高速公路RFID多义性路径识别系统解决方案

      联网收费是目前各省路网收费的大趋势，大部分省份都已实施了基于IC卡的路网收费系统。在联网收费系统中，精确拆分帐和结算是保证各高速公路业主利益的关键，而完整的、清晰的行车路径数据是实现精确拆分帐的基础。目前高速公路网日趋发达，在同一路网中，从相同的起点出发，到达相同的目的地，可以有多条不同的路径（多义性路径）供选择，而目前的收费系统只能识别起点信息和目的地信息，没有路径信息，无法按实际行车路径来结算，造成高速公路业主利益分配不均，成为联网收费的一大问题—多义性路径识别问题。

      金溢科技的高速公路RFID多义性路径识别系统综合了射频识别技术和IC卡技术的优点，采用无线路径自动标识方式精确记录车辆在路网内的行驶路径，有效解决了路网收费系统多义性路径识别问题，能同时实现路网收费应用功能和多义性路径识别应用功能。

      本系统由车载电子标签（OBU）、桌面读写机具（ODU）和路侧天线设备（RSU）组成。其中，车载电子标签由微处理器、存储单元、射频模块、天线单元、高能电池、IC卡等构成，具有433MHz无线通信功能和IC卡功能。桌面读写机具由微处理器、射频模块、天线单元、IC卡读写模块、IC卡读写天线、上位机通信模块、电源等组成，具有433MHz无线通信功能和IC卡读写功能。路侧天线设备由微处理器、射频模块、功率放大器、天线单元、远程控制模块、电源模块组成，具有433MHz无线通信功能。

      整个系统具有通信距离远、灵敏度高、可靠性高、成本低的优势，此外，系统工作流程与现有电子收费模式兼容，可通过对现有IC卡收费系统的升级来实现，显著节省投资。

      本系统方案的优点具体表现在以下方面：

      1) 综合射频识别技术和IC卡技术的优点，能精确记录车辆行驶路径并且使系统工作流程与现有收费模式兼容，非常适合存在多义性路径的复杂路网收费。

　　2) 本系统的实施可通过在现有IC卡收费系统基础上平滑升级来实现，并可与IC卡同时在路网内混合使用，有效保护原有投资。

　　3) 本系统采用了433MHz无线链路进行通信，具有通信距离远、饶过障碍物能力强的特点，且属于公用频段，无需申请无线电使用许可，易于应用。

　　4) 路侧天线设备覆盖范围大小可灵活设置，一个需要标识的路段只需安装一台天线设备，有效节省投资。

　　5) 路侧天线设备设置在路边或采用龙门架安装方式置于路面上方，不需额外土建工程，节省建设安装费用。

　　6) 系统采用不停车、高速自由流通过的路径标识方式，在解决多义性路径识别问题的同时不影响路网通行效率。

　　7) 路侧天线设备与车载电子标签的无线通信灵敏度高达-109dBm,通信距离0~300m。当车辆行驶速度在0 ~ 200km/h时，路侧天线设备与车载电子标签之间的通信稳定可靠，非常适合高速公路使用。

　　8) 桌面读写机具把IC卡读写功能和射频通信功能融为一体，体积小、操作快捷便利。

　　9) 车载电子标签、桌面读写机具都支持目前已经在交通收费行业广泛使用的非接触式逻辑加密卡等IC卡，使系统实施可以充分利用现有的收费模式和收费系统。

　　10) 车载电子标签采用了休眠模式和工作模式在不同情况下相互转换的机制，极大的降低了功耗。

　　11) 车载电子标签体积小，成本低，易于大规模推广应用。

2、设计原则

      本系统遵循以下基本设计原则：

　　1) 规范性原则――设计应该遵循国际和国内标准规范及相关规定。

　　2) 安全性原则――所设计的系统，必须达到安全标准。

　　3) 方便用户原则――开发的系统不仅能满足业务需求，且具有较好的实用性；从用户第一的角度进行设计，确保方便用户使用。

　　4) 易于维护原则――系统采用模块化设计，便于安装、配置、维护和使用。

3、系统工作原理

      高速公路RFID多义性路径识别系统的主要工作流程如下：

      车辆在路网内的移动主要包括三个阶段：路网入口、路上行驶、路网出口，系统通过车载电子标签、桌面读写机具和路侧天线设备记录车辆在每个阶段的详细路径信息，精确计算出车辆应缴纳的通行费金额并根据车辆行驶路径对收取的通行费进行精确拆分帐，使路网收费和利益分配变得非常公平合理。

