CN112050726A - 一种基于rfid标签阵列的轨道车辆紧固件松脱检测方法 - Google Patents

一种基于rfid标签阵列的轨道车辆紧固件松脱检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轨道车辆紧固件松脱检测***,包括：超高频无源RFID待测标签，其能够标示紧固件的松动角度，多个超高频无源RFID参考标签及其构成的虚拟参考标签阵列，其能够辅助检测***实现对待测标签的定位，读写器，其能够读取待测标签和参考标签阵列的信号强度(Received Signal Strength Indicator，RSSI)数据，多个RF天线，其能够为标签和读写器提供空间接口，云平台，其能够根据接收到的标签RSSI数据计算待测标签的位置，云平台够判断紧固件是否发生了松脱，通过比较待测标签位移角度与预设定阈值的大小，决定将松动角度信息记录到日志或发出紧固件松脱告警。

Description

一种基于RFID标签阵列的轨道车辆紧固件松脱检测方法
技术领域
本发明属于轨道车辆故障检测技术领域，特别涉及一种基于RFID标签阵列与云平台的轨道车辆紧固件松脱检测***及方法。
背景技术
轨道车辆关键部件的紧固件松动、缺失影响着车辆的正常行驶，关系着旅客的生命安全。目前，主要的紧固件松脱检测方法多基于计算机视觉技术，通过对紧固件与被连接件的防松标识线高清图像进行检测识别，判断紧固件是否发生松脱。由于轨道车辆存在运行环境恶劣，部件局部渗油等问题，容易造成防松标识线的污损，导致基于计算机视觉的检测***失效。
发明内容
本发明的目的是提供一种轨道车辆紧固件松脱检测***及方法，通过集成RFID射频识别技术的轨旁检测***以及对应的云平台，并引入PMA思想对虚拟参考标签阵列裁剪的方法降低计算量，以提高***效率，同时通过余弦角相似度的引入定量描述紧固件松动程度，实现轨道车辆紧固件的松脱检测。
本发明提供的技术方案为：
一种轨道车辆紧固件松脱检测***，包括：
超高频无源RFID待测标签，其能够标示紧固件相对被连接件移动的角度或位置，并向RF天线发送射频信号；
多个超高频无源RFID参考标签，及其构成的虚拟参考标签矩阵，其能够向RF天线发送射频信号以辅助检测***实现对待测标签的定位；
读写器，其能够读取待测标签和参考标签的RSSI数据；
多个RF天线，其能够为标签和读写器提供空间接口；
云平台，其能够根据接收到的标签RSSI数据构建虚拟参考标签阵列，并计算待测标签的位置，所述云平台能够判断紧固件是否发生了松脱，并通过比较紧固件松动角度与预设定阈值的大小，决定将松动角度信息记录到日志或发出紧固件松脱告警。
优选的是，所述待测标签和参考标签选择工作频段在860～960MHz的无源超高频RFID标签。
优选的是，所述待测标签粘贴于紧固件外缘，以测得紧固件的松动角度。
优选的是，所述参考标签为三个呈三角形布置的参考标签及根据距离损耗模型构建的虚拟参考标签阵列，并将待测紧固件置于虚拟参考标签阵列中心。
优选的是，所述RF天线为两根天线构成的天线阵列，连接着同一个读写器，以轮询调度算法的方式分别工作在不同频段，且安置在轨旁5米范围内。
一种基于RFID标签阵列的轨道车辆紧固件松脱检测方法，包括以下步骤：
步骤一、当列车经过检测***时，RF天线阵列激活参考标签和待测标签；
步骤二、参考标签和待测标签反馈电磁信号给RF天线阵列，
步骤三、RF天线阵列将接收到的标签射频信号发送给读写器；
步骤四、读写器将处理过的参考标签与待测标签的RSSI数据发送给云平台，
步骤五、云平台通过接收到的参考标签RSSI数据，依据距离损耗模型及紧固件装配环境构建二维虚拟参考标签阵列，结合获取的待测标签RSSI数据计算待测标签的位置坐标
Figure BDA0002619321350000021
