RFID技術(shù)在電子收費系統(tǒng)路徑識別的應(yīng)用設(shè)計

1 引言
    隨著我國車輛保有量的不斷增加，高速公路目前采用的半自動收費(MTC)方式造成嚴重的交通擁擠，尤其在交通流高峰期，解決問題的根本途徑是采用電子收費。但由于我國高速公路實行聯(lián)網(wǎng)收費，大量路網(wǎng)連接又造成多路徑問題，即車輛從路網(wǎng)內(nèi)的甲地行駛到乙地往往存在多條可選路徑，這樣就產(chǎn)生二義性路徑識別問題。在高速公路聯(lián)網(wǎng)收費環(huán)境下采用電子收費首先要解決二義性路徑行駛問題，即車輛按照哪一個行駛路線標準收取通行費。
    二義性路徑識別問題的解決方法有兩類：一是通過一定技術(shù)手段精確識別出車輛在路網(wǎng)中行駛的實際路徑，從而解決收費和拆分的問題；二是收費時不考慮實際行走路徑情況，按照最短路徑標準，通過某種方式確定路徑判斷，作為車輛通行費拆分的依據(jù)，采用模糊逼近真實的概率統(tǒng)計出路線。目前國內(nèi)已試行電子收費的省份在處理聯(lián)網(wǎng)收費二義性路徑問題時，基本采用第2類方法。這主要因為精確識別方法受現(xiàn)有技術(shù)條件、高速公路收費運營體制和實際狀況限制，其可操作性不強、綜合成本高、效益低。隨著路網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的加大，采用模糊逼近真實的處理難度加大，嚴重影響高速公路聯(lián)網(wǎng)收費結(jié)算功能的發(fā)揮。因此，研究二義性路徑識別是有效推行電子收費的核心，也是從根本上解決高速公路出入口交通擁擠，提高運營效率的迫切需要。結(jié)合目前國內(nèi)高速公路聯(lián)網(wǎng)收費實際和技術(shù)條件，提出一種RFID 電子標簽與非接觸式IC卡相結(jié)合進行二義性路徑識別的設(shè)計方案。該方案兼容目前半自動收費(MTC)的技術(shù)條件和實際環(huán)境，較好解決了電子收費中的路徑識別問題，仿真數(shù)據(jù)證明其具有較高的實用性和可操作性。

2 RFID技術(shù)在電子收費系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀
2．1 RFID技術(shù)
    射頻識別RFID(Radio Frequency Identification)在智能交通領(lǐng)域應(yīng)用最為成功，高速公路系統(tǒng)RFID一般由3部分組成：
    (1)電子標簽(Tag)由耦合元件及其他器件組成，每個標簽具有唯一的電子編碼，安裝在車輛上標識車輛信息，其中保存有約定格式的電子數(shù)據(jù)；當受到無線電射頻信號照射時，反射回攜帶有數(shù)字字母編碼信息的無線電射頻信號，供閱讀器處理識別。其工作頻率一般在915 MHz以上，分為有源和無源。
    (2)閱讀器(Reader)用以產(chǎn)生、發(fā)射無線電射頻信號并接收由電子標簽反射回的無線電射頻信號，可無接觸讀取并識別電子標簽中保存的車輛數(shù)據(jù)信息。從而達到自動識別車輛的目的。還可向標簽寫入信息，進一步通過計算機及計算機網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)車輛信息的采集、處理及遠程傳送等管理功能。采用廣播發(fā)射式射頻識別和反射調(diào)制式射頻識別。
    (3)微型天線(Antenna)也稱路測標識，用于在電子標簽和閱讀器間傳遞射頻信號。安裝在高速公路出入口和產(chǎn)生多義性路徑的交叉口。
2．2 RFID在高速公路電子收費系統(tǒng)應(yīng)用存在的問題
    RFID在高速公路中的應(yīng)用體現(xiàn)為電子收費。將閱讀器天線架設(shè)在距收費口約50~100 m的道路上方。當車輛經(jīng)過天線時，天線喚醒車上的電子標簽，發(fā)射出車輛ID信息：發(fā)卡銀行編號、車牌號、車類參數(shù)、電子標簽號等。閱讀器接收到車輛ID信息后，傳送至車道控制器(后臺計算機)。對進入收費車道的車輛進行電子標簽的合法性校驗。分析出車輛的相關(guān)信息，不用停車就可實現(xiàn)通行費用計算和自動扣費。這樣將最大限度地緩解收費站出口因收費效率低而引起的交通堵塞，提高收費車道的通行能力，減少車輛在收費口等待而消耗不必要的燃油，降低收費口的噪聲和廢氣排放，減輕車輛對環(huán)境的污染，從而達到節(jié)約能源、保護環(huán)境的目的。
    盡管國外RFID技術(shù)在電子收費中運行很成功，但有些技術(shù)特點和運營方法不適合我國高速公路道路使用。以車道為例，有專用車道、混合車道模式；收費員值班和無人值班管理模式；低速和高速通行模式。目前國內(nèi)已有少數(shù)省份推行電子收費，而大部分省份仍未推行。除了道路使用者的認識、銀行信用卡制度不完善等原因，主要原因是未能解決RFID技術(shù)與現(xiàn)有半自動收費(MTC)系統(tǒng)兼容問題，電子收費必然形成多張通行卡、多個車道，增加道路使用者的使用成本和運營單位投入成本，從而影響電子收費的推行。

