基于RFID技術(shù)的高速公路不停車收費(fèi)系統(tǒng)

摘要：無線射頻識(shí)別技術(shù)作為一種新興的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，近年來在國內(nèi)外已經(jīng)得到了迅速發(fā)展。以RFID為研究對(duì)象，分析其工作原理及主要特點(diǎn)，通過對(duì)不停車收費(fèi)系統(tǒng)的組成及工作流程介紹，重點(diǎn)說明RFID中間件技術(shù)在該系統(tǒng)中的應(yīng)用。基于RFID技術(shù)的高速公路不停車收費(fèi)系統(tǒng)作為智能交通系統(tǒng)領(lǐng)域中的一個(gè)重要方面，是緩解收費(fèi)站交通堵塞“瓶頸”的有效手段，對(duì)環(huán)境污染的降低起到重要作用。
關(guān)鍵詞：RFID；自動(dòng)識(shí)別；ETC；智能交通

0 引言
    隨著公路建設(shè)的飛速發(fā)展，我省高速公路通車?yán)锍滩粩嘣黾樱?010年通車?yán)锍踢_(dá)到3 400 km，居西部第一。在通車公路里程增加的同時(shí)，交通流量也在不斷增加，人工和半自動(dòng)收費(fèi)方式已不能滿足高速路上通行車輛對(duì)收費(fèi)管理系統(tǒng)的需求。原始的收費(fèi)方式嚴(yán)重制約高速公路向現(xiàn)代化方向發(fā)展，存在很多弊端，主要表現(xiàn)在：
    (1)收費(fèi)設(shè)施及收費(fèi)技術(shù)落后，停車收費(fèi)造成收費(fèi)站交通擁堵。
    (2)在收費(fèi)站停車次數(shù)增多，汽車耗油增加，汽車尾氣對(duì)環(huán)境的污染增加。
    為了解決以上問題，2009年我省高速公路開始建設(shè)電子公路不停車收費(fèi)系統(tǒng)(Eleefronie Toll Collection，ETC)，通過對(duì)車載電子標(biāo)簽的自動(dòng)識(shí)別完成不停車情況下通行費(fèi)的自動(dòng)收取處理全過程。自動(dòng)車輛識(shí)別技術(shù)主要通過射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID)來采集車載電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息而實(shí)現(xiàn)的。RFID是一種非接觸的射頻通信方式，通過RFID讀寫器與RFID電子標(biāo)簽的無線通信可以進(jìn)行信息的采集功能，從而識(shí)別車載RFID電子標(biāo)簽載體的身份等特征，達(dá)到提高收費(fèi)站通行效率的目的。

1 RFID射頻識(shí)別技術(shù)
    RFID是一種無線的、非接觸方式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，作為快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確采集與處理信息的高新技術(shù)和信息標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)，被公認(rèn)為20世紀(jì)十大重要技術(shù)之一。這項(xiàng)技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)就在于非接觸，在完成識(shí)別工作時(shí)無須人工干預(yù)，適于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控及管理，可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)RFID電子標(biāo)簽，操作快捷方便。典型的射頻識(shí)別系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

    系統(tǒng)通電工作后，RFID讀寫器通過其內(nèi)部的線圈周期性地發(fā)出一個(gè)固有頻率的電磁波(激發(fā)信號(hào))。當(dāng)RFID電子標(biāo)簽處于RFID讀寫器的感應(yīng)范圍內(nèi)時(shí)，RFID電子標(biāo)簽內(nèi)的線圈在“激發(fā)信號(hào)”的感應(yīng)下產(chǎn)生微弱電流作為集成芯片的電源。RFID電子標(biāo)簽上電復(fù)位后，原本處于“休眠狀態(tài)”的RFID電子標(biāo)簽被激活并將含有自身種類識(shí)別碼標(biāo)志、制造商標(biāo)志等信息代碼調(diào)制到載波上，經(jīng)RFID電子標(biāo)簽內(nèi)天線發(fā)射出去。

