摘要：闡述RFID的工作原理、綜合管理系統(tǒng)架構(gòu)和影響因素，介紹RFID在高速公路收費、交通流檢測、車輛路徑識別管理和聯(lián)網(wǎng)收費拆帳管理中的應(yīng)用，以及RFID高速公路綜合管理系統(tǒng)軟件功能和設(shè)計等。
射頻識別（Radio Frequency Identification，簡稱RFID），主要由讀卡器、天線和電子標(biāo)簽組成。RFID是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象，并獲取卡上的相關(guān)信息。RFID技術(shù)具有防水、防磁、耐高溫、使用壽命長、讀取距離大、標(biāo)簽上數(shù)據(jù)可以加密、存儲數(shù)據(jù)容量大等優(yōu)點，其應(yīng)用將為高速公路的運營管理帶來革命性變化。目前，發(fā)達(dá)國家在智能交通方面已開始推廣應(yīng)用RFID技術(shù)；我國在公路管理等方面還很少應(yīng)用該技術(shù)，只有幾家RFID業(yè)內(nèi)公司提出了各自的公路／車輛RFID管理系統(tǒng)，通過對車輛進(jìn)行非接觸式信息采集處理，從而自動識別和自動管理車輛活動，例如不停車收費系統(tǒng)等。
本文論述的RFID高速公路綜合管理系統(tǒng)是基于RFID技術(shù)，對高速公路收費管理、監(jiān)控管理、車輛路徑識別管理和道路擁擠情況管理等方面進(jìn)行綜合設(shè)計，同時將該系統(tǒng)與高速公路道路信息圖文發(fā)布系統(tǒng)結(jié)合起來，及時誘導(dǎo)交通，提高道路通行能力，保證交通安全。
1 RFID工作原理
RFID的工作原理比較簡單，在系統(tǒng)工作過程中，讀卡器首先通過天線發(fā)送加密數(shù)據(jù)載波信號到RFID汽車標(biāo)簽，標(biāo)簽的發(fā)射天線工作區(qū)域被激活，同時將加密的載有車輛信息的加密載波信號發(fā)射出去，接收天線接收到射頻卡發(fā)來的載波信號，經(jīng)讀卡器接收處理后，提取出車輛信息送至計算機，完成預(yù)設(shè)的系統(tǒng)功能和自動識別，實現(xiàn)車輛的自動化管理。RFID工作原理見圖1：
2 RFID綜合管理系統(tǒng)架構(gòu)
基于整個高速公路已建立的通信網(wǎng)，實現(xiàn)高速公路收費管理、車輛路徑識別管理和道路擁擠情況管理。
高速公路信息化的進(jìn)程正以前所未有的規(guī)模和速度影響著高速公路的管理決策。眾多系統(tǒng)為信息化管理提供了大量有關(guān)收費、監(jiān)控等方面的信息，但由于各個系統(tǒng)之間不兼容而導(dǎo)致信息孤島現(xiàn)象?？焖俸蜏?zhǔn)確地獲取高速公路上的各種信息以便作出相應(yīng)的決策，已日益成為高速公路管理決策關(guān)注的焦點。目前，大多數(shù)高速公路使用的各種信息系統(tǒng)均使用傳統(tǒng)的封閉式技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。如收費系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)等，均由不同的廠商用各自不同的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，而且互相獨立和封閉，各種信息無法匯集、分析和監(jiān)控，從而導(dǎo)致高速公路綜合管理成本上升，決策風(fēng)險加大。
RFID綜合管理系統(tǒng)就是針對這一問題而設(shè)計和開發(fā)的。在充分考慮高速公路現(xiàn)有信息系統(tǒng)整合的復(fù)雜性和未來新增系統(tǒng)不確定性的情況下，實施完全開放式的設(shè)計原則，整合了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、RFID技術(shù)、收費系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等功能模塊，從而構(gòu)建高速公路管理的統(tǒng)一平臺。
