RFID技术在交通领域的应用

1.高速公路电子不停车收费系统

不停车收费系统ETC（Electronic Toll Collection）是智能交通系统中一个重要的领域和应用环节。通过安装在车辆挡风玻璃上的车载电子标签与收费站ETC车道上的微波天线之间的微波专用短程通信，利用计算机联网技术与银行系统进行后台结算处理，从而达到车辆通过路桥收费站不需停车便能交纳路桥费的目的。通过电子收费的技术手段，提高了公路的交通能力、车辆运行效率、降低了油耗和车辆损耗，减少了尾气排放，达到了节约能源和保护环境的目的。

收费系统是高速公路自动化运营的重要组成部分，是我国“贷款修路，收费还贷”政策落实的产物。高速公路收费制式有开放式和封闭式两种。开放式收费仅按车型一次性收取通行费；封闭式收费按车型和行驶里程收取通行费。收费系统具有财务管理功能，能及时做好收费结算，系统核算等功能。

高速公路收费方式有人工收费、半自动收费和全自动收费方式。目前，我国90%以上的高速公路收费方式还是采用人工收费或半自动收费方式。原始的人工收费、半自动收费方式已成为我国道路发展的主要瓶颈，存在以下几个方面的弊端：

1）收费设施及技术落后，收费站出入口容易形成交通拥挤；

2）各路段收费方式、标准的不统一，给车主交费造成混乱；

3）财务管理混乱，票款流失严重；

4）收费停车排队浪费时间和燃油，汽车尾气对环境造成污染。

因此，采用更加先进的收费系统才能更好地解决当前收费系统的诸种问题。不停车收费（ETC）利用RFID技术并综合计算机网络技术，解决了当前交通收费效率低下的问题。ETC特别适用于高速公路或交通繁忙的桥隧。实施不停车收费，一方面，可以允许车辆高速通过，减少车辆在收费口因缴费、找零钱等动作而引起的排队等候。据测算，较人工收费车道，ETC车道通行能力提高四至六倍。另一方面，可使公路收费走向电子化，降低收费管理的成本，有利于提高车辆的营运效益，同时也大幅降低收费口的噪声水平和废气排放，并可以杜绝少数不法收费员贪污路费从而减少国家损失。

与原来的人工收费和人工电脑收费方式相比，实行不停车收费后的优势为：改善了路上密集车辆所造成的环境污染，减少车辆阻塞现象，更重要的是提高收费效率。

（1）ETC系统简介

ETC（Electronic Toll Collection）是电子不停车收费的简称，是一种利用专用短程微波通信技术，通过路边的射频读写器单元与车载系统的信息交换，自动识别车辆，通过计算机联网技术与银行系统的后台结算处理，实施电子支付，完成车辆通行费扣除的全自动收费方式。

1）工作原理ETC原理如图14-17所示，当车辆通过ETC收费站时，地感线圈检测到车辆进入车道，触发安装在ETC天线架的射频读写器，射频读写器开始与安装在汽车挡风玻璃上的车载系统进行双向通信和信息交换，将数据传送给ETC收费站PC，ETC收费站PC根据不同情况来控制管理系统产生不同的动作，如从该车的预付款项账户中扣除此次应交的过路费，并送出指令给其他辅助设施工作，如交易成功后，挡车器自动升起，放行车辆；车辆通过后，挡车器自动放下。整个收费过程无需人工干预，用户可不停车快速通过ETC收费站。

图14-17 ETC工作原理简图

2）系统功能模块 射频自动识别不停车收费系统按其功能可分为自动识别控制子系统、自动判断型子系统、数据采集子系统、车辆检测子系统、闭路电视子系统和信号控制子系统等几个，如图14-18所示。

图14-18 ETC车道控制系统功能模块图

各子系统功能简述如下：

①自动识别控制子系统主要由射频自动识别读写器、射频自动识别卡、车道栏杆控制机、收费员计算机终端等组成，它是整个不停车收费系统的核心，负责控制不停车收费车道所有设备的运行、收费业务操作的管理及与收费站计算机的通信和数据交换。

