RFID城市车辆定位与导航系统

1.& nbsp;引言& nbsp;

伴随着各项科学技术和应用技术的不断发展和进步，城市交通也已经开始逐渐走向了智能化、人性化的道路，从而产生了智能交通系统（Intelligent& nbsp;Traffic& nbsp;System，ITS）的概念，它是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子控制技术、传感器技术以及计算机处理技术等各种技术有效地综合运用于交通系统中，从而实现对交通系统更加准确，实时，高效地综合管理和控制，最大限度地实现人、车、路之间的和谐统一。其中智能交通发展的一个重要方向就是对于城市交通中车辆的准确定位和导航，已经成为了许多行业（如公交、消防、紧急救护、交通事故处理等）发展的一种必然的需求。& nbsp;

2.& nbsp;现有的城市交通车辆定位与导航系统& nbsp;

2.1& nbsp;GPS& nbsp;车辆定位与导航系统& nbsp;
GPS（Global& nbsp;Positioning& nbsp;System，全球定位系统）是目前发展已经较为成熟的一项定位和导航技术，并且已经得到了较为广泛的实际应用。它是利用美国的24颗（其中3颗备用）空间卫星来达到全球范围的覆盖，从而实现全球、全天候、全方位的定位与导航功能。GPS系统主要包括地面控制部分，空间卫星部分和地面用户装置（GPS接收机终端）三个组成部分。目前在城市车辆定位和导航中也已经得到了较为广泛和成功的应用，其定位精度一般为20m～300m。& nbsp;

2.2& nbsp;A-GPS& nbsp;定位与导航系统& nbsp;
A-GPS（Assisted& nbsp;GPS，网络辅助GPS），它是对GPS& nbsp;系统的一种改进，在GPS& nbsp;的基础上增加了通信基站，从而利用基站的确切位置和接收到的GPS& nbsp;卫星相关信息实现更加精确的定位和导航，其精度可以达到10m& nbsp;左右。& nbsp;

2.3& nbsp;北斗定位系统& nbsp;
北斗定位系统是我国自主研发的区域性卫星定位系统，它是专门针对我国国内定位与导航而建立的系统，它由两颗地球静止轨道卫星，一颗备用卫星、中心控制系统、标较系统和用户终端机等部分组成。但是由于系统的特殊工作原理，决定了系统定位的精度上不及GPS，同时对于地面网络的依赖程度也非常大，所以不太适合目前城市特殊区域的精确定位和导航应用，只能实现大范围内的粗略定位与简单导航。& nbsp;

此外还有诸如小区定位，E-TOD（Enhanced& nbsp;Observed& nbsp;Time& nbsp;Difference，增强型时钟差）等定位技术，但是由于它们都主要应用在手机移动终端的定位，所以这里不再赘述。通过以上各类现行交通车辆定位与导航系统的简单介绍和分析，虽然它们都有着各自的优势，但是针对城市交通定位功能来说它们却都有着以下几个共同的缺陷：& nbsp;
1.& nbsp;全部都属于开放式定位系统，即一旦网络或者卫星信号发生问题，定位功能则无法实现；& nbsp;
2.& nbsp;在城市某些特定地区，如楼宇分布较为密集的地区，地下停车场等场所和区域，上述系统则不能实现很好的定位，也就是存在定位的“死角”区域；& nbsp;
3.& nbsp;空间立体定位的精度太低，虽然GPS& nbsp;和A-GPS& nbsp;可以实现10m& nbsp;以内的定位精度，但是对于空间上而言，这么大的误差范围根本区分不出同一地点上下两层车道的位置差异；& nbsp;
4.& nbsp;GPS& nbsp;卫星体系全部都隶属于美国，一旦发生特殊事件（如美国因为战争需要，既有可能限制民用GPS& nbsp;的精度，覆盖范围等），这样就可能严重影响到我国城市民用系统的定位；即使我们国家的北斗系统，也完全依赖于通信网络，同样不是非常可靠。& nbsp;