2．1 RFID在收費中的應(yīng)用
RFID在收費中的應(yīng)用體現(xiàn)為不停車收費。“不停車收費”是交通部倡導(dǎo)的收費技術(shù)的重要發(fā)展方向。不停車收費系統(tǒng)可以減少不必要的啟、停車次數(shù)，不僅可以加快汽車行駛速度，節(jié)省車輛在收費車道的通行時間，還能降低車輛燃油消耗，減少汽車尾氣排放量，促進(jìn)環(huán)境的改善。本系統(tǒng)將在半自動聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行不停車收費系統(tǒng)的研究、開發(fā)和試點工作，重點是車輛自動識別系統(tǒng)、車型自動分類系統(tǒng)和違章稽查系統(tǒng)，并不斷擴(kuò)大不停車收費系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。不停車收費系統(tǒng)是傳統(tǒng)的交通行業(yè)與目前較為先進(jìn)的信息技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是未來公路收費系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。與現(xiàn)行的人工收費、半自動收費相比，它具有明顯的優(yōu)勢。它可以提高服務(wù)質(zhì)量，提高客戶滿意度；最大限度地緩解收費站處的交通瓶頸，避免因收費效率低而引起的交通堵塞和車輛延誤；整個收費過程中取消了人員的介入，可避免因個別收費員服務(wù)態(tài)度不佳造成的客戶不滿；系統(tǒng)的建成將降低運營成本，降低收費人員和財務(wù)人員的工作量，減少系統(tǒng)運行所必需的人力成本；同時，減少管理環(huán)節(jié)，降低管理成本；可減少車輛在收費口不必要的燃油消耗，降低收費口的噪聲水平和廢氣排放，減輕車輛對環(huán)境的污染程度，達(dá)到節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的目的。
車道系統(tǒng)的工作流程如下：
收費車輛進(jìn)入到不停車收費車道工作區(qū)后，車道控制系統(tǒng)的控制天線控制器和天線（統(tǒng)稱電子標(biāo)簽讀寫設(shè)備）向車道的特定區(qū)域發(fā)出微波信號，喚醒電子標(biāo)簽；電子標(biāo)簽發(fā)射出本身數(shù)據(jù)信息，如發(fā)卡商（發(fā)卡銀行）編號、車輛的車牌號、車類參數(shù)、電子標(biāo)簽號等標(biāo)識信息；車道控制系統(tǒng)控制電子標(biāo)簽讀寫設(shè)備接收被喚醒的電子標(biāo)簽發(fā)射的數(shù)據(jù)，分析出車輛的標(biāo)識信息（車牌號碼、車輛類型參數(shù)和人口收費站號）；對進(jìn)入收費車道的車輛進(jìn)行電子標(biāo)簽的合法性校驗，并根據(jù)校驗結(jié)果進(jìn)行下一步操作。
采用RFlD可防止不同車輛之間換卡。不同車輛（特別是長途車隊車）之間可以通過交換通行卡（票）來逃避應(yīng)繳的通行費。高速公路的服務(wù)區(qū)、加油站、隧道口等經(jīng)常成為換卡頻繁的地點。傳統(tǒng)的收費系統(tǒng)和管理措施都很難發(fā)現(xiàn)和杜絕這種現(xiàn)象。采用RFID后，車輛之間很難換卡；即使2輛車換卡，也不影響通行費的收取額度。
2．2交通流檢測
隨著高速公路上車流量不斷增加，高速公路的交通狀況日趨擁擠，故解決交通問題不能只依賴于修路，而是應(yīng)加強交通指揮、控制、疏導(dǎo)，提高道路利用率，因此深挖現(xiàn)有交通潛能也是非常重要的。而基于RFID技術(shù)的實時交通檢測，為管理人員及時掌握道路交通狀況（暢通、擁擠和阻塞）提供了快捷途徑，并可及時發(fā)布交通誘導(dǎo)信息，疏導(dǎo)交通。
