CN102568044A - 一种基于rfid的高速公路路径识别系统及其运行方法 - Google Patents

Abstract

一种基于RFID的高速公路路径识别系统及其运行方法，包括RFID标签、N个门架式RFID标签标识站、数据处理中心、数据库、RFID标签写入设备和RFID标签读出设备；车辆行驶过程中RFID标签与门架式RFID标签标识站建立无线连接并进行数据交换，在高速公路出入口处对RFID标签进行写入和读出操作；数据处理中心处理得到的路径识别信息，相关数据保存到数据库。本发明运行方便，只需增加少量设备和对现有设备进行适当升级，就可方便实现对车辆在高速公路的路径识别，方便管理。

Description

一种基于RFID的高速公路路径识别系统及其运行方法

技术领域

本发明涉及射频识别技术领域，为一种基于RFID的高速公路路径识别系统及其运行方法。

背景技术

联网收费是目前高速公路收费方式的主要发展趋势，基本上所有发达地区都已实施了基于IC卡的高速公路联网收费系统。随着高速公路的不断建设，高速公路路网规模越来越大，路网结构越来越复杂。车辆在高速公路网内从一点到另一点，往往存在多条行驶路径。在联网收费的环境下，尤其是在投资主体多元化的路网环境下，如何确定车辆行驶的具体路径，从而对高速公路收费利润精确拆分和结算是保证各高速公路业主利益的关键。

高速公路收费依赖于对车辆的路径识别，目前采用较多的是对车主进行最短路径的收费，即车辆从起点到终点存在两条或两条以上的路径时，将最短路径作为车辆通行费的计算路径，此方法操作简便、容易执行，但不能从根本上解决路径识别问题，利润分配不准确是其最大的问题。

除了这种模糊的端点识别方法之外，还有采用精确记录车辆行车路径的方式进行识别，目前提出的方式有：

1)车牌识别。在可能出现多路径道路上设立车牌识别站，当车辆通过该处时，记录下车牌，并传至中心服务器。当车辆抵达出口收费站时，由出口的计算机从中心服务器中根据车牌查询该车辆的路径信息。

2)停车标识站法。在需要设置路径标识站的地方设置几条带收费岛的车道，车辆经过时司机需停车刷卡，设备将标识站信息写入通行IC卡。出口站根据卡内信息进行路径识别，完成收费。

3)GPS。车辆在高速公路入口收费站领取GPS电子装置，记录该车辆的行车路线，出口的收费计算机根据根据GPS电子装置中记录的行车路线进行收费。

上述精确识别方案能真实记录车辆行驶路径，能够有效的解决多义性路径识别问题，但以上方法中，车牌识别法目前主要受制于与车牌识别设备的识别率，因此车牌识别发并没有大规模使用；停车标识站法需要在高速公路主线上修建多个收费站，车辆需要停车刷卡，降低了通行效率，因而也无法得到采用；GPS设备占用空间较大而且成本太高，在高速公路收费系统中也难以实施。专利200610103766.8提出的路径识别系统提出采用RFID技术，但该专利只说明了系统运行的流程，并没有对具体实施情况进行交代，而且该专利采用的是RFID主动式标签，这种标签是一种有源标签，有源标签寿命有限、体积较大、成本较高，且不适合在恶劣环境下工作，因而也难以应用到高速公路收费系统。

发明内容

本发明要解决的问题是：车辆在高速公路行驶需要进行路径识别，现有识别方法存在精度不够，效率低，成本高，识别设备体积大等问题。

本发明的技术方案为：一种基于RFID的高速公路路径识别系统，包括RFID标签、N个门架式RFID标签标识站、数据处理中心、数据库、RFID标签写入设备和RFID标签读出设备；所述RFID标签为无源标签，设置在车辆上，在高速公路出入口设置RFID标签写入设备和RFID标签读出设备，门架式RFID标签标识站包括支撑门架、RFID写入器和RFID阅读器，支撑门架设置在高速公路上，RFID写入器和RFID阅读器设置在支撑门架上，RFID阅读器水平布置在支撑门架顶部，RFID阅读器的天线为平面天线，其天线波束覆盖范围只包含高速公路单侧车道；所述RFID标签写入设备、RFID标签读出设备、RFID写入器和RFID阅读器与数据处理中心连接，数据库存储数据处理中心的数据；高速公路在设有门架式RFID标签标识站的路段，其中央分隔带上设有信号隔离带。

