RFID在高速公路综合管理系统中的应用设计

射频识别(Radio Frequency Identification，简称RFID)，主要由读卡器、天线和电子标签组成。RFID是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象，并获取卡上的相关信息。RFID技术具有防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量大等优点，其应用将为高速公路的运营管理带来革命性变化。目前，发达国家在智能交通方面已开始推广应用RFID技术；我国在公路管理等方面还很少应用该技术，只有几家RFID业内公司提出了各自的公路／车辆RFID管理系统，通过对车辆进行非接触式信息采集处理，从而自动识别和自动管理车辆活动，例如不停车收费系统等。   
本文论述的RFID高速公路综合管理系统是基于RFID技术，对高速公路收费管理、监控管理、车辆路径识别管理和道路拥挤情况管理等方面进行综合设计，同时将该系统与高速公路道路信息图文发布系统结合起来，及时诱导交通，提高道路通行能力，保证交通安全。   
1、RFID工作原理   
RFID的工作原理比较简单，在系统工作过程中，读卡器首先通过天线发送加密数据载波信号到RFID汽车标签，标签的发射天线工作区域被激活，同时将加密的载有车辆信息的加密载波信号发射出去，接收天线接收到射频卡发来的载波信号，经读卡器接收处理后，提取出车辆信息送至计算机，完成预设的系统功能和自动识别，实现车辆的自动化管理。RFID工作原理见图1：   
2、 RFID综合管理系统架构   
基于整个高速公路已建立的通信网，实现高速公路收费管理、车辆路径识别管理和道路拥挤情况管理。   
高速公路信息化的进程正以前所未有的规模和速度影响着高速公路的管理决策。众多系统为信息化管理提供了大量有关收费、监控等方面的信息，但由于各个系统之间不兼容而导致信息孤岛现象。快速和准确地获取高速公路上的各种信息以便作出相应的决策，已日益成为高速公路管理决策关注的焦点。目前，大多数高速公路使用的各种信息系统均使用传统的封闭式技术和标准。如收费系统、监控系统、ERP系统和网络安全系统等，均由不同的厂商用各自不同的技术和标准生产，而且互相独立和封闭，各种信息无法汇集、分析和监控，从而导致高速公路综合管理成本上升，决策风险加大。   
RFID综合管理系统就是针对这一问题而设计和开发的。在充分考虑高速公路现有信息系统整合的复杂性和未来新增系统不确定性的情况下，实施完全开放式的设计原则，整合了互联网技术、RFID技术、收费系统、监控系统等功能模块，从而构建高速公路管理的统一平台。   
2．1 RFID在收费中的应用   
RFID在收费中的应用体现为不停车收费。“不停车收费”是交通部倡导的收费技术的重要发展方向。不停车收费系统可以减少不必要的启、停车次数，不仅可以加快汽车行驶速度，节省车辆在收费车道的通行时间，还能降低车辆燃油消耗，减少汽车尾气排放量，促进环境的改善。本系统将在半自动联网收费系统开发的基础上，进行不停车收费系统的研究、开发和试点工作，重点是车辆自动识别系统、车型自动分类系统和违章稽查系统，并不断扩大不停车收费系统的应用范围。不停车收费系统是传统的交通行业与目前较为先进的信息技术相结合的产物，是未来公路收费系统的发展趋势。与现行的人工收费、半自动收费相比，它具有明显的优势。它可以提高服务质量，提高客户满意度；最大限度地缓解收费站处的交通瓶颈，避免因收费效率低而引起的交通堵塞和车辆延误；整个收费过程中取消了人员的介入，可避免因个别收费员服务态度不佳造成的客户不满；系统的建成将降低运营成本，降低收费人员和财务人员的工作量，减少系统运行所必需的人力成本；同时，减少管理环节，降低管理成本；可减少车辆在收费口不必要的燃油消耗，降低收费口的噪声水平和废气排放，减轻车辆对环境的污染程度，达到节约能源、保护环境的目的。   
车道系统的工作流程如下：   
收费车辆进入到不停车收费车道工作区后，车道控制系统的控制天线控制器和天线(统称电子标签读写设备)向车道的特定区域发出微波信号，唤醒电子标签；电子标签发射出本身数据信息，如发卡商(发卡银行)编号、车辆的车牌号、车类参数、电子标签号等标识信息；车道控制系统控制电子标签读写设备接收被唤醒的电子标签发射的数据，分析出车辆的标识信息(车牌号码、车辆类型参数和人口收费站号)；对进入收费车道的车辆进行电子标签的合法性校验，并根据校验结果进行下一步操作。  
采用RFlD可防止不同车辆之间换卡。不同车辆(特别是长途车队车)之间可以通过交换通行卡(票)来逃避应缴的通行费。高速公路的服务区、加油站、隧道口等经常成为换卡频繁的地点。传统的收费系统和管理措施都很难发现和杜绝这种现象。采用RFID后，车辆之间很难换卡；即使2辆车换卡，也不影响通行费的收取额度。  
2．2交通流检测   
随着高速公路上车流量不断增加，高速公路的交通状况日趋拥挤，故解决交通问题不能只依赖于修路，而是应加强交通指挥、控制、疏导，提高道路利用率，因此深挖现有交通潜能也是非常重要的。而基于RFID技术的实时交通检测，为管理人员及时掌握道路交通状况(畅通、拥挤和阻塞)提供了快捷途径，并可及时发布交通诱导信息，疏导交通。  
目前，常用的道路车流检测一般为线圈车辆检测器和视频车辆检测器。线圈地下埋置技术的优点是已经成熟，易于掌握，计数非常精确；缺点是安装过程对可靠性和寿命影响较大，修理或安装时会中断交通并且会影响路面寿命，易被重型车辆、路面修理等损坏。视频车检是最近发展起来的一种车流检测技术，在进行路面维修时一般不影响它的使用，但车流的检测进度，以及其较高的故障率，限制了其大规模的推广应用。   
RFID技术为道路车流检测提供了一种可行方案。检测车流量、分车型、确定道路畅通情况、确定车辆位置等便于高速公路的综合管理，应用RFID后其综合成本也会随之降低，因为综合应用可以省掉高速公路为获得车辆信息所增加的其他设备。RFID道路车流检测如图2所示。   

