本文針對(duì)提高公路收費(fèi)道口通行能力，減少公路收費(fèi)道口車輛阻塞的目的，設(shè)計(jì)研發(fā)了基于RFID的不停車收費(fèi)系統(tǒng)。采用了無線射頻識(shí)別(RFID)、自動(dòng)車輛識(shí)別(AVI)、自動(dòng)車型分類(AVCS)、短程通信、逃費(fèi)抓拍等技術(shù)，通過安裝在車輛擋風(fēng)玻璃上的電子標(biāo)簽與在收費(fèi)站ETC車道上的微波天線之間的專用短程通訊，利用計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與銀行進(jìn)行后臺(tái)結(jié)算處理，從而達(dá)到車輛通過路橋收費(fèi)站不需停車就能交納費(fèi)用的目的。通過烏昌高速公路收費(fèi)站應(yīng)用證明：ETC車道通行能力比普通車道提高4～6倍，有效的提高了收費(fèi)道口通行能力與收費(fèi)效率。
ETC（ElectrONic Toll Collection）不停車收費(fèi)系統(tǒng)是目前世界上最先進(jìn)的路橋收費(fèi)方式。通過安裝在車輛擋風(fēng)玻璃上的車載電子標(biāo)簽與在收費(fèi)站ETC車道上的微波天線之間的微波專用短程通訊，利用計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與銀行進(jìn)行后臺(tái)結(jié)算處理，從而達(dá)到車輛通過路橋收費(fèi)站不需停車而能交納路橋費(fèi)的目的。
ETC是國際上正在努力開發(fā)并推廣的一種用于公路、大橋和隧道的電子自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)，該技術(shù)在國外已有較長的發(fā)展歷史，美國、歐洲等許多國家和地區(qū)的電子收費(fèi)系統(tǒng)已經(jīng)局部聯(lián)網(wǎng)并逐步形成規(guī)模效益。我國以IC卡、磁卡為介質(zhì)， 采用人工收費(fèi)方式為主的公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)方式無疑也受到這一潮流的影響。
不停車收費(fèi)技術(shù)特別適于在高速公路或交通繁忙的橋隧環(huán)境下采用。在傳統(tǒng)采用車道隔離措施下的不停車收費(fèi)系統(tǒng)通常稱為單車道不停車收費(fèi)系統(tǒng)，在無車道隔離情況下自由交通流下的不停車收費(fèi)系統(tǒng)通常稱為自由流不停車收費(fèi)系統(tǒng)。
實(shí)施不停車收費(fèi)，可以允許車輛高速通過（幾十公里以至100多公里），故可大大提高公路的通行能力；公路收費(fèi)走向電子化，可降低收費(fèi)管理的成本，有利于提高車輛的營運(yùn)效益；同時(shí)也可以大大降低收費(fèi)口的噪聲水平和廢氣排放。由于通行能力得到大幅度的提高，所以，可以縮小收費(fèi)站的規(guī)模，節(jié)約基建費(fèi)用和管理費(fèi)用。
另外，不停車收費(fèi)系統(tǒng)對(duì)于城市來說，不僅僅是一項(xiàng)先進(jìn)的收費(fèi)技術(shù)，它還是一種通過經(jīng)濟(jì)杠桿進(jìn)行交通流調(diào)節(jié)的切實(shí)有效的交通管理手段。對(duì)于交通繁忙的大橋、隧道，不停車收費(fèi)系統(tǒng)可以避免月票制度和人工收費(fèi)的眾多弱點(diǎn)，有效提高這些市政設(shè)施的資金回收能力。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及構(gòu)成
1.1 系統(tǒng)原理
1）射頻自動(dòng)識(shí)別不停車收費(fèi)系統(tǒng)不需要專門的收費(fèi)員進(jìn)行操作，它利用微波自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，完全通過設(shè)備本身來完成對(duì)通行車輛的收費(fèi)工作。