2 ETC實(shí)施方案
    ETC是一個(gè)集中了射頻識(shí)別、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、信息處理以及自動(dòng)控制等多項(xiàng)高新技術(shù)，在公路自動(dòng)收費(fèi)綜合系統(tǒng)中的應(yīng)用。它利用車載RFID電子標(biāo)簽自動(dòng)與安裝在路側(cè)或門架上的RFID閱讀器進(jìn)行信息交換，中心控制計(jì)算機(jī)根據(jù)RFID電子標(biāo)簽中存儲(chǔ)的信息識(shí)別出車主信息，然后自動(dòng)從車主的銀行賬號(hào)中扣除通行費(fèi)。ETC收費(fèi)系統(tǒng)可以做到通行車輛不停車、車輛通行時(shí)無人操作與無現(xiàn)金交易。ETC收費(fèi)系統(tǒng)效果圖如圖2所示。

    高速路收費(fèi)站ETC通道采用智能型遠(yuǎn)距離非接觸RFID閱讀器，當(dāng)車輛駛抵收費(fèi)站ETC通道入口時(shí)，RFID閱讀器將收費(fèi)站入口信息數(shù)據(jù)寫入車載RFID電子標(biāo)簽內(nèi)。該車輛在駛至下個(gè)收費(fèi)站ETC通道出口時(shí)，RFID讀寫器讀取出車載RFID電子標(biāo)簽的信息并將讀取到的信息傳送到ETC后臺(tái)管理系統(tǒng)。經(jīng)ETC后臺(tái)收費(fèi)管理系統(tǒng)核對(duì)無誤后完成一次網(wǎng)上銀行的自動(dòng)收費(fèi)，并開啟綠燈或其他放行信號(hào)，控制道閘抬桿，指示車輛正常通過。如果核對(duì)該車輛通行合法性有誤，則維持紅燈或其他停車信號(hào)，指示該車輛屬于非正常通行車輛，同時(shí)安裝的高速攝像系統(tǒng)能將車輛的有關(guān)信息數(shù)據(jù)快速記錄下來并通過管理人員進(jìn)行處理。該系統(tǒng)的工作流程如下：
    (1)車主辦理ETC通行以及網(wǎng)上銀行業(yè)務(wù)。車主到高速公路管理部門購置RFID電子標(biāo)簽。由發(fā)行系統(tǒng)向RFID電子標(biāo)簽輸入車輛識(shí)別碼，并在數(shù)據(jù)庫中存入該車輛的全部有關(guān)信息，并在銀行系統(tǒng)開通網(wǎng)上銀行業(yè)務(wù)，使銀行賬戶與車主信息綁定。
    (2)車輛信息入庫。發(fā)行系統(tǒng)將上述車主、車輛信息輸入收費(fèi)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。RFID電子標(biāo)簽貼在車上相應(yīng)的部位，可以立即使用。
    (3)收費(fèi)站ETC通道入口寫信息。當(dāng)車輛通過高速公路ETC通道入口時(shí)，該站的收費(fèi)系統(tǒng)的RFID閱讀器發(fā)出射頻信號(hào)，由RFID電子標(biāo)簽的天線接收射頻信號(hào)，激活RFID電子標(biāo)簽后，該RFID讀寫器同時(shí)還向RFID電子標(biāo)簽寫入入口信息。寫入信息也由電子標(biāo)簽的天線接收，寫入RFID電子標(biāo)簽芯片中。
    (4)收費(fèi)站ETC通道出口讀信息。當(dāng)車輛通過高速公路ETC通道出口時(shí)，該站的收費(fèi)系統(tǒng)的RFID閱讀器發(fā)出射頻信號(hào)，由RFID電子標(biāo)簽的天線接收射頻信號(hào)，激活RFID電子標(biāo)簽后，RFID讀寫器讀寫出RFID電子標(biāo)簽中存儲(chǔ)的入口信息。