图2中三角形表示RFID检测点，圆圈表示车辆。当检测点足够多时，可以确定车速，分清车流量、车型，确定车辆的实时位置、实际行车路线。如果一辆车在2个检测点之间不动了或者说一辆车迟迟没有通过下一个检测点，说明此车在这2个信息点中可能发生故障。同样，多辆车以上则说明这里存在堵车或交通事故。   
2．3车辆路径识别管理   
随着高速公路越修越多，联网收费的路段出现了网状分布，这给确定车辆的行走路线带来了很大困难。例如在山东，高速公路已成网状，且归数家公司经营管理。山东省高速公路路网如图3所示。  

目前，一般采用最短路径收取通行，进行通行费拆帐，这就造成了一定的通行费流失与拆帐纠纷。例如，A点到B点有2条路径(图4)，一条是A-B，另一条是A-c-D-B。若车辆行驶路线是A-C-D-B，目前通行费的收取是按照A-B路线收取，且将通行费拆分到了A-C-D-B路段内。  
在高速公路交叉路口，设立RFID信息点。当车辆通过RFID信息点时，将通过的位置信息写入通行卡中，这样便可以根据通过的标志性位置，准确知道车辆的行驶路线，准确收取通行费，准确拆帐，并且不影响车辆的快速通过。   