②自动判断型子系统主要由光栅、高度检测器、轴数检测器等组成，它通过采集车辆的高度和轴数等参数，经综合分析比较来判别车辆的车型。

③数据采集子系统主要由射频自动识别读写器和射频电子标签卡构成。射频电子标签被安装在汽车挡风玻璃内侧的上方，在电子标签上写有标签编号、车号、车主、车型、应缴金额、剩余金额和有效期等信息；射频自动识别读写器被安装在收费岛的前端，它通过微波技术从射频电子标签卡上读取有关信息，并同步传送给车道控制主机。

④闭路电视子系统主要由车道摄像机和收费站的监视器等组成。车道摄像机被安装在收费岛的前端，主要用于拍摄非法通过的违章车辆。

⑤信号控制子系统主要由通行信号灯、偏叉信号灯和自动栏杆等组成，用于提醒驾驶员正确使用不停车收费车道。

⑥车辆检测子系统主要由三组环形线圈组成。第一组环形线圈（EN-TER LOOP）被安装在收费岛的入口处，用于激活天线读取电子标签的信息；第二组环形圈（ESC LOOP）被安装在收费岛的中间出口处，用于控制通行信号灯和偏叉信号灯的状态；第三组环形线圈（EXIT LOOP）被安装在收费岛的出口端，用于统计车流量，并控制自动栏杆、通行信号灯和偏叉信号灯的工作状态。

3）关键技术ETC主要包括自动识别技术AVI、车辆抓拍和车道控制几部分。车辆自动识别技术AVI（Automatic Vehicle Identification）是其最重要的技术，它直接影响到系统的性能和应用推广，也是区别不同的ETC系统的主要标志。交通运输本身特点要求有一种能够在全天候、恶劣环境下应用，远距离作用（10m左右），安全可靠性高，高速，寿命长的系统。由于微波透入性强，可以穿透浓雾、雨滴、风沙等，适合于车辆全天候、恶劣环境条件下工作，它还具有工作距离远、体积小，既可以有源发射方式（寿命可达10年以上）也可以无源反射方式（无寿命限制）工作等特点，因此射频识别技术刚好满足交通运输的要求。工作波段主要有900MHz、2.45GHz和5.8GHz频段，ETC系统中应用最广泛的是5.8GHz频段。工作原理如图14-19所示。

图14-19 微波射频车辆自动识别 系统工作原理

从图14-19中可知，射频标签收到射频读写器发出的信号，经数据解调送控制单元进行处理，通过身份确认，密码验证后，控制单元对EEP-ROM进行数据读写操作并经编码、加密后，再经调制发射出去。处理控制单元主要用于密码校验，编程模式检查，数据加密解密，并控制对EEP-ROM的读写操作。EEPROM中存有车辆的ID号、车牌号、车型、司机等相关信息。射频读写器接收到的ID号等信息后通过接口电路与计算机系统进行数据交换，做出相应的操作，从而实现对车辆的自动识别。

4）系统的关键设备 射频通信设备是ETC系统的关键设备，它主要由射频读写器（包括天线）和车载系统两部分组成。其中车载系统按形态可分为单片式和两片式两种。

射频读写器负责与车载系统进行数据交换，并将数据传送给计算机进行处理。

单片式车载系统在物理结构上是一个不可拆分的整体，既存储了车牌号、车型等车辆物理参数，也记录了用户的消费账号、账户金额方面的信息。

两片式车载系统则由固定安装的车载机和可插拔的支付卡（双界面CPU卡）两部分组成，车载机里存储了车牌号、车型等车辆物理参数，而用户的消费账号、账户金额方面的信息则存储在支付卡里面。

①单片式收费系统 单片式收费系统要求进入路网的所有ETC车辆全部安装车载系统，所有路口全部实现不停车收费。单片式收费系统为车辆在路网中的高速通过提供了必要的条件，极大地减少了道路阻塞，提高了道路的通行能力，这种收费模式已经在美国、日本、西欧、新加坡等国家的少量路段进行了实施，并取得了良好的效果。但是，采用这种收费方式，要求所有出入口车道全部安装统一接口标准的射频读写器。由于目前研发射频读写器技术门槛高，导致成本居高不下。如果要在所有的出入口车道安装路侧射频读写器，再加上充值所需要的射频读写器，所以需要的路侧射频读写器数量巨大，投资大风险高，因此也限制了这种ETC收费模式的推广，导致ETC收费技术无法充分利用在我国的道路收费系统中，降低了路网的使用率。

