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RFID 技术在电子收费系统路径识别的应用设计
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1 引言
随着我国车辆保有量的不断增加，高速公路目前采用的半自动收费(MTC)方式造成严重的交通拥挤，尤其在交通流高峰期，解决问题的根本途径是采用电子收费。但由于我国高速公路实行联网收费，大量路网连接又造成多路径问题，即车辆从路网内的甲地行驶到乙地往往存在多条可选路径，这样就产生二义性路径识别问题。在高速公路联网收费环境下采用电子收费首先要解决二义性路径行驶问题，即车辆按照哪一个行驶路线标准收取通行费。
二义性路径识别问题的解决方法有两类：一是通过一定技术手段精确识别出车辆在路网中行驶的实际路径，从而解决收费和拆分的问题；二是收费时不考虑实际行走路径情况，按照最短路径标准，通过某种方式确定路径判断，作为车辆通行费拆分的依据，采用模糊逼近真实的概率统计出路线。目前国内已试行电子收费的省份在处理联网收费二义性路径问题时，基本采用第2类方法。这主要因为精确识别方法受现有技术条件、高速公路收费运营体制和实际状况限制，其可操作性不强、综合成本高、效益低。随着路网结构复杂度的加大，采用模糊逼近真实的处理难度加大，严重影响高速公路联网收费结算功能的发挥。因此，研究二义性路径识别是有效推行电子收费的核心，也是从根本上解决高速公路出入*通拥挤，提高运营效率的迫切需要。结合目前国内高速公路联网收费实际和技术条件，提出一种RFID 电子标签与非接触式IC卡相结合进行二义性路径识别的设计方案。该方案兼容目前半自动收费(MTC)的技术条件和实际环境，较好解决了电子收费中的路径识别问题，仿真数据证明其具有较高的实用性和可操作性。
2 RFID技术在电子收费系统应用现状
2．1 RFID技术
射频识别RFID(Radio Frequency Identification)在智能交通领域应用最为成功，高速公路系统RFID一般由3部分组成：
(1)电子标签(Tag)由耦合元件及其他器件组成，每个标签具有唯一的电子编码，安装在车辆上标识车辆信息，其中保存有约定格式的电子数据；当受到无线电射频信号照射时，反射回携带有数字字母编码信息的无线电射频信号，供阅读器处理识别。其工作频率一般在915 MHz以上，分为有源和无源。
(2)阅读器(Reader)用以产生、发射无线电射频信号并接收由电子标签反射回的无线电射频信号，可无接触读取并识别电子标签中保存的车辆数据信息。从而达到自动识别车辆的目的。还可向标签写入信息，进一步通过计算机及计算机网络实现车辆信息的采集、处理及远程传送等管理功能。采用广播发射式射频识别和反射调制式射频识别。
(3)微型天线(Antenna)也称路测标识，用于在电子标签和阅读器间传递射频信号。安装在高速公路出入口和产生多义性路径的交叉口。
2．2 RFID在高速公路电子收费系统应用存在的问题
RFID在高速公路中的应用体现为电子收费。将阅读器天线架设在距收费口约50~100 m的道路上方。当车辆经过天线时，天线唤醒车上的电子标签，发射出车辆ID信息：发卡银行编号、车牌号、车类参数、电子标签号等。阅读器接收到车辆ID信息后，传送至车道控制器(后台计算机)。对进入收费车道的车辆进行电子标签的合法性校验。分析出车辆的相关信息，不用停车就可实现通行费用计算和自动扣费。这样将最大限度地缓解收费站出口因收费效率低而引起的交通堵塞，提高收费车道的通行能力，减少车辆在收费口等待而消耗不必要的燃油，降低收费口的噪声和废气排放，减轻车辆对环境的污染，从而达到节约能源、保护环境的目的。
尽管国外RFID技术在电子收费中运行很成功，但有些技术特点和运营方法不适合我国高速公路道路使用。以车道为例，有专用车道、混合车道模式；收费员值班和无人值班管理模式；低速和高速通行模式。目前国内已有少数省份推行电子收费，而大部分省份仍未推行。除了道路使用者的认识、银行*制度不完善等原因，主要原因是未能解决RFID技术与现有半自动收费(MTC)系统兼容问题，电子收费必然形成多张通行卡、多个车道，增加道路使用者的使用成本和运营单位投入成本，从而影响电子收费的推行。