由此可以看出，目前的大多数定位系统虽然能够满足城市交通车辆定位的基本需求，但是在很多特殊的区域（如楼宇密集区，大型地下停车场，同一立交桥的上下层之间的定位等）方面不能够很好地得到满足和实现。正因为此，本文提出了一种基于RFID& nbsp;技术的城市交通定位和导航系统。& nbsp;

3.& nbsp;RFID& nbsp;城市车辆定位与导航系统& nbsp;

3.1& nbsp;RFID& nbsp;技术简介& nbsp;
RFID（Radio& nbsp;Frequency& nbsp;Identification，无线射频识别）技术是一种利用无线射频实现非接触式自动识别目标对象的技术，它主要包含有识读器（Reader）和电子标签（E-tag）两个部分，此外还有用于数据发送和接收的天线部分（Antenna）。RFID& nbsp;系统的工作原理如下图所示：& nbsp;

当电子标签进入识读器的读取范围时，电子标签便收到来自识读器天线发射的射频信号的感应或辐射，从而激活标签开始工作和通信，将自身的编码信息同样以射频信号的方式传递给识读器，识读器即可将接收到的信号进行相应的解码处理或者传递给后台的计算机系统来做进一步深入的处理，从而实现了贴标签目标对象的自动识别。由此可以看出，电子标签的非接触式识别、数据存储量大、同时标签的内容也可读可写等特点，决定了射频识别技术可以提供一种快速、灵活和可靠的电子方式来检测和跟踪各类目标对象[1]。因此，近年来RFID& nbsp;技术已经在物流、运输、工业生产和智能交通领域得到了极为广泛的应用。在交通领域主要的应用有电子停车场的出入管理、自动交费管理、高速公路电子不停车收费系统、公交车辆的监控管理等。但是在车辆定位和导航方面的应用还是显得非常不足，因此作者经过大量的调研和实际分析，提出了此RFID& nbsp;城市交通定位和导航系统的设想。& nbsp;

3.2& nbsp;系统的总体设计思想& nbsp;
RFID& nbsp;城市车辆定位与导航系统的实际模拟效果图如下所示：& nbsp;

在城市的道路上利用特殊的粘贴工艺技术（或地表浅层埋设方式）将RFID& nbsp;电子标签按照一定的间隔布置在公路的路面上，每一个标签唯一的标注了此道路的位置；在车载端，车辆的底盘上安装有特殊的RFID& nbsp;识读器，每当汽车经过一个道路标签，识读器便会读取路面上的道路标签，并将读取到的编码信息传递给车内安装的GIS（Global& nbsp;Information& nbsp;System，地理信息系统）模块，GIS& nbsp;模块利用得到的编码信息，通过其车载信息数据库找出对应的电子地图上的位置点，再通过显示终端即可实现了定位功能。而如果要实现车辆控制中心对于车辆的集中控制，则要将此位置编码信息再通过车载通信模块传递到控制中心，从而实现对车辆行踪的监控。导航功能的实现，则直接可以在车载端完成，而不需要借助其他的网络，因为在车载GIS& nbsp;上直接输入目的地之后，即可在电子地图上确定目的地的位置点，从而根据现在所处的位置点和目标位置确定一条（或多条）导航路线，不需要借助外界网络或卫星信号的作用，完全实现自主导航。& nbsp;

3.3& nbsp;系统流程图及各功能实现过程说明& nbsp;
RFID& nbsp;城市定位与导航系统的结构流程图如下所示：& nbsp;

3.3.1& nbsp;定位功能的实现过程& nbsp;
车辆通过安装于底盘上的识读器获取用来标志唯一道路位置的编码信息之后，将其传递给车载端的GIS& nbsp;数据处理模块，GIS& nbsp;根据此编码信息，结合电子地图信息数据库（GIS& nbsp;模块的一部分），找出此编码信息对应的电子地图上的具体的地理位置点，进而通过显示模块将其显示在电子地图上。这样用户就可以看到自己当前所处的地理位置，实现了车辆自身定位的功能。& nbsp;

