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(dòng)收費(fèi)(MTC)方式造成嚴(yán)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(fèi)。但由于我國高速公路實(shí)行聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)，大量路網(wǎng)連接又造成多路徑問題，即車輛從路網(wǎng)內(nèi)的甲地行駛到乙地往往存在多條可選路徑，這樣就產(chǎn)生二義性路徑識別問題。在高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)環(huán)境下采用電子收費(fèi)首先要解決二義性路徑行駛問題，即車輛按照哪一個(gè)行駛路線標(biāo)準(zhǔn)收取通行費(fèi)。
    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(shù)手段精確識別出車輛在路網(wǎng)中行駛的實(shí)際路徑，從而解決收費(fèi)和拆分的問題；二是收費(fèi)時(shí)不考慮實(shí)際行走路徑情況，按照最短路徑標(biāo)準(zhǔn)，通過某種方式確定路徑判斷，作為車輛通行費(fèi)拆分的依據(jù)，采用模糊逼近真實(shí)的概率統(tǒng)計(jì)出路線。目前國內(nèi)已試行電子收費(fèi)的省份在處理聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)二義性路徑問題時(shí)，基本采用第2類方法。這主要因?yàn)榫_識別方法受現(xiàn)有技術(shù)條件、高速公路收費(fèi)運(yùn)營體制和實(shí)際狀況限制，其可操作性不強(qiáng)、綜合成本高、效益低。隨著路網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的加大，采用模糊逼近真實(shí)的處理難度加大，嚴(yán)重影響高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)結(jié)算功能的發(fā)揮。因此，研究二義性路徑識別是有效推行電子收費(fèi)的核心，也是從根本上解決高速公路出入口交通擁擠，提高運(yùn)營效率的迫切需要。結(jié)合目前國內(nèi)高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)實(shí)際和技術(shù)條件，提出一種RFID 電子標(biāo)簽與非接觸式IC卡相結(jié)合進(jìn)行二義性路徑識別的設(shè)計(jì)方案。該方案兼容目前半自動(dòng)收費(fèi)(MTC)的技術(shù)條件和實(shí)際環(huán)境，較好解決了電子收費(fèi)中的路徑識別問題，仿真數(shù)據(jù)證明其具有較高的實(shí)用性和可操作性。

2 RFID技術(shù)在電子收費(fèi)系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀
2．1 RFID技術(shù)
    射頻識別RFID(Radio Frequency Identification)在智能交通領(lǐng)域應(yīng)用最為成功，高速公路系統(tǒng)RFID一般由3部分組成：
    (1)電子標(biāo)簽(Tag)由耦合元件及其他器件組成，每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，安裝在車輛上標(biāo)識車輛信息，其中保存有約定格式的電子數(shù)據(jù)；當(dāng)受到無線電射頻信號照射時(shí)，反射回?cái)y帶有數(shù)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(chǎn)生、發(fā)射無線電射頻信號并接收由電子標(biāo)簽反射回的無線電射頻信號，可無接觸讀取并識別電子標(biāo)簽中保存的車輛數(shù)據(jù)信息。從而達(dá)到自動(dòng)識別車輛的目的。還可向標(biāo)簽寫入信息，進(jìn)一步通過計(jì)算機(jī)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)車輛信息的采集、處理及遠(yuǎn)程傳送等管理功能。采用廣播發(fā)射式射頻識別和反射調(diào)制式射頻識別。
    (3)微型天線(Antenna)也稱路測標(biāo)識，用于在電子標(biāo)簽和閱讀器間傳遞射頻信號。安裝在高速公路出入口和產(chǎn)生多義性路徑的交叉口。
2．2 RFID在高速公路電子收費(fèi)系統(tǒng)應(yīng)用存在的問題
    RFID在高速公路中的應(yīng)用體現(xiàn)為電子收費(fèi)。將閱讀器天線架設(shè)在距收費(fèi)口約50~100 m的道路上方。當(dāng)車輛經(jīng)過天線時(shí)，天線喚醒車上的電子標(biāo)簽，發(fā)射出車輛ID信息：發(fā)卡銀行編號、車牌號、車類參數(shù)、電子標(biāo)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(jì)算機(jī))。對進(jìn)入收費(fèi)車道的車輛進(jìn)行電子標(biāo)簽的合法性校驗(yàn)。分析出車輛的相關(guān)信息，不用停車就可實(shí)現(xiàn)通行費(fèi)用計(jì)算和自動(dòng)扣費(fèi)。這樣將最大限度地緩解收費(fèi)站出口因收費(fèi)效率低而引起的交通堵塞，提高收費(fèi)車道的通行能力，減少車輛在收費(fèi)口等待而消耗不必要的燃油，降低收費(fèi)口的噪聲和廢氣排放，減輕車輛對環(huán)境的污染，從而達(dá)到節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的目的。
    盡管國外RFID技術(shù)在電子收費(fèi)中運(yùn)行很成功，但有些技術(shù)特點(diǎn)和運(yùn)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(fèi)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(nèi)已有少數(shù)省份推行電子收費(fèi)，而大部分省份仍未推行。除了道路使用者的認(rèn)識、銀行信用卡制度不完善等原因，主要原因是未能解決RFID技術(shù)與現(xiàn)有半自動(dòng)收費(fèi)(MTC)系統(tǒng)兼容問題，電子收費(fèi)必然形成多張通行卡、多個(gè)車道，增加道路使用者的使用成本和運(yùn)營單位投入成本，從而影響電子收費(fèi)的推行。

