Оценка вероятности пропуска считывания информации с радиочастотных меток аппаратурой СБПП

УДК 656.34

А. М. Костроминов, А-р А. Костроминов, О. Н. Тюляндин

ОЦЕНКА ВЕРОЯТНОСТИ ПРОПУСКА СЧИТЫВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ С РАДИОЧАСТОТНЫХ МЕТОК АППАРАТУРОЙ СБПП

Дата поступления: 11.09.2017 Решение о публикации: 13.11.2017

Аннотация

Цель: Исследовать причины случаев пропуска считывания информации с RFID-меток и на основании полученных результатов дать рекомендации по повышению надежности функционирования системы бесконтактной привязки к пути (СБПП) метрополитена. Методы: Применено математическое моделирование, проведен вычислительный эксперименРезультаты: Разработана математическая модель считывания меток аппаратурой СБПП, позволяющая оценить вероятность пропуска последних в зависимости от скорости поезда и заданного времени сканирования. На основании полученных результатов даны рекомендации по выбору времени сканирования. Практическая значимость: Причиной роста интереса к данной теме послужили несколько пропусков считывания информации с меток аппаратурой СБПП на перегонах, где преобладают сравнительно высокие скорости движения (60 км/ч и более). Предложенное решение позволяет уменьшить вероятность пропуска меток на два порядка путем увеличения времени их сканирования с 1 с до верхнего возможного значения 65 с, причем реализация описанного решения достигается минимальной корректировкой программного обеспечения аппаратуры.

Ключевые слова: RFID, время сканирования, пропуск перегонных меток, система бесконтактной привязки к пути, надежность считывания.

Alexander M. Kostromynov, D. Sci. Eng., professor, triak@grozon.spb.ru; Alexander A. Kostro-mynov, Cand. Sci. Eng., associate professor, alkostrom@gmail.com; *Oleg N. Tyulyandyn, postgraduate student, tyulyandin@vklay.ru

Summary

Objective: To study the reasons of cases, in which information readout omission from RFID-tags occurred, and give recommendations on reliability improvement of the subway system of contactless track connection (SBPP) on the basis of the obtained data. Methods: Simulation modelling was applied, as well as a computing experiment was conducted. Results: A mathematical model of reading tags by SBPP equipment was developed. The model in question makes it possible to assess the probability of information readout omission from tags, depending on the train speed and the allowed scanning time. Recommendations on the selection of scanning time were given on the basis of the obtained data. Practical importance: The reason for the growing interest to the topic was a number of information readout omissions from tags by SBPP equipment on railway hauls with high speed movement (60 km/h and more). The suggested solution makes it possible to minimize the probability of tag omission in 20 times by means of increasing the scanning time from 1 s up to the highest possible value of 65 s. It should be noted that implementation of the presented solution is achieved by minimum software fixes of the equipment.

Keywords: RFID, scan time, railway haul tags missing, the system of contactless connection to tracks, readout security.

Введение

В процессе эксплуатации системы бесконтактной привязки к пути (СБПП) [1-4], базовой частью которой являются ЯРГО-средства (радиометки, устанавливаемые на стенах тоннеля, и ридеры с антеннами, располагаемые на борту головных вагонов пассажирских поездов; структурная схема представлена на рис. 1) [5-7], было зафиксировано несколько случаев пропуска считывания перегонных меток.

Эти немногочисленные случаи актуализировали задачу повышения надежности функ-

ционирования СБПП, требующую разработки метода оценки вероятности пропуска считывания радиочастотных меток.

Описание взаимодействия ридера с радиочастотной меткой

В системе бесконтактной привязки к пути ридер осуществляет поиск меток после получения соответствующей команды от вагонного контроллера. При этом команда содержит настраиваемое время сканирования (от 100 мс до 65 с).

Рис. 1. Структурная схема СБПП (ГК КТС-О РИС - головной контроллер комплекса технических

средств оповещения рекламно-информационной системы; ПУАВ - поездное устройство автоведения; УПИ БУР - устройство передачи информации с бортового устройства регистрации событий; КАС ДУ - комплексная автоматизированная система диспетчерского управления; ЦП КАС ДУ - центральный пункт КАС ДУ; ПУИ - поездные устройства индикации)

В случае нахождения RFID-антенны в зоне радиовидимости метки ридер «накачивает» метку энергией, затем посылает запрос на считывание; по завершении накачки метка обрабатывает запрос и «отвечает» согласно протоколу Gen2 [8]. После информационного обмена ридер завершает сканирование и передает считанные данные в контроллер.

