فناوریهای شناسایی و ردیابی

بارکد ، RFID ، شناسایی با امواج رادیویی ، ردیابی ، ردگیری، ردیابی ماهواره ای ، GPS ، بینایی ماشین ، بیومتریک ، کارت هوشمند، سنسور

فناوریهای شناسایی و ردیابی

مقاله مدیریت ناوگان ریلی راه آهن با استفاده از RFID

مدیریت ناوگان ریلی راه آهن با استفاده از فناوری شناسایی به کمک امواج رادیویی

مطالعه موردی: از ارزیابی گزینهها تا اجرای طرح آزمایشی

حبیب رستمی[1]، محمدتقی عیسایی[2]، محمد پوررضا[3]

جهاد دانشگاهی صنعتی شریف

چکیده

گسترش شبکه حمل‌ونقل ریلی ایران و تغییر شکل ستاره‌ای آن به شبکه‌ای حلقوی از یک سو و افزایش ناوگان ریلی کشور خصوصاً در بخش حمل بار از سوی دیگر ، ضرورت برنامه‌ریزی دقیق برای بهره برداری بهینه از ظرفیتهای موجود در بخش حملو نقل ریلی را بیش از پیش آشکار ساخته است. برای مدیریت هوشمند ناوگان، دسترسی به اطلاعات بهنگام، دقیق و جامعی از وضعیت جاری (محل قرارگیری واگن‌ها در شبکه ریلی، پر و یا خالی بودن آنها، نوع و مقدار بار هر واگن و ...) لازم است.

در حال حاضر اطلاعات مربوط به ظرفیت و تردد یا توقف ناوگان به صورت دستی جمع‌آوری می‌گردد که به علت وجود خطاهای انسانی و گسسته بودن اطلاعات، از جامعیت و دقت لازم برخوردار نبوده و لذا نمی‌تواند مبنای مناسبی برای یک برنامه‌ریزی دقیق ‌و منسجم به حساب آید. استفاده از فناوری‌ شناسائی و ردیابی به کمک امواج رادیویی RFID می‌تواند به عنوان یک راهکار مؤثر و سامانه عملیاتی مطمئن در سطح شبکه ریلی کشور مطرح باشد. استفاده از این فناوری هم‌اینک در بسیاری از راه آهنهای دنیا کاملاً نهادینه شده است. برای بهره‌گیری مطلوب از این سامانه در راه آهن ایران لازم است که پس از شناسایی کامل قابلیت‌ها و محدودیت‌های فناوری، نیازهای عملیاتی، مسائل اجرایی، و وضعیت کنونی مدیریت ناوگان ریلی کشور به دقت مورد بررسی قرار گیرد. این مقاله ابتدا کاربردهای این فناوری را با مرور بر مشکلات مدیریت ناوگان در شرکت راه آهن تبیین نموده و سپس، یافتههای مربوط به ارزیابی مقایسهای گزینههای پیشنهادی به این شرکت و نحوه اجرای طرح پایلوت را منعکس مینماید. ابعاد این مطالعه شامل بررسی مقایسهای گزینهها، انتخاب گزینه مناسب، تعیین آرایش و چیدمان مناسب تجهیزات ایستگاهی، ظرافتهای نرمافزاری، ارتباطات مخابراتی مورد نیاز و تعیین محدوده اجرای آزمایشی طرح میباشد. در پایان، دستاوردهای حاصل از کاربرد آزمایشی فناوری مزبور در محور ریلی حد فاصل معادن گلگهر و مجتمع فولاد مبارکه در ناحیه راه‌آهن جنوب شرق کشور بیان می‌گردد.

واژه‌های کلیدی:‌

ردیابی ناوگان، امواج رادیویی، حمل و نقل ریلی، ‌مدیریت ناوگان، مدیریت بهره برداری، تجارت الکترونیکی

1 استادیار پژوهشی جهاد دانشگاهی صنعتی شریف

2 استادیار دانشگاه صنعتی شریف – دانشکده مدیریت و اقتصاد – گروه سیستمهای اطلاعاتی

3 کارشناس ارشد پژوهشکده حمل‌ونقل – وزارت راه و ترابری

1- مقدمه

نگاهی گذرا به سیر تکاملی توسعه و استفاده از فناوری RFID نشان میدهد که از دهه 1940 میلادی که رادار در جنگ جهانی دوم به کار گرفته شد شش دهه به طول کشید تا این فناوری به یک بخش از زندگی روزمره بشر تبدیل شود. کاربردهای این فناوری عمدتا از دهه 1980 جنبه تجاری به خود گرفت و امروزه مدیریت بسیاری از صنایع بویژه حمل و نقل مرهون کاربرد صحیح این فناوری است[1، 2].

تحول در کمیت و کیفیت ارانه خدمات حمل و نقل ریلی ایران نیز با استفاده مناسب از این فناوری سرعت خواهد گرفت. گسترش شبکه ریلی ایران و تغییر شکل ستاره‌ای آن به شبکه‌ای حلقوی از یک سو و افزایش ناوگان ریلی خصوصاً در بخش حمل بار از سوی دیگر، استفاده بهینه از ظرفیت‌های موجود را بیش از پیش پیچیده ساخته است. برای مدیریت هوشمند ناوگان لازم است که اطلاعات صحیح و بهنگام از وضعیت ناوگان (موقعیت مکانی واگن‌ها در شبکه ریلی، پر و یا خالی بودن آنها، نوع و مقدار بار هر واگن و ...) در اختیار باشد.