目前，常用的道路車流檢測一般為線圈車輛檢測器和視頻車輛檢測器。線圈地下埋置技術(shù)的優(yōu)點是已經(jīng)成熟，易于掌握，計數(shù)非常精確；缺點是安裝過程對可靠性和壽命影響較大，修理或安裝時會中斷交通并且會影響路面壽命，易被重型車輛、路面修理等損壞。視頻車檢是最近發(fā)展起來的一種車流檢測技術(shù)，在進(jìn)行路面維修時一般不影響它的使用，但車流的檢測進(jìn)度，以及其較高的故障率，限制了其大規(guī)模的推廣應(yīng)用。
RFID技術(shù)為道路車流檢測提供了一種可行方案。檢測車流量、分車型、確定道路暢通情況、確定車輛位置等便于高速公路的綜合管理，應(yīng)用RFID后其綜合成本也會隨之降低，因為綜合應(yīng)用可以省掉高速公路為獲得車輛信息所增加的其他設(shè)備。RFID道路車流檢測如圖2所示。
圖2中三角形表示RFID檢測點，圓圈表示車輛。當(dāng)檢測點足夠多時，可以確定車速，分清車流量、車型，確定車輛的實時位置、實際行車路線。如果一輛車在2個檢測點之間不動了或者說一輛車遲遲沒有通過下一個檢測點，說明此車在這2個信息點中可能發(fā)生故障。同樣，多輛車以上則說明這里存在堵車或交通事故。
2．3車輛路徑識別管理
隨著高速公路越修越多，聯(lián)網(wǎng)收費的路段出現(xiàn)了網(wǎng)狀分布，這給確定車輛的行走路線帶來了很大困難。例如在山東，高速公路已成網(wǎng)狀，且歸數(shù)家公司經(jīng)營管理。山東省高速公路路網(wǎng)如圖3所示。
目前，一般采用最短路徑收取通行費，進(jìn)行通行費拆帳，這就造成了一定的通行費流失與拆帳糾紛。例如，A點到B點有2條路徑（圖4），一條是A-B，另一條是A-c-D-B。若車輛行駛路線是A-C-D-B，目前通行費的收取是按照A-B路線收取，且將通行費拆分到了A-C-D-B路段內(nèi)。
在高速公路交叉路口，設(shè)立RFID信息點。當(dāng)車輛通過RFID信息點時，將通過的位置信息寫入通行卡中，這樣便可以根據(jù)通過的標(biāo)志性位置，準(zhǔn)確知道車輛的行駛路線，準(zhǔn)確收取通行費，準(zhǔn)確拆帳，并且不影響車輛的快速通過。
2．4 RFID在聯(lián)網(wǎng)收費中的拆帳管理
在2．3節(jié)中討論了車輛路徑識別管理。通過路徑識別可以準(zhǔn)確地進(jìn)行通行費的拆帳，且對于逃費車輛，應(yīng)用路徑識別則更有優(yōu)勢，可以進(jìn)一步加強收費運營管理，減少通行費的漏征。
以山東省為例，高速公路已成網(wǎng)狀，且歸數(shù)家公司經(jīng)營管理，各公司的管理水平有一定的差異。按照目前的收費管理，一旦出現(xiàn)個別收費站車輛逃費的情況，損失的不僅是本公司通行費，還會損失路網(wǎng)中其它公司的拆帳通行費。其結(jié)果是，管理嚴(yán)格的公司對拆帳結(jié)果感到不公平。如果采用RFID方式，在識別車輛路徑的同時，相應(yīng)也就記錄了車輛的行駛里程，并以此為收費拆帳的依據(jù)，即使有車輛逃費，也只影響出現(xiàn)逃費公司的拆帳結(jié)果，其它公司的損失由出現(xiàn)逃費的公司來彌補。采用這種方式有助于提高各公司的管理水平，減少整個路網(wǎng)的通行費漏征。
3軟件功能和設(shè)計
3．1軟件功能
高速公路綜合管理系統(tǒng)的軟件功能，主要在于將不停車收費、高速公路車流檢測、車輛路徑識別管理信息等有機集成在一起。在進(jìn)行收費時，可獲得車輛路徑識別信息；在進(jìn)行交通信息管理時，可獲得不停車收費和車流檢測等信息。
3．1．1數(shù)據(jù)采集功能
主要完成RFID信息點的數(shù)據(jù)采集、控制命令轉(zhuǎn)發(fā)等功能。
3．1．2控制功能
控制功能分為自動控制和人工控制。根據(jù)RFID信息點檢測的信息，自動生成控制方案，驅(qū)動地圖信息標(biāo)志、可變信息標(biāo)志、可變限速標(biāo)志進(jìn)行交通誘導(dǎo)信息的發(fā)布。監(jiān)控管理人員也可以直接編輯地圖信息標(biāo)志、可變信息標(biāo)志和可變限速標(biāo)志的內(nèi)容，并進(jìn)行發(fā)布。