Если по истечении заданного времени ни одна метка не была считана, ридер независимо от текущего состояния прекращает сканирование и информирует об этом контроллер. Обработав ответ ридера, контроллер посылает повторную команду на поиск. На этом цикл связи ридера с меткой завершается.

По данным экспериментальных наблюдений время от момента выключения сканирующего поля до очередного включения является случайной величиной, имеющей нормальную плотность распределения со средним значением 40 мс и среднеквадратичным отклонением 4 мс.

Время накачки и информационного обмена описывается сложнее. В случае первой накачки (накопленная энергия в метке отсутствует) информация с метки считывается за 40 мс. В остальных случаях время считывания есть случайная величина, подчиненная нормальному закону распределения с математическим ожиданием 35 мс и среднеквадратичным отклонением 5 мс.

Метод оценки вероятности пропуска меток

Введем ряд условных обозначений: I - ширина зоны радиовидимости метки (в рамках решаемой задачи примем детерминированной величиной, равной 230 см) [1, 3]; V - скорость

поезда при проезде зоны радиовидимости

* ^

метки ; ^ - задержка в управлении ридером (случайная величина); t - длительность пер-

вой накачки метки и радиообмена (детерминированная величина); t - настраиваемое время сканирования.

Примем, что задержка в управлении ри-дером и время повторного считывания метки распределены по законам с плотностями /зад (^ и [ (^ соответственно.

повт.сч 4 7

С учетом изложенных условий определим возможные исходы проезда зоны радиовидимости метки.

1. Метка будет считана.

2. Метка не будет считана: время накачки метки и радиообмена превысит время проезда зоны радиовидимости, т. е. t > ¡/V.

Однако известно, что ширина зоны радиовидимости перегонных меток составляет 2,3 м, а суммарное время накачки и считывания - 40 мс. Отсюда следует, что по рассматриваемой причине метка будет пропущена при скорости поезда свыше 200 км/ч, но такая величина в Петербургском метрополитене недостижима. Таким образом, указанный исход допустимо исключить.

3. Метка не будет считана: поезд наедет на зону радиовидимости метки с отключенным радиополем (происходит при остановке поиска за время t е [0, - (¡/V - ¿,ч)] до наезда на зону радиовидимости), а после восстановления сканирования не успеет считать метку -выйдет из зоны ее радиовидимости.

4. Метка не будет считана: ридер отключится при накачке метки или радиообмене, т. е. на временном интервале [0, ¿,ч], и после восстановления сканирующего поля не успеет считать метку до выхода поезда из зоны радиовидимости.

Исходы 1, 3 и 4 обозначим буквами А, С1 и С2 соответственно. Очевидно, что указанные исходы несовместны и образуют полную группу событий [9-11], т. е. Р (А + С1 + С2) = 1. Поэтому вероятность пропуска метки при проезде зоны радиовидимости можно вычислить следующим образом:

* Здесь и далее будем рассматривать поезд как материальную точку, сконцентрированную в центре ЯБШ-антенны.

p ( m, V, tckah)=p (c1)+p (C2),

где P (Ä) = l - P (A).

Вероятность реализации исхода С1 является условной и может быть определена по формуле [11]

P (Cl)(l, v, tCKaH) =

™ l = f f (ty F (t +1 --) dt,

J •'зад"/ откл" сч ' '

—(сч

в которой F (¿) - вероятность выхода риде-ра из сканирующего режима на временном отрезке I, она тождественна функции равномерного распределения на интервале [0, I ].

Аналогично может быть вычислена и вероятность осуществления исхода С2:

P(C2)(l, V, (скан) =

™

f fOTKl

—t

здесь Уо1кл (0 - плотность вероятности отключения сканирующего поля ридера, тождественна плотности непрерывного равномерного распределения на интервале [0, 7 ]; * - операция свертки.

Из теории математического анализа известно [12], что под сверткой понимается функция

от

(Г * в)(х) =1Г ($)• в( x Ч) й \.