②两片式收费系统 两片式车载系统是由车载机和可插拔的支付卡（双界面CPU卡）组成。在路网联网状况下，装有两片式车载系统的车辆可以在ETC车道进行不停车收费服务，同时也可以使用金融IC卡在MTC（停车收费）车道进行刷卡，并完成缴费。没有安装两片式车载系统的其他车辆仍然通过MTC车道进出，完成缴费。由于两片式收费系统很好地涵盖了各种车辆的通行要求，而且只需在车流量大的收费站开辟ETC专用车道，投资资金相对单片式收费系统大幅降低，并能很好地解决高速公路缴费堵塞的问题，保证了路网高使用率。因此，两片式收费系统是我国目前建立ETC收费系统比较实际而且有效的建设方案。

5）系统工作流程ETC收费系统是一个庞大的收费管理系统，不仅涉及RFID无线射频技术，还需利用计算机网络技术及银行系统进行后台结算处理。收费系统整体流程如图14-20所示。

图14-20 ETC系统整体流程图

车载系统进入车道入口，触发入口处的地感线圈、摄像机等辅助设备，地感线圈将检测信号发送至ETC收费站PC（机），ETC收费站PC（机）将收费参数和控制指令发送至ETC读写器，打开读写器，与车载系统进行数据交换；车载系统将交易信息及车辆信息传送给读写器。读写器将这些信息传送给ETC收费站PC（机），同时摄像机则将图形信息传送给ETC收费站PC（机），用来核实车辆身份的真实性；ETC收费站PC（机）将收费数据，图形信息传给收费站系统，由收费站系统汇总，传给ETC数据管理中心，管理中心做出相应决策后，将命令通过收费站系统回传至ETC收费站PC（机）；如果该车身份可靠，则扣费放行，否则，拦截该车辆。

（2）ETC系统总体结构

随着市场经济的发展，交通基础设施建设步伐的加快，一家办交通的格局己经逐步被多家办交通的格局所替代。而网络环境下不停车收费系统的开发应用必须依托一定规模的路网，因此系统应根据特定交通基础设施建设的实际而定，并考虑建设情况与“一卡通”的兼容性。

（3）国内外ETC标准(www.xing528.com)

1）国外发展情况 国际上，美国、欧洲、日本很早就针对不停车收费系统中的研发技术、工程实施、标准规范进行了深入研究，并向国际标准化组织提交了有关不停车收费标准的草案，欧洲和日本提出的标准较为成熟，获得了较广泛的厂商支持。

1988年美国Lincon隧道首开不停车收费系统以来，目前美国已有10多个运输管理机构在进行这方面的工作，大量的不停车收费车道已在美国国内的高速公路上开通。不停车收费系统已经成为美国回收公路投资的有效手段。

三菱株式会社、丰田株式会社是日本国内不停车收费系统研究的领先者，并在世界各地广泛地开展不停车收费系统验证实验。1995年，日本建设省和公路管理公司组织国内10多家单位在全国各地进行不停车收费系统的现场实验。1997年，编制了不停车收费标准草案并提交给国际标准化组织ISO/204委员会，并于1998年在全国推广不停车收费系统。

欧洲在不停车收费方面起步更早，1986年挪威的卑尔根首次使用不停车收费系统以来，意大利、西班牙、英国、法国等国也先后在国内开始了ETC的应用。1997年在欧洲标准化委员会（CEN）的协调工作下，欧洲的不停车标准草案顺利通过。

2）我国ETC国家标准的制定 最近几年来，随着我国高速公路联网收费的发展，国内众多省市高速公路已开通电子不停车收费（ETC）车道。区域内联网收费已很成熟，但区域间联网收费却存在系统兼容问题，阻碍了我国高速公路的健康发展。

