引言

高速公路被譽為一個國家走向現(xiàn)代化的橋梁，是發(fā)展現(xiàn)代交通業(yè)的必經(jīng)之路，高速公路的智能化、信息化是現(xiàn)代化高速公路發(fā)展的趨勢。在整合高速公路目前已有的硬件設(shè)備，充分利用已有的通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，引入物聯(lián)網(wǎng)的新技術(shù)，做到“車車互通，車站互通，站站互通”的“智慧高速交通”，切實解決高速公路的多路徑識別和通行費拆分是目前研究的重點內(nèi)容。

1目前高速公路聯(lián)網(wǎng)收費面臨的問題

1.1二義性路徑問題

      影響通行費拆分的主要原因是;錯綜復(fù)雜的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，形成了多重嵌套的二義性路徑環(huán)路。

      所謂二義性路徑，就是從同一個地點出發(fā)，可以通過路徑1與路徑2或路徑3到達同一個目的地，但對于通過的車輛，預(yù)先不能確定其選擇通過的是路徑1與路徑2還是路徑3,這樣的路徑1、路徑2、路徑3定義為二義性路徑。二義性路徑示意圖如圖1所示。

圖1二義性路徑示意圖

當(dāng)車輛通過二義性路徑時，由于事先無法知道車輛行駛確切路徑，就很難根據(jù)車輛的實際行駛里程，客觀、準(zhǔn)確地評估車輛的高速公路通行費的數(shù)額,進而無法合理、有效地解決通行費拆分冋題。

1.2車輛通行費的拆分問題

由于高速公路路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，有的里面具有環(huán)形結(jié)構(gòu)，隨著路網(wǎng)的不斷完善，這種環(huán)形結(jié)構(gòu)將會越來越多，而一個路網(wǎng)里面一般有多個所有公司在管理，如何確定車輛行駛路徑也就成為一個亟待解決的問題。

各省、市均在努力推進高速公路聯(lián)網(wǎng)、實行一站式收費工作。由于高速公路各路段投資業(yè)主的不同，將面臨各路公司之間通行費的拆分問題。

為解決上述問題需要進一步研究、尋找更加有效，合理的處理策略，針對性地全面解決這個難題。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)簡介

 物聯(lián)網(wǎng)是通過RFID射頻識別技術(shù)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，進行智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。

        物聯(lián)網(wǎng)作為一種大規(guī)模的自組織網(wǎng)絡(luò)，其特點包括:傳感器節(jié)點密集布設(shè)、協(xié)作式、自組織、無線通信等。物聯(lián)網(wǎng)在高速公路應(yīng)用的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示，該體系可劃分為3個層次：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

      感知層所要解決的是信息的感知與采集，主要包括RF1D及其讀寫技術(shù)、傳感器與傳感器網(wǎng)絡(luò)、RFID射頻標(biāo)簽技術(shù)等。本文中需要的RFID讀寫技術(shù)實質(zhì)上就是在高速路上構(gòu)建基于RFID技術(shù)的通信網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)對車載RFID射頻電子標(biāo)簽的識別。識別車載RFID射頻標(biāo)簽所需要的硬件設(shè)備包括：車載RFID射頻電子標(biāo)簽、在高速路入口、出口、高速路主干道標(biāo)識點上安裝的RFID射頻讀寫器等。

網(wǎng)絡(luò)層主要包括各種通信網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)形成的承載網(wǎng)絡(luò)。承載網(wǎng)絡(luò)主要是現(xiàn)行的通信網(wǎng)絡(luò)，如互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)絡(luò)等,完成物聯(lián)網(wǎng)感知層與應(yīng)用層之間的信息通信與數(shù)據(jù)傳輸。

應(yīng)用層主要由各種應(yīng)用系統(tǒng)組成，主要功能包括對感知層采集的數(shù)據(jù)進行匯集、轉(zhuǎn)換、分析與共享，以及為用戶提供物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用接口，為各種用戶設(shè)備及終端提供應(yīng)用服務(wù)。并實現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速公路多路徑識別和費用拆分方面的具體應(yīng)用。