مقاله حاضر پس از معرفی مختصر این فناوری و اشاره به کاربردهای آن در صنعت حمل ونقل ریلی به معرفی یک پروژه واقعی میپردازد که در طی سالهای 1381 تا 1384 انجام شده است و امید میرود که بهرهگیری از تجربیات مهم آن به تحولات بایسته در مدیریت ناوگان ریلی کشور بیانجامد. در این مقاله نتایج آزمایش‌های عملیاتی استاتیکی و دینامیکی انجام شده و بررسی‌های کتابخانه‌ای بر روی دو محصول رقیب معرفی میشود و علاوه بر ارائه معیارهای ارزیابی مقایسهای بین محصولات مختلف، به بیان دستاوردهای حاصل از کاربرد واقعی این فناوری در مسیر ریلی بین معادن گلگهر و مجتمع فولاد مبارکه میپردازد.

2- فناوری شناسایی با استفاده ازامواج رادیویی ([1]RFID)

فناوری RFID امکان برچسب‌گذاری الکترونیکی و تعیین هویت اشیاء را بوسیله ارتباطات رادیویی از راه دور فراهم می‌سازد. این فناوری‌ همچنین بخش وسیعی از سامانههای تشخیص خودکار و گرد‌آوری داده (AIDC[2]) مانند تشخیص علائم میله‌ای (بارکد)، تشخیص نوری حروف (OCR) و تشخیص مادون قرمز را شامل میشود.

یک سامانه RFID بطور کلی از سه بخش برچسب، قرائت‌گر و آنتن[3] تشکیل میشود که در ادامه به بررسی هر یک از این بخشها خواهیم پرداخت.

2-1- برچسب(Tag)

داده‌های شناسایی یک شی مانند واگن در حافظه داخلی برچسب نصب شده برروی آن ذخیره می‌شوند. برچسب‌های RFID که به فرستنده / گیرنده یا حامل داده غیر تماسی[4] نیز موسوم هستند، از یک مدار الکترونیکی و یک آنتن تشکیل شده‌اند که بصورت یکپارچه عرضه می‌شوند. مدار الکترونیکی شامل یک حافظه است که داده‌ها را در خود جای می‌دهد. این حافظه بصورت فیزیکی و منطقی، به زیربخشهایی تقسیم می‌شود. بعضی از این زیربخشها (سلولها) داده‌هایی را در خود نگه می‌دارند که صرفاً قابل خواندن هستند، مانند شماره واحدی که در مرحله ساخت برروی حافظه نوشته می‌شود و می‌تواند برای تعیین هویت برچسب بکار رود. سایر زیربخشها برای خواندن، نوشتن و پاک کردن مکرر داده‌ها در نظر گرفته می‌شوند.

برچسب‌های RFID بسته به نحوه تغذیه مدار الکترونیک آنها به انواع فعال و غیرفعال[5] تقسیم می‌شوند. برچسب‌های فعال توان مصرفی قرائت‌گر را کاهش داده و می‌توانند اطلاعات را تا فاصله دورتری انتقال دهند. این برچسب‌ها دارای باتری‌هایی هستند که از دو تا ده سال عمر می‌کنند. علاوه بر شناسایی و ردیابی اشیاء، برچسب‌های RFID توابع بیشتری را نیز می‌توانند اجرا کنند (مثلاً امکان گزارشدهی دمای محیط) که در اینصورت بر پیچیدگی آنها افزوده شده و در نتیجه اندازه و قیمت آنها افزایش خواهد یافت.

برچسب‌های غیرفعال نسبت به برچسب‌های فعال از پیچیدگی کمتری برخوردار هستند. چراکه توان مصرفی آنها از طریق القاء الکترو مغناطیسی توسط قرائت‌گر ایجاد میشود و به باتری داخلی نیاز ندارند. این برچسب‌ها کوچک، سبک و ارزان بوده و تا حدود 20 سال قابل استفاده هستند. محدوده انتقال داده توسط این برچسب‌ها نسبتاً کوتاه است و سامانه‌های مجهز به برچسب‌های غیرفعال به قرائت‌گرهایی با توان بالاتر احتیاج دارند.

برچسب‌های RFID غالباً به عنوان نسل بعدی بارکدها در نظر گرفته می‌شوند. قرائت دادههای آنها به دید مستقیم یا تماس فیزیکی نیاز ندارد. بعلت قابلیت‌های مدار مجتمع، برچسب‌ RFID می‌تواند حجم بیشتری از اطلاعات را نسبت به بارکدهای متداول ذخیره کند.

2-2- قرائت‌گر

قرائت‌گر از طریق انتشار امواج رادیویی و با برچسب ارتباط برقرار می‌کند و به تبادل داده با آن میپردازد. یک قرائت‌گر RFID عملاً بصورت یک پل ارتباطی بین نرم‌افزار ردیابی و آنتن، که وظیفه مبادله داده بر روی امواج رادیویی را به سمت برچسب‌ها بعهده دارد، عمل می‌کند. امواج رادیویی که بوسیله آنتن انتشار می‌یابد در فضای اطراف پخش می‌گردد و در نتیجه داده‌ها به سمت برچسب‌ها در محوطه اطراف آنتن انتقال پیدا می‌کنند.

داده‌های قرائت شده از برچسب‌ها را می‌توان ذخیره نمود و بسته به کاربرد، در مرحله بعد به یک واحد پردازش اصلی انتقال داد. قرائت‌گرها را می‌توان بصورت قابل حمل یا دستی و یا مستقر در یک جایگاه خاص استفاده نمود. در حالت دستی، مجموعهای شامل رایانه اجرا کننده نرم‌افزار کاربردی، آنتن و قرائت‌گر همگی در قالب یک دستگاه قابل حمل یا Handheld مورد استفاده واقع میشود.

2-3- آنتن

وظیفه آنتن دریافت و ارسال امواج در سامانه ردیابی RFID است. براساس نوع کاربرد، انواع آنتن‌ها می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند. در چنین سامانه‌هایی، آنتن‌ها براساس مشخصاتی از قبیل پلاریزاسیون، زاویه دید (یا زوایه رأس^{^[6]}) و بهره^{^[7]}طبقه‌بندی می‌شوند. از آنجائیکه آنتن‌ها از اجزاء غیر فعال (Passive) سامانه‌های RFID هستند، هیچ‌گونه تنظیمی نیاز ندارند و تعمیر و نگهداری آنها نیز به راحتی قابل انجام است.