其中，Ej0＜j≤k)表示待测标签与k个参考标签的欧式距离，sj，i表示RF天线i(1≤i≤2，i∈N*)接收到的虚拟参考标签j的RSSI数据，θi表示RF天线i接收到的待测标签的RSSI数据，n表示天线数量；
根据质心算法，求得待测标签的坐标
Figure BDA0002619321350000031
其中，(xT′，yT′)是移动后的待测标签的位置坐标，k′是经过裁剪后的虚拟参考标签数量，(xJ，yJ)是选取虚拟参考标签j的二维坐标，ηJ是选取的虚拟参考标签j的权重
Figure BDA0002619321350000032
步骤六、云平台以紧固件中心为原点，将计算得到的紧固件待测标签移动后的位置坐标与原始坐标构成的向量进行余弦相似度计算，以得到紧固件松动角度
Figure BDA0002619321350000033
其中，(xT，yT)是待测标签的原始位置坐标。
步骤七、将计算得到的紧固件松动角度与预设的紧固件松动安全阈值进行比较，小于安全阈值时将信息记录到日志，否则发出警报。
优选的是，步骤五中，根据质心算法，求得待测标签坐标的操作是在基于PAM思想,对虚拟参考标签阵列进行裁剪后的标签阵列中进行的。
本发明的有益成果是：本发明将RFID定位技术与云计算技术相连，并应用于轨道车辆紧固件的松脱检测中，充分利用了RFID技术精度高、抗干扰能力强、可识别高速运动物体等诸多优点，克服了目前主流的基于计算机视觉的紧固件松脱检测方法受天气、环境、污渍等不良影响，导致检测精度下降的弊端。此外，基于计算机视觉方法的检测精度与列车经过检测设备的速度成负相关，而采用RFID技术的检测方法则不存在。综上所述，基于RFID技术的轨道车辆紧固件松脱检测方法，对提高检测精度、降低施工难度具有积极作用。
附图说明
图1为本发明所述的基于RFID标签阵列的轨道车辆紧固件松脱检测***结构示意图。
图2为本发明所述的基于RFID标签阵列的轨道车辆紧固件松脱检***工作示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1所示，本发明提供了一种基于RFID标签阵列的轨道车辆紧固件松脱检测***，包括超高频无源RFID待测标签和参考标签，其采用市售的工作频段在860～960MHz的无源超高频RFID标签。
所述超高频无源RFID待测标签和参考标签能够在接收到RF天线发送的射频信号后被激活，并向RF天线回馈射频信号。
所述超高频无源RFID待测标签粘贴于紧固件外缘，以标识紧固件的松动角度。
所述超高频无源RFID参考标签为三个呈三角形布置的参考标签，并将待测紧固件置于虚拟参考标签阵列中心。
读写器读取待测标签和参考标签的RSSI数据，并将上述数据传递至云平台。
所述读写器的对应平台是云平台，使用IaaS云服务实现IaaS层的应用，所述读写器与云平台间通过用户数据报协议UDP和传输控制协议TCP等方式连接。
多个RF天线为标签和读写器提供空间接口。
所述RF天线为两根天线构成的天线阵列，连接着同一个读写器，以轮询调度算法的方式分别工作在不同频段，且安置在轨旁5米范围内。
云平台根据接收到的参考标签RSSI数据，根据距离损耗模型构建虚拟参考标签阵列，通过计算待测标签与虚拟参考标签RSSI值的欧氏距离得到待测标签的位置；所述云平台能够判断紧固件是否发生了松脱，并通过比较紧固件松动角度与预设定阈值的大小，决定将松动角度信息记录到日志或发出紧固件松脱告警。
如图2所示，本发明通过读写器读取的物理RFID参考标签RSSI值，根据距离损耗模型及紧固件的实际装配环境，确定虚拟参考标签的数量及密度；通过引入PMA思想对虚拟参考标签阵列裁剪以降低计算量，提高***效率。
使用发明提供的基于RFID标签阵列的轨道车辆紧固件松脱检测的方法为：
