探讨基于RFID技术的新型导向系统在京沪高速公路上的应用

马子栋，杨珂珂，贾鹏

（中建八局第二建设有限公司）

1 引言

目前，RFID技术发展迅速，从最初的无源电子标签发展到可用于高速移动场景的远程有源电子标签。由于电子标签的非接触式识别、大量数据存储以及标签的可读写内容，RFID技术可以提供快速、灵活和可靠的电子方法检测和跟踪各种目标物体。在智能交通领域的主要应用是电子停车场出入管理/自动支付管理、高速公路电子非停车收费系统和公交车监控与管理。RFID是一种非接触式自动识别技术。安装在车辆中的射频感应收发器，通过射频方法收集的每个道路交叉口的射频识别标记对应的射频信号自动识别道路信息。在电子地图中检查信息的位置以实现定位，然后分析电子地图的实时更新数据，用于定位与路线规划导航。

2 京沪高速公路说明

京沪高速公路（代码G2）是中国第一条全长的国家公路干线，连接中国的政治中心北京和经济中心上海。全长1219.2km，由7个部分组成，江苏段高速公路位置与信息（见图1）。江苏段是G2中主要路段，贯穿连接北方地区与南方地区。

图1 江苏部分道路电子地图

研究样本取自江苏省公路网的中轴线江苏段，该路段路况复杂，交通拥堵。据《经济日报》报道，2018年江苏路段恶劣天气发生事故3000次，经济损失20亿元。京沪高速公路江苏段为双向四车道，宽7m×2，两侧应急车道6m，共20m宽，两侧设置挡土墙。路灯间距12m，沿线有8个高速公路服务区。江苏路段道路横截面结构如图2所示。

图2 道路横断面

金刚教授2014年研究报告数据显示，江苏段高速路LD3与LD4路段的年平均日交通量的平均值较高，LD4路段的标准差大于其他路段，即年平均日交通量起伏较大。据国家交通局对江苏路段年交通量统计显示，2014年以来江苏路段年交通量逐年升高，王兴枢纽到丁伙枢纽的交通量明显高于其他路段。

3 德国成熟RFID制导技术的应用

据德国交通局报道，2017年，德国约有2000辆汽车在高速公路上逆着正确方向行驶（Nikol Krausz，2017）。由于公路上车辆高速行驶，存在很大的安全隐患。德国政府交通部门利用RFID技术有效地解决了这样的问题：在科隆—波恩公路入口处，每辆进入公路的车辆都贴上标签，每个十字路口都配备了读卡器。用于验证其路线是否正确的标签RFID系统中的最小读卡器数量为2。如果车辆按#1-#2顺序通过读卡器（见图3），可以建议正确的方向，但相反的顺序表明这是错误的。这个项目大大降低了事故的发生率。到目前为止，这项技术已经变得更加成熟，而且这项应用的成本也很低[1]。

图3 通过车辆电子标签设置方向

3.1 研究设计

采样京沪高速公路江苏段，根据高速公路入口和京沪高速公路与其他高速公路之间的枢纽可分为五个路段（LD1-LD5）。

3.2 数据收集方法

①江苏京沪高速公路有限公司统计表[2]。

②中国交通运输部《现代综合交通系统“十三五”发展规划（2016年）》。

3.3 数据分析方法

对2014年～2018年京沪高速公路江苏LD1段日均交通量数据进行线性规划，得到日均交通量增长曲线，然后进行时间序列分析。

3.4 分析结果

京沪高速公路建成后近10a的交通流量，通过使用Rstudio，获得如图4的线性相关函数图像。函数中显示，R2的两个部分接近1，这表明随着年份的增长，交通流量呈线性增长。这表明，尽管中国颁布了公路管理政策并实施了相关的车辆限制，但无法避免拥堵和事故等问题[2]。

图4 LD1-LD5路线-日交通量增长曲线R2决定系数

中国的工业生产链集中在江浙沪地区，给当地物流和运输带来了巨大压力。此外，每次通过高速收费站时，人工收费过程缓慢。排队收费的现象严重延长了高速公路上每辆车的行驶时间。

RFID自动收费系统可以解决该问题。2016年，德国政府使用了ITS，据民意调查数据显示该技术很有成效。该技术的工作原理是在RFID覆盖的范围内，装有IC卡的汽车可在一定范围内接受RFID标识注册的信息，通过无线网络解读标识码得到付款信息，随后该范围内扣费系统服务器接收并处理支付信息，算法准确并全程自动完成非接触支付操作。