3.3.2& nbsp;导航功能的实现过程& nbsp;
所谓车辆导航就是要确定一条车辆当前位置和目的地位置的线路信息，假如车辆现在处于A& nbsp;点，想要到达B& nbsp;点，则将B& nbsp;点的信息（直接输入名称即可）输入到车载GIS& nbsp;模块中，车载GIS& nbsp;模块通过电子地图信息数据库将目的地位置对应找到之后，与电子地图显示上的某一点对应起来，同时在两个点之间确定一条或多条可行路线，并且显示给用户。这样用户就可以根据电子地图上的目的地B& nbsp;点和现在所处位置A& nbsp;点情况，决定采取那条路线到达目的地。可以看出本系统不需要借助外界信号或网络的辅助作用，可以利用车载模块直接独立解决导航问题。& nbsp;

3.3.3& nbsp;监控和调度功能的实现过程& nbsp;
在完成定位功能的同时，识读器将获取到的位置编码信息和车辆自身的唯一标志信息通过车载通信模块，利用移动通信网络数据传输方式（如GPRS& nbsp;等）传递给后台监控和调度中心，调度中心根据收到的信息，结合中心的GIS& nbsp;系统就可以得知此车辆现在所处的确切位置，从而实现了对车辆的实时监控功能。同时如果调度中心需要车辆去某一个目的地执行某项任务（如消防，医院救护等）时，调度中心就将目的地的位置编码信息通过通信网络传递给某一具体车辆，车辆得到此编码信息，并与自身电子地图上的点对应起来，从而实现导航，以最快的速度到达任务目的地。所以这主要是针对特殊的行业（公交、出租、医院救护、消防等）应用才需要用到的功能，因为对于一般的私人车辆用户来讲，没必要将自己的位置信息告诉给其他方，所以这是一个可选的功能（图中用虚线分割开来）。& nbsp;

3.4& nbsp;系统各组成部分的详细设计说明& nbsp;
3.4.1& nbsp;道路标签& nbsp;
概念——用来唯一标志某一具体物理位置的电子标签，它与GIS& nbsp;电子地图信息数据库中的某一点具体对应，从而实现物理位置的显示和定位。& nbsp;

标签内的数据编码格式——电子标签的数据存储量可以达到很大，但是这里却不需要多么复杂，因为此编码数据只要能使得实际代表的地理位置的某一点与电子地图信息数据库中的某一点一一对应起来就可以了，所以编码的格式可以非常灵活，位数也不需要设计的过于复杂（这样也可以加快数据读取的速度）。所以完全可以在目前的GIS& nbsp;电子地图中的编码格式的基础上，进行一定的改动。即增加几个数据编码位，因为要考虑对于同一实际地理位置处上下两层（甚至更多层）车道的情况，其中增加的一个编码位用来表示是否是同一地点的信息（是则为1，否则为0），之后的两个数据位则表示是之上或之下的具体的车道层数。在电子地图显示的时候，车辆位于第一层时表示为：▲，位于同一位置之上的第二层车道时表示为：& nbsp;，第三层车道时则为：& nbsp;，位于同一位置之下的第一层则可以表示为：& nbsp;同样的道理以此类推。这样用户就可以通过电子地图上显示的不同符号来具体确定同一位置处不同的上下车道的具体位置，这对于一些紧急交通事故，消防，救护等有着非常现实和重要的意义。& nbsp;