步骤一、当列车经过安置在轨旁的RF天线阵列时，RF天线阵列向粘贴于紧固件上及布置于紧固件周边的超高频RFID参考标签发送射频信号，以激活参考标签及待测标签；
步骤二、参考标签和待测标签反馈电磁信号给RF天线阵列；
步骤三、RF天线阵列将接收到的标签射频信号发送给读写器；
步骤四、读写器将处理过的参考标签与待测标签的RSSI数据发送给云平台；
步骤五、云平台通过接收到的参考标签RSSI数据，依据距离损耗模型及紧固件装配环境构建二维虚拟参考标签阵列，结合获取的待测标签RSSI数据计算待测标签的位置坐标。
本发明采用改进LANDMARC算法实现待测标签移动位置标识的方法，算法的时间复杂度较高，特别是在某些场景下，本发明构建的虚拟参考标签较多时，这一弊端尤为明显。为此，本发明引入PMA算法，通过裁剪多余参考标签的方式提高算法效率。
假设参考标签RSSI数据集为S，共计k个数据样本，基于PMA算法的参考标签RSSI数据集优化方法如下：
㈠初始中心点的选择
如图2所示，本发明在二维平面中将参考标签阵列划分为四个象限(Q1，Q2，Q3，Q4)，因此数据集共划分为12个簇。
为每个簇随机选择一个中心点Oj。
计算参考标签RSSI数据集S中剩余非中心点RSSI数据值与上述12个中心点的余弦相似度，并分配至相似度最大的簇中。
分别以簇内每个RSSI数据点为中心，计算它与同一簇内其他点的欧氏距离，将距离和最小的数据点定为新的中心点Oj。
㈡替换中心点搜索策略
在剩余的RSSI数据点中选择一个新的中心点Oj，这是12次迭代中的m次迭代。距离Oj最近的m(0≤m≤12)个簇包含的所有非中心点RSSI数据点构成新的代表对象。
在候选中心点集中选择一个新的非中心点G，计算G和Oj的平方误差，记录在集合E中，反复迭代至所有非中心RSSI数据点均被选择过。
如果用G代替Oj的总代价小于0，则用集合E中最小值对应的非中心点替换原中心点，形成新的12个RSSI数据中心点集合。将剩余数据点分配至余弦相似度最大的中心点所代表的簇，并从步骤1开始迭代。
如果总代价大于0或等于0，则停止迭代，最终得到12个聚类中心点。
㈢电子参考标签RSSI数据点裁剪
计算待测标签RSSI值与12个聚类中心点的相似度，如果
Sim(θi，Oj)＜Tj
其中，Tj为第j个簇的电子参考标签RSSI数据点与中心点的最小相似度，则表示待测标签RSSI值与该簇内的参考标签相似度非常低，所以可以将该簇中的参考标签裁剪掉，否则将该簇内包含的参考标签RSSI值添加到新的参考标签簇中。
根据裁剪后的虚拟参考标签RSSI数据与获取的待测标签RSSI数据实现待测标签移动位置标识
Figure BDA0002619321350000071
其中，Ej(0＜j≤k)表示待测标签与k个参考标签的欧式距离，sj，i表示RF天线i(1≤i≤2，i∈N*)接收到的虚拟参考标签j的RSSI数据，θi表示RF天线i接收到的待测标签的RSSI数据，n表示天线数量；
根据质心算法，求得待测标签的坐标
Figure BDA0002619321350000081
其中，(xT′，yT′)是移动后的待测标签的位置坐标，k′是经过裁剪后的虚拟参考标签数量，(xJ，yJ)是选取虚拟参考标签j的二维坐标，ηJ是选取的虚拟参考标签j的权重
Figure BDA0002619321350000082
步骤六、云平台以紧固件中心为原点，将计算得到的紧固件待测标签移动后的位置坐标与原始坐标构成的向量进行余弦相似度计算，以得到紧固件松动角度
Figure BDA0002619321350000083
其中，(xT，yT)是待测标签的原始位置坐标。
步骤七、将计算得到的紧固件松动角度与预设的紧固件松动安全阈值进行比较，小于安全阈值时将信息记录到日志，否则发出警报。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种基于RFID标签阵列的轨道车辆紧固件松脱检测***，其特征在于，包括：