3 組合式RFID電子收費系統(tǒng)設(shè)計
    基于以上分析，結(jié)合目前高速公路MTC收費環(huán)境，提出組合式RFID電子收費系統(tǒng)設(shè)計方案，核心包括頻率選擇、兩片式電子標簽設(shè)計和雙路側(cè)標識設(shè)計。該系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3．1 短程通信標準的選取
    《高速公路聯(lián)網(wǎng)收費暫行技術(shù)要求》第13條明確指出：“電子不停車收費技術(shù)中車輛自動識別系統(tǒng)所采用的專用短程通信頻率推薦5．8 GHz，電子標簽宜采用可讀寫的‘單片式’(可讀寫智能電子標簽)或‘兩片式’(帶IC卡接口的電子標簽)?！畠善健娮硬煌＼囀召M系統(tǒng)應(yīng)與人工半自動收費系統(tǒng)兼容?！币虼诉x取5．8 GHz短程通信標準為專用短程通訊DSRC(Dedicated Short Range Communication)標準，輸出功率300 mW；調(diào)制方式為ASK、BPSK；通信距離10 m。
    選用5．8 GHz作為微波短程通信中心頻段有3個優(yōu)點；(1)5．8 GHz頻段背景噪聲小，抗干擾性較好。(2)5．8 GHz頻段的設(shè)備供應(yīng)商較多，有利于我國ETC系統(tǒng)的設(shè)備引進，有利于降低系統(tǒng)成本。(3)有利于未來在此頻段內(nèi)開展智能運輸系統(tǒng)的其他各項服務(wù)。
3．2 組合兩片式電子標簽的設(shè)計
    針對我國具體國情，兼顧大部分收費站采用IC卡交易方式，系統(tǒng)采用組合兩片式電子標簽作為車輛身份、行駛路徑記錄和解繳通行費信息載體，設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    組合兩片式標簽綜合RFID和IC卡技術(shù)的優(yōu)點，由“兩片式電子標簽+雙界面CPU卡”組成，既能精確記錄車輛在路網(wǎng)內(nèi)的行駛路徑，又具備普通IC路網(wǎng)收費功能。采用標準的IC卡接口(通常為ISO7816規(guī)格的接觸式IC卡接口或ISO14443規(guī)格的非接觸IC卡接口)，與IC卡共同組成一套完整的組合兩片式車載設(shè)備。為保證足夠的信號強度，使用有源式標簽。該設(shè)計具有優(yōu)點：(1)系統(tǒng)以IC卡作為收費介質(zhì)，充分兼容半自動收費(MTC)和電子收費 (ETC)的能力；(2)適合我國基本國情，既適于已建立的收費系統(tǒng)和MTC收費系統(tǒng)，又達到電子收費的功能要求。其設(shè)置安裝如圖3所示。