标签的道路粘贴和维护——这是本系统最大的难点所在，不仅要考虑城市道路路面的情况（软硬，路面材料，路面的变形情况）、还要考虑外界的环境情况（温度的变化，雨雪天气状况），此外还要考虑到一些车辆不规则行驶对标签碾压的情形。就路面情况考虑，系统标签首先考虑粘贴在一些路面状况比较理想的地面（所谓理想，主要指混凝土路面等比较坚实，不会随外界压力和温度发生太大型变的情况，比如立交桥、高架桥车道路面就比较理想）；就外界环境状况的影响，主要取决于标签自身物理特性的提高（耐低温、耐高温，耐变形和压力等品质）。目前已有RFID& nbsp;标签产品的耐温范围已经可以达到-40℃～140℃，此外对于抗变形和压力可以通过特殊的外包装和道路粉刷工艺来进行相应的处理。至于车辆不规则行驶带来的碾压现象，因为标签本身体积很小，同时车辆的轮胎接触面积较大，所以平均下来的压强并不能给标签造成直接的物理损伤，而且不规则行驶的情况在城市道路上并不是主要常见的[2]。& nbsp;

3.4.2& nbsp;车载终端& nbsp;
车载终端主要由识读器模块，GIS& nbsp;信息处理模块，通信模块（可选），显示模块组成，共同配合完成了了整个定位信息的处理和显示。& nbsp;

识读器模块——此部分模块负责准确地、快速地获取位于道路上的电子标签中的位置信息，它对道路标签的数据读取速度和车辆运行的速度直接决定了系统的定位精度。相同的车速情况下，识读器的阅读速度越快，则道路上的标签就可以间隔更小，从而定位的精度就可以更高。目前已有的识读器一般的阅读一个电子标签的时间可达到毫秒级，而在城市道路上运行的车辆的速度一般都限制在60km/h& nbsp;以内，按照这样的数值大约可以计算出标签的间隔距离在5m& nbsp;的情况下，仍然可以保证标签数据的快速准确的读取。也就是说，定位的精度相应的也可以相应的达到5m& nbsp;以内的精度，当然此外还要考虑GIS& nbsp;模块的数据处理和显示速度，所以保证10m& nbsp;的定位精度是理论可行的。& nbsp;

GIS& nbsp;信息处理模块——此部分模块负责将识读器获取的道路标签的编码信息进行处理，与电子地图信息库中的具体位置点对照，从而实现物理位置和电子地图上的显示点之间的对应。同时在导航应用中，此部分模块还要能够实现查询功能，即将输入的目的地转化为电子地图上的某一具体对应点的信息，从而提供给车辆导航路线。从某种意义上来讲，此部分模块的设计是整个系统的核心和难点，因为所有的定位、导航数据的处理全部由它来完成，具体实现时，可以借助目前已有的GIS& nbsp;车载端模块，做一些必要的改变即可。& nbsp;

通信模块——主要负责将车辆识读器读取到的道路标签的编码信息传递给后台控制和调度中心，或者将后台中心的控制和目的地信息传递到车载端，从而实现中心对于车辆的监控和调度。因为系统在不需要外界网络支持的情况下已经完全可以独立完成定位和导航等功能，所以此部分模块本身就是可选的。主要针对一些特殊的行业应用，比如公交系统，消防，医院救护，交通事故处理系统等，在这些行业中，都要求实时地掌握系统内车辆的准确位置信息以便在紧急事件时做出最为有效和快速的反应。就目前的网络情况而言，可以借助于GPRS& nbsp;网络，因为GPRS& nbsp;网络一方面数据传输速率比较高，另一方面它可以实现持续在线，流量计费的特点，适合于突发性数据量的传送需求。& nbsp;

显示模块——即将GIS& nbsp;处理后的信息数据完整地展示在电子地图上，但决不只是一个简单的显示，因为要完成独立导航时，需要输入目的地的有关信息，此时可以采用当前流行的触摸屏显示终端，将操作和显示界面集成在了一起，从而降低系统的操作复杂度。& nbsp;

