RFID在高速公路不停车收费系统中的应用

机电工程技术 !""#年第 $%卷第 $期机电工程技术 !""#年第 $%卷第 $期 &’()在高速公路不停车收费系统中的应用 李实永 （广东交通集团中心， 广东广州 %*"+!"） 摘要：本文结合 &’() 技术的原理，根据 &’() 的优点，探讨了 &’() 在高速公路不停车收费系统中的实际应用，给出该应用的 具体实现的硬件要求，以及如何与管理中心实现信息交互的系统总体设计框图，最后针对我国的具体国情，分析了 &’() 在我 国高速公路应用中面临的主要问题并给出相应对策。 关键词：&’()；不停车收费；高速公路 中图分类号：,+-% 文献标识码：. 文章编号：*""-/-+-! 0!""#1 "$/"*""/"$ 收稿日期：!""%—**—!+ *引言 智能交通系统 (23（ (4567789645 2:;4<=>:5;58>4 3?<56@） 是利用最尖端的电子信息技术，形成人员、公路和车辆三 位一体的新公路交通系统的总称。高速公路运输在公路运 输中占有重要地位，为长距离连续交通流提供了可靠完善 的服务。目前收取道路交通费是我国道路建设投资的主要 收回方式之一，然而伴随着每条高速公路通车都需要大量 的收费站 !+ 小时值班，收费站的建成与运营本身就消耗 了相当一部分资金，而且由于大多数收费站采用人工收费 方式，车辆交费需要完全停止，效率很低。在交通高峰期 间，收费站成为高速公路的“瓶颈”。车辆频繁的启动刹 车也造成了能源浪费和环境污染，同时还加快了车辆部件 的磨损，带来了交通隐患。因此，不停车电子收费 0676AB 5:>48A 5>77 A>776A58>4，C2D1 是高速公路的一种理想的收费 方式。近年来，射频识别技术的出现使它的实现成为可 能，从而加快了智能交通的发展 ［*］。 !射频识别技术（&’()）的原理和优点 射频识别（:;E8> F:6GH64A? 8E6458F8A;58>4）技术是近几 年发展起来的现代自动识别技术，基本的 &’() 系统由射 频卡和读写器组成，射频标签和读写器之间互相不接触并 利用感应、无线电波或微波进行数据通信，从而可以达到 识别的目的。&’() 最突出的特点是可以非接触识读（识 别的距离可以从十厘米到几十米），可识别高速运动物体、 抗恶劣环境、保密性强、可同时识别多个识别对象等 ［!］。 当前国际上 &’() 技术发展迅速，已深入到交通运输、商 品防伪、图书档案管理、安全管理、零售行业、物流仓 储、医疗卫生等领域 ［$］。 射频识别按照电磁耦合原理工作。一般的射频识别装 置包括以下几个部分： 应答器：即电子标签，放置在要识别的物体上，里面 包含该物体属性信息。应答器是射频识别系统真正的数据 载体。常用的应答器由耦合元件及微电子芯片组成。通常 应答器没有自己的供电电源，只是在阅读器的响应范围之 内应答器才是有源的。应答器工作所需要的能量和时钟脉 冲和数据一样，通过耦合单元传输给应答器。 阅读器：又称扫描器，扫描应答器获取电子标签数 据，取决于所使用的结构和技术，可以是读或者写装置。 一台典型的阅读器包含有高频模块（发送器和接受部）、 控制单元以及与应答器连接的耦合元件。此外，许多阅读 器还含有附加的接口以使所获得的数据进一步传输给另外 的系统（计算机及机器人控制装置等）。 数据仓库应用软件：管理收集来的数据，可以是市面 上现有的各种商业数据库或者供应链系统，也可以是面向 特定行业的高度专业化的库存数据库或者是把射频识别 （&’()）系统当作整个企业 C&I的一部分。 系统的基本工作流程是：阅读器通过发射天线发送一 定频率的射频信号，当射频卡进入发射天线工作区域时产 生感应电流，射频卡获得能量被激活；射频卡将自身编码 等信息通过卡内置发送天线发送出去；系统接收天线接收 到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读 器，阅读器对接收的信号进行解调和解码，然后送到后台 主系统进行相关处理；主系统根据逻辑运算判断该卡的合 法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令 信号控制执行机构动作。 在耦合方式 0电感/电磁 1、通信流程 0’)J、K)J、 3CL1、从射频卡到阅读器的数据传输方法 0负载调制、反 向散射、高次谐波1 以及频率范围等方面，不同的非接触 制造业信息化 *"" 机电工程技术 !""#年第 $%卷第 $期机电工程技术 !""#年第 $%卷第 $期 传输方法有根本的区别，但所有的阅读器在功能原理上， 以及由此决定的设计构造上都很相似，所有阅读器均可简 化为高频接口和控制单元两个基本模块。