所述RFID标签设有IC卡存储单元，工作频段在超高频UHF频段。

门架式RFID标签标识站的支撑门架高度为5-6米，RFID阅读器的天线波束覆盖范围在垂直方向为30-50度。

上述基于RFID的高速公路路径识别系统的运行方法为，车辆进入高速公路入口时，由RFID标签写入设备将入口信息及车辆信息写入RFID标签然后予以放行，当车辆驶入门架式RFID标签标识站标识范围时，由门架式RFID标签标识站对RFID标签进行感应并完成信息交换，RFID标签标识站将自身对应的路径信息写入RFID标签，RFID标签将标签内部信息传输给RFID标签标识站，车辆行驶过程中RFID标签与N个门架式RFID标签标识站建立无线连接并进行数据交换，直至车辆行驶到高速公路出口，RFID标签读出设备读出车辆所记载的路径信息与车辆信息，车辆从高速公路入口到出口的过程中，高速公路入口信息、RFID标签标识站信息及出口信息传输进入数据处理中心，进行路径确定，对应实现车辆路径识别。

进一步的，对于需要进行路径识别的高速公路路段，其RFID标签标识站在路段中的位置根据评价指标N确定，N为与高速公路平、纵、横指标有关的一个评价指标，以500m为单位将需要进行路径识别的高速公路路段分为小段，每小段有各自对应数量的平曲线曲率、竖曲线曲率和坡度值，

其中X_i表示小段内第i个平曲线曲率、Y_j表示小段内第j个竖曲线曲率、Z_k表示小段内第k个坡度值，选取N值最大的一个小段设置RFID标签标识站。

本发明提供了一种基于射频识别技术的路径识别系统及运行方法，在现有高速公路的基础上进行升级，植入路径识别模块，从而解决现有高速公路收费系统中的路径识别问题。本发明采用无源标签，具有寿命长、体积小成本低的特点，而且适合于恶劣环境下的工作；RFID标签建立在现有IC卡基础上，在IC卡的基础上增加射频识别模块，其大小与现在高速公路上使用的IC卡大小相当；RFID标签标识站采用的是门架式，即路中式的，不同于现有技术中的路侧式，其进步在于电磁信号可以很好的覆盖感应区，保障与RFID标签的有效传输，而且本发明在高速公路中央分隔带上设置信号隔离带，从而避免信号对对向车辆产生干扰；另外，本发明对RFID标签标识站中阅读器天线的波束宽度确定技术，这样使得RFID在路径识别中应用更为灵活；并且提出了对RFID标签标识站的选址优化技术，这样使得RFID在路径识别中更容易操作。

本发明中的RFID标签可以满足高速移动(140km/h)过程中记录远程信息，而且耗能极少，且识别率不低于99.95％，在0-15m的距离对标识站通信全面感应，RFID标签可以长期使用，而且不需要电源。

附图说明

图1为车辆进出收费站发卡收卡的流程框图。

图2为高速公路多路径识别系统实际应用示意图。

图3为RFID系统结构图。

图4为RFID阅读器结构示意图。

图5为RFID标签内部结构示意图。

图6为门架式RFID标签标识站示意图。

具体实施方式

本发明包括RFID标签、N个门架式RFID标签标识站、数据处理中心、数据库、RFID标签写入设备和RFID标签读出设备；所述RFID标签为无源标签，设置在车辆上，在高速公路出入口设置RFID标签写入设备和RFID标签读出设备，门架式RFID标签标识站包括支撑门架、RFID写入器和RFID阅读器，支撑门架设置在高速公路上，RFID写入器和RFID阅读器设置在支撑门架上，RFID阅读器水平布置在支撑门架顶部，RFID阅读器的天线为平面天线，其天线波束覆盖范围只包含高速公路单侧车道；所述RFID标签写入设备、RFID标签读出设备、RFID写入器和RFID阅读器与数据处理中心连接，数据库存储数据处理中心的数据；高速公路在设有门架式RFID标签标识站的路段，其中央分隔带上设有信号隔离带。车辆行驶过程中，RFID标签与N个门架式RFID标签标识站建立无线连接并进行数据交换，在高速公路出入口处对RFID标签进行写入和读出操作；数据处理中心根据得到的路径识别信息对通行费用进行计算和分配，相关数据保存到数据库。

RFID标签包括外壳、设置在外壳内的天线、电压调节器、调制器、解调器、逻辑控制单元、存储单元。天线与射频接口相连；所述的RFID标签首先被RFID写入设备写入车型、车辆入口等信息，然后进入间隙性工作状态，所述电压调节器将门架式RFID标签标识站送来的射频信号转换为直流电源，并经大电容储存能量，再经稳压电路以提供稳定的电源，当RFID标签高速进入电磁信号覆盖的区域时，RFID标签内部就会产生感应电流，同时标签被激活，RFID标签标识站将路径信息写入RFID标签，RFID标签将标签内部信息传输给RFID标签标识站。RFID标签同时具有原通行IC卡的功能，可以在出入口与出入口的设备完成读写操作，从而不影响其电磁感应的效用。

