引 言

射頻識別（RFID）具有遠(yuǎn)距識別、多目標(biāo)識別、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識別等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于智能交通領(lǐng)域。其中，由于被動(dòng)式超高頻 RFID 的電子標(biāo)簽不需要電池，成本低廉、維護(hù)方便，已被基于 RFID 的電子車證系統(tǒng)廣泛采用。

電子車證是RFID在智能交通領(lǐng)域的一種典型應(yīng)用。在電子車證系統(tǒng)中，包含RFID電子標(biāo)簽的電子車證通常安裝在車輛的前擋風(fēng)玻璃上，電子標(biāo)簽包含車輛的號牌等信息；包含讀寫器及天線的數(shù)據(jù)采集設(shè)備安裝在道路上方或停車場的出入口處。當(dāng)車輛經(jīng)過讀寫器天線作用區(qū)域時(shí)，車輛上的電子車證被讀寫器識別，電子標(biāo)簽包含的信息被讀寫器讀取，這些信息可以被數(shù)據(jù)采集設(shè)備傳送到后臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步處理。

本文根據(jù)電子車證系統(tǒng)項(xiàng)目開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合智能交通系統(tǒng)體系框架和RFID應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種電子車證系統(tǒng)。本文將首先描述電子車證系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)，然后描述各個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，隨后給出架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)情況，最后是結(jié)論和未來的工作。

1系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

電子車證系統(tǒng)屬于RFID的智能交通應(yīng)用，因此其架構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮結(jié)合智能交通系統(tǒng)架構(gòu)和RFID應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)的特點(diǎn)。

根據(jù)智能交通體系框架設(shè)計(jì)理論，電子車牌系統(tǒng)的架構(gòu)主要包括從用戶服務(wù)、邏輯架構(gòu)和物理架構(gòu)等方面描述系統(tǒng)。其中，用戶服務(wù)描述系統(tǒng)對外提供的服務(wù)及服務(wù)領(lǐng)域；邏輯架構(gòu)描述系統(tǒng)內(nèi)部組成元素及組成元素之間的數(shù)據(jù)交換關(guān)系，物理架構(gòu)則描述系統(tǒng)內(nèi)部組成元素之間的通信連接關(guān)系。

在電子車證系統(tǒng)中，其服務(wù)領(lǐng)域?yàn)榻煌ü芾?，提供的服?wù)主要為實(shí)時(shí)的交通流信息服務(wù)和非實(shí)時(shí)的交通流分析和數(shù)據(jù)挖掘服務(wù)。

從RFID應(yīng)用系統(tǒng)的角度，RFID包括對象標(biāo)識、數(shù)據(jù)采集、RFID中間件和應(yīng)用系統(tǒng)等4個(gè)層次田。在電子車證中,整個(gè)系統(tǒng)在邏輯上由5部分組成，包括車證發(fā)行子系統(tǒng)、電子車證（對象標(biāo)識）、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)整合子系統(tǒng)（RFID中間件）、業(yè)務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng)，其頂層邏輯架構(gòu)如圖1所示。其中,車證發(fā)行子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對電子車證從初始化、發(fā)行、使用到作廢等全生命周期的管理；電子車證攜帶車輛的號牌等信息；數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)利用RFID和基于圖像的車牌等手段，實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動(dòng)車輛和靜止車輛信息的采集；數(shù)據(jù)整合子系統(tǒng)利用RFID中間件技術(shù)、數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，管理分布在道路各處的數(shù)據(jù)采集設(shè)備的管理，實(shí)現(xiàn)多種采集手段采集到的數(shù)據(jù)的融合，并進(jìn)行實(shí)時(shí)事件檢測以及交通流數(shù)據(jù)分析和挖掘,將交通流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為交通流信息；業(yè)務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng)則用于支持各種具體的車輛管理業(yè)務(wù)。

根據(jù)電子車證系統(tǒng)各個(gè)組件的分布情況，電子車證系統(tǒng)的物理架構(gòu)分為車載的電子車證、路側(cè)的數(shù)據(jù)采集、后端系統(tǒng)等3個(gè)部分。其中，后端系統(tǒng)包括車證發(fā)行、數(shù)據(jù)整合和業(yè)務(wù)應(yīng)用。電子車證系統(tǒng)的頂層物理架構(gòu)如圖2所示。車證發(fā)行子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)整合子系統(tǒng)和業(yè)務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng)通過交通管理部門的內(nèi)部計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)，數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)通過電信部門的3G網(wǎng)絡(luò)和交通管理部門的接入平臺(tái)，將采集到的交通流數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇煌ü芾聿块T的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中。車證發(fā)行子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)則通過射頻識別的空中接口協(xié)議，與電子車證進(jìn)行交互，識別電子車證，向電子車證寫入信息或讀取電子車證中的信息。其中的接入平臺(tái)由路由器、防火墻、入侵檢測系統(tǒng)和代理服務(wù)器等組成，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部3G網(wǎng)絡(luò)之間的隔離。