3.5& nbsp;系统方案实现的具体分析& nbsp;
本系统在具体工程实施阶段必须考虑以下几个问题：& nbsp;
1.& nbsp;道路路况的优劣，目前主要的城市道路还是停留在沥青路面的时代，这样的路面对于标签的布设会带来致命的威胁，因为在高温下，这样的路面发生较大的变形，直接影响标签的位置和稳定性，甚至直接造成标签丢失、移位；& nbsp;
2.& nbsp;车辆违反交通规则造成的标签碾压，这一点可以说是一个必须要考虑的问题，但是可以通过很多种途径来避免和尽量减少，其中道路标签基本都布设在每条行车车道的中央，大多数情况下车辆通过是不会形成碾压的；其次可以改进标签布设工艺，增加标签的受力面积，即在标签之外包装一层高硬度的防水硬性材料（目前市场已有的很多标签已经都具备一定的穿透能力，这样不会造成对标签阅读范围的太大影响），同时通过特殊的路面粉刷工艺，可以大大提高标签的受力限度；& nbsp;
3.& nbsp;环境状况的影响，由于标签位于路面之上，不可避免地会遇到雨、雪天气的影响，为了减少外界条件变化带来的影响，要求标签的有很强的耐腐蚀，耐高温、低温特性，这都是对标签工艺的直接挑战，目前的标签已经出现了耐温范围在-40℃～140℃的产品；& nbsp;
4.& nbsp;成本的影响，标签的价格现在已经做到几美分到几十美分的范围内，但是车载终端的价格却还会带来较大的问题，但是根据目前GPS& nbsp;车载终端进行改造，加上识读器模块，实际上也不会带来太多的问题；此外在标签的使用过程中，对于因为一些特殊意外的原因造成的标签损坏，还要进行及时的更新，虽然费用不是很多，但是同样也应予以考虑。& nbsp;

3.6& nbsp;系统应用的设想：& nbsp;
基于以上工程实施必须考虑的实际问题，对本系统前期应用的主要领域和场合进行了如下的设想：& nbsp;
1.& nbsp;由于城市道路路况构造，标签的物理特性，以及部分司机不规则行驶等问题，直接大范围内铺设和推广此系统还为时过早，同时考虑到目前大多数城市（如北京）道路路况周边的环境并非都是高楼密集区，所以利用GPS& nbsp;即可，没有必要一次到位；& nbsp;
2.& nbsp;系统应用的定位：作为现有的GPS& nbsp;等已经成熟应用的城市道路交通定位系统的一种有益的补充，即在GPS& nbsp;可以实现定位的大多数路面，采用GPS& nbsp;定位，在一些特殊的区域，如高楼密集区，立交桥，高架桥，大型地下停车场等区域则利用此RFID& nbsp;系统实现定位，即在这些区域先进行小范围的道路标签的铺设；这样就要求对车载终端进行一定的改造，将GPS终端和识读器相结合集成在一起，从而实现城市道路定位“无盲区”的目标。& nbsp;

4.& nbsp;结论& nbsp;

通过以上的分析和研究，我们可以得出此RFID& nbsp;城市交通定位与导航系统有着诸多的优点，它是一个可自主独立实现定位与导航、定位精度高、无定位盲区、空间定位感强等的系统，但是由于目前城市道路路面特殊状况以及RFID& nbsp;标签系统本身的物理特性等原因，不可能直接实现大规模铺设应用。但是由于此系统具备的明显优势，相信在不久的将来，当城市的道路建设标较规范，路面比较统一，同时加上标签物理性能的不断提高，此系统即可进行大规模的铺设和应用。从而完全实现独立定位和导航，而直接摆脱GPS& nbsp;定位系统，彻底服务于人们的日常生活和智能交通。& nbsp;

参考文献& nbsp;
[1]& nbsp;（德）Klaus& nbsp;Finkenzeller，陈大才编译．射频识别（RFID）技术．电子工业出版社．2001& nbsp;
[2]& nbsp;游战清，刘客胜，张义强，吴谷．无线射频识别技术（RFID）规划与实施．电子工业出版社．2005