2007年3月19日，电子不停车收费系统国家标准正式出炉，该标准由交通部公路科学研究院牵头制定，国内ETC设备认证也由其负责。该标准系列从物理层、数据链路层、应用层、设备应用及物理层主要参数测试方法五方面做出了相应规定。ETC国家标准大体框图见表14-3。

表14-3电子收费标准框图

该标准的出炉为我国高速公路区域联网收费乃至全国联网奠定了坚实的基础，改善了我国ETC系统互不兼容的局面，促进了我国ETC系统的发展与大范围应用。

（4）900MHz无源标签与5.8GHz有源标签的ETC系统优越性比较

除5.8GHz频段可用于ETC系统之外，900MHz频段同样适用于ETC系统。早在我国ETC标准出台之前，欧洲和日本就规定把5.8GHz频段作为ETC系统的工作频段，并获得了广泛的应用，但是900MHz频段ETC系统在北美也获得了广泛的应用。900MHz无源标签与5.8GHz有源标签的ETC系统各有其优越性，因此，5.8GHz的ETC系统虽有国标支持，但很多地方在建设ETC系统时，对于该选用哪种工作频段仍然存在争议。下面对这两种不同工作频段的标签及其对应的系统优越性做一比较，以供相关单位和人士参考。5.8GHz与900MHz频段ETC系统的优缺点见表14-4。

表14-4 900MHz无源标签与5.8GHz有源标签优越性比较

2.高速公路路径识别系统

目前，大部分省份已经实施联网收费，在联网收费系统的建设中往往面临车辆行驶路径的识别问题。在联网收费环境下，尤其在投资主体多元化的路网环境下，如何确定行驶路径影响到车辆通行费的计算及收费收入在单位间的拆分。高速公路交通流量非常大，产生的通行费额巨大，而在多路径上产生的通行费也占相当比例。山东省高速公路管理部门曾经测算，在多路径路段上发生的交通量占交通量的4%，多路径产生的费用占路网总通行费用的3.3%，每年多达千万元。

路径识别带来收益的同时，我们需考虑路径识别技术实施建设费用的问题。成本低、精度高、收益好的识别技术才是道路经营公司所青睐的。

现广泛被采用的最短路径法，以该识别法为依据的收费和分配较为简单，但在路径相差不大的情况下，往往会出现较大的偏差。若各业主自行设立收费站，投资巨大，而且影响高速公路的效率，且不符合国家相关规定。若按投资比例进行分配，不同道路的行车流量又不能完全等同，这种拆分方式也有失公平。而车牌照识别法精度低、造价高，往往不为高速公路公司所采用。

RFID电子标签识别法是一种性价较高的多义性路径识别法，有着一定的优势和发展空间。电子标签的成本比车牌技术要低，而动态识别的准确率要高。

（1）路径识别的基本方法

目前，路径识别技术从总体上可以分为精确识别和概率识别两类，如图14-21所示。

图14-21 路径识别的方法

精确识别的核心是正确判别路网中每一车辆的实际行驶路径，对路网中可能出现行驶歧义的车辆，通过一定的技术手段，不论在土建设施还是电子手段来对路径进行确认，从而解决路网中路径问题。精确识别法主要有标识站法、车牌照识别法、标签识别法等。

概率识别法是以交通均衡或非均衡理论为基础，建立各种理论模型和算法，分析计算特定高速公路网络的通行车辆交通分布与分配，从而确定路网中整体出行交通的行驶路径或单车的可能行驶路径。随着高速公路的发展，高速公路路网将越来越复杂，概率统计模型的建立和投资业主间的拆分标准制定也越来越困难。概率识别法主要有最短路径法、车辆分型统计法、调查协商法、概率统计法等。

下面简要介绍几种常用或推荐采用的识别方法：

1）标识站法 采用一定的土建设施和电气设备在可能出现二义性道路上，设立车辆通过在通行卡上作一定的标识记录设施，以判别实际行驶路径，它可分为停车和不停车式两种。不停车式标识站法适用于电子不停车收费系统（ETC），可以在在车辆高速行驶时进行行驶路径精确标识。目前，不停车标识站法推广尚有一定难度；停车标识站法，凡经此断面车辆必须停车和进行记录操作，导致行车速度降低，降低了高速公路的服务水平，而且国家法规已对停车式标识站法做出了限制。