3 组合式 RFID 电子收费系统设计
基于以上分析，结合目前高速公路MTC收费环境，提出组合式RFID电子收费系统设计方案，核心包括频率选择、两片式电子标签设计和双路侧标识设计。该系统功能结构如图1所示。
3．1 短程通信标准的选取
《高速公路联网收费暂行技术要求》第13条明确指出：“电子不停车收费技术中车辆自动识别系统所采用的专用短程通信频率推荐5．8 GHz，电子标签宜采用可读写的‘单片式’(可读写智能电子标签)或‘两片式’(带IC卡接口的电子标签)。‘两片式’电子不停车收费系统应与人工半自动收费系统兼容。”因此选取5．8 GHz短程通信标准为专用短程通讯DSRC(Dedicated Short Range Communication)标准，输出功率300 mW；调制方式为ASK、BPSK；通信距离10 m。
选用5．8 GHz作为微波短程通信中心频段有3个优点；(1)5．8 GHz频段背景噪声小，抗干扰性较好。(2)5．8 GHz频段的设备供应商较多，有利于我国ETC系统的设备引进，有利于降低系统成本。(3)有利于未来在此频段内开展智能运输系统的其他各项服务。
3．2 组合两片式电子标签的设计
针对我国具体国情，兼顾大部分收费站采用IC卡交易方式，系统采用组合两片式电子标签作为车辆身份、行驶路径记录和解缴通行费信息载体，设计结构如图2所示。
双路侧标识设计指系统与标签信息读写分别采用车道路测标识和多路径标识。车道路测识别采用反射调制式读写，安装在车道出入口，其功能是与电子标签通信，完成ETC车辆检测、辨别车辆行驶路径和收费交易。由以下部分组成
(1)路边设备控制器是一台计算机设备，通常与天线及其控制器、抓拍系统等设备互联。对于具有收费岛的单车道ETC系统，与之互联的还有通行信号灯、电动栏杆等外设。路边设备控制器完成对所连接设备的各种控制、通信和处理功能。
(2)天线及其控制器实现与车载OBU之间的通信。
(3)抓拍系统是针对违章车辆以及无电子标签车辆的电子记录系统，用于事后对这些车辆进行通行费追缴和违章处罚。
车道天线接收天线控制器传输的数据信号，经调制和功率放大后由天线辐射出。当ETC用户驾车经ETC车道时，车道天线信号激活电子标签进入工作状态，电子标签根据接收的命令向车道天线回送相应响应数据。车道天线通常由电源单元、RS485／422通信接口、振荡器、发射单元、接收单元、数据处理单元、外部信号指示器、喇叭天线或微带天线构成。
天线控制器从车道控制计算机系统接收通信请求，形成符合DSRC标准通信协议的数据帧，通过车道天线将数据帧发给车道上的电子标签，并接收和解析从电子标签返回的数据，再上传给车道控制计算机系统。其内置多块控制模块，每个控制模块控制一个车道天线。天线控制模块通常由PC通信接口单元、双端口存储器 (DPRAM)、通信协议处理单元、RS485／RS422天线接口单元构成。PC通信接口单元负责天线控制模块与车道控制计算机的数据通信，采用 RS232接口。
多路径路测标识采用广播发射式，安装在产生多路径交叉口路测，根据车辆来往方向向电子标签中写入车辆的行驶路径记录，具体参数与车道路测标识单元一致。图4给出双路侧标识系统图。
4 结果验证
为验证设计方案的有效性，以陕西省高速公路网为例。陕西省高速公路网中有206个收费站、134个二义性路径。在206个收费站随机选取60个出入口和50个二义性路径进行仿真计算。表1给出设计方案所需参数。表2给出部分验证结果。
针对目前高速公路联网收费存在的主要问题，提出基于RFID技术的电子收费系统设计方案，可较好解决高速公路二义性路径识别难题。该设计方案成本低、技术成熟、与现有系统能很好兼容、后期维护简单。仿真实验显示系统对车辆的识别率和识别时间达到性能指标要求，与传统收费方式相比．该方案车道通行能力提高 10倍以上，因此具有较强的实用性和可操作性。
