超高射频技术在交通运输工程中的创新应用

赵泽群、荀天洲

（南通大学，江苏南通 226000）

0 引言

随着我国经济的飞速发展及城镇化、工业化进展的加速，交通需求量连年飞速增长，交通问题日趋严重，其主要体现在施工效率低下、道路拥堵、秩序混乱、事故增多、交通引发的环境污染严重等诸多问题[1]。目前，交通问题已经成为制约社会经济发展、人民生活水平提高的一个重要因素，着力解决交通问题也迫在眉睫。而相较于传统交通施工模式下工地作业环境复杂、作业时间膨胀、机器生产设备长期怠工、生产材料浪费、效率低下、通车公路路面易损易坏等诸多弊端，信息技术革命带来的RFID 技术能使施工场地管理效率和交通运输需求之间的矛盾得以妥善解决，以信息化建设为基础的高效交通工程管理系统得以建立。

1 RFID 技术概述

RFID 技术源于军事领域，是一项利用无线电波或微波能量，通过空间耦合实现无接触双向信息传递，并通过所传递的信息达到识别目的的技术。它无需接触或瞄准，可自由工作在各种极端恶劣的环境下，协议完备规范，抵御干扰能强，多个设备能够同时工作，且工作性能高度稳定可靠。RFID 系统由应答器（即电子标签）、读写器与计算机数据管理系统组成。其标签分为被动、半被动、主动三类形式。读写器亦分定向型、全向型与手工型三种形式，其基本内部结构有耦合、收发、控制三个模块与一个接口单元组。RFID 的数据管理部分由中心数据库的计算机组成，主要用于数据信息的存储、管理及RFID 标签的读写控制[2]。对于交通工程工地施工环节，RFID 技术能适用各种复杂的大规模施工场地内部作业环境，可以贴附于工地施工机械设备表面或内部零件，置于沥青与混凝土之中也能正常运作。此外，RFID 经历多代更新，技术成熟，成本低廉，操作简便，技术与施工人员稍加培训即可熟练使用。

2 RFID 技术在道路桥梁工程中的创新应用

道路桥梁工程面向公路交通运输等部门，从事公路、城市道路、桥梁以及隧道工程的勘察设计、试验检测、养护维修的技术管理工作。

在最早的主动模式下，RFID 贴片需要内嵌电源芯片以产生对外信号，随其拥有较长读取距离与较大存储容量，但频繁更换电池在施工过程中会增大工作量，尤其是置于机械或沥青混凝土中的电子标签，电池的续航能力尤为重要，自然成本也有所提升，后期维护置换也较为复杂。

半自动式无源标签利用小型电池驱动标签芯片，体积与成本有所降低，但有很强的局限性，只适用于工期短，规模小的施工项目。被动式标签利用RFID读写器发出的电磁波驱动内部集成电路，向读写器发回数据，则适用于不易更换的使用位置。当前RFID标签中芯片大多由集成在互补金属氧化物半导体的二极管组成，而新一期RFID 标签利用石墨烯等液态金属代替传统金属雕刻于标签特质纸板，这在增强抗干扰性的同时也进一步降低了成本。

基于这一特点，工地作业、各式机械设备与材料设备就能够放置大量RFID 标签，通过标签不同形式的排列组合及三维阵列的排列形式，能够全方位检测施工质量与作业效率、对机械设备进行有效探伤，对于机械内部裂缝位置进行三维坐标精准定位，进而增加机械设备使用寿命。

RFID 定向型读写器具有收发信号距离远、信号强等特点，但其识别角度小，通常只在60o以内；而全向型读写器具有全方位覆盖的特点，但其收发信号距离较短，不能满足长距离收发需求。针对这一特点，在施工作业中需因地制宜，根据具体情况进行选择使用，例如道路桥梁沉降段结构检测，可测量出各读写器覆盖关键点，放置定向型RFID 读写器，实时检测道路桥梁内部结构与路基结合部分，对于低水平的水泥混凝土路面养护，全向型读写器可以发挥其高效便捷的特点进行检测。目前市面上还有一种手持型读写器，在工地监管部分能发挥重要作用。其具有轻巧灵活便携的特点，小范围扫描频率高，能在半径90m 的范围内同时精准检测多种附有电子标签的物品，这极大提高了监管人员与质检人员的工作效率。