高频接口包含发 送器和接收器，其功能包括：产生高频发射功率以启动射 频卡并提供能量；对发射信号进行调制，用于将数据传送 给射频卡；接收并解调来自射频卡的高频信号。不同射频 识别系统的高频接口设计具有一些差异。阅读器的控制单 元的功能包括：与应用系统软件进行通信，并执行应用系 统软件发来的命令；控制与射频卡的通信过程 &主’从原 则(；信号的编解码。对一些特殊的系统还有执行反碰撞算 法，对射频卡与阅读器间要传送的数据进行加密和解密， 以及进行射频卡和阅读器间的身份验证等附加功能。 射频识别系统的读写距离是一个很关键的参数 ［)］。目 前，长距离射频识别系统的价格还很贵，因此寻找提高其 读写距离的方法很重要。影响射频卡读写距离的因素包括 天线工作频率、阅读器的 *+ 输出功率、阅读器的接收灵 敏度、射频卡的功耗、天线及谐振电路的 , 值、天线方 向、阅读器和射频卡的耦合度，以及射频卡本身获得的能 量及发送信息的能量等。大多数系统的读取距离和写入距 离是不同的，写入距离大约是读取距离的 )"-./"-。 $系统设计 射频识别技术可以通过射频信号自动识别目标对象， 无需可见光源，具有穿透性，可以透过外部材料直接读取 数据，读取距离远，无需与目标接触就可以获取数据。这 些优点使它可以应用在智能交通领域，从而大大简化过 程，提高效率 ［)］。不停车收费系统就是在此基础上建立起 来的，它能够实现对车辆、货物实时监控，高效、准确的 管理，车辆进出可以不停车，免伸手。 （0）硬件设计 不停车收费系统的关键技术主要集中在两个方面，即 自动车辆识别 &123456378 9:;78<: =>:?37@786374?，19=( 技 术和逃费抓拍系统 &97>:4A?@4B8:5:?3 CDE3:5，9AC(，实现 对车辆、货物实时监控，高效、准确的管理。该系统由电 脑、管理软件、智能电子标签、智能电子标签阅读器、控 制箱、道闸和地感线圈组成。系统能实现自动检验、登 记、放行等功能。 ! 每辆车在档风玻璃内放置一块记录本车基本信息 的智能电子标签（CF!""0）（射频卡大小）。 "在 道 口 进 出 口 上 安 放 一 台 智 能 标 签 阅 读 器 （CF$"""）及一套控制箱，同时配置道闸和地感线圈。 # 当带有智能电子标签的集装箱车进入地感线圈时， 地感线圈得到信号，同时智能标签阅读器也读到智能电子 标签的信号，光学识别系统识别车的车牌，货柜的箱号。 如果是合法的，就发出信号，打开道闸，允许车辆通过。 另外，自动识别系统读取电子标签中的用户费用信息、车 型信息和入口车道信息进行收费计算，完成 =G 卡内收费 额的扣除，收费记录写入 =G 卡，并向用户显示有关收费 状态信息后给予放行。如果有非法 AHG 用户强行通过 AHG 专用车道，可进行车牌抓拍，生成违章记录，便于事后处 理。此时车辆只要适当减速，不需要停车，也不需要伸手 刷卡，就可以顺利通过道口。 $ 车辆过道闸后通过门内地感线圈时，又产生信号， 让道闸关闭。 % 车辆通过高峰时，即车辆一辆接一辆进入时，可 以通过软件设置，道闸处于常开状态，当最后一辆车辆进 入时道闸关闭。 & 车辆出入的全部信息均由电脑实时记录，并生成 车流量的准确日报、月报统计表。 整个不停车收费过程可以用图 ! 表示。 在硬件设计中，主要以 *+=F 作为数据载体，通过无 线数据交换方式实现与车辆自动识别系统的通讯，完成车 辆基本信息、入口信息、卡内预存费用信息的远程数据存 取功能。自动识别系统按照既定的收费，通过计算， 从 =G 卡中扣除本次道路使用通行费，并修改 =G 卡内的信 息记录，完成一次自动收费放行。由于车辆征费是根据车 辆类型的不同而不同，所以对进入 AHG 系统车辆的分类是 道路征费的依据。车辆的类型可在购置电子标签时一次性 写入 =G 卡内，电子标签必须有防拆除更换的功能，防止 大车型使用小车型电子标签作弊。由于不停车收费是无人 看管的车道，即便可以设置放行栏杆，依然还需要 9AC 系 图 0 射频识别（*+=F）系统的组成及工作原理 图 ! AHG 的工作原理图 制造业信息化 0"0 机电工程技术 !""#年第 $%卷第 $期机电工程技术 !""#年第 $%卷第 $期 统保证合法车辆快速通过收费车道，防止非 &’( 车辆不交 费“闯卡”。)&* 系统利用视频图像捕获技术、车辆牌照 识别技术记录逃费车辆的车牌信息和外部特征，使管理部 门有据可查，用以保证 &’( 车道运营安全。 （!）收费管理中心总体结构框架 现在 &’( 系统的实现主要由 &’( 收费车道、收费站 管理系统、&’( 管理中心、专业银行及传输网络组成。系 统总体结构如图 $。 自动收费记录以加密方式建立，收费管理人员不能修 改或添加记录，自动收费记录文件由数据库自动生成。