3- کاربردهای فناوری RFID در مدیریت بهرهبرداری راه آهن

راه‌آهن کشور ما در زمینه حمل بار فعلا به این شیوه فعالیت میکند: در ایستگاه مبدأ حمل بار و ایستگاههای تشکیلاتی بین راه که در آنها تغییر در آرایش واگن‌های قطار صورت میگیرد، کلیه اطلاعات مربوط به مشخصات راننده لکوموتیو، شماره واگنها، مبدأ و مقصد بار، تعداد واگنهای قطار، وزن بار و تاریخ بارگیری بصورت دستی ثبت شده و به ایستگاه تشکیلاتی بعد، مرکز اداره کل ، ادارات مرکزی سیر و حرکت، بازرگانی و بازاریابی منتقل میشود.

معمولاً گزارش روزانه شامل وضعیت ناوگان و بار هر ایستگاه تشکیلاتی شامل موجودی واگن‌های باردار و خالی بصورت دستی تهیه و به مرکز در تهران و نیز ناحیه ارسال می‌شود. اطلاعات جمع‌آوری شده در مرکز مورد تجزیه تحلیل قرار می‌گیرد و نسبت به اختصاص واگن خالی از ایستگاههای نزدیک و دور به هر ایستگاه متقاضی اقدام می‌شود. واحدهای نگهداری و تعمیرات که تابع اداره کل نیروی کشش و واگن‌های باری هستند، براساس اطلاعات جمع‌آوری شده از مسافت طی شده و بار جابجا شده توسط هر واگن، نسبت به بازبینی، تعمیر و نگهداری قطار اقدامات لازم را برنامه‌ریزی میکنند. همچنین واحد نگهداری خطوط از اطلاعات جمع‌آوری شده برای بهسازی و بازسازی خطوط ریلی استفاده میکند.

به طور خلاصه می‌توان گفت که کلیه امور مربوط به ثبت و جمع‌آوری اطلاعات توسط نیروی انسانی در واحدها و ایستگاه‌های مختلف انجام می‌پذیرد، و احتمال خطا در ثبت اطلاعات در فرمهای مربوط بطور گسترده وجود دارد و بعضاً اطلاعات دریافتی با یکدیگر ناسازگار هستند. بر این اساس، استفاده از تجهیزات RFID میتواند تأثیر بسزایی در جلوگیری از بروز خطا و افزایش سرعت دسترسی به دادهها داشته باشد و بطور مؤثری به رفع نیازهای زیر بپردازد:

1- حذف روش دستی ثبت اطلاعات در موارد امکانپذیر و در نتیجه کاهش خطا،

2- ارسال سریع و به هنگام اطلاعات مرتبط با ورود و خروج قطار در هر ایستگاه،

3- آگاهی از وضعیت قطارها در هر ایستگاه و ایستگاههای بعدی به لحاظ آرایش واگنها،

4- اطلاع از آخرین وضعیت واگنها شامل: موجودی واگن‌های پر و خالی هر ایستگاه در مرکز (مثلا برای تامین واگن خالی)، موجودی در حال حرکت واگن‌ها و موقعیت واگن‌های خارجی،

5- در اختیار قرار دادن اطلاعات لحظه به لحظه از مکان بار به مشتری،

6- دسترسی به اطلاعات به هنگام برای تعمیر و نگهداری لکوموتیوها، واگن‌ها، خطوط و...

7- کسب اطلاع و پیگیری سریع توقف‌های ناخواسته ناوگان در ایستگاهها،

8- تشکیل پایگاه دادههای ردیابی شامل تاریخچه عملکرد و نگهداری واگن‌ها و لکوموتیوها،

9- برنامهریزی حرکت واگن‌ها، آرایش قطارها، آمارگیری روزانه، هفتگی و ماهیانه عملکرد ایستگاهها،

با بهره‌برداری مناسب از این سامانه، تعداد، نوع، محتوی و سایر مشخصات واگن‌های پراکنده در سطح شبکه برای برنامهریزی بهینه استفاده از ناوگان ریلی در دسترس و قابل استفاده خواهد بود. با استفاده از این سامانه می‌توان از نوع، تعداد و حتی مشخصات بار واگن‌ها در هر ایستگاه به صورت به لحظه اطلاع داشت و اخطارهای لازم در مورد توقف بیش از حد واگن‌های حاوی مواد خطرناک، آرایش نامناسب واگن‌ها و عدم رعایت استانداردهای ایمنی را به مرکز و ایستگاه ارسال نمود. بعلاوه، با ثبت اطلاعات مربوط به تاریخچه تعمیر و نگهداری واگن‌ها بر روی برچسبها می‌توان در هر لحظه از وضعیت تعمیر و نگهداری آنها اطلاع یافت و امور تعمیر و نگهداری دوره‌ای ناوگان را به نحو مناسبی برنامهریزی نمود.

4- ارزیابی مقایسهای سامانههای ردیابی مناسب (مطالعه موردی)

به منظور استقرار سامانه شناسایی و ردیابی در صنعت حمل و نقل ریلی ابتدا لازم میبود تجهیزات مناسب و سازگار با شرایط محیطی و فرهنگی راهآهن کشور انتخاب گردد و پس از انجام آزمایش‌های مختلف و اجرای طرح پایلوت، مورد بهره‌برداری عملیاتی قرارگیرد. فرآیند اداری و تشریفات خرید به انتخاب تجهیزات ساخت شرکتهای Identec وTagMaster منتهی گردید تا در مرحله بعد محصولات این دو شرکت مورد ارزیابی مقایسهای واقع شوند (جدول 1). برای اشاره به این محصولات به اختصار در ادامه از واژههای ID و TM استفاده خواهد شد.