随着我国车辆保有量的不断增加，高速公路目前采用的半自动收费(MTC)方式造成严重的交通拥挤，尤其在交通流高峰期，解决问题的根本途径是采用电子收费。但由于我国高速公路实行联网收费，大量路网连接又造成多路径问题，即车辆从路网内的甲地行驶到乙地往往存在多条可选路径，这样就产生二义性路径识别问题。在高速公路联网收费环境下采用电子收费首先要解决二义性路径行驶问题，即车辆按照哪一个行驶路线标准收取通行费。
二义性路径识别问题的解决方法有两类：一是通过一定技术手段精确识别出车辆在路网中行驶的实际路径，从而解决收费和拆分的问题；二是收费时不考虑实际行走路径情况，按照最短路径标准，通过某种方式确定路径判断，作为车辆通行费拆分的依据，采用模糊逼近真实的概率统计出路线。目前国内已试行电子收费的省份在处理联网收费二义性路径问题时，基本采用第2类方法。这主要因为精确识别方法受现有技术条件、高速公路收费运营体制和实际状况限制，其可操作性不强、综合成本高、效益低。随着路网结构复杂度的加大，采用模糊逼近真实的处理难度加大，严重影响高速公路联网收费结算功能的发挥。因此，研究二义性路径识别是有效推行电子收费的核心，也是从根本上解决高速公路出入*通拥挤，提高运营效率的迫切需要。结合目前国内高速公路联网收费实际和技术条件，提出一种RFID 电子标签与非接触式IC卡相结合进行二义性路径识别的设计方案。该方案兼容目前半自动收费(MTC)的技术条件和实际环境，较好解决了电子收费中的路径识别问题，仿真数据证明其具有较高的实用性和可操作性。
2 RFID技术在电子收费系统应用现状
2．1 RFID技术
射频识别RFID(Radio Frequency Identification)在智能交通领域应用最为成功，高速公路系统RFID一般由3部分组成：
(1)电子标签(Tag)由耦合元件及其他器件组成，每个标签具有唯一的电子编码，安装在车辆上标识车辆信息，其中保存有约定格式的电子数据；当受到无线电射频信号照射时，反射回携带有数字字母编码信息的无线电射频信号，供阅读器处理识别。其工作频率一般在915 MHz以上，分为有源和无源。
(2)阅读器(Reader)用以产生、发射无线电射频信号并接收由电子标签反射回的无线电射频信号，可无接触读取并识别电子标签中保存的车辆数据信息。从而达到自动识别车辆的目的。还可向标签写入信息，进一步通过计算机及计算机网络实现车辆信息的采集、处理及远程传送等管理功能。采用广播发射式射频识别和反射调制式射频识别。
(3)微型天线(Antenna)也称路测标识，用于在电子标签和阅读器间传递射频信号。安装在高速公路出入口和产生多义性路径的交叉口。
2．2 RFID在高速公路电子收费系统应用存在的问题
RFID在高速公路中的应用体现为电子收费。将阅读器天线架设在距收费口约50~100 m的道路上方。当车辆经过天线时，天线唤醒车上的电子标签，发射出车辆ID信息：发卡银行编号、车牌号、车类参数、电子标签号等。阅读器接收到车辆ID信息后，传送至车道控制器(后台计算机)。对进入收费车道的车辆进行电子标签的合法性校验。分析出车辆的相关信息，不用停车就可实现通行费用计算和自动扣费。这样将最大限度地缓解收费站出口因收费效率低而引起的交通堵塞，提高收费车道的通行能力，减少车辆在收费口等待而消耗不必要的燃油，降低收费口的噪声和废气排放，减轻车辆对环境的污染，从而达到节约能源、保护环境的目的。
尽管国外RFID技术在电子收费中运行很成功，但有些技术特点和运营方法不适合我国高速公路道路使用。以车道为例，有专用车道、混合车道模式；收费员值班和无人值班管理模式；低速和高速通行模式。目前国内已有少数省份推行电子收费，而大部分省份仍未推行。除了道路使用者的认识、银行*制度不完善等原因，主要原因是未能解决RFID技术与现有半自动收费(MTC)系统兼容问题，电子收费必然形成多张通行卡、多个车道，增加道路使用者的使用成本和运营单位投入成本，从而影响电子收费的推行。