3物聯(lián)網(wǎng)在路徑識別應(yīng)用中的實施方案

本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的多路徑識別和通行費拆分方案，本著實用、高效、節(jié)約的原則，設(shè)計實現(xiàn)相應(yīng)系統(tǒng)。初期系統(tǒng)設(shè)計與現(xiàn)有的高速公路收費系統(tǒng)配套使用，不用大規(guī)模地改造現(xiàn)有的收費系統(tǒng)和設(shè)備，只需要將現(xiàn)有高速公路收費系統(tǒng)中使用的通行卡換成復(fù)合有有源RFID射頻電子標(biāo)簽的通行卡，現(xiàn)有通行卡讀寫器換成RFID射頻讀寫設(shè)備，在高速公路存在二義性的路段設(shè)置標(biāo)識點，并安放RFID射頻讀寫設(shè)備，就可以以比較低的前期投入和營運、管理成本，解決現(xiàn)存的高速公路收費及拆分問題。

3.1方案基本原理

多路徑識別的基本思路是識別出路網(wǎng)中每一輛車的實際行駛路徑，避免路網(wǎng)中出現(xiàn)行駛路徑的歧義，從而解決路網(wǎng)中多路徑問題。而在聯(lián)網(wǎng)收費的路網(wǎng)中，并不是每一路段的信息均需要確定才能識別路徑。有些出入口間的路徑具有多條，這時車輛行駛的路段信息則可以通過標(biāo)識方法來獲取，而車輛的行駛路徑則可以根據(jù)出口信息、人口信息、標(biāo)識信息來識別。

通過標(biāo)識方法識別車輛行駛路徑的基本原理是通過RFID射頻技術(shù)采集車輛行駛路徑信息，確認(rèn)車輛行駛路徑。在封閉式的聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)環(huán)境下車輛通過路網(wǎng)時已經(jīng)具備了出口信息和入口信息兩項信息，因此，識別車輛行駛路徑，則只需要確定車輛行駛的路段標(biāo)識站信息即可。

3.2方案概述

通過有源RFID射頻復(fù)合通行卡取代現(xiàn)有車輛通行卡。該卡內(nèi)復(fù)合了RF1D有源電子標(biāo)簽；通過使用RFID射頻讀寫器，取代目前車輛通行卡讀寫器;研制開發(fā)路側(cè)識別系統(tǒng)，在路網(wǎng)存在二義性的路段安裝。車輛在自由行駛的情況下,RFID射頻讀寫器準(zhǔn)確對有源RFID電子標(biāo)簽進行識別，并將必要的路段標(biāo)識站信息寫入有源RFID復(fù)合通行卡中。

司機在高速公路入口時領(lǐng)取有源RFID復(fù)合通行卡，當(dāng)車輛高速通過二義性路段標(biāo)識點時,路側(cè)識別系統(tǒng)可將路段標(biāo)識站信息寫入卡中，在出口通過RFID讀寫器讀取出卡內(nèi)的入口和路段標(biāo)識信息，確定行駛路徑。這樣就可以結(jié)合目前的高速公路聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)多義性路徑識別，完成收費和拆分結(jié)算。

車輛從高速路的入口進入高速公路，在路上行駛時經(jīng)過若干路段標(biāo)識點，然后在某一個收費站的出口駛出高速公路，這個過程中各點的任務(wù)如下：

(1) 高速公路收費站入口

司機在高速路人口車道處，領(lǐng)取一張復(fù)合有“有源RFID電子標(biāo)簽”的通行卡。利用RFID讀寫器向電子標(biāo)簽中寫入入口信息，并由司機攜帶上路。

(2) 路段標(biāo)識站

當(dāng)車輛行駛至具有二義性路段標(biāo)識點的路徑時，安裝于標(biāo)識點車道的RFID讀寫器會實時向RFID電子標(biāo)簽中寫入本路段標(biāo)識站的信息。

(3) 高速公路收費站出口

車輛行駛至高速路的出口車道時，司機把復(fù)合有"RFID電子標(biāo)簽”通行卡交回給收費員，用RFID讀寫器讀取出RFID電子標(biāo)簽存儲的高速路入口、二義性路段標(biāo)識點信息，然后由車道系統(tǒng)組合到本次交易流水中去，傳送至結(jié)算中心后臺進行分賬。