о

v

V

/* Длительность полной накачки и радиообмена в милисекундах */

/* Плотность распределения задержки перевода ридера в режим сканирования */ /* Плотность распределения времени повторной накачки метки и радиообмена */ /* Плотность распределения момента отключения сканирования */ /* Функция распределения момента отключения сканирования */

/* Объявление функции численного интегрирования свертки плотностей

* распределения задержки и времени повторной накачки метки с радиообменом на

quad_qagl(ilt(laplace(fc(x),x,s) *laplace(fd(x),x,s),s,y),y,t,Inf)[1]$

* Онако для случая суммы двух нормальных плотностей формула может быть

/* Объявление функций вычисления вероятностей пропуска меток из-за выполнения /* Функция вычисления полной вероятности пропуска меток. Размерность скорости

Рис. 2. Объявление функцииp (l, v, ts), позволяющей оценить вероятность пропуска меток в зависимости от ширины зоны радиовидимости, скорости и настраиваемого времени

сканирования

Рис. 3. Вероятности пропуска меток в зависимости от времени сканирования на скоростях 60

Однако возможно альтернативное представление свертки через использование преобразований Лапласа

(/ * в)(х) = С-1 (С{/(х)}•£{в(х)}).

С учетом (2) и (3) перепишем выражение

(1):

P ( A)(l, v, t_) =

œ l i /зад(^У+ tC4 dt +

—tc

•сч ^

f / (t)• f ( / * / )(t) dt dt.

J отк^ ^ J ^повт.сч -/зад/V /

—t

Подставлять исходные данные в (4) и преобразовывать выражение дальше в статье не имеет большого смысла, поэтому остановимся на полученном результате и перейдем к численной оценке вероятности пропуска меток.

Для вычисления вероятности пропуска меток по формуле (4) была выбрана система ком-

пьютерной алгебры Maxima *. Исходный код авторского решения с комментариями представлен на рис. 2.

Верификация результатов моделирования

В графической форме результаты вычислений приведены на рис. 3. Полученные значения соответствуют наблюдениям на перегонах 4-й линии метрополитена, согласно которым вероятность пропуска меток при времени сканирования, равном 1 с, составляет 1,2-Ю-4 (результат получен путем обработки логов аппаратуры СБПП).

Заключение

Результаты моделирования свидетельствуют, что при увеличении времени сканирования с 1 с до возможного значения 65 с вероятность пропуска меток уменьшается примерно

URL: http://maxima.sourceforge.net/ru.

V

0

V

на два порядка для максимально допустимых в метрополитене скоростей поездов.

Библиографический список

1. Костроминов А. М. Регрессионная модель зоны радиовидимости для системы бесконтактной привязки к пути подвижного состава метрополитена / А. М. Костроминов, Т. В. Крючкова // Транспорт Урала : науч.-технич. журн. - 2012. - 34, № 3. -С. 49-53.

2. Костроминов А. М. Алгоритм функционирования системы управления движением электроподвижного состава в метрополитене на базе RFID-технологии / А. М. Костроминов, Т. В. Крючкова // Изв. Петерб. гос. ун-та путей сообщения. -СПб. : ПГУПС, 2014. - Вып. 2. - С. 42-48.

3. Костроминов А. М. Контроль состояния ри-дер-антенного тракта аппаратуры СБПП в условиях электродепо метрополитена / А. М. Костроминов, С. А. Рахманин, Б. О. Смирнов, О. Н. Тюлян-дин // Изв. Петерб. гос. ун-та путей сообщения. -СПб. : ПГУПС, 2016. - 13, вып. 2. - С. 180-186.

4. Костроминов А. М. Применение RFID-тех-нологий в системе автоведения поездов метрополитена / А. М. Костроминов, М. Ю. Королев, В. В. Гаврилов, Т. В. Крючкова // Изв. Петерб. гос. ун-та путей сообщения. - СПб. : ПГУПС, 2009. -Вып. 3. - С. 91-97.

5. 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.

6. Dobkin D. M. The RF in RFID : Passive UHF RFID in Practice / D. M. Dobkin. - Newton, MA, USA : Newnes, 2007. - 504 p.

7. Finkerzeller K. RFID Handbook. Fundamental and Applications in Contactless Smart Cards and Identification. - 2nd ed. / K. Finkerzeller. - Chichester, West Sussex, England : Willey, 2003. - 427 p.

