电磁测距技术还通过检测电场和磁场的相位关系和变化来进行定位的。近场信号径向部分提供了一个额外的(第三)极,不同于远场信号,电场和磁场分量是不同步的,因此,近场信号提供更多可追踪目标的相关参数,甚至我们可以实现用一个定位接收机实现对目标的定位。
    低频长波又有较好的抗多径能力,所以近场电磁测距系统具有很高的定位精度(最佳条件可优于 30cm)。 
    六、系统优势 
    目前在市场上使用的定位方法有很多,例如,采用 RFID 的巡更系统;基于 WIFI 技术的定位系统,也类似于巡更系统;“格网技术”;UWB 雷达技术;光纤地板技术;红外线天花板技术;视频监控等等,都无法实现在铁路系统这么一个大型场地,有那么多金属物件,场地设施复杂多样的环境下对室内室外的人员甚至于车辆进行实时定位以便于实施高效管理。 
    只有使用我们的NFER近场电磁测距技术,结合客户的实际情况以及管理要求,能为铁路系统真正的解决问题。我们用NFER定位系统和目前其他室内定位系统中较好的技术方案做一个比较。如下图所示,是一个典型的动车段 4 车道检修车间,长 400米×宽 28 米,面积为 11,200 平方米。 
    单单从 NFER 在部署上就显示出非常明显的优势,NFER只需要38个定位接收器就可以全覆盖整个车间,而其他技术则需要 400个左右的定位接收器,十倍于我们的 NFER,这是一个数量级的差距! 
    NFER 不仅从成本上优势明显,而且从施工、后期维护等角度来讲,也是明显优于目前所有的其他技术。 
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    由此可见,在 NFER 系统的优势大大优于其它技术,从技术和成本角度来看,NFER 是目前最适合用于铁路运营管理的定位解决方案。 
    如歌电子是 Q-Track 在大中华地区(中国大陆、香港、台湾和澳门)唯一授权合作伙伴,负责 Q-Track 公司的产品在这个区域的市场推广、销售、客户关系和技术支持以及针对中国市场的应用开发。
关键词:运营管理铁路
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