3 組合式RFID電子收費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    基于以上分析，結(jié)合目前高速公路MTC收費(fèi)環(huán)境，提出組合式RFID電子收費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，核心包括頻率選擇、兩片式電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)和雙路側(cè)標(biāo)識設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3．1 短程通信標(biāo)準(zhǔn)的選取
    《高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)暫行技術(shù)要求》第13條明確指出：“電子不停車收費(fèi)技術(shù)中車輛自動(dòng)識別系統(tǒng)所采用的專用短程通信頻率推薦5．8 GHz，電子標(biāo)簽宜采用可讀寫的‘單片式’(可讀寫智能電子標(biāo)簽)或‘兩片式’(帶IC卡接口的電子標(biāo)簽)。‘兩片式’電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)應(yīng)與人工半自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)兼容?！币虼诉x取5．8 GHz短程通信標(biāo)準(zhǔn)為專用短程通訊DSRC(Dedicated Short Range Communication)標(biāo)準(zhǔn)，輸出功率300 mW；調(diào)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(gè)優(yōu)點(diǎn)；(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(shè)備供應(yīng)商較多，有利于我國ETC系統(tǒng)的設(shè)備引進(jìn)，有利于降低系統(tǒng)成本。(3)有利于未來在此頻段內(nèi)開展智能運(yùn)輸系統(tǒng)的其他各項(xiàng)服務(wù)。
3．2 組合兩片式電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)
    針對我國具體國情，兼顧大部分收費(fèi)站采用IC卡交易方式，系統(tǒng)采用組合兩片式電子標(biāo)簽作為車輛身份、行駛路徑記錄和解繳通行費(fèi)信息載體，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    組合兩片式標(biāo)簽綜合RFID和IC卡技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，由“兩片式電子標(biāo)簽+雙界面CPU卡”組成，既能精確記錄車輛在路網(wǎng)內(nèi)的行駛路徑，又具備普通IC路網(wǎng)收費(fèi)功能。采用標(biāo)準(zhǔn)的IC卡接口(通常為ISO7816規(guī)格的接觸式IC卡接口或ISO14443規(guī)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(shè)備。為保證足夠的信號強(qiáng)度，使用有源式標(biāo)簽。該設(shè)計(jì)具有優(yōu)點(diǎn)：(1)系統(tǒng)以IC卡作為收費(fèi)介質(zhì)，充分兼容半自動(dòng)收費(fèi)(MTC)和電子收費(fèi) (ETC)的能力；(2)適合我國基本國情，既適于已建立的收費(fèi)系統(tǒng)和MTC收費(fèi)系統(tǒng)，又達(dá)到電子收費(fèi)的功能要求。其設(shè)置安裝如圖3所示。