محصول TM	محصول ID	مشخصه
Active RFID - Long Range	Active RFID - Long Range	نوع سیستم ردیابی
2.435 - 2.465 GHz	868 - 915 MHz	فرکانس کاری
10 - 14v DC / 20 - 28v DC	10 - 30v DC	ولتاژ تغذیه قرائت‌گر
EN 300 440V 1.2.1 FCC Part 15	EN 330 220 (EC) FCC Part 15	تأییدیه انتشار امواج رادیویی
Tag Talks First (TTF) برچسب همواره در حالت ارسال شناسه	Reader Talks First (RTF) قرائتگر همواره در حالت اسکن	نوع سیستم مکالمه بین برچسب و قرائت‌گر
Line Of Sight	No Line Of Sight	نحوه مشاهده برچسب
دارای سابقه آزمایشگاهی	دارای سابقه عملیاتی محدود	سابقه کاربرد در راه‌آهن‌ سایر کشورها

جدول شماره 1- مشخصه عمومی سامانههای مقایسه شده

جهت بررسی انطباق تجهیزات پیشنهاد شده با نیازهای عملیاتی راه‌آهن یک روش ارزیابی شامل شش حوزه فنی یا نوع مشخصه طراحی شد. پس از تعیین عوامل مورد نظر در هرحوزه، علاوه بر انجام مطالعات کتابخانه‌ای، آزمایشات استاتیکی و دینامیکی لازم در شرایط واقعی ایستگاهها صورت گرفت و با استفاده از وزن‌دهی به مشخصهها، و تجزیه و تحلیل کارشناسی نتایج، جدول شماره 2 تنظیم گردید تا امکان تصمیم‌گیری نهایی برای انتخاب تجهیزات مناسب با شرایط موجود فراهم شود.

عناصر مورد بررسی	مشخصه
نوع سیستم ردیابی، فرکانس کاری، ولتاژ تغذیه قرائت‌گر، تأییدیه انتشار امواج رادیویی، نوع سیستم مکالمه بین برچسب و قرائت‌گر، نحوه مشاهده برچسب، سابقه کاربرد در راه‌آهن‌ سایر کشورها	عمومی
دمای کار قرائت‌گر ، حفاظت قرائت‌گر در مقابل رطوبت و غبار، دمای کار آنتن ، دمای کار برچسب ، حفاظت برچسب در مقابل رطوبت و غبار (عملیاتی)، حفاظت برچسب در مقابل رطوبت و غبار (غیرعملیاتی)، وضعیت کار آنتن در شرایط مرطوب، استحکام برچسب در مقابل شوک، استحکام برچسب در مقابل ارتعاش، استحکام برچسب در مقابل تکان‌های حرکتی (Bump)، جنس / مقاومت برچسب در مقابل مود شیمیایی، قابلیت کار در حضور عوامل مزاحم (برف، روغن، بالاست)، تداخل با تجهیزات رادیویی دیگر	محیطی
قابلیت تشخیص واگن‌های عبوری، قابلیت تشخیص ترتیب واگن‌ها (آرایش قطار)، قابلیت تشخیص خط عبوری، قابلیت تشخیص جهت حرکت، قابلیت تعیین محل واگن در کل شبکه ریلی، قابلیت شناسایی برچسب روی کانتینرها، امکان گزارش دمای محیط توسط قرائت‌گر، حداکثر سرعت قابل ردیابی، عمق میدان دید سیستم، درصد صحت عملکرد شناسایی، نیاز به تجهیزات حفاظتی و تکمیلی، قابلیت ارتباط با سیستم‌های مکمل ردیابی، امکان شناسایی همزمان چند برچسب، تعداد آنتن‌های قابل اتصال به یک قرائت‌گر، حفظ اطلاعات هنگام قطع برق	عملکرد
عمر باتری ، مشخصه شیمیایی باتری ، مشخصه تجاری باتری ، شکل باتری ، تعداد باتری در هر برچسب، ولتاژ مدار باز باتری ، وابستگی عمر باتری برچسب به تعداد قرائت، اخطار اتمام عمر باتری برچسب	باتری
ارتباط سریال، ارتباط شبکه، پروتکل‌های شبکه، نحوه تنظیم پارامترهای کار تجهیزات ، امکان ثبت رویدادها در صورت قطع ارتباط با رایانه میزبان، تعداد رویدادهای قابل ذخیره در قرائت‌گر، نحوه بازیابی رویداهای ذخیره شده، امکان ثبت اطلاعات روی برچسب، حجم اطلاعات قابل ثبت روی برچسب، حداکثر نرخ تبادل اطلاعات بین برچسب و قرائت‌گر، حداکثر نرخ تبادل اطلاعات از طریق Ethernet، حداکثر نرخ تبادل اطلاعات سریال، نرخ قرائت اطلاعات برچسب، نرخ ثبت اطلاعات روی برچسب، تأمین امنیت اطلاعات ثبت شده روی برچسب	ارتباطی
محل نصب برچسب، محل نصب قرائت‌گر، محل نصب آنتن، دشواری نصب برچسب، دشواری نصب قرائت‌گر، دشواری نصب آنتن، سهولت بازبینی برچسب، سهولت بازبینی قرائت‌گر و آنتن، محفوظ و ایمن بودن برچسب، محفوظ و ایمن بودن قرائت‌گر، محفوظ و ایمن بودن آنتن، نیاز به دقت مضاعف هنگام نصب تجهیزات، خدمات پس از فروش و پشتیبانی نماینده	اجرایی

جدول شماره2- دسته بندی مشخصههای مورد استفاده در مقایسه سامانه‌های TM و ID

با مطالعه و بررسی سامانه‌های ردیابی TM و ID و مقایسه مشخصه‌های مؤثر این دو سامانه مطابق جدول1، و همچنین تحلیل اولیه نیاز‌های راه‌آهن در مورد بهره‌گیری از یک سامانه ردیابی خودکار، نکات زیر به عنوان نتایج بررسی‌های انجام شده بدست آمدهاند:

1- اولین ویژگی سامانه TM قابلیت ردیابی آن در سرعت‌های بالا می‌باشد. این ویژگی در راه‌آهن ایران بطور عام و در بخش واگن‌های باری بطور خاص که با محدودیت سرعت مواجه هستیم به عنوان عامل تعیین‌کننده برای‌انتخاب یک سامانه ردیابی محسوب نمی‌شود.