2子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1電子車證

本電子車證系統(tǒng)的主要功能是標(biāo)識車輛的身份。該電子車證系統(tǒng)采用符合ISO/IEC18000-6C（EPCC1G2）國際標(biāo)準(zhǔn)的電子標(biāo)簽，條件成熟時(shí)，將采用符合GB/T29768-2013國家標(biāo)準(zhǔn)的電子標(biāo)簽。這兩種標(biāo)準(zhǔn)的被動(dòng)式超高頻電子標(biāo)簽，不帶電池，由讀寫器提供能量，成本低廉、維護(hù)方便。

電子標(biāo)簽的存儲(chǔ)區(qū)分為保留區(qū)、EPC區(qū)、TID區(qū)和用戶區(qū)，其中，保留區(qū)主要存儲(chǔ)各種密碼，只能寫入，不能讀取；

EPC區(qū)存儲(chǔ)物品的標(biāo)識，可以寫入和讀取，大部分電子標(biāo)簽的EPC區(qū)存儲(chǔ)容量為96b；TID區(qū)存儲(chǔ)標(biāo)簽生產(chǎn)廠商在標(biāo)簽

出廠時(shí)寫入唯一標(biāo)識符，包括廠商標(biāo)識符和序列號，TID區(qū)只能讀取，不能寫入；用戶區(qū)存儲(chǔ)物品的額外信息，用戶區(qū)的存儲(chǔ)容量從0到64kb不等，常見的是512b。

根據(jù)空中接口協(xié)議，電子標(biāo)簽被識別時(shí)，首先返回給讀寫器的數(shù)據(jù)是存儲(chǔ)在EPC區(qū)中的數(shù)據(jù)，為讀取TID區(qū)和用戶區(qū)中的數(shù)據(jù)，需要讀寫器再發(fā)送讀取指令。因此，EPC區(qū)中的讀取速度最快。對于電子車證應(yīng)用，通常要求在車輛高速運(yùn)動(dòng)下也能識別車輛，這樣，車輛的號牌等數(shù)據(jù)應(yīng)該存儲(chǔ)在EPC區(qū)中，其他數(shù)據(jù)應(yīng)存儲(chǔ)在用戶區(qū)中，這可以保證車輛速度在180km/h的情況下，也能被正確識別。

電子車證的安全性主要包括數(shù)據(jù)私密性、數(shù)據(jù)完整性和車證真實(shí)性等［5］。為保證EPC區(qū)和用戶區(qū)中數(shù)據(jù)的私密性，可以采用對稱分組加密算法，在數(shù)據(jù)寫入標(biāo)簽前，加密數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)從標(biāo)簽讀取后，解密數(shù)據(jù)。為保證數(shù)據(jù)的完整性，可以在加密數(shù)據(jù)的同時(shí)，生成消息驗(yàn)證碼（MessageAuthenticationCode，MAC），與數(shù)據(jù)一起存儲(chǔ)。同時(shí)，對EPO區(qū)和用戶區(qū)增加訪問密碼（寫保護(hù)密碼）。數(shù)據(jù)加密密鑰和訪問密碼都可以利用標(biāo)簽的TID分散主密鑰得到。電子車證的真實(shí)性由兩個(gè)措施來保證：電子標(biāo)簽采用防拆卸的陶瓷封裝方式，后臺(tái)系統(tǒng)監(jiān)控電子車證在各個(gè)采集點(diǎn)處出現(xiàn)情況。2.2車證發(fā)行子系統(tǒng)

車證發(fā)行子系統(tǒng)的功能比較簡單，主要實(shí)現(xiàn)電子車證生命周期管理，包括標(biāo)簽的初始化、寫入車輛信息、電子車證的掛失解掛、電子車證報(bào)廢等管理。

2.3數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)