3．3 雙路側(cè)標(biāo)識設(shè)計(jì)
    雙路側(cè)標(biāo)識設(shè)計(jì)指系統(tǒng)與標(biāo)簽信息讀寫分別采用車道路測標(biāo)識和多路徑標(biāo)識。車道路測識別采用反射調(diào)制式讀寫，安裝在車道出入口，其功能是與電子標(biāo)簽通信，完成ETC車輛檢測、辨別車輛行駛路徑和收費(fèi)交易。由以下部分組成
    (1)路邊設(shè)備控制器是一臺計(jì)算機(jī)設(shè)備，通常與天線及其控制器、抓拍系統(tǒng)等設(shè)備互聯(lián)。對于具有收費(fèi)島的單車道ETC系統(tǒng)，與之互聯(lián)的還有通行信號燈、電動(dòng)欄桿等外設(shè)。路邊設(shè)備控制器完成對所連接設(shè)備的各種控制、通信和處理功能。
    (2)天線及其控制器實(shí)現(xiàn)與車載OBU之間的通信。
    (3)抓拍系統(tǒng)是針對違章車輛以及無電子標(biāo)簽車輛的電子記錄系統(tǒng)，用于事后對這些車輛進(jìn)行通行費(fèi)追繳和違章處罰。
    車道天線接收天線控制器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號，經(jīng)調(diào)制和功率放大后由天線輻射出。當(dāng)ETC用戶駕車經(jīng)ETC車道時(shí)，車道天線信號激活電子標(biāo)簽進(jìn)入工作狀態(tài)，電子標(biāo)簽根據(jù)接收的命令向車道天線回送相應(yīng)響應(yīng)數(shù)據(jù)。車道天線通常由電源單元、RS485／422通信接口、振蕩器、發(fā)射單元、接收單元、數(shù)據(jù)處理單元、外部信號指示器、喇叭天線或微帶天線構(gòu)成。
    天線控制器從車道控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接收通信請求，形成符合DSRC標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議的數(shù)據(jù)幀，通過車道天線將數(shù)據(jù)幀發(fā)給車道上的電子標(biāo)簽，并接收和解析從電子標(biāo)簽返回的數(shù)據(jù)，再上傳給車道控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其內(nèi)置多塊控制模塊，每個(gè)控制模塊控制一個(gè)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(xié)議處理單元、RS485／RS422天線接口單元構(gòu)成。PC通信接口單元負(fù)責(zé)天線控制模塊與車道控制計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信，采用 RS232接口。
    多路徑路測標(biāo)識采用廣播發(fā)射式，安裝在產(chǎn)生多路徑交叉口路測，根據(jù)車輛來往方向向電子標(biāo)簽中寫入車輛的行駛路徑記錄，具體參數(shù)與車道路測標(biāo)識單元一致。圖4給出雙路側(cè)標(biāo)識系統(tǒng)圖。

4 結(jié)果驗(yàn)證
    為驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的有效性，以陜西省高速公路網(wǎng)為例。陜西省高速公路網(wǎng)中有206個(gè)收費(fèi)站、134個(gè)二義性路徑。在206個(gè)收費(fèi)站隨機(jī)選取60個(gè)出入口和50個(gè)二義性路徑進(jìn)行仿真計(jì)算。表1給出設(shè)計(jì)方案所需參數(shù)。表2給出部分驗(yàn)證結(jié)果。

5 結(jié)論
    針對目前高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)存在的主要問題，提出基于RFID技術(shù)的電子收費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，可較好解決高速公路二義性路徑識別難題。該設(shè)計(jì)方案成本低、技術(shù)成熟、與現(xiàn)有系統(tǒng)能很好兼容、后期維護(hù)簡單。仿真實(shí)驗(yàn)顯示系統(tǒng)對車輛的識別率和識別時(shí)間達(dá)到性能指標(biāo)要求，與傳統(tǒng)收費(fèi)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(qiáng)的實(shí)用性和可操作性。