3．1．3設(shè)備狀態(tài)與故障檢測
采集RFID信息點實時狀態(tài)信息，在監(jiān)控分中心實時監(jiān)視。
3．1．4查詢功能
根據(jù)不同的查詢條件（單一或復(fù)合條件），分別查詢某個檢測點和多個檢測點的數(shù)據(jù)。
3．1．5統(tǒng)計分析報表功能
根據(jù)實際業(yè)務(wù)要求，完成日常統(tǒng)計報表的統(tǒng)計和打印。
3．1．6電子地圖功能
應(yīng)用地理信息軟件，顯示監(jiān)控分中心所轄路段的道路線形、RFID信息點圖標(biāo)等靜態(tài)信息，以及RFID信息點檢測的實時數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)信息。
3．1．7系統(tǒng)管理功能
滿足運行過程中的數(shù)據(jù)備份、文件收發(fā)等業(yè)務(wù)需求。
3．2軟件設(shè)計
數(shù)據(jù)采集軟件在設(shè)計中，除考慮滿足業(yè)務(wù)需求外，應(yīng)著重考慮穩(wěn)定性和高效性。在系統(tǒng)分析與設(shè)計方法上，采用面向?qū)ο蟮姆治雠c設(shè)計方法，這樣可降低系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，提高代碼的可重用性和可維護(hù)性。網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議采用TCP／IP協(xié)議，通過串口通信進(jìn)行外場設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)采集。
數(shù)據(jù)庫采用Oracle。服務(wù)器操作系統(tǒng)采用Windows 2003 Server，通信計算機和控制計算機采用Windows XP，且分別安裝服務(wù)軟件、通信軟件和控制軟件。軟件架構(gòu)見圖5。
數(shù)據(jù)采集平臺：能采集各個外場設(shè)備的當(dāng)前信息和故障信息。
GIS平臺：采用GIS技術(shù)，構(gòu)建交通信息顯示與發(fā)布平臺，提供可變信息系統(tǒng)業(yè)務(wù)管理的操作平臺。控制命令處理與發(fā)布平臺：建立控制命令處理中心，控制計算機發(fā)送的控制命令。
4影響因素分析
影響RFID高速公路綜合管理系統(tǒng)應(yīng)用效果的主要因素有車輛通行速度和車輛與RFID系統(tǒng)天線的距離。RFID在高速公路綜合管理系統(tǒng)中的應(yīng)用可采用2種運行方式：在采用傳統(tǒng)車道隔離措施下應(yīng)用，即單車道應(yīng)用；在無車道隔離措施的自由交通流下應(yīng)用。
（1）單車道RFID應(yīng)用
單車道RFID應(yīng)用的設(shè)計速度為：主線收費站60 km／h；匝道收費站40 km／h。
（2）自由流RFID應(yīng)用
高速自由流RFID設(shè)施的設(shè)計速度一般應(yīng)大于120 km／h。采用自由流RFID系統(tǒng)將大大提高車輛的通行能力，自由流RFID是今后的發(fā)展方向，但就當(dāng)前我國國內(nèi)的車流量狀況、市場需求以及技術(shù)水平來看，尚不具備廣泛采用這種方式的條件。因此，在近期應(yīng)以發(fā)展單車道RFID系統(tǒng)為主，統(tǒng)籌規(guī)劃、應(yīng)用較先進(jìn)的技術(shù)，以便將來順利過渡到自由流系統(tǒng)。
5 結(jié)語
目前，RFID技術(shù)的推廣應(yīng)用還存在前期投資較高問題，但隨著RFID芯片制造成本的不斷降低和RFID技術(shù)的日漸成熟和完善，RFID技術(shù)必將在我國高速公路信息管理中得到廣泛應(yīng)用，促進(jìn)我國高速公路信息化水平的提高和發(fā)展。