2- تشکیل قطار و یا تغییر آرایش در ترتیب واگن‌های آن در ایستگاههای تشکیلاتی صورت می‌گیرد . حرکت قطار از حالت سکون و عبور آن از برابر قرائت‌گر نصب شده در حوالی سوزن خروجی ایستگاه با سرعت بسیـــار پــایین (حداکثر 40 کیلومتر در ساعت) انجام میشود . با این سرعت امکان تشخیص توالی قرار گرفتن واگن‌ها برای هر دو سامانه ID و TM به خوبی فراهم می‌باشد .

3- دومین ویژگی سامانه TM قابلیت تشخیص خط عبوری می‌باشد که با صرف هزینه تأمین قرائت‌گر اضافی فراهم می‌شود. با توجه به درصد بالای محور‌های یــک خطه راه‌آهن (حداقل80%) و اینکه بیشترین حمل‌و‌نقل بار در شبکه راه‌آهن از طریق محور‌های یک خطه انجام می‌شود، تشخیص خط عبوری به عنوان عامل تعیین کننده برای انتخاب یک سامانه ردیابی محسوب نمی‌شود. ضمناً در اغلب اوقات با مشخص بودن جهت حرکت امکان تشخیص خط عبوری بر اساس دستور‌العملهای جاری در راه‌آهن فراهم می‌باشد. لازم به ذکر است سامانه ID صرفاً از طریق بکار‌گیری سنسورهای تشخیص متحــرک (مانند محور شمار) و به کمک نرم‌افزار ، خط عبوری را در محورهای دو خطه تشخیص می‌دهد. البته بدون استفاده از حسگر ، راه عملی سامانه ID برای تشخیص خط عبوری افزایش نصب قرائت‌گر به تعداد هر خط می‌باشد که در اینصورت از نظر تجهیزات مورد نیاز با سامانه TM معادل خواهد شد.

4- سومین ویژگی سامانه TM قابلیت تشخیص سخت‌افزاری جهت حرکت می‌باشد که سامانه ID فاقد آن است. با توجه به اینکه همواره امکان تشخیص جهت حرکت از طریق مقایسه نرم‌افزاری زمان قرائت برچسب‌ها فراهم است، لذا از قابلیت تشخیص سخت‌افزاری جهت حرکت می‌توان صرفنظر نمود. توجه شود که درهر صورت لازم است یک برنامه نرم‌افزاری برای پردازش اطلاعات دریافت شده توسط قرائت‌گرها تهیه شود که تشخیص جهت حرکت نیز می‌تواند در این برنامه ملحوظ گردد. قابل ذکر است که در سامانه ردیابی رادیویی تشخیص جهت حرکت براساس مقایسه زمان‌ شناسایی برچسب‌ها توسط نرم‌افزار انجام می‌شود.

5- چهارمین ویژگی سامانه TM ‌سابقه کاربرد محدود و آزمایشی آن در برخی از راه‌آهن‌های کشور‌های اروپایی می‌باشد. صرفنظر از گستره فعالیت، بدلیل تفاوت‌های چشمگیر بین فرهنگ حاکم بر راه‌آهن ایران و راه‌آهن‌کشورهای اروپایی، عملکرد موفق یک سامانه در راه‌آهن این کشورها نمی‌تواند تضمین کننده موفقیت‌ مشابه آن در راه‌آهن ایران باشد. در این ارتباط قابل ذکر است که به غیراز سامانه ردیابی شرکت آمریکایی Amtech که در سطح بسیار گسترده‌ای مورد استفاده قرارمی‌گیرد، سایر سامانه‌های ردیابی از لحاظ سابقه عملیاتی تقریباً در یک رده دسته‌بندی می‌شوند.

در عین حال مشخصات فنی سامانه ID به مشخصات فنی محصولات Amtech نزدیکتر است و چنانچه گستره حرکت واگنهای راه آهن را کشورهای همسایه در نظر بگیریم با توجه به نکات زیر مزیت بالقوه این سامانه روشن میشود:

· انجمن راه آهنهای آمریکائی AAR1 از تمام فروشندگان سامانه‌های شناسایی خودکار در منطقه آمریکای شمالی خواسته است که فناوری Amtech را مرجع استاندارد RFID درنظر بگیرند . اتحادیه راه آهنهای اروپایی UIC2 نیز این فناوری را برای هماهنگ سازی راه‌آهنهای اروپائی در زمینه شناسائی خودکار تجهیزات (AEI) انتخاب کرده است و کشورهایی مانند کانادا، استرالیا، روسیه، کره‌جنوبی، آفریقای جنوبی و تعدادی از کشورهای اروپای غربی مانند انگلستان و اسپانیا از این فناوری برای تجهیز راه‌آهن‌های خود به سامانه‌های ردیابی خودکار استفاده نموده‌اند. دولت چین نیز این فناوری را بعنوان استاندارد شناسائی خودکار وسائط نقلیه (AVI) و شناسائی خودکار تجهیزات انتخاب کرده است.