2）存儲(chǔ)有車型、車號(hào)、金額、有效期等信息的射頻電子標(biāo)簽卡被安裝在汽車前方擋風(fēng)玻璃內(nèi)側(cè)的左下角。當(dāng)持卡車輛進(jìn)入不停車收費(fèi)車道時(shí)，車輛感應(yīng)器的“ENteR LOOP”線圈產(chǎn)生來車信號(hào)，激發(fā)射頻自動(dòng)識(shí)別讀寫器讀取該車射頻電子標(biāo)簽卡上的信息（車型、車號(hào)、剩余金額和有效期等），同時(shí)光柵、高度檢測器和軸數(shù)檢測器等車型差別設(shè)備，自動(dòng)檢測來車的實(shí)際車型。射頻自動(dòng)識(shí)別原理如圖1所示。
圖1 射頻自動(dòng)識(shí)別原理
3）從車載射頻電子標(biāo)簽卡讀取的信息，以及車型判別設(shè)備所采集到的數(shù)據(jù)均被送到車道控制計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行分析比較，如電子卡中所記錄的車型與設(shè)備所判別的車型一致、卡中車號(hào)不在黑名單內(nèi)、應(yīng)繳金額小于等于剩余金額、車輛通過時(shí)間在卡的有效期范圍內(nèi)，則該卡被認(rèn)為是有效卡； 如前述4項(xiàng)比較中， 有一項(xiàng)不符合， 則該卡被認(rèn)為是無效卡。
4）如來車所持射頻電子標(biāo)簽卡為有效卡，則通行信號(hào)燈由紅色變?yōu)榫G色，偏叉信號(hào)燈呈綠色直行標(biāo)志，自動(dòng)欄桿抬起；當(dāng)來車駛離EXIT LOOP的檢測范圍后，通行信號(hào)燈由綠色變?yōu)榧t色， 偏叉信號(hào)燈熄滅， 自動(dòng)欄桿關(guān)閉。駛離EXITLOOP的檢測范圍后，通行信號(hào)燈由綠色變?yōu)榧t色，偏叉信號(hào)燈熄滅，自動(dòng)欄桿關(guān)閉。
5）如來車所持射頻電子標(biāo)簽卡為無效卡，則通行信號(hào)燈呈紅色， 偏叉信號(hào)燈呈黃色左轉(zhuǎn)通行標(biāo)志， 自動(dòng)欄桿關(guān)閉； 當(dāng)來車左行駛離無卡車輛轉(zhuǎn)向人工收費(fèi)車道的車輛感應(yīng)器的“ESC LOOP” 線圈的檢測范圍后，偏叉信號(hào)燈熄滅；如來車沒有轉(zhuǎn)向人工收費(fèi)道（有些場合不設(shè)此轉(zhuǎn)向旁道），而依然向前行駛，當(dāng)其抵達(dá)車輛感應(yīng)器線圈“ENTER LOOP的”檢測范圍時(shí)，警鈴報(bào)警，將有收費(fèi)員前來人工收費(fèi)處理后，人工放行。
6）射頻電子標(biāo)簽卡的銷售和費(fèi)用結(jié)算均在收費(fèi)中心（即購卡中心）進(jìn)行。為適應(yīng)不同用戶的需要，一般發(fā)行兩種電子卡，一種是預(yù)付費(fèi)電子標(biāo)簽卡，一種是信用式電子標(biāo)簽卡。
7）預(yù)付費(fèi)電子標(biāo)簽卡，顧名思義是必須先付費(fèi)后通行的電子卡，該卡的發(fā)行面向整個(gè)社會(huì)。用戶僅需直接到購卡中心購買存有一定金額的電子卡， 即可使用不停車收費(fèi)車道。
在每次使用時(shí)， 系統(tǒng)將自動(dòng)從電子卡中扣除該車的應(yīng)繳金額。該電子卡可以重復(fù)使用，當(dāng)卡中剩余金額很少或沒有時(shí)，用戶可以到購卡中心重新存入一定的金額到電子卡中，以保證其繼續(xù)有效。
8）信用式電子標(biāo)簽卡，是一種允許用戶先通行后付款的電子卡，該卡的發(fā)行對(duì)象主要是一些由銀行信用卡為結(jié)算手段的用戶， 或企業(yè)形象很好的國家機(jī)關(guān)和企事業(yè)單位，費(fèi)用結(jié)算采用銀行托收的方式。系統(tǒng)原理及流程如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)原理及流程
1.2 RFID防碰撞算法
