針對提高公路收費道口通行能力， 減少公路收費道口車輛阻塞的目的， 設(shè)計研發(fā)了基于RFID 的不停車收費系統(tǒng)，采用了無線射頻識別（RFID） 、自動車輛識別（AVI） 、自動車型分類（AVCS）、短程通信、逃費抓拍等技術(shù)，通過安裝在車輛擋風(fēng)玻璃上的電子標(biāo)簽與在收費站ETC 車道上的微波天線之間的專用短程通訊， 利用計算機聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與銀行進(jìn)行后臺結(jié)算處理，從而達(dá)到車輛通過路橋收費站不需停車就能交納費用的目的。通過烏昌高速公路收費站應(yīng)用證明： ETC 車道通行能力比普通車道提高4～6 倍，有效的提高了收費道口通行能力與收費效率。

　　ETC （ElectrONic Toll Collection） 不停車收費系統(tǒng)是目前世界上最先進(jìn)的路橋收費方式。通過安裝在車輛擋風(fēng)玻璃上的車載電子標(biāo)簽與在收費站ETC 車道上的微波天線之間的微波專用短程通訊，利用計算機聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與銀行進(jìn)行后臺結(jié)算處理，從而達(dá)到車輛通過路橋收費站不需停車而能交納路橋費的目的。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收費系統(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)， 采用人工收費方式為主的公路聯(lián)網(wǎng)收費方式無疑也受到這一潮流的影響。

　　不停車收費技術(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系統(tǒng)通常稱為單車道不停車收費系統(tǒng)，在無車道隔離情況下自由交通流下的不停車收費系統(tǒng)通常稱為自由流不停車收費系統(tǒng)。實施不停車收費，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；公路收費走向電子化，可降低收費管理的成本，有利于提高車輛的營運效益； 同時也可以大大降低收費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，可以縮小收費站的規(guī)模，節(jié)約基建費用和管理費用。另外，不停車收費系統(tǒng)對于城市來說， 不僅僅是一項先進(jìn)的收費技術(shù)， 它還是一種通過經(jīng)濟杠桿進(jìn)行交通流調(diào)節(jié)的切實有效的交通管理手段。對于交通繁忙的大橋、隧道， 不停車收費系統(tǒng)可以避免月票制度和人工收費的眾多弱點，有效提高這些市政設(shè)施的資金回收能力。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計原理及構(gòu)成

　　1.1 系統(tǒng)原理

　　1）射頻自動識別不停車收費系統(tǒng)不需要專門的收費員進(jìn)行操作，它利用微波自動識別技術(shù)，完全通過設(shè)備本身來完成對通行車輛的收費工作[2]。

　　2）存儲有車型、車號、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)入不停車收費車道時，車輛感應(yīng)器的“ENteR LOOP”線圈產(chǎn)生來車信號，激發(fā)射頻自動識別讀寫器讀取該車射頻電子標(biāo)簽卡上的信息（車型、車號、剩余金額和有效期等），同時光柵、高度檢測器和軸數(shù)檢測器等車型差別設(shè)備，自動檢測來車的實際車型。射頻自動識別原理如圖1 所示。

?

圖1 射頻自動識別原理

　　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算機內(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 項比較中， 有一項不符合， 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，則通行信號燈由紅色變?yōu)榫G色，偏叉信號燈呈綠色直行標(biāo)志，自動欄桿抬起；當(dāng)來車駛離EXIT LOOP 的檢測范圍后，通行信號燈由綠色變?yōu)榧t色， 偏叉信號燈熄滅， 自動欄桿關(guān)閉。駛離EXITLOOP 的檢測范圍后，通行信號燈由綠色變?yōu)榧t色，偏叉信號燈熄滅，自動欄桿關(guān)閉。

　　5）如來車所持射頻電子標(biāo)簽卡為無效卡，則通行信號燈呈紅色， 偏叉信號燈呈黃色左轉(zhuǎn)通行標(biāo)志， 自動欄桿關(guān)閉； 當(dāng)來車左行駛離無卡車輛轉(zhuǎn)向人工收費車道的車輛感應(yīng)器的“ESC LOOP” 線圈的檢測范圍后，偏叉信號燈熄滅；如來車沒有轉(zhuǎn)向人工收費道（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，警鈴報警，將有收費員前來人工收費處理后，人工放行。

　　6）射頻電子標(biāo)簽卡的銷售和費用結(jié)算均在收費中心（即購卡中心）進(jìn)行[3]。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)付費電子標(biāo)簽卡，一種是信用式電子標(biāo)簽卡。

　　7）預(yù)付費電子標(biāo)簽卡，顧名思義是必須先付費后通行的電子卡，該卡的發(fā)行面向整個社會。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車道。

　　在每次使用時， 系統(tǒng)將自動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，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)形象很好的國家機關(guān)和企事業(yè)單位，費用結(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[4]， 此算法僅需在電子標(biāo)簽中配置1 個8 位寄存器、1 個l 位“O”、“l(fā)”隨機數(shù)產(chǎn)生器和2 個4 位加減l 計數(shù)器以及少量選擇電路就能實現(xiàn)最多達(dá)1 048 576 個標(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）被動方標(biāo)簽中設(shè)計一個4+4 位的寄存器（Rel）和1 個“0”、“l(fā)”隨機數(shù)產(chǎn)生器（RGI），隨機數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生兩組隨機數(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 可以動態(tài)設(shè)為1、2、3 或4。

　　2）主動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”。回傳了ID 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)前有多個標(biāo)簽回傳ID，讀寫器通過CRC 校驗或碼長校驗，檢測到錯誤的ID 號，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 是一個系統(tǒng)參數(shù)，由系統(tǒng)設(shè)定，經(jīng)驗值為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，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，高位寄存器位數(shù)的改變對平均碰撞次數(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指示標(biāo)簽改變寄存器高位個數(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)成及功能實現(xiàn)

　　射頻自動識別不停車收費系統(tǒng)按其功能可分為自動識別控制子系統(tǒng)[5]、自動判斷型子系統(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)和信號控制子系統(tǒng)等。

　　1）自動識別控制子系統(tǒng)主要由射頻自動識別讀寫器、UHF射頻自動識別卡，微波天線、車道道閘控制機、收費員計算機終端等組成，它是整個不停車收費系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)控制不停車收費車道所有設(shè)備的運行、收費業(yè)務(wù)操作的管理以及與收費站計算機的通信和數(shù)據(jù)交換。

　　2）自動判斷型子系統(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。自動判斷型子系統(tǒng)在有些場合可以由用戶選擇使用[6]。

　　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、車號、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。

　　4）閉路電視子系統(tǒng)主要由車道攝像機和收費站的監(jiān)視器等組成。車道攝像機被安裝在收費島的前端，主要用于拍攝非法通過的違章車輛。

　　5）信號控制子系統(tǒng)主要由通行信號燈、偏叉信號燈和自動欄桿等組成，用于提醒駕駛員正確使用不停車收費車道。

　　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）被安裝在收費島的中間出口處，用于控制通行信號燈和偏叉信號燈的狀態(tài)；第三組環(huán)形線圈（EXIT LOOP）被安裝在收費島的出口端，用于統(tǒng)計車流量，并控制自動欄桿、通行信號燈和偏叉信號燈的工作狀態(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)展和不停車收費系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，也會隨著增長的交通需求，相信不停車收費系統(tǒng)一定會被國家、被企業(yè)、被消費者廣泛關(guān)注和接受。不停車收費系統(tǒng)在我國的市場一定會有著廣闊的光明前景。

?