電子車證數(shù)據(jù)采集分為3種采集方式。其中固定式采集,試講采集設(shè)備安裝在道路上方，實(shí)現(xiàn)對高度運(yùn)動(dòng)車輛的識別；而移動(dòng)式采集，則將采集設(shè)備安裝在車輛上、停車場出入口、或臨時(shí)安裝在路測，主要實(shí)現(xiàn)對低速運(yùn)動(dòng)車輛的識別；手持式采集，是管理人員利用手持式采集設(shè)備實(shí)現(xiàn)對靜止車輛的識別。

由于數(shù)據(jù)采集設(shè)備與后臺(tái)通過廣域網(wǎng)連接，為防止網(wǎng)絡(luò)中斷丟失數(shù)據(jù)，需要數(shù)據(jù)采集設(shè)備具有本地存儲(chǔ)功能和一定的處理能力。因此，固定式采集設(shè)備和移動(dòng)式采集設(shè)備采用工控機(jī)加RFID讀寫模塊的方式，手持式采集設(shè)備采用手持計(jì)算機(jī)加讀寫模塊的方式。

根據(jù)應(yīng)用要求，固定式采集設(shè)備又分為RFID數(shù)據(jù)采集設(shè)備和綜合數(shù)據(jù)采集設(shè)備兩類。一臺(tái)RFID數(shù)據(jù)采集設(shè)備配備一個(gè)RFID讀寫器、2?4個(gè)天線，可采集2?4個(gè)車道上的電子車證。一臺(tái)綜合采集設(shè)備配備一個(gè)RFID讀寫器、2個(gè)天線、2臺(tái)圖像/視頻采集設(shè)備，天線的作用范圍與圖像/視頻采集設(shè)備的作用范圍盡量保持一致，由于實(shí)現(xiàn)了車輛電子車證和車牌的識別和融合，從而具有一定的取證功能。RFID采集設(shè)備的軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示，綜合采集設(shè)備的軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

RFID采集設(shè)備軟件分為設(shè)備控制、數(shù)據(jù)過濾和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?個(gè)模塊。設(shè)備控制模塊的功能是設(shè)置讀寫器參數(shù)，控制讀寫器識別電子標(biāo)簽、讀取電子標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)過濾模塊實(shí)現(xiàn)簡單的消除重復(fù)讀取的功能，根據(jù)設(shè)置，刪除一段時(shí)間內(nèi)重復(fù)讀取到的電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)，同時(shí)，利用讀取到的重復(fù)數(shù)據(jù)，計(jì)算交通擁擠程度，以充分利用RFID數(shù)據(jù)的價(jià)值。數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)與后臺(tái)數(shù)據(jù)整合的通信接入部分的交互,向后臺(tái)傳輸采集到電子車證信息和交通擁擠程度，同時(shí)接收后臺(tái)傳輸?shù)淖x寫器配置命令，配置讀寫器參數(shù)，實(shí)現(xiàn)讀寫器固件、數(shù)據(jù)采集軟件本身的在線升級。數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)了讀寫器的適配功能，允許電子車證系統(tǒng)中存在多種廠商的讀寫器，只需要數(shù)據(jù)傳輸模塊和后臺(tái)之間的通信協(xié)議符合系統(tǒng)規(guī)定的要求即可。

綜合采集設(shè)備軟件分為5個(gè)模塊：RFID設(shè)備控制、RFID數(shù)據(jù)過濾、車牌識別、數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)備控制、數(shù)據(jù)過濾和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?個(gè)模塊的功能與RFID采集設(shè)備軟件對應(yīng)模塊相同。車牌識別模塊用于控制圖像/視頻采集，并識別圖像中的車牌，保存包含車牌的圖像。數(shù)據(jù)融合模塊將車牌識別的結(jié)果和RFID數(shù)據(jù)采集的結(jié)果融合，以車牌識別的結(jié)果為基準(zhǔn)，對于時(shí)刻t識別到的車牌，在電子車證中尋找采集時(shí)間在t+At內(nèi)與這個(gè)車牌匹配的車牌，作為融合結(jié)果，將車牌和電子車證關(guān)聯(lián)，否則認(rèn)為出現(xiàn)車牌誤識或RFID漏識,無法融合。