管 理中心与银行网络系统直接的信息传递，以加密的方 式确定，以确保安全。其工作过程是：不停车收费系统管 理中心负责管理和监控一条或一个区域内高速公路的不停 车收费站，并将每日收费信息自动分类汇总后通过通信网 络与银行网络系统进行数据交换，以便银行从用户在银行 开设的专用账户中收取相应的费用 +转入相应的业主专业 账户，并将从银行网络收到的黑名单下发给各不停车收费 站，再由不停车收费站下发给各车道子系统，从而保证整 个高速公路不停车收费系统能够正常地循环运行。 要实现这样一个收费过程，目前只有用户自愿去购置 车载电子标签才能成为 &’( 用户，然后通过安装在车辆挡 风玻璃上的车载电子标签与在收费站 &’( 车道上的微波天 线之间的微波专用短程通讯，利用计算机联网技术与银行 进行后台结算处理，从而达到车辆通过路桥收费站不需停 车而能交纳路桥费。电子标签现在还没能作到小象一个 “标签”，大多数的做法是使用一张非接触的 ,( 资金卡插 入这个发射器来工作。 另外安装这种电子标签一定要有防拆除功能，安装的 位置选择在车辆的底盘发动机上，因为这是车辆终身不更 换的部件。这个装置就是把车的行驶证电子化，有了这个 电子身份证，对车辆情况可以了如指掌；如果车辆被盗， 想“整容”上是行不通的了。如果这种方法得实施，汽车 制造行业就可以在汽车制造的标准规定上安装电子标签。 -发展前景 由于现在电子标签的价格还较高，目前运营的 &’( 系 统只能选择把车道分为 &’( 专用车道和人工收费车道。现 在国内 &’( 最成熟的应该是广东省的“粤通卡”，在广东 实现了全省通用，至今已有 !.% 万用户，但与总体车辆相 比，实在是太少，而 &’( 系统的效益来自规模效应，发展 任务还很艰巨。 /0,1 一般适用于开放式的收费公路，即汽车经过收 费处只根据车型大小收费，不根据入口和出口的不同收 费。而对于封闭式的收费公路，由于不同入口和出口，收 费不一样，因此采用射频识别技术就没有办法实现，因此 具有一定的局限性。另外，对于公路收费系统，由于车辆 的大小和形状不同，需要大约 -2 的读写距离和很快的读 写速度，也就要求系统的频率应该在 3""456 和 !%"" 456，因此成本非常高。一个普通的射频基站价格在 !" 万 元左右，而一张普通的射频读 +写卡为 -"" 元左右，这是 射频识别技术之所以在中国难以普及的原因。 另外，不停车收费系统的建立将面临以下几方面的问 题：路网规模大，导致 &’( 系统规模庞大，一次性投资 高，建设周期长，风险大；大多数入口收费站和出口收费 站的交通量小，车道数量少，单独辟出一条专用 &’( 车道 在土建上既有困难，在利用率上又不经济，由于各收费站 缺乏备份 &’( 车道，整个电子收费系统的可靠性将无法得 到保障。因此现在我国仍然采用人工收费和 &’( 收费相结 合的组合方式 ［%］。由于双界面 ,( 卡的出现，这样的卡即 可以使用 &’( 系统完成收费，也可以半人工完成收费，这 样就扩大了高速使用 &’( 系统完成收费，也可以半人工完 成收费，从而扩大了高速公路 &’( 系统的兼容性，是目前 发展 &’( 系统的主流。费用的结算也可以选择，一种是在 ,( 卡内预存费用，一种是提供银行结算账号。 在中国交通繁忙的今天，/0,1 视频技术无疑是最终 发展的趋势，无论从交通工程的角度还是从智能运输系统 的角度来看，该电子收费技术对于我国公路运营管理效率 和公路通行服务水平的提高有很大潜力。 参考文献： ［7］周晓云8吴兆根./0,1 在公共交通领域的运用［9］.中国无线 电，!""%，（%）：-3:%7. ［!］;<=<>??@< AB@==?C<8 D? *FG<@HB?2I8 4<>JJE ;?K?JILJ?. AB>M NI>2<@OB 1BKBCIP2B@= IN < 5?QH:LPBBG RE=I2<=?O STUBO= ,M GB@=?N?O<=?I@ EL?@Q AIOBBGM ?@QL IN =HB !""- ,&&& ?@=B>@<=?I@B@OB I@ /ITI=?OL V RE=I2<=?I@WBX S>CB<@L8 DR !""-.-.AY-V%-:-V#3. ［$］/0,1 应用的五大成功案例及其分析［&Z + SD］. H==PY + + XXX. >N?GOH?@<.I>Q + OI@=B@= + K?BX + %#! + >N?G:?@NI:7[$V:773.H=2C ［-］4ILH? 5R/R1R R@ &]PB>?2B@=K?OB / ’><@L2?LL?I@ *FL=B2 NI> ,’* /I方案

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