RFID防碰撞算法對(duì)于提高車輛跟蹤可靠性是關(guān)鍵技術(shù)，本系統(tǒng)采用的為行鏈路多標(biāo)簽沖突檢測算法， 此算法僅需在電子標(biāo)簽中配置1個(gè)8位寄存器、1個(gè)l位“O”、“l”隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器和2個(gè)4位加減l計(jì)數(shù)器以及少量選擇電路就能實(shí)現(xiàn)最多達(dá)1 048 576個(gè)標(biāo)簽的仲裁。仿真表明本算法產(chǎn)生的碰撞概率明顯小于二進(jìn)制數(shù)算法，同時(shí)通過寄存器高位的靈活設(shè)置， 還能有效解決低標(biāo)簽密度時(shí)空傳率高的問題，從而進(jìn)一步降低了碰撞概率。算法步驟：
1）被動(dòng)方標(biāo)簽中設(shè)計(jì)一個(gè)4+4位的寄存器（Rel）和1個(gè)“0”、“l”隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器（RGI），隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生兩組隨機(jī)數(shù)，分別加載到寄存器高位和低4位。其中高位加載的位數(shù)M可以動(dòng)態(tài)設(shè)為1、2、3或4。
2）主動(dòng)方讀寫器向所有處在等待態(tài)的標(biāo)簽發(fā)送初始化命令。標(biāo)簽因此進(jìn)入仲裁態(tài)，用RGI產(chǎn)生4比特隨機(jī)數(shù)，加載到Rel高4位R7 R4，低4位R3 R0全部清零。
3）讀寫器等待一定時(shí)間后發(fā)送允許回傳命令。
4）Rel為全零的標(biāo)簽向讀寫器回傳標(biāo)簽ID。
5）如果當(dāng)前只有一個(gè)標(biāo)簽回傳ID，讀寫器正確讀取該ID，則發(fā)送確認(rèn)命令，附加命令參數(shù)“低位減l”?；貍髁薎D的標(biāo)簽接收到該命令后，進(jìn)入確認(rèn)態(tài)，其他高4 位為全零的標(biāo)簽Re1低4位減1，回到步驟4）重復(fù)操作。
6）如果當(dāng)前有多個(gè)標(biāo)簽回傳ID，讀寫器通過CRC校驗(yàn)或碼長校驗(yàn)，檢測到錯(cuò)誤的ID號(hào)，則發(fā)送確認(rèn)命令，附加命令參數(shù)“寄存器加1”。接收到讀寫器這個(gè)命令后，所有在仲裁態(tài)且Rel為全零的標(biāo)簽由RGI 產(chǎn)生1比特隨機(jī)數(shù)和寄存器上的數(shù)相加后重新載入到寄存器中；其他仲裁態(tài)且Rel高4位為零而低4位不為零的標(biāo)簽Rel加1，回到步驟4）重復(fù)操作。
7）如果當(dāng)前沒有標(biāo)簽回傳ID，讀寫器等待一定時(shí)間后發(fā)送確認(rèn)命令，附加命令參數(shù)“低位減1”。所有在仲裁態(tài)且高4為全零的標(biāo)簽Rel低4位減1，回到步驟4）重復(fù)操作。
8）低4位減1操作重復(fù)L 次（L 是一個(gè)系統(tǒng)參數(shù)，由系統(tǒng)設(shè)定，經(jīng)驗(yàn)值為4）后，讀寫器認(rèn)為所有在仲裁態(tài)且寄存器高4位為零的標(biāo)簽都已經(jīng)被正確讀取，則發(fā)送確認(rèn)命令，附加命令參數(shù)“高4位減l”，回到步驟4）。
9）標(biāo)簽接收到附加“高位減l”參數(shù)的確認(rèn)命令后，所有Rel高4位不為零的標(biāo)簽高4位減l， 回到步驟4重復(fù)操作；在被要求高位減1前已為零的標(biāo)簽則回到等待態(tài)。
10）重復(fù)2M次高位減1操作后，讀寫器認(rèn)為所有在仲裁態(tài)的標(biāo)簽都已經(jīng)被讀取，則仲裁過程停止，所有還處于仲裁態(tài)的標(biāo)簽返回等待態(tài)。
圖3 防碰撞算法實(shí)現(xiàn)電路
