RFID在電子收費系統路徑識別的應用

1 引言

　　隨著(zhù)我國車(chē)輛保有量的不斷增加，高速公路目前采用的半自動(dòng)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(wèn)題的根本途徑是采用電子收費。但由于我國高速公路實(shí)行聯(lián)網(wǎng)收費，大量路網(wǎng)連接又造成多路徑問(wèn)題，即車(chē)輛從路網(wǎng)內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(wèn)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(wèn)題，即車(chē)輛按照哪一個(gè)行駛路線(xiàn)標準收取通行費。

　　二義性路徑識別問(wèn)題的解決方法有兩類(lèi)：一是通過(guò)一定技術(shù)手段精確識別出車(chē)輛在路網(wǎng)中行駛的實(shí)際路徑，從而解決收費和拆分的問(wèn)題；二是收費時(shí)不考慮實(shí)際行走路徑情況，按照最短路徑標準，通過(guò)某種方式確定路徑判斷，作為車(chē)輛通行費拆分的依據，采用模糊逼近真實(shí)的概率統計出路線(xiàn)。目前國內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(wèn)題時(shí)，基本采用第2類(lèi)方法。這主要因為精確識別方法受現有技術(shù)條件、高速公路收費運營(yíng)體制和實(shí)際狀況限制，其可操作性不強、綜合成本高、效益低。隨著(zhù)路網(wǎng)結構復雜度的加大，采用模糊逼近真實(shí)的處理難度加大，嚴重影響高速公路聯(lián)網(wǎng)收費結算功能的發(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*通擁擠，提高運營(yíng)效率的迫切需要。結合目前國內高速公路聯(lián)網(wǎng)收費實(shí)際和技術(shù)條件，提出一種RFID 電子標簽與非接觸式IC卡相結合進(jìn)行二義性路徑識別的設計方案。該方案兼容目前半自動(dòng)收費(MTC)的技術(shù)條件和實(shí)際環(huán)境，較好解決了電子收費中的路徑識別問(wèn)題，仿真數據證明其具有較高的實(shí)用性和可操作性。

　　2 RFID技術(shù)在電子收費系統應用現狀

　　2．1 RFID技術(shù)

　　射頻識別RFID(Radio Frequency Identification)在智能交通領(lǐng)域應用最為成功，高速公路系統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(gè)標簽具有唯一的電子編碼，安裝在車(chē)輛上標識車(chē)輛信息，其中保存有約定格式的電子數據；當受到無(wú)線(xiàn)電射頻信號照射時(shí)，反射回攜帶有數字字母編碼信息的無(wú)線(xiàn)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(wú)源。

　　(2)閱讀器(Reader)用以產(chǎn)生、發(fā)射無(wú)線(xiàn)電射頻信號并接收由電子標簽反射回的無(wú)線(xiàn)電射頻信號，可無(wú)接觸讀取并識別電子標簽中保存的車(chē)輛數據信息。從而達到自動(dòng)識別車(chē)輛的目的。還可向標簽寫(xiě)入信息，進(jìn)一步通過(guò)計算機及計算機網(wǎng)絡(luò )實(shí)現車(chē)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制式射頻識別。

　　(3)微型天線(xiàn)(Antenna)也稱(chēng)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應用存在的問(wèn)題

　　RFID在高速公路中的應用體現為電子收費。將閱讀器天線(xiàn)架設在距收費口約50~100 m的道路上方。當車(chē)輛經(jīng)過(guò)天線(xiàn)時(shí)，天線(xiàn)喚醒車(chē)上的電子標簽，發(fā)射出車(chē)輛ID信息：發(fā)卡銀行編號、車(chē)牌號、車(chē)類(lèi)參數、電子標簽號等。閱讀器接收到車(chē)輛ID信息后，傳送至車(chē)道控制器(后臺計算機)。對進(jìn)入收費車(chē)道的車(chē)輛進(jìn)行電子標簽的合法性校驗。分析出車(chē)輛的相關(guān)信息，不用停車(chē)就可實(shí)現通行費用計算和自動(dòng)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(chē)道的通行能力，減少車(chē)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(chē)輛對環(huán)境的污染，從而達到節約能源、保護環(huán)境的目的。

　　盡管?chē)釸FID技術(shù)在電子收費中運行很成功，但有些技術(shù)特點(diǎn)和運營(yíng)方法不適合我國高速公路道路使用。以車(chē)道為例，有專(zhuān)用車(chē)道、混合車(chē)道模式；收費員值班和無(wú)人值班管理模式；低速和高速通行模式。目前國內已有少數省份推行電子收費，而大部分省份仍未推行。除了道路使用者的認識、銀行*制度不完善等原因，主要原因是未能解決RFID技術(shù)與現有半自動(dòng)收費(MTC)系統兼容問(wèn)題，電子收費必然形成多張通行卡、多個(gè)車(chē)道，增加道路使用者的使用成本和運營(yíng)單位投入成本，從而影響電子收費的推行。