本发明门架式RFID标签标识站包括阅读器部分和门架系统。其中阅读器包括高频接口、信号处理与控制部分和天线，高频接口用于向RFID标签发射高频能量激活RFID标签，并负责与RFID标签的数据交流；控制部分主要负责与应用程序进行通信、控制与RFID标签的通信过程、对信号编码和解码、对阅读器和电子标签之间传输的数据进行加密解密和身份识别；阅读器的信号和能量都需要通过天线进行发射，天线采用平面天线。门架系统的支撑门架高度为5-6m，门架横跨在高速公路一侧的道路上，阅读器布设在门架顶部的中间位置，其天线的波束宽度确定方法如下：

假设高速公路为双向四车道，车道宽度为3.75m，阅读器布设高度为5m时，tanα＝0.75，则α可取为37度；当阅读器布设高度为6m时，tanα＝0.63，则α可取为32度；

若假设高速公路为双向六车道，车道宽度为3.75m，阅读器高度为5m时，tanα＝1.1，则α可取为48度；当阅读器布设高度为6m时，tanα＝0.94，则α可取为43度；

综合上述计算结果取天线波束覆盖范围在30-50度范围内波动，具体取值可根据车道数、车道宽度和阅读器布设高度进行确定：

本发明RFID的高速公路路径识别系统包括对RFID标签标识站的选址优化技术，对于需要进行路径识别的高速公路路段，其RFID标签标识站在路段中的位置根据评价指标N确定，N为与高速公路平、纵、横指标有关的一个评价指标，以500m为单位将需要进行路径识别的高速公路路段分为小段，每小段有各自对应数量的平曲线曲率、竖曲线曲率和坡度值，

其中X_i表示小段内第i个平曲线曲率、Y_j表示小段内第j个竖曲线曲率、Z_k表示小段内第k个坡度值，选取N值最大的一个小段设置RFID标签标识站。该公式来源于吉林大学的韩文彬从平面、纵断面和横断面与事故相关性进行的主成分分析，确立了主因素，建立了该交通事故与道路线性因素的多元回归方程。这里对交通事故易发(即N值较大)地段，车辆在这种地段会选择降低车速从而利于RFID标签及RFID标签标识站之间的信息传递，因而将N值较大的路段作为RFID标签选择布设的位置。

本发明基于RFID的高速公路路径识别系统及其运行方法包括如下步骤：

1)路径识别卡写入设备与读出设备分别安装在高速公路的入口和出口处；将门架式RFID标签标识站横跨安装在高速公路识别路径的车道上方；RFID标签由高速公路的入口处发放给驶入高速公路的车辆；数据处理中心、数据库安装在高速公路的收费站出入口处；

2)高速公路收费站入口处发放RFID标签时，在RFID标签写入设备上刷卡，将收费站名称、车型、进入日期时间写入RFID标签的IC卡存储模块；

3)RFID标签标识站连续发射标识站信息和电磁信号，车辆进入高速公路之后RFID标签处于间隙性工作状态；

4)RFID标签随着车辆经过RFID标签标识站的时候产生感应电流从而被激活，RFID标签将标签内信息传给标识站，标识站将路径信息传给RFID标签；

5)车辆到达高速公路收费站出口的时候，将RFID标签回收，收费站读出设备将保存在RFID标签内的入口名称、进入日期时间、车型、路径信息读出并将信息输出至数据处理中心；

6)数据处理中心处理接收的数据，计算实际里程，收取通行费，放行车辆，并将相关数据保存到数据库中；

7)RFID标签标识站得到的信息与RFID标签记录的信息相同，RFID标签标识站将信息传输给数据库，最终与RFID标签的到的数据进行对比补充，以便对RFID标签记录的信息进行核对和补充；

8)数据处理中心根据数据库中得到的核对补充后的信息进行实际路径计算和拆分，完成利润分配。

如图1所示，车辆进入收费站时由收费站的写入设备将收费站入口信息及车辆信息写入RFID标签然后予以放行，当车辆驶入RFID标签标识范围时由门架式RFID标签标识站对RFID标签进行感应并完成信息交换，最后车辆行驶到高速公路出口完成收费并驶离高速公路。其中高速公路入口信息、标识站信息及出口信息通过信息传输进入数据处理中心进行路径确定、收费计算及利润分配，同时RFID标签中也记录有以上信息，使其进入数据处理中心进行补充，最终完成收费计算及利润分配并存入数据库。