在线和离线状态下，RFID 标签均可与中心数据库建立连接，并完成数据的写入。对于具体工地作业，如山地路基路面、海底隧道、城市地下铁路等复杂环境，技术人员预先将数据写入电子标签，工地作业时直接将其附着在需被标识的物体表面，用事先存储有标签回波信息的读写器进行扫描，待接收后将数据上传至中心数据库。读写器还能对RFID 标签进行数据加密解密与身份识别，对读取到的电子标签信息进行解码和预处理；通过其内部通信模块向中心管理数据库传输接收到的数据；再将数据管理处理器的相关命令与数据通过无线信号发送给RFID 标签。若在道路桥梁作业中形成规范，就能达到降低信息时延，实现监管者与被监管者实时通信的效果。

在公路桥梁工程中，许多高精密仪器和零件价格昂贵、体积小，寻找相对困难，尤其在情况复杂的建设环境中，一旦遗失，其对于工程建设的工期延误和财产损失无疑是巨大的。基于RFID 标签的回波会携带所附着物品的电磁特性参数，且信号接收面积广，可以实现良好的定位功能。在工程建设前把高精密仪器和零件贴附RFID 标签，若物品遗失，通过对可能遗失的范围进行信号搜索，将收集到的回波信号参数进行有效分析，可以得到RFID 所附着物品的参数，以及物品所在位置的深度、距离，从而减少损失、规避延期风险。无源射频标签的低廉成本也有助于该技术的大范围应用。

无源RFID 标签通过读写器发出的信号产生定量的激励电流给电容进行短暂充电，从而迅速发出信号。标签回波的反射系数及频率与其材料的介电常数、电阻有很大关联。若贴附在物体上的标签呈现不同的曲率，如贴附在立方体和圆柱体上的物体，其电阻会发生对应的变化，若能捕捉到标签曲率变化与电阻改变存在的直接关系，对于提取标签信息的丰富性大有裨益。

RFID 技术在无损检测部分亦能发挥其重要作用。目前主流的无损检测方式主要分为超声波检测、光纤传感检测、探地雷达检测、激光等四种方式，缺点也都较为明显。

其一，超声波用作无损检测过于敏感，检测结果易受外界环境影响。

其二，光纤传感技术抗干扰性较强，但制作成本昂贵，对操作水准有很高的要求，无法大规模应用。

其三，探地雷达检测技术需要根据桥梁需检测部位的实际要求对其测量方式进行综合布局，检测局限性较强。

其四，激光方式根据光电反射原理，通过分析定点光电流位移关系对弯成位移变化达到精细计算的目标，相较于前几种有所改进，但是其具有三维化分析的缺陷，无法进行多维分析[3]。故创新型检测方法尤为重要，结合精确度、抗干扰性、实用性、廉价性、易操作性等多种因素，利用RFID 无损检测，通过建立微波暗室环境，进行桥梁内部结构三维可视化分析，标定隐患部位。

3 RFID 技术在道路交通中的应用展望

RFID 技术在目前的交通领域得到了广泛应用，它将先进的电子信息技术、数据通信系统、信号传感技术、计算机科学与控制技术等有效结合应用于地面交通管理系统[4]。通过对城市主要道路（如厦门湖滨中路、市府大道等）安装内嵌有Linux 操作系统的RFID读写器，并测试其各个RFID 读写器的覆盖范围，可以实现城市道路车辆的精确定位，并获取到关键交通路段智能信号控制区域的动态交通流数据。通过利用Python 网络爬虫程序分析动态数据，即可为交通信号配时及各路段车头时距控制提供技术指导。在许多中大型城市，公安交通管理系统为每辆机动车派发了相对应的电子身份标签（即RFID 标签），对该车辆的发动机号码、牌照等相关信息做了较为全面的记录，此标签目前已经与工商银行、建设银行、华夏银行等重要银行机构展开合作，将标签嵌入高速公路ETC 缴费卡，从而在汽车过站时采集相关信息，掌握道路最新动态[5]。