3．3 雙路側(cè)標識設(shè)計
    雙路側(cè)標識設(shè)計指系統(tǒng)與標簽信息讀寫分別采用車道路測標識和多路徑標識。車道路測識別采用反射調(diào)制式讀寫，安裝在車道出入口，其功能是與電子標簽通信，完成ETC車輛檢測、辨別車輛行駛路徑和收費交易。由以下部分組成
    (1)路邊設(shè)備控制器是一臺計算機設(shè)備，通常與天線及其控制器、抓拍系統(tǒng)等設(shè)備互聯(lián)。對于具有收費島的單車道ETC系統(tǒng)，與之互聯(lián)的還有通行信號燈、電動欄桿等外設(shè)。路邊設(shè)備控制器完成對所連接設(shè)備的各種控制、通信和處理功能。
    (2)天線及其控制器實現(xiàn)與車載OBU之間的通信。
    (3)抓拍系統(tǒng)是針對違章車輛以及無電子標簽車輛的電子記錄系統(tǒng)，用于事后對這些車輛進行通行費追繳和違章處罰。
    車道天線接收天線控制器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號，經(jīng)調(diào)制和功率放大后由天線輻射出。當ETC用戶駕車經(jīng)ETC車道時，車道天線信號激活電子標簽進入工作狀態(tài)，電子標簽根據(jù)接收的命令向車道天線回送相應(yīng)響應(yīng)數(shù)據(jù)。車道天線通常由電源單元、RS485／422通信接口、振蕩器、發(fā)射單元、接收單元、數(shù)據(jù)處理單元、外部信號指示器、喇叭天線或微帶天線構(gòu)成。
    天線控制器從車道控制計算機系統(tǒng)接收通信請求，形成符合DSRC標準通信協(xié)議的數(shù)據(jù)幀，通過車道天線將數(shù)據(jù)幀發(fā)給車道上的電子標簽，并接收和解析從電子標簽返回的數(shù)據(jù)，再上傳給車道控制計算機系統(tǒng)。其內(nèi)置多塊控制模塊，每個控制模塊控制一個車道天線。天線控制模塊通常由PC通信接口單元、雙端口存儲器 (DPRAM)、通信協(xié)議處理單元、RS485／RS422天線接口單元構(gòu)成。PC通信接口單元負責天線控制模塊與車道控制計算機的數(shù)據(jù)通信，采用 RS232接口。
    多路徑路測標識采用廣播發(fā)射式，安裝在產(chǎn)生多路徑交叉口路測，根據(jù)車輛來往方向向電子標簽中寫入車輛的行駛路徑記錄，具體參數(shù)與車道路測標識單元一致。圖4給出雙路側(cè)標識系統(tǒng)圖。

4 結(jié)果驗證
    為驗證設(shè)計方案的有效性，以陜西省高速公路網(wǎng)為例。陜西省高速公路網(wǎng)中有206個收費站、134個二義性路徑。在206個收費站隨機選取60個出入口和50個二義性路徑進行仿真計算。表1給出設(shè)計方案所需參數(shù)。表2給出部分驗證結(jié)果。

5 結(jié)論
    針對目前高速公路聯(lián)網(wǎng)收費存在的主要問題，提出基于RFID技術(shù)的電子收費系統(tǒng)設(shè)計方案，可較好解決高速公路二義性路徑識別難題。該設(shè)計方案成本低、技術(shù)成熟、與現(xiàn)有系統(tǒng)能很好兼容、后期維護簡單。仿真實驗顯示系統(tǒng)對車輛的識別率和識別時間達到性能指標要求，與傳統(tǒng)收費方式相比．該方案車道通行能力提高 10倍以上，因此具有較強的實用性和可操作性。