6- قابلیت استقرار و محافظت فیزیکی قرائت‌گر ID (بعنوان بخش‌گرانقیمت سامانه ردیابی) در کنار خطوط راه آهن ویژگی بسیار حائز اهمیتی است که سامانه TM فاقد آن می‌باشد. در صورت استفاده از سامانه TM همواره می‌بایست نگران صدمات عمدی یا سهوی باشیم که متوجه قرائت‌گر خواهد بود. قرائت‌گر سامانه TM لزوماً باید در بین تراورس‌ها قرار ‌گیرد و تنها محافظ آن یک پوشش غیر فلزی است که کاملاً آسیب‌پذیر می‌باشد. البته امکان نصب این قرائت‌گر در کنار خطوط نیز وجود دارد ، اما در این حالت بر دشواری تنظیم و محافظت آن به مراتب افزوده خواهد شد.

7- جدا بودن بخش آنتن از قرائت‌گر در سامانه ردیابی ID بعنوان یک ویژگی این سامانه محسوب می‌شود که در بهره‌برداری بهینه از آن کاملاً مؤثر می‌باشد. با استقرار آنتن‌های این سامانه در کنار خط، برای نصب برچسب در زیر یا کنار متحرک محدودیتی وجود نخواهد داشت. توجه داریم که گاهی اوقات از جمله در مواقع حمل‌بار با کانتینر، نصب برچسب برروی دیواره‌های کناری اجتناب‌ناپذیر است، ضمناً قابلیت پنهان‌سازی آنتن‌ها در زیر بالاست (سنگریزههای بین تراورسها) برای مواقعی که نگرانی سرقت و صدمات وارده از سوی عوامل مختلف وجود دارد به عنوان یک مزیت مهم برای جدایی آنتن‌ها از قرائت‌گر در سامانه ID مطرح می‌باشد.

8- قرار گرفتن تجهیزات TM در یک محفظه سربسته (در بین تراورس‌ها که امکان پاشش انواع آلودگی‌ها برروی آن وجود دارد) محیط مناسبی برای رشد انواع باکتری‌ها را بوجود می‌آورد که تجهیزات الکترونیکی در برابر آنها آسیب‌پذیر هستند .

9- لزوم تبعیت از استاندارد‌های معتبر جهانی در حمل‌و‌نقل ریلی ایجاب می‌کند که برچسب‌های شناسایی واگن‌ها در دو سمت دیواره کناری آنها نصب شوند. در چنین شرایطی استفاده از سامانه ردیابی ID با دو آنتن ایستاده به موازات خط و استـفاده از قابلیـت "خواب" زمانبندی شده برچسب‌ها یک گزینه مناسب برای ردیابی عملیاتی در راه‌آهن محسوب می‌شود. توجه شود که به هنگام نصب برچسب‌ها برروی دیواره کناری واگن‌ها تعداد مورد نیاز آنها دو برابر می‌گردد که این امر می‌تواند با تمهیدات لازم در سامانه ID به افزایش عمر برچسب‌ها منجر شود اما در سامانه TM تأثیری بر عمر برچسب‌ها نخواهد داشت.

10- برای استفاده از سامانه TM در محورهای دو خطه ملزم به کاربرد 4 دستگاه قرائت‌گر در هر ایستگاه می‌باشیم در حالیکه استفاده از سامانه ID تجهیزات و هزینه مورد نیاز را به نصف تقلیل می‌دهد (براساس قیمت‌های اعلام شده از سوی شرکتهای سازنده).

11- سامانه ID دارای قابلیت دریافت ورودی‌های مختلف از طریق GPS ، GSM ، MODEM و حسگرهای جانبی می‌باشد که سامانه TM فاقد آن است. این قابلیت می‌تواند کاربردهای خاصی در حمل و نقل ریلی داشته باشد که از جمله آنها می‌توان به تعیین موقعیت مکانی برچسب در زمان شناسایی (بویژه در هنگام استفاده از قرائت‌گر دستی) و یا ارسال برنامه‌ریزی شده پیامهای SMS در مواقع ضروری اشاره نمود. ضمناً از این طریق با استفاده از اتصال حسگرهای مناسب به قرائت‌گر امکان تشخیص خط عبوری در محورهای دو خطه و یا تعیین سرعت متحرک قابل تامین می‌باشد .

12- یک نوع از برچسب‌های شناسایی سامانه ID دارای قابلیت گزارش‌دهی دمای محیط هستند که در سامانه TM چنین امکانی وجود ندارد . این قابلیت در صنعت حمل و نقل و برای مواقعی که اطلاع از دمای محیط نگهداری بار مهم است دارای کاربرد فراوان می‌باشد .

13- با توجه به تفاوت نحوه مکالمه بین قرائت‌گر و برچسب در سامانه‌های ID و TM، شکل باطری برچسب‌های این دو سامانه متفاوت انتخـــاب شده است . در سامانه TM که نوع مکالمه مزبور TTF (Tag Talk First) می‌باشد، دو عدد باطری سکه‌ای انتخاب شده است که جریان پیوسته خوبی تولید می‌کنند و در سامانه ID با نوع مـکالـمهRTF (Reader Talks First)یک عدد باطری استوانه‌ای شکل بکار رفته است که جریان پالسی خوبی را تامین می‌کند . اما براساس نتایج مطالعات انجام شده طی مقالات علمی ، باطری برچسب‌های سامانه ID از لحاظ تعداد مصرف در یک برچسب و مشخصه شیمیایی در رده بالاتری نسبت به باطری برچسب‌های سامانه TM قرار می‌گیرند که همین امر قابلیت اطمینان بیشتری را برای آنها ایجاد می‌کند.