　　3 組合式RFID電子收費系統設計

　　基于以上分析，結合目前高速公路MTC收費環(huán)境，提出組合式RFID電子收費系統設計方案，核心包括頻率選擇、兩片式電子標簽設計和雙路側標識設計。該系統功能結構如圖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(chē)收費技術(shù)中車(chē)輛自動(dòng)識別系統所采用的專(zhuān)用短程通信頻率推薦5．8 GHz，電子標簽宜采用可讀寫(xiě)的‘單片式’(可讀寫(xiě)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＼?chē)收費系統應與人工半自動(dòng)收費系統兼容?！币虼诉x取5．8 GHz短程通信標準為專(zhuān)用短程通訊DSRC(Dedicated Short Range Communication)標準，輸出功率300 mW；調制方式為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(gè)優(yōu)點(diǎn)；(1)5．8 GHz頻段背景噪聲小，抗干擾性較好。(2)5．8 GHz頻段的設備供應商較多，有利于我國ETC系統的設備引進(jìn)，有利于降低系統成本。(3)有利于未來(lái)在此頻段內開(kāi)展智能運輸系統的其他各項服務(wù)。

　　3．2 組合兩片式電子標簽的設計

　　針對我國具體國情，兼顧大部分收費站采用IC卡交易方式，系統采用組合兩片式電子標簽作為車(chē)輛身份、行駛路徑記錄和解繳通行費信息載體，設計結構如圖2所示。

　　組合兩片式標簽綜合RFID和IC卡技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，由“兩片式電子標簽+雙界面CPU卡”組成，既能精確記錄車(chē)輛在路網(wǎng)內的行駛路徑，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規格的接觸式IC卡接口或ISO14443規格的非接觸IC卡接口)，與IC卡共同組成一套完整的組合兩片式車(chē)載設備。為保證足夠的信號強度，使用有源式標簽。該設計具有優(yōu)點(diǎn)：(1)系統以IC卡作為收費介質(zhì)，充分兼容半自動(dòng)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和MTC收費系統，又達到電子收費的功能要求。其設置安裝如圖3所示。

3．3 雙路側標識設計

　　雙路側標識設計指系統與標簽信息讀寫(xiě)分別采用車(chē)道路測標識和多路徑標識。車(chē)道路測識別采用反射調制式讀寫(xiě)，安裝在車(chē)道出入口，其功能是與電子標簽通信，完成ETC車(chē)輛檢測、辨別車(chē)輛行駛路徑和收費交易。由以下部分組成

　　(1)路邊設備控制器是一臺計算機設備，通常與天線(xiàn)及其控制器、抓拍系統等設備互聯(lián)。對于具有收費島的單車(chē)道ETC系統，與之互聯(lián)的還有通行信號燈、電動(dòng)欄桿等外設。路邊設備控制器完成對所連接設備的各種控制、通信和處理功能。

　　(2)天線(xiàn)及其控制器實(shí)現與車(chē)載OBU之間的通信。

　　(3)抓拍系統是針對違章車(chē)輛以及無(wú)電子標簽車(chē)輛的電子記錄系統，用于事后對這些車(chē)輛進(jìn)行通行費追繳和違章處罰。

　　車(chē)道天線(xiàn)接收天線(xiàn)控制器傳輸的數據信號，經(jīng)調制和功率放大后由天線(xiàn)輻射出。當ETC用戶(hù)駕車(chē)經(jīng)ETC車(chē)道時(shí)，車(chē)道天線(xiàn)信號激活電子標簽進(jìn)入工作狀態(tài)，電子標簽根據接收的命令向車(chē)道天線(xiàn)回送相應響應數據。車(chē)道天線(xiàn)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、數據處理單元、外部信號指示器、喇叭天線(xiàn)或微帶天線(xiàn)構成。

　　天線(xiàn)控制器從車(chē)道控制計算機系統接收通信請求，形成符合DSRC標準通信協(xié)議的數據幀，通過(guò)車(chē)道天線(xiàn)將數據幀發(fā)給車(chē)道上的電子標簽，并接收和解析從電子標簽返回的數據，再上傳給車(chē)道控制計算機系統。其內置多塊控制模塊，每個(gè)控制模塊控制一個(gè)車(chē)道天線(xiàn)。天線(xiàn)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(xiàn)接口單元構成。PC通信接口單元負責天線(xiàn)控制模塊與車(chē)道控制計算機的數據通信，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，根據車(chē)輛