此外，在公交、警车、救护车等特殊车辆上加装射频标签读写器，一方面可以有效地对道路车辆中的主动式射频标签发送相应紧急的射频信号，从而缩短道路通行时间；另一方面该信号也可以被道路中的红绿灯所接收而相应调整绿灯时长，保证特殊车辆在到达路口时顺利通行。

鉴于主动式射频标签具有价格昂贵、电池需要长期更换等问题，被动式RFID 标签的应用将成为重要问题[6]。目前有教授团队从射频标签的反射波频入手，提出了利用RFID 的回波变化对穿过物体进行无损检测的前瞻性思路，这也为道路交通的RFID 标签设计提供了新方向。在RFID 标签识别系统中加装一个频谱分析仪，对各车辆中的频率回波复杂度加以分析，可以得出较为精确的车载人数，有效帮助交警部门检测超载车辆[7]。无芯片被动式RFID 标签的分类主要基于三部分：时域反射、频谱特性以及幅度/相位调制，其中时域反射又有可印刷和不可印刷之分，目前国内正掀起液态金属革命浪潮，若标签底板可采用柔性材料制成，其中的线圈及电容部分使用液态金属（如石墨烯）制作，便可具有优良的穿戴能力。

行人若穿戴此标签，在行人较少或事故高发道路中汽车发射的信号就可被行人反射形成应答回波，从而提醒汽车司机注意，即可大大降低行人交通事故发生率。

除了利用RFID 标签阵列，单片的RFID 标签同样可以发挥极为重要的作用。因为其拥有电容，RFID标签还可充当电容式传感器，对当前道路进行地表到空气的全方位温湿度检测[8]。基于RFID 标签的纺织电容湿度传感器主要是通过刺绣、织造和喷涂将传感器与织物整合形成的，通过遴选不同的导电纤维，可以将传感器在环境下的阻抗控制在一定范围内，从而符合更加多元化的温湿度检测精度需求。RFID 标签甚至可以缩小其面积，贴附于乘客以及驾驶员的面部，通过高斯滤波降噪处理，精准识别车内成员的唇语信息，并引导车辆操作系统完成相应功能，真正做到车内智能一体化[9]。

RFID 技术还可与其他技术相融合，如Wi-Fi、GPS 等[10]。陈超等人提出了一种基于RFID 技术和GPS 技术相结合的公交车站台定位方法，其类似于马云的无人超市检测方式，即在公交车进站路线中按照一定密度布设存储有路面信息的RFID 标签，当设有特定GPS 定位系统的公交车（相当于无人超市的货物）驶过标签时，车上阅读器接收消息并发送定位。随着我国导航领域的发展，GPS 定位系统将逐渐被北斗导航技术所取代，届时我国将在智能交通导航领域拥有更多自主权。

RFID 与Wi-Fi 的结合通常出现在道路监控及联合定位方面，在黑暗状况下，道路监控装置通常面临着拍摄画面模糊不清、定位效果不佳的问题，利用卡尔曼滤波算法和Dijkstra 算法，结合RFID 回波收集不受光线因素干扰的优势，相当于给道路监控插上了“无形之眼”，不仅优化了道路车辆监控系统，还利于道路车辆规划最优路径。

4 结语

20世纪40年代，雷达的改进与应用催生了RFID技术；90年代，RFID 技术首次在交通铁路系统应用。作为AIDC 的技术范畴，该技术在社会各领域都有涉及。交通工程包括建筑、道路信号、图像处理等诸多方面，学科交叉性强，故RFID 技术在交通方面拥有良好的应用前景。

目前RFID 的编码模式、通信原理已经相对成熟，但对其反射回波损耗引起的波频变化、制作材料等方面并没有得到较好的研究。相信随着石墨烯的广泛应用和微波毫米波领域的发展，RFID 射频标签在交通工程领域的应用会迎来新的生机。