而RFID导航射频系统的工作原理是，在车辆上装有集成电路IC卡（分布在公路收费站入口处），当进入位置信息的RFID标记覆盖的范围时，其对应的读卡器通过配置的天线发出一定频率，射频信号产生磁场，IC卡在此范围内变化。内部绕组产生感应电流获取能量，并根据读卡器指令发出自身代码，由读卡器读取、解码、数据处理设备处理，无线信道发送至监控中心调度，根据安装在车辆通过位置的读卡器读取的位置和时间信息确定车辆位置。

具体操作流程：在LD1入口处向车辆发放IC卡。此时，LD1入口处的读卡器通过内置天线激活IC卡信息。业主获得LD1路线的所有信息，了解当前拥堵状况，并通过电子地图选择最佳路线。

当车辆通过LD1和LD2交叉口时，放置在交叉口的射频识别标志通过有线或无线方式形成交通网络，同时实现机动车交通的实时定位和采集、统计、分析和处理。处理器将相关数据发送到车载数据采集设备，使驾驶员能够了解更多的路况信息（前方道路拥堵程度等），更好地选择驾驶路线，实现智能导航功能。当车辆到达LD2和LD3的交叉口时，RFID系统的工作原理与LD1和LD2的交叉口系统类似。

3.5 经济效益分析

江苏省拥有780万辆汽车，1%的年收入将加入智能交通系统平台，即8万辆汽车。车载RFID终端单价100万元，两年内销售收入16亿元。项目成果将显著提高江苏省高速公路管理水平，促进江苏省交通信息和高速公路导航的应用。项目成果将为高速公路的安全行车提供重要保障，高速公路事故率将降低40%以上，挽回经济损失超过8亿元。

3.6 经济政策支持

中国交通运输部在“十三五”政策会议上提出，为实施中国长江经济带发展战略，提高高速公路通行能力，经交通运输部和江苏省政府批准，同意投资建设京沪高速公路智能交通系统，项目预计投资314.1亿元。

4 讨论与总结

比较RFID和GPS两种不同的定位系统的组件、寿命、功能、花费与缺点，可得出它们的优缺点：首先GPS的运行依赖于距离地球2万km的246个不同轨道的卫星，而RFID的运行得力于交通工具上的射频读卡器、IC卡、电子标签与天线，RFID的组成更简单；GPS需要每年更新1或2次，RFID需要每周更新1次，GPS的寿命明显高于RFID。GPS可以准确知道车辆的准确纬度和经度、精确行驶速度、时间信息，RFID则可以帮助驾驶员阅读道路信息并规划路线并同时进行定位和导航。GPS与RFID导航仪两种设备价格分别为CNY1620和CNY540。GPS在城市地区的主要建筑物中，卫星型号较差的地区，性能和可用性急剧下降。受大气中电离层和对流层分布和人为干扰（微波发射机）的影响较大，而RFID进行车辆定位时不如GPS准确，同时其他微波发射机的信号容易干扰RFID的的信息处理[3]。

4.1 RFID系统功能的优势

①信号限制—在信号模糊的地方（隧道），标签存储其位置，这些标签的传感是定位的特殊情况。在这种情况下，RFID系统可以在GPS无法服务的区域提供位置数据。

②每次读卡器解码标签内容并发送到计算机时，信息更新，这意味着计算机每次都可以重新编码道路信息，道路信息将被刷新，地图也将相应更新。

4.2 RFID系统功能的不足

①每辆车必须在公路入口处配备IC卡和射频信号处理器，这意味着车主必须配合。

②射频信号容易被同一频率的其他信号阻断，干扰信息传输，信息完整性被破坏，不再准确。

经过以上分析，虽然RFID具有成本低、计算过程简单、标签内容可读写等特点，但其精度不如GPS。因此，根据相同的设置规范设置不同路况下的RFID设置方法是不合理的。RFID的科学设置将对提高高速公路改道区的安全系数和改道能力起到重要作用。将RFID分配到现有车道时，需要重新计算并优化RFID的位置。因此，该设计计算模型在公路RFID安装初期具有较大的应用和发展空间。