算法仿真：仿真結(jié)果如圖4所示，可以看到當(dāng)標(biāo)簽總數(shù)為20時(shí)，如果把高位寄存器的位數(shù)從4降到1，則平均碰撞次數(shù)從5.5回落到1.4。而當(dāng)標(biāo)簽總數(shù)為200和2 000時(shí)，高位寄存器位數(shù)的改變對(duì)平均碰撞次數(shù)的影響不大。因此如果在某次仲裁中出現(xiàn)多次空傳，讀寫器可以在下一次仲裁時(shí)指示標(biāo)簽改變寄存器高位個(gè)數(shù)，以此降低空傳率，進(jìn)而可以降低平均碰撞次數(shù)。
圖4 防碰撞算法仿真結(jié)果
2 系統(tǒng)構(gòu)成及功能實(shí)現(xiàn)
射頻自動(dòng)識(shí)別不停車收費(fèi)系統(tǒng)按其功能可分為自動(dòng)識(shí)別控制子系統(tǒng)、自動(dòng)判斷型子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、車輛檢測子系統(tǒng)、閉路電視子系統(tǒng)和信號(hào)控制子系統(tǒng)等。
1）自動(dòng)識(shí)別控制子系統(tǒng)主要由射頻自動(dòng)識(shí)別讀寫器、UHF射頻自動(dòng)識(shí)別卡，微波天線、車道道閘控制機(jī)、收費(fèi)員計(jì)算機(jī)終端等組成，它是整個(gè)不停車收費(fèi)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)控制不停車收費(fèi)車道所有設(shè)備的運(yùn)行、收費(fèi)業(yè)務(wù)操作的管理以及與收費(fèi)站計(jì)算機(jī)的通信和數(shù)據(jù)交換。
2）自動(dòng)判斷型子系統(tǒng)主要由光柵、高度檢測器、軸數(shù)檢測器等組成，它通過采集車輛的高度和軸數(shù)等參數(shù)，經(jīng)綜合分析比較來判別車輛的車型； 該子系統(tǒng)至少可以判別3種以上車型。自動(dòng)判斷型子系統(tǒng)在有些場合可以由用戶選擇使用。
3）數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)主要由射頻天線和射頻電子標(biāo)簽卡構(gòu)成。射頻電子標(biāo)簽被安裝在汽車擋風(fēng)玻璃內(nèi)側(cè)的上方，在電子標(biāo)簽上寫有標(biāo)簽編號(hào)、車號(hào)、車主、車型、應(yīng)繳金額、剩余金額和有效期等信息； 微波天線被安裝在收費(fèi)島的前端，它通過微波技術(shù)從射頻電子標(biāo)簽卡上讀取有關(guān)信息，并同步傳送給車道控制主機(jī)。
4）閉路電視子系統(tǒng)主要由車道攝像機(jī)和收費(fèi)站的監(jiān)視器等組成。車道攝像機(jī)被安裝在收費(fèi)島的前端，主要用于拍攝非法通過的違章車輛。
5）信號(hào)控制子系統(tǒng)主要由通行信號(hào)燈、偏叉信號(hào)燈和自動(dòng)欄桿等組成，用于提醒駕駛員正確使用不停車收費(fèi)車道。
6）車輛檢測子系統(tǒng)主要由3組環(huán)形線圈組成。第一組環(huán)形線圈（ENTER LOOP）被安裝在收費(fèi)島的入口處，用于激活天線讀取電子標(biāo)簽的信息；第二組環(huán)形圈（ESC LOOP）被安裝在收費(fèi)島的中間出口處，用于控制通行信號(hào)燈和偏叉信號(hào)燈的狀態(tài)；第三組環(huán)形線圈（EXIT LOOP）被安裝在收費(fèi)島的出口端，用于統(tǒng)計(jì)車流量，并控制自動(dòng)欄桿、通行信號(hào)燈和偏叉信號(hào)燈的工作狀態(tài)。
圖5 系統(tǒng)構(gòu)成
3 結(jié)束語
隨著我國公路事業(yè)的發(fā)展和不停車收費(fèi)系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，也會(huì)隨著增長的交通需求，相信不停車收費(fèi)系統(tǒng)一定會(huì)被國家、被企業(yè)、被消費(fèi)者廣泛關(guān)注和接受。不停車收費(fèi)系統(tǒng)在我國的市場一定會(huì)有著廣闊的光明前景。