如图2所示，在高速公路需要进行路径识别的位置设置门架式RFID标签标识站，该设备实时监测RFID标签，并与进入标识范围的RFID标签进行通讯，标签信息传入标识站，标识站的路径信息传入标签。此设备具有唯一标识，其标识与设备所在路径一一对应，每个RFID标签中固定保存一个唯一标识号。

图3为RFID系统结构图，主要说明了门架式RFID标签标识站与RFID标签进行通讯的工作原理。RFID标签与标识站之间通过无线感应进行数据交换和能量传输，RFID标签信息通过阅读器接收与响应并最终传入应用系统，而应用系统将路径信息写入阅读器并通过阅读器将信息写入RFID标签。

如图4所示，射频接口产生高频发射能量，激活RFID标签并为其提供能量，对发射信号进行调制并将数据传输给RFID标签同时对来自RFID标签的射频信号进行接收和调制。逻辑控制单元为读写模块，主要负责与应用系统软件进行通信，并执行从应用系统软件发送来的指令。

图5所示的RFID标签主要完成两种信息的接收，一种信息是通过收费站入口的写入设备将入口信息和车辆信息写入ROM并进行传输，另一种信息是通过无线感应由RFID标签标识站将路径识别信息写入标签并存储到EEPROM。

图6所示门架式RFID标签标识站，门架系统的支撑门架高度为5-6m，在中央分隔带边缘设置信号隔离带，隔离带高度取1.0m，材质选用铝合金材质，避免对对向车辆标签产生影响。依据支撑门架的高度对信号发射角度进行调整，从而保证信号覆盖范围及信号强度能够满足感应要求，确保信息传输的顺利进行。

Claims (5)

1.一种基于RFID的高速公路路径识别系统，其特征是包括RFID标签、N个门架式RFID标签标识站、数据处理中心、数据库、RFID标签写入设备和RFID标签读出设备；所述RFID标签为无源标签，设置在车辆上，在高速公路出入口设置RFID标签写入设备和RFID标签读出设备，门架式RFID标签标识站包括支撑门架、RFID写入器和RFID阅读器，支撑门架设置在高速公路上，RFID写入器和RFID阅读器设置在支撑门架上，RFID阅读器水平布置在支撑门架顶部，RFID阅读器的天线为平面天线，其天线波束覆盖范围只包含高速公路单侧车道；所述RFID标签写入设备、RFID标签读出设备、RFID写入器和RFID阅读器与数据处理中心连接，数据库存储数据处理中心的数据；高速公路在设有门架式RFID标签标识站的路段，其中央分隔带上设有信号隔离带。

2.根据权利要求1所述的一种基于RFID的高速公路路径识别系统，其特征是所述RFID标签设有IC卡存储单元，工作频段在超高频UHF频段。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于RFID的高速公路路径识别系统，其特征是门架式RFID标签标识站的支撑门架高度为5-6米，RFID阅读器的天线波束覆盖范围在垂直方向为30-50度。

4.权利要求1-3任一项所述的基于RFID的高速公路路径识别系统的运行方法，其特征是车辆进入高速公路入口时，由RFID标签写入设备将入口信息及车辆信息写入RFID标签然后予以放行，当车辆驶入门架式RFID标签标识站标识范围时，由门架式RFID标签标识站对RFID标签进行感应并完成信息交换，RFID标签标识站将自身对应的路径信息写入RFID标签，RFID标签将标签内部信息传输给RFID标签标识站，车辆行驶过程中RFID标签与N个门架式RFID标签标识站建立无线连接并进行数据交换，直至车辆行驶到高速公路出口，RFID标签读出设备读出车辆所记载的路径信息与车辆信息，车辆从高速公路入口到出口的过程中，高速公路入口信息、RFID标签标识站信息及出口信息传输进入数据处理中心，进行路径确定，对应实现车辆路径识别。

5.根据权利要求4所述的基于RFID的高速公路路径识别系统的运行方法，其特征是对于需要进行路径识别的高速公路路段，其RFID标签标识站在路段中的位置根据评价指标N确定，N为与高速公路平、纵、横指标有关的一个评价指标，以500m为单位将需要进行路径识别的高速公路路段分为小段，每小段有各自对应数量的平曲线曲率、竖曲线曲率和坡度值，

其中X_i表示小段内第i个平曲线曲率、Y_j表示小段内第j个竖曲线曲率、Z_k表示小段内第k个坡度值，选取N值最大的一个小段设置RFID标签标识站。

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