2.4數(shù)據(jù)整合子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)整合子系統(tǒng)采用RFID中間件的思想設(shè)計(jì)。RFID中間件是介于讀寫器和應(yīng)用系統(tǒng)之間的軟件系統(tǒng)冋。RFID中間件的主要功能包括：屏蔽各種讀寫器之間的差異，為應(yīng)用系統(tǒng)訪問、配置和管理讀寫器提供統(tǒng)一的接口；對讀寫器采集到的與標(biāo)簽有關(guān)的事件和數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾、匯集和計(jì)算，減少從讀寫器傳送到應(yīng)用系統(tǒng)的海量原始數(shù)據(jù)；面向不同的應(yīng)用，提供統(tǒng)一的服務(wù)接口，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的透明操作。

由于上述RFID中間件的功能主要針對物流供應(yīng)鏈的RFID應(yīng)用。在電子車證系統(tǒng)中，備識別的車輛移動(dòng)速度較快,在讀寫器天線的作用范圍內(nèi)不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)車輛。因此，電子車證中間件的數(shù)據(jù)過濾功能要求不高，而對實(shí)時(shí)事件檢測和數(shù)據(jù)分析的功能要求較高。

根據(jù)應(yīng)用對電子車證系統(tǒng)中間件的需求，我們將屏蔽讀寫器差異的讀寫器適配功能、部分?jǐn)?shù)據(jù)過濾功能、數(shù)據(jù)處理功能和數(shù)據(jù)融合功能從數(shù)據(jù)整合系統(tǒng)移動(dòng)到數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，以減輕數(shù)據(jù)整合子系統(tǒng)的負(fù)載。在數(shù)據(jù)整合子系統(tǒng)中，我們增加了實(shí)時(shí)事件檢測功能、數(shù)據(jù)分析功能和數(shù)據(jù)挖掘功能。數(shù)據(jù)整合子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

在圖5中，數(shù)據(jù)整合子系統(tǒng)主要由8個(gè)模塊組成，并通過4個(gè)接口與其他子系統(tǒng)交互。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)通過TCP接口，與數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；用戶通過Web接口，與配置管理模塊進(jìn)行交互，配置數(shù)據(jù)采集設(shè)備的工作參數(shù)，查看數(shù)據(jù)采集設(shè)備工作狀態(tài)，并配置事件檢測規(guī)則；業(yè)務(wù)應(yīng)用通過TCP接口，從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理模塊獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)事件;業(yè)務(wù)應(yīng)用通過WebService接口,獲取歷史數(shù)據(jù)和歷史事件,并調(diào)用數(shù)據(jù)整合子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘模塊，對歷史數(shù)據(jù)和事件進(jìn)行分析和挖掘。

根據(jù)電子車證應(yīng)用需求，事件檢測模塊主要檢測的實(shí)時(shí)事件包括：超速、套牌、車輛行駛異常、違規(guī)行駛。所謂超速就是同一個(gè)車牌連續(xù)出現(xiàn)在兩個(gè)不同數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的時(shí)間之差小于規(guī)定的時(shí)間差。所謂套牌就是同一車牌連續(xù)出現(xiàn)在兩個(gè)不同數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的時(shí)間之差小于在物理上可能的時(shí)間差，這通常是由于一輛車使用了偽造的車牌或電子車證。車輛行駛異常指的是指定的車輛在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒有被數(shù)據(jù)采集點(diǎn)檢測到。違規(guī)行駛是指某些車輛在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，行駛到不允許出現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。事件檢測將原始的（車牌，地點(diǎn)，時(shí)間）數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)換為（車牌，地點(diǎn)，時(shí)間，事件）信息，使得交通管理人員能根據(jù)檢測到的事件，及時(shí)采取措施，調(diào)節(jié)交通流，提高道路利用效率。

在對交通流事件進(jìn)行分析和挖掘前，需要原始數(shù)據(jù)進(jìn)行去重、補(bǔ)漏和分段。如果同意車牌由于停留在一個(gè)采集點(diǎn)被重復(fù)采集多次，則只需要保留第一次和最后一次的采集數(shù)據(jù)，其他重復(fù)數(shù)據(jù)被刪除。如果同一車牌連續(xù)經(jīng)過A、B兩個(gè)采集點(diǎn)，但沒有被A、B之間的車輛必須經(jīng)過的C點(diǎn)采集到，則需要補(bǔ)上這個(gè)車輛經(jīng)過C的數(shù)據(jù)。如果同一車牌連續(xù)經(jīng)過A、B兩個(gè)采集點(diǎn)的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于A、B兩點(diǎn)的正常行駛時(shí)間，則認(rèn)為車輛在A、B之間進(jìn)行了停留，這個(gè)車輛的序列數(shù)據(jù)在A、B兩點(diǎn)之間斷開，形成兩個(gè)序列。