2．4 RFID在联网收费中的拆帐管理   
在2．3节中讨论了车辆路径识别管理。通过路径识别可以准确地进行通行费的拆帐，且对于逃费车辆，应用路径识别则更有优势，可以进一步加强收费运营管理，减少通行费的漏征。   
以山东省为例，高速公路已成网状，且归数家公司经营管理，各公司的管理水平有一定的差异。按照目前的收费管理，一旦出现个别收费站车辆逃费的情况，损失的不仅是本公司通行费，还会损失路网中其它公司的拆帐通行费。其结果是，管理严格的公司对拆帐结果感到不公平。如果采用RFID方式，在识别车辆路径的同时，相应也就记录了车辆的行驶里程，并以此为收费拆帐的依据，即使有车辆逃费，也只影响出现逃费公司的拆帐结果，其它公司的损失由出现逃费的公司来弥补。采用这种方式有助于提高各公司的管理水平，减少整个路网的通行费漏征。   
3、软件功能和设计   
3．1软件功能   
高速公路综合管理系统的软件功能，主要在于将不停车收费、高速公路车流检测、车辆路径识别管理信息等有机集成在一起。在进行收费时，可获得车辆路径识别信息；在进行交通信息管理时，可获得不停车收费和车流检测等信息。   
3．1．1数据采集功能   
主要完成RFID信息点的数据采集、控制命令转发等功能。   
3．1．2控制功能   
控制功能分为自动控制和人工控制。根据RFID信息点检测的信息，自动生成控制方案，驱动地图信息标志、可变信息标志、可变限速标志进行交通诱导信息的发布。监控管理人员也可以直接编辑地图信息标志、可变信息标志和可变限速标志的内容，并进行发布。   
3．1．3设备状态与故障检测   
采集RFID信息点实时状态信息，在监控分中心实时监视。   
3．1．4查询功能   
根据不同的查询条件(单一或复合条件)，分别查询某个检测点和多个检测点的数据。   
3．1．5统计分析报表功能   
根据实际业务要求，完成日常统计报表的统计和打印。   
3．1．6电子地图功能   
应用地理信息软件，显示监控分中心所辖路段的道路线形、RFID信息点图标等静态信息，以及RFID信息点检测的实时数据和设备状态信息。   
3．1．7系统管理功能   
满足运行过程中的数据备份、文件收发等业务需求。   
3．2软件设计   
数据采集软件在设计中，除考虑满足业务需求外，应着重考虑稳定性和高效性。在系统分析与设计方法上，采用面向对象的分析与设计方法，这样可降低系统结构的复杂度，提高代码的可重用性和可维护性。网络通信协议采用TCP／IP协议，通过串口通信进行外场设备的控制和数据采集。   
数据库采用Oracle。服务器操作系统采用Windows 2003 Server，通信计算机和控制计算机采用Windows XP，且分别安装服务软件、通信软件和控制软件。软件架构见图5。   
数据采集平台：能采集各个外场设备的当前信息和故障信息。  
GIS平台：采用GIS技术，构建交通信息显示与发布平台，提供可变信息系统业务管理的操作平台。控制命令处理与发布平台：建立控制命令处理中心，控制计算机发送的控制命令。   

4、影响因素分析   
影响RFID高速公路综合管理系统应用效果的主要因素有车辆通行速度和车辆与RFID系统天线的距离。RFID在高速公路综合管理系统中的应用可采用2种运行方式：在采用传统车道隔离措施下应用，即单车道应用；在无车道隔离措施的自由交通流下应用。   
　　(1)单车道RFID应用   
　　单车道RFID应用的设计速度为：主线收费站60 km／h；匝道收费站40 km／h。   
　　(2)自由流RFID应用   
高速自由流RFID设施的设计速度一般应大于120 km／h。采用自由流RFID系统将大大提高车辆的通行能力，自由流RFID是今后的发展方向，但就当前我国国内的车流量状况、市场需求以及技术水平来看，尚不具备广泛采用这种方式的条件。因此，在近期应以发展单车道RFID系统为主，统筹规划、应用较先进的技术，以便将来顺利过渡到自由流系统。   
5、结语   
目前，RFID技术的推广应用还存在前期投资较高问题，但随着RFID芯片制造成本的不断降低和RFID技术的日渐成熟和完善，RFID技术必将在我国高速公路信息管理中得到广泛应用，促进我国高速公路信息化水平的提高和发展。