14- استفاده از یک سامانه RFID برای ردیابی ناوگان ریلی کشور ، صرفنظر از نوع و شرکت سازنده آن ، بهتر است در مرحله اول در یک سطح محدود ( محورهای خاص و با تعداد محدود تجهیزات ) انجام شود تا از این طریق ضمن فراهم ساختن زیر ساخت‌های نرم‌افزاری و سخت‌افزاری مورد نیاز ، نسبت به ایجاد فرهنگ بهره‌برداری از سامانه نیز اقدامات سازمانی و مدیریتی لازم صورت گیرد . در این ارتباط ، سهولت نصب و بکار‌گیری تجهیزات و پرهیز از هزینه‌های اضافه عامل بسیار مؤثری برای موفقیت در پیاده‌سازی و بهره‌برداری از سامانه ردیابی مورد نظر محسوب می‌شود که سامانه ID بیش از سامانه TM دارای این ویژگی‌ها می‌باشد.

5- تعیین ترکیب و آرایش بهینه تجهیزات ایستگاهی

یکی از بخش‌های مهمی که در انتخاب سامانه ردیابی نقش مهمی ایفا می‌کند ترکیب بهینه تجهیزات مستقر در ایستگاه و آرایش آنهاست که از یک سو بر کارآیی آن و از سوی دیگر بر هزینه تمام شده سامانه تأثیرگذار میباشد. در آزمایشات انجام شده علاوه بر شناسایی تجهیزات مورد نظر و انتخاب مناسب آنها، اهداف دیگری نیز دنبال شده است که به تعیین ساختار بهینه تجهیزات، شناسائی جنبه های اجرایی موثر در موفقیت و ایجاد نرم‌افزار مربوطه انجامیده است. مهمترین تحلیلهای انجام شده عبارتند از:

- بررسی محل مناسب جهت نصب تجهیزات در ساختمان ایستگاه،

- بررسی محل مناسب نصب آنتن و قرائت‌گر در محوطه تحت پوشش ایستگاه،

- بررسی محل مناسب نصب برچسب بر روی واگن و لکوموتیوها،

- بررسی نحوه تبادل اطلاعات میان هر قرائت‌گر و تجهیزات مرکزی ایستگاه و سپس ارسال دادههای ردیابی به ایستگاه تهران بعنوان اطلاعات پایه جهت ثبت در پایگاه داده مرکزی (گزینهها: خط تلفن زمینی، شبکه بیسیم، ارتباطات ماهوارهای(،

- بررسی انواع واگن و لکوموتیوهای موجود جهت نصب برچسب وسایر ملاحظات عملیاتی،

پس از انجام آزمایشات متعدد بر روی ساختارهای مختلف، ساختار لوزی که در شکل1 نشان داده شده است به عنوان یکی از ساختارهای موثر تشخیص داده شد. در این ساختار در هر طرف ایستگاه از یک قرائت‌گر و چهار آنتن استفاده می‌شود.

شکل 1- ساختار لوزی شکل استقرار تجهیزات

با استفاده از ساختار فوق و بهره‌گیری از نرم‌افزار کمکی سامانه ردیابی، توان تشخیص شناسه واگن‌ها، آرایش واگن‌ها، خط عبوری و جهت حرکت قطار ایجاد میشود که با استفاده از آن می‌توان به موجودی ایستگاه و سایر نیازهای مطرح شده دست یافت.

در این ساختار آنتن شماره 4 وظبفه بیدار سازی برچسبهای رادیویی را بعهده دارد. با عبور واگن از میدان دید یا حوزه عملکرد این آنتن، امکان تشخیص خط عبوری توسط آنتنهای 1 و 2 فراهم آمده و از توالی زمانی تشخیص عبور واگن بین این آنتنها با آنتن شماره 3، جهت حرکت به سهولت مشخص میشود.

شکل 2

برچسب نصب شده در زیر واگن‌های شش محوره

شکل 3

ارتباط قرائت‌گر با ایستگاه از طریق تجهیزات بیسیم

شکل 4- نمونه هایی از قرائت‌گرها و آنتن‌های نصب شده

6- مشخصات طرح پایلوت

پس از انتخاب تجهیزات ردیابی مناسب با شرایط راهآهن کشور و انجام مطالعات در خصوص ساختار بهینه تجهیزات و مسائل ارتباطی، اجرای یک طرح پایلوت برای ارزیابی عملکرد سامانه ردیابی در دستور کار قرار گرفت. در شکل 5 محدوده طرح پیشنهادی در شبکه حمل و نقل ریلی کشور و ایستگاه‌های موردنظر‌ مشخص گردیده است.

شکل 5- محدوده جغرافیای پیاده سازی طرح پایلوت

در این بخش از پروژه باید از یک سو تجهیزات در محیط عملیاتی آزمایش میشدند و از سوی دیگر خروجی‌های مفیدی تولید میکردند تا در نهایت موجب تشویق بهرهبردار به گسترش سامانه ردیابی شود. بنابراین ۸ ایستگاه جهت آزمایش عملکرد سامانه ردیابی انتخاب شدند و ۱۲۰۰ واگن با چرخه حرکتی بسته در محدوده این ۸ ایستگاه برای نصب برچسبهای رادیویی در نظر گرفته شدند. بعد از نصب قرائتگر‌ها و آنتن‌ها در ایستگاههای حسن‌آباد، سیستان، ارژنگ میبد، اردکان، بافق، سیرجان و گل‌گهر و نصب ۱۲۰۰ برچسب مطابق شکل 2 بر روی واگن‌های شش محوره فعال در این محدوده ، اجرای سامانه و برقراری ارتباطات و تبادل دادههای ردیابی آغاز گردید.