超高频无源RFID待测标签，用于标示紧固件相对被连接件移动的角度或位置，并向RF天线发送射频信号；
多个超高频无源RFID参考标签，及其构成的虚拟参考标签矩阵，用于向RF天线发送射频信号以辅助检测***实现对待测标签的定位；
读写器，用于读取待测标签和参考标签的RSSI数据；
多个RF天线，用于为标签和读写器提供空间接口；
云平台，用于根据接收到的标签RSSI数据构建虚拟参考标签阵列，并计算待测标签的位置，并判断紧固件是否发生了松脱，通过比较紧固件松动角度与预设定阈值的大小，决定将松动角度信息记录到日志或发出紧固件松脱告警。
2.根据权利要求1所述的基于RFID标签阵列的轨道车辆紧固件松脱检测***，其特征在于：所述待测标签和参考标签选择工作频段在860～960MHz的无源超高频RFID标签。
3.根据权利要求1所述的基于RFID标签阵列的轨道车辆紧固件松脱检测***，其特征在于：所述待测标签粘贴于紧固件外缘，以测得紧固件的松动角度。
4.根据权利要求1所述的基于RFID标签阵列的轨道车辆紧固件松脱检测***，其特征在于：所述参考标签为三个呈三角形布置的参考标签及根据距离损耗模型构建的虚拟参考标签阵列，并将待测紧固件置于虚拟参考标签阵列中心。
5.根据权利要求1所述的基于RFID标签阵列的轨道车辆紧固件松脱检测***，其特征在于：所述RF天线为两根天线构成的天线阵列，连接着同一个读写器，以轮询调度算法的方式分别工作在不同频段，且安置在轨旁5米范围内。
6.一种基于RFID标签阵列的轨道车辆紧固件松脱检测方法，其特征在于，使用如权利要求1-5任一项所述的基于RFID标签阵列的轨道车辆紧固件松脱检测***，并包括以下步骤：
步骤一、当列车经过检测***时，RF天线阵列激活参考标签和待测标签；
步骤二、参考标签和待测标签反馈电磁信号给RF天线阵列；
步骤三、RF天线阵列将接收到的标签射频信号发送给读写器；
步骤四、读写器将处理过的参考标签与待测标签的RSSI数据发送给云平台；
步骤五、云平台通过接收到的参考标签RSSI数据，依据距离损耗模型及紧固件装配环境构建二维虚拟参考标签阵列，结合获取的待测标签RSSI数据计算待测标签的位置坐标
Figure FDA0002619321340000021
其中，Ej(0＜j≤k)表示待测标签与k个参考标签的欧式距离，sj，i表示RF天线i(1≤i≤2，i∈N*)接收到的虚拟参考标签j的RSSI数据，θi表示RF天线i接收到的待测标签的RSSI数据，n表示天线数量；
根据质心算法，求得待测标签的坐标
Figure FDA0002619321340000022
其中，(xT′，yT′)是移动后的待测标签的位置坐标，k′是经过裁剪后的虚拟参考标签数量，(xJ，yJ)是选取虚拟参考标签j的二维坐标，ηJ是选取的虚拟参考标签j的权重
Figure FDA0002619321340000031
步骤六、云平台以紧固件中心为原点，将计算得到的紧固件待测标签移动后的位置坐标与原始坐标构成的向量进行余弦相似度计算，以得到紧固件松动角度
Figure FDA0002619321340000032
其中，(xT，yT)是待测标签的原始位置坐标；
步骤七、将计算得到的紧固件松动角度与预设的紧固件松动安全阈值进行比较，小于安全阈值时将信息记录到日志，否则发出警报。
7.根据权利要求6所述的基于RFID标签阵列的轨道车辆紧固件松脱检测方法，其特征在于：步骤五中，根据质心算法，求得待测标签坐标的操作是在基于围绕中心点划分思想，对虚拟参考标签阵列进行裁剪后的标签阵列中进行的。
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