發布日期：2022-05-20 點擊率：58
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，發射出車輛ID信息：發卡銀行編號、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，減輕車輛對環境的污染，從而達到節約能源、保護環境的目的。
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電子收費系統設計
基于以上分析，結合目前高速公路MTC收費環境，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)。‘兩片式’電子不停車收費系統應與人工半自動收費系統兼容。”因此選取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系統的設備引進，有利于降低系統成本。(3)有利于未來在此頻段內開展智能運輸系統的其他各項服務。
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。該設計具有優點：(1)系統以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、抓拍系統等設備互聯。對于具有收費島的單車道ETC系統，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)抓拍系統是針對違章車輛以及無電子標簽車輛的電子記錄系統，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，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($49.9800)/422通信接口、振蕩器、發射單元、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接收通信請求，形成符合DSRC標準通信協議的數據幀，通過車道天線將數據幀發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。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($780.5000)接口。
多路徑路測標識采用廣播發射式，安裝在產生多路徑交叉口路測，根據車輛來往方向向電子標簽中寫入車輛的行駛路徑記錄，具體參數與車道路測標識單元一致。圖4給出雙路側標識系統圖。
4 結果驗證
為驗證設計方案的有效性，以陜西省高速公路網為例。陜西省高速公路網中有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給出設計方案所需參數。表2給出部分驗證結果。
5 結論
針對目前高速公路聯網收費存在的主要問題，提出基于RFID技術的電子收費系統設計方案，可較好解決高速公路二義性路徑識別難題。該設計方案成本低、技術成熟、與現有系統能很好兼容、后期維護簡單。仿真實驗顯示系統對車輛的識別率和識別時間達到性能指標要求，與傳統收費方式相比.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。
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