(4) 數(shù)據(jù)中心

提供后臺的信息管理與通行費計算、收取和拆分等服務(wù)。

具有多路徑識別系統(tǒng)的基本示意圖如圖3所示。

3.3方案中需要解決的關(guān)鍵問題

(1) RFID射頻電子標(biāo)簽的封裝

RFID射頻電子標(biāo)簽的封裝形態(tài)：要求識別速度快、識別準(zhǔn)確度高、封裝成本低、封裝中盡量避免由于外部封裝材料而引起無法識別的現(xiàn)象。同時便于攜帶以及與現(xiàn)有通行卡的有機合成將是需重點研究的內(nèi)容。

(2) RFID射頻電子標(biāo)簽的高速識別

要實現(xiàn)高速公路路徑識別，首先要解決的問題就是實現(xiàn)RFID射頻電子標(biāo)簽的高速識別問題。車輛在高速公路上行駛，正常速度為100?120km/h.標(biāo)識站中RFID讀寫器可以覆蓋的有效距離大約為100m,所以車輛通過RFID讀寫器射頻范圍的時間只有約幾十毫秒。這么短的時間要能夠正確地向車載RFID射頻電子標(biāo)簽寫入標(biāo)識站的數(shù)據(jù)信息，是需要解決的關(guān)鍵問題。

圖3多路徑識別功能示意圖

考慮以上因素，本方案首先要研究采用RFID電子標(biāo)簽采用超高頻有源設(shè)計，它具有識別距離遠(yuǎn)(200?500m)、寫入速度快(20000b/s)等特征，可以大大提高識別的距離與寫入數(shù)據(jù)的速度。

(3) 軟件與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

前臺功能軟件與后臺數(shù)據(jù)庫的設(shè)計:前臺功能軟件與后臺數(shù)據(jù)庫是整個系統(tǒng)功能的核心，可以分為2大部分:路徑拆分與結(jié)算；高速公路通行費的計算與分析。

(4) 路段標(biāo)識站建設(shè)方案

路段標(biāo)識站是實現(xiàn)路徑識別和通行費用精確拆分的重要組成部分，路段標(biāo)識站需建設(shè)在有二義性路徑的主干道上，能夠明確標(biāo)識車輛是否經(jīng)過了該路段。RFID讀寫器可架設(shè)在橫跨高速公路的龍門架上，通過對車載RFID射頻電子標(biāo)簽的識別，并把路段標(biāo)識點的信息寫入RF1D射頻電子標(biāo)簽中，實現(xiàn)對車輛行駛路徑的確認(rèn)，負(fù)責(zé)識別車輛、保存數(shù)據(jù)以及與數(shù)據(jù)中心通信并及時上傳車輛的通行信息。

(5) 路段標(biāo)識站的選擇

路段標(biāo)識站的工程點的選擇是一個非常重要的問題，選擇得當(dāng)，可以大大節(jié)約資金，提高效率。

① 安裝RFID瀆寫器應(yīng)盡量利用現(xiàn)有安裝情報板的龍門架，以節(jié)省投資；

② 對于路段上無龍門架的增加龍門架，新增龍門架的地點盡量靠近收費站或者服務(wù)區(qū)，便于保證電源與傳輸；

③ 新增龍門架的地點處到前方200m處，保持路段平直，以便提高RFID射頻電子標(biāo)簽識別精度。

4結(jié)論

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的已經(jīng)比較成熟，被廣泛的應(yīng)用到多個領(lǐng)域。在此研究利用車載有源RF1D射頻電子標(biāo)簽，作為路徑信息記錄載體，并開展技術(shù)方案和系統(tǒng)設(shè)備的開發(fā)和研究。該方案研究成功將能夠為解決全國性難題一高速公路聯(lián)網(wǎng)收費二義性路徑問題提供有效手段，實現(xiàn)高速公路通行費的據(jù)實收取、合理拆分現(xiàn)象。將使高速公路各業(yè)主間和過往車輛的利益得到了真實的保護，進一步提高高速公路的服務(wù)和管理水平，使聯(lián)網(wǎng)管理、收費的效率和網(wǎng)絡(luò)的整體效應(yīng)得以全面發(fā)揮。項目具有廣闊的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化前景。