    (5)車輛處理。收費(fèi)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出執(zhí)行信號(hào)。當(dāng)網(wǎng)上銀行的儲(chǔ)值，即結(jié)余金額足夠支付過站的費(fèi)用時(shí)，出站口綠燈亮，給予放行；若結(jié)余金額已不多，處于警告值以下，則黃燈亮，提示車主應(yīng)再購買儲(chǔ)值，但仍予以放行；若結(jié)余金額不足或已無余款，則紅燈亮，不予放行。對(duì)于闖紅燈的車輛，將由站內(nèi)攝像機(jī)自動(dòng)攝下站牌號(hào)，并由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)記錄沖紅燈的時(shí)間，以便追究其責(zé)任。
    (6)收費(fèi)完成。上述過程，均于瞬間完成，ETC系統(tǒng)可保證車輛高速通過收費(fèi)站，收費(fèi)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將通過該站的車輛識(shí)別碼及其新儲(chǔ)值等信息，經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)，送至有關(guān)中心與其他收費(fèi)系統(tǒng)中。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究
    項(xiàng)目采用的主要技術(shù)包括：RFID技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸安全技術(shù)和處理數(shù)據(jù)的RFID中間件技術(shù)等。本文著重介紹處理數(shù)據(jù)的RFID中間件技術(shù)。
3．1 RFID中間件模型的建立
    RFID中間件在上位機(jī)應(yīng)用程序和讀寫器的數(shù)據(jù)采集之間扮演著樞紐的角色，其為上層應(yīng)用程序提供的一組通用應(yīng)用程序接口(API)，應(yīng)用程序能實(shí)現(xiàn)到RFID讀寫器的透明連接。RFID中間件是在物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)中的應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)具體的功能，主要分為三個(gè)層次：數(shù)據(jù)采集層、事件處理層、信息發(fā)布層。中間件數(shù)據(jù)采集層負(fù)責(zé)感知車載RFID電子標(biāo)簽的信息，整個(gè)系統(tǒng)的可用性、可靠性都以此為基礎(chǔ)；中間件事件處理層是RFID中間件至關(guān)重要的一層，在該層中對(duì)采集到的RFID電子標(biāo)簽信息進(jìn)行歸納整理，從無意義的數(shù)據(jù)中，提取出含有一定實(shí)際意義的事件信息。并且進(jìn)一步封裝RFID電子標(biāo)簽返回信息包，為上層應(yīng)用提供更全面的信息與服務(wù)；中間件信息發(fā)布層負(fù)責(zé)為上位機(jī)軟件提供安全可靠的數(shù)據(jù)。就如何實(shí)時(shí)地對(duì)巨量RFID數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如何充分挖掘RFID數(shù)據(jù)所包含的有用信息方面建立了模型。RFID中間件模型架構(gòu)圖如圖3所示。