3 组合式 RFID 电子收费系统设计
基于以上分析，结合目前高速公路MTC收费环境，提出组合式RFID电子收费系统设计方案，核心包括频率选择、两片式电子标签设计和双路侧标识设计。该系统功能结构如图1所示。
3．1 短程通信标准的选取
《高速公路联网收费暂行技术要求》第13条明确指出：“电子不停车收费技术中车辆自动识别系统所采用的专用短程通信频率推荐5．8 GHz，电子标签宜采用可读写的‘单片式’(可读写智能电子标签)或‘两片式’(带IC卡接口的电子标签)。‘两片式’电子不停车收费系统应与人工半自动收费系统兼容。”因此选取5．8 GHz短程通信标准为专用短程通讯DSRC(Dedicated Short Range Communication)标准，输出功率300 mW；调制方式为ASK、BPSK；通信距离10 m。
选用5．8 GHz作为微波短程通信中心频段有3个优点；(1)5．8 GHz频段背景噪声小，抗干扰性较好。(2)5．8 GHz频段的设备供应商较多，有利于我国ETC系统的设备引进，有利于降低系统成本。(3)有利于未来在此频段内开展智能运输系统的其他各项服务。
3．2 组合两片式电子标签的设计
针对我国具体国情，兼顾大部分收费站采用IC卡交易方式，系统采用组合两片式电子标签作为车辆身份、行驶路径记录和解缴通行费信息载体，设计结构如图2所示。
双路侧标识设计指系统与标签信息读写分别采用车道路测标识和多路径标识。车道路测识别采用反射调制式读写，安装在车道出入口，其功能是与电子标签通信，完成ETC车辆检测、辨别车辆行驶路径和收费交易。由以下部分组成
(1)路边设备控制器是一台计算机设备，通常与天线及其控制器、抓拍系统等设备互联。对于具有收费岛的单车道ETC系统，与之互联的还有通行信号灯、电动栏杆等外设。路边设备控制器完成对所连接设备的各种控制、通信和处理功能。
(2)天线及其控制器实现与车载OBU之间的通信。
(3)抓拍系统是针对违章车辆以及无电子标签车辆的电子记录系统，用于事后对这些车辆进行通行费追缴和违章处罚。
车道天线接收天线控制器传输的数据信号，经调制和功率放大后由天线辐射出。当ETC用户驾车经ETC车道时，车道天线信号激活电子标签进入工作状态，电子标签根据接收的命令向车道天线回送相应响应数据。车道天线通常由电源单元、RS485／422通信接口、振荡器、发射单元、接收单元、数据处理单元、外部信号指示器、喇叭天线或微带天线构成。
天线控制器从车道控制计算机系统接收通信请求，形成符合DSRC标准通信协议的数据帧，通过车道天线将数据帧发给车道上的电子标签，并接收和解析从电子标签返回的数据，再上传给车道控制计算机系统。其内置多块控制模块，每个控制模块控制一个车道天线。天线控制模块通常由PC通信接口单元、双端口存储器 (DPRAM)、通信协议处理单元、RS485／RS422天线接口单元构成。PC通信接口单元负责天线控制模块与车道控制计算机的数据通信，采用 RS232接口。
多路径路测标识采用广播发射式，安装在产生多路径交叉口路测，根据车辆来往方向向电子标签中写入车辆的行驶路径记录，具体参数与车道路测标识单元一致。图4给出双路侧标识系统图。
4 结果验证
为验证设计方案的有效性，以陕西省高速公路网为例。陕西省高速公路网中有206个收费站、134个二义性路径。在206个收费站随机选取60个出入口和50个二义性路径进行仿真计算。表1给出设计方案所需参数。表2给出部分验证结果。
针对目前高速公路联网收费存在的主要问题，提出基于RFID技术的电子收费系统设计方案，可较好解决高速公路二义性路径识别难题。该设计方案成本低、技术成熟、与现有系统能很好兼容、后期维护简单。仿真实验显示系统对车辆的识别率和识别时间达到性能指标要求，与传统收费方式相比．该方案车道通行能力提高 10倍以上，因此具有较强的实用性和可操作性。
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