RFID在電子收費系統(tǒng)路徑識別的應用

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網收費，大量路網連接又造成多路徑問題，即車輛從路網內的甲地行駛到乙地往往存在多條可選路徑，這樣就產生二義性路徑識別問題。在高速公路聯網收費環(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：一是通過一定技術手段精確識別出車輛在路網中行駛的實際路徑，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，采用模糊逼近真實的概率統(tǒng)計出路線。目前國內已試行電子收費的省份在處理聯網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有技術條件、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。隨著路網結構復雜度的加大，采用模糊逼近真實的處理難度加大，嚴重影響高速公路聯網收費結算功能的發(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，提高運營效率的迫切需要。結合目前國內高速公路聯網收費實際和技術條件，提出一種RFID 電子標簽與非接觸式IC卡相結合進行二義性路徑識別的設計方案。該方案兼容目前半自動收費(MTC)的技術條件和實際環(huán)境，較好解決了電子收費中的路徑識別問題，仿真數據證明其具有較高的實用性和可操作性。

　　2 RFID技術在電子收費系統(tǒng)應用現狀

　　2．1 RFID技術

　　射頻識別RFID(Radio Frequency Identification)在智能交通領域應用最為成功，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據；當受到無線電射頻信號照射時，反射回攜帶有數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據信息。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絡實現車輛信息的采集、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)應用存在的問題

　　RFID在高速公路中的應用體現為電子收費。將閱讀器天線架設在距收費口約50~100 m的道路上方。當車輛經過天線時，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、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。分析出車輛的相關信息，不用停車就可實現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技術在電子收費中運行很成功，但有些技術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技術與現有半自動收費(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(tǒng)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(tǒng)功能結構如圖1所示。

　　3．1 短程通信標準的選取

　　《高速公路聯網收費暫行技術要求》第13條明確指出：“電子不停車收費技術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頻段的設備供應商較多，有利于我國ETC系統(tǒng)的設備引進，有利于降低系統(tǒng)成本。(3)有利于未來在此頻段內開展智能運輸系統(tǒng)的其他各項服務。

　　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(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，設計結構如圖2所示。

　　組合兩片式標簽綜合RFID和IC卡技術的優(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內的行駛路徑，又具備普通IC路網收費功能。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：(1)系統(tǒng)以IC卡作為收費介質，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(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)路邊設備控制器是一臺計算機設備，通常與天線及其控制器、抓拍系統(tǒng)等設備互聯。對于具有收費島的單車道ETC系統(tǒng)，與之互聯的還有通行信號燈、電動欄桿等外設。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)天線及其控制器實現與車載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的數據信號，經調制和功率放大后由天線輻射出。當ETC用戶駕車經ETC車道時，車道天線信號激活電子標簽進入工作狀態(tài)，電子標簽根據接收的命令向車道天線回送相應響應數據。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、數據處理單元、外部信號指示器、喇叭天線或微帶天線構成。

　　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)議的數據幀，通過車道天線將數據幀發(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據，再上傳給車道控制計算機系統(tǒng)。其內置多塊控制模塊，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，安裝在產生多路徑交叉口路測，根據車輛