3．2 中間件算法實(shí)現(xiàn)
    在項(xiàng)目的具體應(yīng)用中，由于讀寫器讀取RFID電子標(biāo)簽信息的間隔是幾十毫秒，所以讀寫器獲取的信息數(shù)量巨大、雜亂無章、冗余的。這些原始的巨量RFID數(shù)據(jù)對(duì)上位機(jī)應(yīng)用管理系統(tǒng)是無效的，把原始巨量的RFID數(shù)據(jù)變成對(duì)上位機(jī)應(yīng)用管理系統(tǒng)有意義、有價(jià)值的數(shù)據(jù)是設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)算法的最終目的。RFID事件處理過程示意圖如圖4所示。
    感知層感知的數(shù)據(jù)上傳給傳輸層，傳輸層得到數(shù)據(jù)后并沒對(duì)數(shù)據(jù)做任何處理，而是把數(shù)據(jù)傳輸給應(yīng)用層的中間件。中間件首先對(duì)上傳的數(shù)據(jù)消除冗余，再進(jìn)一步判斷數(shù)據(jù)對(duì)本系統(tǒng)來說是不是有效的數(shù)據(jù)。對(duì)于RFID中間件判斷感知數(shù)據(jù)是不是對(duì)本系統(tǒng)有效的，本文提出兩種方案：
    (1)在本系統(tǒng)的注冊(cè)環(huán)節(jié)，把所有有效數(shù)據(jù)綁定RFID電子標(biāo)簽的EPC(Electronic Product Code，電子產(chǎn)品代碼)編碼后存入后臺(tái)數(shù)據(jù)庫。對(duì)于這種方案，RFID中間件并不對(duì)消除冗余后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，而是把數(shù)據(jù)上傳給上層應(yīng)用軟件，應(yīng)用軟件可根據(jù)中間件上傳的RFID電子標(biāo)簽EPC信息查詢數(shù)據(jù)庫，依次判斷感知層感知的數(shù)據(jù)對(duì)本系統(tǒng)是不是有效的。在此方案中RFID中間件對(duì)感知層感知的數(shù)據(jù)只是做了消除冗余、上傳數(shù)據(jù)的功能。上層應(yīng)用軟件則完成了對(duì)數(shù)據(jù)是否為有效數(shù)據(jù)的判斷。
    (2)根據(jù)一定的編碼規(guī)則對(duì)本系統(tǒng)使用的所有RFID電子標(biāo)簽，在信息注冊(cè)環(huán)節(jié)重新寫入RFID電子標(biāo)簽內(nèi)存儲(chǔ)EPC信息，例如：可以向RFID電子標(biāo)簽內(nèi)寫入以下EPC信息：ETC000000000000000000001，ETC000000000000000000002，ETC00000000000000000003，ETC000000000000000 000004等。對(duì)于這種方案，RFID中間件首先對(duì)感知層感知的數(shù)據(jù)進(jìn)行消除冗余處理。然后RFID中間件會(huì)獲取感知到每個(gè)RFID電子標(biāo)簽EPC編碼的前三位，判斷是不是ETC，進(jìn)而判斷感知到的RFID電子標(biāo)簽是不是本系統(tǒng)的電子標(biāo)簽，感知的數(shù)據(jù)是不是有效的，最后再把有效的數(shù)據(jù)傳輸給上層應(yīng)用軟件。
    對(duì)于以上RFID中間件對(duì)判斷感知數(shù)據(jù)是否有效提出的兩種方案各有各的特點(diǎn)，對(duì)于具體應(yīng)用應(yīng)該采用哪種處理機(jī)制，應(yīng)根據(jù)上次應(yīng)用軟件的應(yīng)用特點(diǎn)來判斷。
    基于RFID技術(shù)的電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)由于采用了滿足該項(xiàng)目具體要求的RFID中間技術(shù)，使得上位機(jī)應(yīng)用軟件得到了所需要的數(shù)據(jù)。本文已經(jīng)實(shí)現(xiàn)用簡(jiǎn)潔的算法實(shí)現(xiàn)RFID中間件處理巨量的RFID數(shù)據(jù)，挖掘應(yīng)用系統(tǒng)有用信息的功能，進(jìn)而緩解了網(wǎng)絡(luò)和處理器處理信息的壓力。

4 結(jié)論
    RFID由單一識(shí)別向多功能識(shí)別發(fā)展的同時(shí)，將結(jié)合射頻識(shí)別、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、信息處理以及自動(dòng)控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)跨地區(qū)、跨行業(yè)的應(yīng)用。而基于RFID無線射頻識(shí)別技術(shù)的ETC系統(tǒng)與傳統(tǒng)的收費(fèi)系統(tǒng)相比，有著絕對(duì)的發(fā)展優(yōu)勢(shì)，隨著RFID無線射頻識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，ETC系統(tǒng)也會(huì)逐漸得到完善，在高速公路收費(fèi)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。