2）最短路径法 该方法取最短路径为行驶路径。从起点到终点存在两条或两条以上的路径，将最短路径作为车辆选择路径，此方法最为简便，投资最少。

最短路径法直接将多路径车辆通行费分配给最短路径业主，因此这种方法的准确度取决于车辆在实际的路径选择过程中选择最短路径的概率。这种方法在最短路径与其他路径相差较大的情况下，这种方法则较符合实际情况；最短路径与其他路径相差较小时，道路路径的选择可能考虑到路况、服务设施等情况，此时最短路径法的误差较大。

3）车牌照识别技术“车牌照识别”技术也可以用于多路径的精确识别，即高速公路出、入口设置车牌照抓拍系统（或者采用人工输入车牌照号码），在路网内关键点设置车牌照抓拍系统，摄取通过车辆牌照并加以识别，从而判定车辆实际行驶路线。

车牌照识别法是一种不降低道路服务水平的精度识别法，是一种比较好的路径识别方法。其主要问题是识别精度和造价，目前用于车道车牌照识别系统的识别精度在90%左右，耗资在百万元以上。

4）标签识别法 标签识别法是车牌识别法的改进方法。它是通过让车辆在携带通行卡等常用通行凭证的同时，在携带一个作为车辆特征的标签（标签可以采用条码、图形和电子标签等等），在经过多义性路径关键点时对标签进行认证记录，结合车辆出入口通行信息，完成对车辆行驶路径的精确识别。

标签识别法造价低、识别率高，但在操作上存在一定的难度，需要司机配合把标签贴到合适的位置。

（2）电子标签法

电子标签法是精确路径识别法中标签法中的一种，具有成本低、识别率高等优点。

1）工作原理 在高速公路某点设立路径标识发送设备，车在入口时领到RFID电子标签，当车辆行驶至具有标识站的ETC标识车道（多车道自由流方式），安装于ETC标识车道的天线基站控制系统会自动唤醒RFID电子标签，并实时向RFID标签中写入本标识站信息，达到路径标识的目的。

2）频段的选择 在高速公路收费系统中，RFID系统常见的工作频率为13.56MHz，433MHz，915MHz，2.45GHz，5.8GHz。采用RFID技术解决路径识别问题，路旁设备要满足远距离高速度电子标签的读写功能，系统工作频率应选择在超高频及微波频段。

①433MHz频段 在我国，433MHz的无线电频率是国家没有特殊规定其使用目的的频率范围，也是电子标签产品相对成熟的频率范围。在高速公路的路径识别中，该频段稳定性好，电子标签个体差异性小，数据读取的准确率也较高，电子标签和读写器的价格也相对便宜，不失为近期解决高速公路多义性路径识别的可选频段。但从长远的角度考虑，433MHz并非国家分配给高速公路电子不停车收费（ETC）使用频段，在远期与ETC的结合过程中，会出现兼容问题。

②915MHz频段860MHz-960MHz这个频段已被GSM无线电话通信、RFID设备及用于工业、科研、医疗用途的一些设备使用。目前，915MHz尚未使用在高速公路路径识别上主要原因是RFID多义性路径识别的使用环境开放，电子标签与读写器的防干扰问题较为复杂，915MHz并非是好的选择频段。

③2.45GHz频段 全球公众通用的ISM频段，目前该频段用于高速局域网、无线传感器网络、蓝牙系统、无线USB等技术领域。随着越来越多的公司使用这个频段，这个频段的产品防干扰问题将变得复杂。目前，在多路径识别中，这个频段的有源电子标签还很少。

④5.8GHz国家智能交通系统工程技术研究中心、ISO/TC204中国技术委员会确定为我国公路联网电子收费系统工作频率。在高速公路车辆的多义性路径识别中，该频段的有源电子标签主要是针对电子不停车收费功能进行设计和实现的，因此在功能上还不能完全满足路径识别的要求，产品需要时间进行相应的功能设计及改造。另外，5.8GHz频段有源标签方向性强，成本高，也不利于其用于路径识别。但从长远来看，采用5.8GHz频段解决多义性路径识别问题，易于将来与电子不停车收费系统结合。