      3.1 路网入口

      在路网入口，桌面读写机具在计算机控制下以无线通信方式与车载电子标签进行数据交互，清除车载电子标签存储单元内的信息，同时把车辆入口信息写入车载电子标签的IC卡模块中。车载电子标签随后被放置在车上，随车辆在路网内移动。

      3.2 路上行驶

      如图2所示，路侧天线设备设置在路边，持续对外播发所在路段的路径标识码信息。车载电子标签随车辆在路网内移动时，不断检测有无路侧天线设备发出的路径标识码信息，如果有则接收路径标识码信息并顺序保存在存储单元中。

      3.3 路网出口

      在路网出口，设备连接与图1相同。桌面读写机具在计算机控制下以无线通信方式读取车载电子标签保存的车辆入口信息和路径信息，并把相关信息发送到计算机系统，系统将根据这些信息计算收费金额和拆分帐。

4、系统设计与实现

      高速公路RFID多义性路径识别系统与现有的电子收费模式兼容，可通过对现有的IC卡收费系统的改造和升级来实现，显著节省投资。由于现有的IC卡收费系统已有众多成熟方案，因此，本章的描述重点集中在如何进行系统升级改造方面。

      RFID多义性车道系统具备了一般人工/电子收费车道系统的功能，包括数据采集、收费、车道设备控制、信息保存、设备检测、工班管理等正常车道管理功能，也可对各种特殊情况自动作出判断和处理。

      不同的是，需要把普通的车载IC卡换成同时具备433MHz无线通信功能和IC卡功能的电子标签；并把普通的IC卡读写器更换成同时具备433MHz无线通信功能和IC卡读写功能的双频读卡器，另外，需要在各个路段分别设置具有433MHz无线通信功能、可独立工作的路侧天线设备。

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      在系统应用软件方面，则需要对入口信息写入、出口路径判断与计费收费等功能模块进行增设或改造，主要是增加新设备的接口模块、对路径信息进行采集和分析，并在原有数据库中增加与路径相关的数据字段等。