對電子車證系統(tǒng)的交通流數(shù)據(jù)的分析采用RFID數(shù)據(jù)倉庫的方式,電子車證在采集點(diǎn)處的停留事實(shí)表（車牌，地點(diǎn),起始時(shí)間，停留時(shí)間）和在兩個(gè)采集點(diǎn)之間的遷移事實(shí)表（車牌，地點(diǎn)1,地點(diǎn)2,起始時(shí)間，遷移用時(shí)間），根據(jù)各個(gè)維度的信息的概念層次，分析各個(gè)時(shí)段、各種車輛類型在各個(gè)采集點(diǎn)或區(qū)域的流量和平均行駛時(shí)間情況。

對于電子車證的交通流數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)挖掘主要包括頻繁路徑挖掘和軌跡分析。熱點(diǎn)路徑分析、將各個(gè)車輛的數(shù)據(jù)按照時(shí)間順序排列，分段形成行駛序列。發(fā)現(xiàn)某個(gè)或某類車輛頻繁出現(xiàn)的路徑序列或子序列，可以了解各類車輛頻繁行駛的路徑，了解車輛行駛狀況和有關(guān)趨勢。通過軌跡分類，可以了解交通流的匯聚和分散情況。數(shù)據(jù)挖掘的結(jié)果可以輔助交通管理部門分析交通擁擠原因，輔助道路規(guī)劃部門改善道 路規(guī)劃。

3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文所提出的電子車證系統(tǒng)架構(gòu)已經(jīng)在兩個(gè)大型體育賽 事的電子車證系統(tǒng)、一個(gè)特種車輛監(jiān)控系統(tǒng)等多個(gè)實(shí)際項(xiàng)目中 實(shí)現(xiàn)。其中一個(gè)大型體育賽事的電子車證系統(tǒng)中，涉及約2萬 輛機(jī)動(dòng)車、32個(gè)固定式采集斷面(一個(gè)斷面是道路的一個(gè)方向， 安裝有1~2臺(tái)采集設(shè)備)、14個(gè)移動(dòng)采集點(diǎn)、90個(gè)手持采集設(shè) 備。圖6給出了 2臺(tái)固定式采集設(shè)備安裝在道路一個(gè)斷面上方 的情景，圖7所示是固定式采集設(shè)備安裝在橋梁上的情景。

圖8給出了數(shù)據(jù)分析模塊對固定式采集設(shè)備采集到的賽 事車輛流量的分析結(jié)果。圖8(a)給出了賽事車輛在一個(gè)月內(nèi) 各日的交通流量分布，圖8(b)給出了某個(gè)采集斷面在一個(gè)月 內(nèi)各日的交通流量分布可以看出，在賽事期間的12日?22日， 采集到的電子車證數(shù)目較多。圖8(c)給出了賽事車輛在一個(gè) 月內(nèi)各個(gè)時(shí)段交通流量分布，圖8(d)給出了某個(gè)采集斷面在 一個(gè)月內(nèi)各個(gè)時(shí)段交通流量分布?？梢钥闯觯诿咳??4時(shí), 道路上的賽事車輛較少，一個(gè)月內(nèi)累計(jì)流量不到1 000輛次； 而在8?10時(shí)、15?19時(shí)道路上的賽事車輛較多。

5結(jié)語

本文結(jié)合智能交通系統(tǒng)體系框架和 RFID 中間件思想，設(shè)計(jì)了一種電子車證系統(tǒng)的架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對交通流數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、可靠傳輸和智能處理。多個(gè)電子車證項(xiàng)目的實(shí)施驗(yàn)證了所提出的架構(gòu)的可行性。

隨著電子車證系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，系統(tǒng)中涉及的車輛數(shù)目和采集點(diǎn)數(shù)目不斷增加，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量也急劇擴(kuò)大，這對數(shù)據(jù)整合子系統(tǒng)的處理能力提出了挑戰(zhàn)。我們正在研究將數(shù)據(jù)整合子系統(tǒng)作為一種軟件服務(wù)（SaaS），向各種應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)，以利用云計(jì)算的強(qiáng)大處理能力和可伸縮性，來解決電子車證系統(tǒng)規(guī)模急劇擴(kuò)大帶來的問題。

20211222_61c3451c160f4__基于射頻識別的電子車證系統(tǒng)設(shè)計(jì)