8. GS1 EPCglobal Inc. - EPCTM Radio-Frequency Identity Protocols Generation-2 UHF RFID, 2015. -Online; accessed 11 April 2016. - URL : http://www. gs1.org/sites/default/files/docs/epc/Gen2_Protocol_ Standard.pdf (дата обращения: 11.04.2016).

9. Вентцель Е. С. Теория вероятностей. - 4-е изд. / Е. С. Вентцель. - М. : Наука, 1969. - 576 с.

10. Davidson A. C. Statistical Models / A. C. Davidson. - Cambridge, NY, USA : Cambridge University Press, 2008. - 726 p.

11. Freedman D. Statistics. International student edition. - 4th ed. / D. Freedman, R. Pisani, R. Purves. - New York, NY, USA : W. W. Norton & Company, 2007. -720 p.

12. Hogg R. Introduction to Mathematical Statistics. - 6th ed. / R. Hogg, A. Craig, J. McKean. - New Jersey : Prentice Hall, 2004. - 692 p.

References

1. Kostromynov A. M. & Kruchkova T. V. Regres-sionnaya model zony radiovydymosty dlya systemy beskontaktnoy pryvyazky k puty podvyzhnogo sostava metropolytena [A regression model of radio visibility zone for the system of contactless connection to the tracks of an underground rolling stock]. Transport of the Urals, 2012, vol. 34, no. 3, pp. 49-53.

2. Kostromynov A. M. & Kruchkova T. V. Algorytm funktsionyrovaniya systemy upravleniya dvyzheniyem elektropodvyzhnogo sostava v metropolytene na baze RFID-tekhnologii [Operation algorithm of an electric stock control system in a subway based on RFID-tech-nology]. Proceedings of Petersburg State Transport University, 2014, issue 2

3. Kostromynov A. M., Rakhmanyn S. A., Smyr-nov B. O. & Tulyandyn O. N. Kontrol sostoyaniya rea-der-antennogo trakta apparatury SBPP v usloviyakh elektrodepo metropolytena [Condition monitoring of an SBPP reader-aerial route under conditions of subway electric engine house]. Proceedings of Petersburg State Transport University, 2016, vol. 13, issue 2, pp. 180-186.

4. Kostromynov A. M., Korolev M. Y., Gavry-lov V. V. & Kruchkova T. V. Prymeneniye RFID-tekh-nologiy v systeme avtovedeniya poyezdov metrop-lolytena [Application of RFID-technologies in the system of automatic subway trains operation]. Proceedings of Petersburg State Transport University, 2009, issue 3

5. Dshkhunyan V. L. & Shangyn V. F. Elektron-naya identifikatsiya. Beskontaktniye elektronniye iden-

tyfikatory i smart-karty [Electronic identification. Contactless electronic identifiers and smart cards]. Moscow, OOO "AST" Publ., NT Press Publ., 2004, 695 p.

6. Dobkin D. M. The RF in RFID: Passive UHF RFID in Practice. Newton, MA, USA, Newnes Publ., 2007, 504 p.

7. Finkerzeller K. RFID Handbook. Fundamental and Applications in Contactless Smart Cards and Identification. 2nd ed. Chichester, West Sussex, England, Willey Publ., 2003, 427 p.

8. GS1 EPCglobal Inc. - EPCTM Radio-Frequency Identity Protocols Generation-2 UHF RFID, 2015. -

URL: http://www.gs1.org/sites/default/files/docs/epc/ Gen2_Protocol_Standard.pdf (accessed: 11.04.2016).

9. Venttsel Y. S. Teoriya veroyatnostey [The theory of probability]. 4th ed. Moscow, Nauka Publ., 1969, 576 p.

10. Davidson A. C. Statistical Models. Cambridge, NY, USA, Cambridge University Press, 2008, 726 p.

11. Freedman D., Pisani R. & Purves R. Statistics. International student edition. 4th ed. New York, NY, USA, W. W. Norton & Company Publ., 2007, 720 p.

12. Hogg R., Craig A. & McKean J. Introduction to Mathematical Statistics. 6th ed. New Jersey, Prentice Hall Publ., 2004, 692 p.

КОСТРОМИНОВ Александр Михайлович - доктор техн. наук, профессор, triak@grozon.spb.ru; КОСТРОМИНОВ Александр Александрович - канд. техн. наук, доцент, alkostrom@gmail.com; *ТЮЛЯНДИН Олег Николаевич - аспирант, tyulyandin@vklay.ru (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).