      4.1 系统结构与信息流

      4.2 入口车道发卡程序

      收费员把电子标签（OBU）放置在桌面双频读卡器（ODU）上，ODU在车道软件系统控制下对OBU进行发行处理，发行成功后，收费员把OBU交给车辆驾驶员。具体包括：

　　※ 收费员把OBU放在双频读卡器（ODU）的刷卡区内；

　　※ ODU在软件系统控制下完成OBU初始化；

　　※ ODU在软件系统控制下把OBU设置为工作模式；

　　※ ODU在软件系统控制下把入口信息写入OBU；

　　※ 发行成功，系统记录发行信息，形成流水；

　　※ 收费员把OBU交给车辆驾驶员；

　　※ 系统通过一定的机制和方式把入口流水上传到数据中心。

      4.3 路径标识程序

      路侧天线（RSU）控制软件通过无线网络远程设置RSU的路径标识编码，设置成功后，RSU进入持续广播路径标识码信息的工作模式。

　　RSU设置程序如下：

　　※ RSU完成工程安装后处于上电工作状态，内置SIM卡处于有效状态；

　　※ RSU控制软件通过无线网络远程设置RSU的发射功率；

　　※ RSU控制软件通过无线网络远程设置RSU的路径标识码；

　　※ RSU控制软件通过无线网络远程设置RSU进入持续发送路径标识码信息工作模式；

　　※ 车载电子标签随车辆在路网内移动时，不断检测有无路侧天线发出的路径标识码信息，如果有则接收路径标识码信息并顺序保存在存储单元中。

      4.4 出口车道收费程序

      车辆驾驶员把OBU交给收费员，收费员把OBU放置在桌面读卡器（ODU）上，ODU在车道软件系统控制下与OBU进行信息交互，完成收费应用流程。
具体操作程序如下：

　　收费员把OBU放在读卡器刷卡区内；

　　※ ODU在软件系统控制下读取OBU保存的入口信息；

　　※ ODU在软件系统控制下读取OBU保存的路径信息；

　　※ ODU在软件系统控制下完成清除OBU数据的操作；

　　※ ODU在软件系统控制下把OBU设置为休眠模式；

　　※ 收费系统进行计费处理，成功后形成交易流水；

　　※ 系统通过一定的机制和方式把出口流水上传到数据中心。

5、关键设备

      高速公路RFID多义性路径识别系统中采用的关键设备主要有车载电子标签（OBU）、桌面读写机具（ODU）和路侧天线设备（RSU）。

      金溢科技为高速公路RFID多义性路径识别系统提供全套关键设备，其中：

      ※ 车载电子标签――可选用金溢DC200型双频电子标签（OBU）；

      ※ 桌面读写机具――可选用金溢iSpeedy-K2型双频读卡器（ODU）；

      ※ 路侧天线设备――可选用金溢Sharp-T10型信标基站（RSU）。

      上述产品完全满足既定的技术指标和多义性路径识别系统的实际需要。

      5.1 Sharp-T10型信标基站（RSU）

      5.1.1 简介

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      Sharp-T10型信标基站是一款专门设计定位于高速公路路径识别、移动物体定位、无线自动识别、物资管理智能化等应用领域的RFID射频基站天线读写设备，能够用来与符合国际主流433M、900M等ISM频段的RFID通信系统制式的电子标签进行实时双向通信，用以远程读取电子标签的信息，以及向电子标签安全写入保密数据。

      Sharp-T10型信标基站的主要功能模块组成部件包括电源模块、远程控制模块（GSM或CDMA）、主控制器、RF模块、功率放大器和天线等。RSU的安装一般在固定的场所，例如在高速公路多义性路径应用场合中，可架设在高速公路沿线的适当地点，连续对外发送所在路段的识别码，实现车辆通过高速公路不同路段时的自动标识。

      5.1.2 产品特点

      5.1.3 技术规格

      5.2 iSpeedy-K2型双频读卡器（ODU）

      5.2.1 简介

iSpeedy-K2型双频读卡器

      iSpeedy-K2型双频读卡器是一款专门设计定位于高速公路路径识别、无线自动识别、物资管理智能化等应用领域的读写设备，一般包括RFID读写模块和IC卡读写模块两个主要部分。能够用来与符合国际主流433M、900M等ISM频段的RFID通信系统制式的电子标签进行实时双向通信，也能够用来读写MIFARE I非接触式逻辑加密卡、MIFARE PRO及PRO-X系列双界面CPU卡以及DESFIRE卡片。ODU一般放置在桌面进行操作。例如在高速公路多义性路径应用场合中，ODU放置在收费亭内，实现对双频电子标签的读写操作。

      5.2.2 产品特点

      5.2.3 技术规格

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      5.2.4 DC200型双频电子标签（OBU）

      5.2.5 简介

DC200型双频电子标签外观图

      DC200型双频RFID电子标签（OBU）专门设计定位于高速公路路径识别、移动物体定位、无线自动识别、物资管理智能化等相关应用领域。通常作为被标识物体(如车辆、移动物体等)的信息存储设备（如ID信息、身份信息、属性信息等）。相关信息可以分别存储在OBU内的RFID标签和IC卡存储区中。

      DC200型双频RFID电子标签能够用来与符合国际主流433M、900M等ISM频段的RFID信标基站天线进行实时双向通信，实现对电子标签进行读写操作。也能够用来与符合国际主流433M、900M等ISM频段的RFID和IC卡读卡器进行实时双向通信，实现对RFID电子标签和IC卡进行读写操作。例如在高速公路的多义性路径应用场合中， OBU可以实现如下主要功能：在路网入口处，ODU向OBU写入车辆入口信息；在路径标识处，RSU会实时向OBU中写入车辆所经过的路径的编码信息；在路网出口处，ODU读出OBU中的车辆入口信息和车辆行驶路径信息，从而实现精确的收费和拆分。

      5.2.6 产品特点

      5.2.7 技术规格