ارتباطات سامانه ردیابی در دو بخش اصلی مورد توجه قرار گرفته است: ارتباط بین قرائت‌گرها و ایستگاه و ارتباط بین ایستگاه‌ها با مرکز(تهران). در بخش اول در برخی از ایستگاه‌ها از کابل‌هایData و در برخی دیگر از تجهیزات بیسیم استفاده شد که نمونه‌ای از آن در شکل3 نشان داده شده است. جهت ایجاد ارتباط بین ایستگاه‌ها و ساختمان مرکزی در تهران، به جز ایستگاههای میبد و ارژنگ که به علت فاصله کم تا ایستگاه اردکان به روش بیسیم با این ایستگاه در ارتباط بودند، از فرستندههای ماهواره‌ای استفاده شد. ساختار ارتباطی طرح در شکل 6 قابل مشاهده است.

شکل 6- شبکه ارتباطی در نظر گرفته شده در محدوده اجرای طرح پایلوت

بخش مهم دیگر در طرح پایلوت، مسائل نرمافزاری آن بوده است. نرم‌افزار ردیابی از دو قسمت اصلی تشکیل میشود، بخش اول مربوط به نرم‌افزار داخلی قرائت‌گر و بخش دیگر مربوط به نرم‌افزار روی سرور و کامپیوتر‌های داخل ایستگاهها است که خود از دو بخش اصلی پایگاه داده و نرم‌افزار گزارش‌گیری تشکیل میشود. شایان ذکر است که به دلیل نبود سرویس ارتباطی پایدار بین ایستگاه‌ها و مرکز، از کامپیوترهای شخصی در ایستگاهها استفاده شده است تا در صورت ضرورت بتوان اطلاعات را ذخیره و با تاخیر به مرکز ارسال نمود.

بعد از راه‌اندازی سامانه، عملکرد آن در یک دوره زمانی مورد ارزیابی قرار گرفت. جهت انجام این کار ابتدا خروجی‌های سامانه به صورت مجزا بررسی و اطمینان حاصل شد که عملکرد آن به لحاظ منطقی صحیح است، سپس به مقایسه خروجی‌ها با اطلاعات دستی جمع‌آوری شده در ایستگاه‌ها پرداخته شد. نتایج حاصله عملکرد بسیار مطلوب و برتر سامانه ردیابی رادیویی را نشان دادهاند، ضمن آنکه اشکالات ساختاری و اجرایی طرح را نیز به خوبی نمایان ساختهاند و ضرورت توجه جدی برای توسعه سامانه در سطح کل شبکه ریلی کشور و تأمین ملزومات اجرایی آن را مطرح ساختهاند.

6- جمع بندی

تجربیات موفق جهانی کاربرد فناوریRFID در صنعت حمل و نقل ریلی را تایید میکند. بر این اساس، اولین دستاورد مهم این مطالعه را میتوان تدوین دانش فنی و ایجاد توان انتخاب گزینه مناسب و طراحی استقرار بهینه تجهیزات در ایستگاهها متناسب با شرایط محیطی حاکم بر راه آهن ایران دانست. همچنین تجربیات نشان میدهند که برای انجام مطلوب کار در ایستگاههای تشکیلاتی لازم است به تغییرات ساختاری مورد نیاز و ارتقاء سطح فرهنگ و آموزش کارکنان در بهره برداری از این فناوری توجه شود. در واقع، آماده سازی مدیران میانی و کارشناسان در این زمینه کاملاً ضروری است. از سوی دیگر، دشواری جمعآوری و ثبت دستی دادهها در شرایط گرما و سرمای طاقت فرسای ایستگاهها همواره میتواند با خطاهای انسانی و تاخیر در ارسال به مرکز همراه باشد که این خود ضرورت بهرهگیری از این فناوری را دو چندان میسازد. در صورت استفاده از این فناوری، توان کارشناسان راه آهن به جای جمع آوری داده، صرف حل مشکلات جاری خواهد شد و به این ترتیب بهرهوری بشدت افزایش خواهد یافت.

با کاربرد گسترده و سراسری فناوریRFID در کل شبکه ریلی کشور، توان برنامهریزی و استفاده از تمامی ظرفیتهای حمل بار موجود به لحاظ آگاهی به لحظه از موقعیت مکانی و گنجایش واگنها فراهم میشود و ضمناً امکان رعایت استانداردهای ایمنی حمل بار و هشدار رویدادهای خطرآفرین بوجود میآید.

7- قدردانی

مطالعات این مقاله با مشارکت گروههای تخصصی از جهاد دانشگاهی صنعتی شریف، شرکت مهندسین مشاور مترا و دفتر آمار و خدمات ماشینی راه آهن با حمایت وزارت راه و ترابری در سالهای 81-84 صورت گرفته و بخشی از منابع مالی آن از محل اعتبارات طرح تکفا تامین شده است که نویسندگان این مقاله بدینوسیله از اقدامات حمایتی انجام شده توسط عوامل ذیربط قدردانی مینمایند.

8- مراجع

1. Shrouds of Time the History of RFID, an AIM Publication, The Association for Automatic Identification and Data Capture Technologies, 2001.

2. E. Turban, Electronic Commerce, a Managerial Perspective, Prentice Hall, 2006

3. AAR Standard for Automatic Equipment Identification , S-198-00

4- گزارش پروژه مطالعه فناوری شناسایی با استفاده از امواج رادیویی (RFID) و انتخاب تجهیزات مناسب AEI ،

مجری: جهاددانشگاهی صنعتی شریف، کارفرما: کمیته فناوری اطلاعات وزارت راهوترابری، مرداد 1383.

5- گزارش پروژه مشاوره و نظارت برکاربرد تجهیزات ردیابی رادیویی واگنهای راهآهن در محور حسنآباد – گلگهر،

مجری: جهاد دانشگاهی صنعتی شریف، کارفرما: شرکت مهندسین مشاور مترا، آبان 1384.

[1] Radio Frequency Identification

[2] Automatic Identification and Data Capture

[3] Tag, Reader, Antenna

[4] Transponder or Contactless Data Carrier