引言

高速公路被譽(yù)為一個(gè)國(guó)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(shì)。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(shí)解決高速公路的多路徑識(shí)別和通行費(fèi)拆分是目前研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

1目前高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)面臨的問(wèn)題

1.1二義性路徑問(wèn)題

      影響通行費(fèi)拆分的主要原因是;錯(cuò)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(gè)地點(diǎn)出發(fā)，可以通過(guò)路徑1與路徑2或路徑3到達(dá)同一個(gè)目的地，但對(duì)于通過(guò)的車輛，預(yù)先不能確定其選擇通過(guò)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(guò)二義性路徑時(shí)，由于事先無(wú)法知道車輛行駛確切路徑，就很難根據(jù)車輛的實(shí)際行駛里程，客觀、準(zhǔn)確地評(píng)估車輛的高速公路通行費(fèi)的數(shù)額,進(jìn)而無(wú)法合理、有效地解決通行費(fèi)拆分冋題。

1.2車輛通行費(fèi)的拆分問(wèn)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(huì)越來(lái)越多，而一個(gè)路網(wǎng)里面一般有多個(gè)所有公司在管理，如何確定車輛行駛路徑也就成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

各省、市均在努力推進(jìn)高速公路聯(lián)網(wǎng)、實(shí)行一站式收費(fèi)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(fèi)的拆分問(wèn)題。

為解決上述問(wèn)題需要進(jìn)一步研究、尋找更加有效，合理的處理策略，針對(duì)性地全面解決這個(gè)難題。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)簡(jiǎn)介

 物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)RFID射頻識(shí)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(jìn)行智能化識(shí)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(diǎn)包括:傳感器節(jié)點(diǎn)密集布設(shè)、協(xié)作式、自組織、無(wú)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(gè)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(xiě)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(xiě)技術(shù)實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)車載RFID射頻電子標(biāo)簽的識(shí)別。識(shí)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(shí)點(diǎn)上安裝的RFID射頻讀寫(xiě)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(dòng)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(duì)感知層采集的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速公路多路徑識(shí)別和費(fèi)用拆分方面的具體應(yīng)用。

3物聯(lián)網(wǎng)在路徑識(shí)別應(yīng)用中的實(shí)施方案

本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的多路徑識(shí)別和通行費(fèi)拆分方案，本著實(shí)用、高效、節(jié)約的原則，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)系統(tǒng)。初期系統(tǒng)設(shè)計(jì)與現(xiàn)有的高速公路收費(fèi)系統(tǒng)配套使用，不用大規(guī)模地改造現(xiàn)有的收費(fèi)系統(tǒng)和設(shè)備，只需要將現(xiàn)有高速公路收費(fèi)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(xiě)器換成RFID射頻讀寫(xiě)設(shè)備，在高速公路存在二義性的路段設(shè)置標(biāo)識(shí)點(diǎn)，并安放RFID射頻讀寫(xiě)設(shè)備，就可以以比較低的前期投入和營(yíng)運(yùn)、管理成本，解決現(xiàn)存的高速公路收費(fèi)及拆分問(wèn)題。

3.1方案基本原理

多路徑識(shí)別的基本思路是識(shí)別出路網(wǎng)中每一輛車的實(shí)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(wèn)題。而在聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)的路網(wǎng)中，并不是每一路段的信息均需要確定才能識(shí)別路徑。有些出入口間的路徑具有多條，這時(shí)車輛行駛的路段信息則可以通過(guò)標(biāo)識(shí)方法來(lái)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(shí)信息來(lái)識(shí)別。

通過(guò)標(biāo)識(shí)方法識(shí)別車輛行駛路徑的基本原理是通過(guò)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(fèi)系統(tǒng)環(huán)境下車輛通過(guò)路網(wǎng)時(shí)已經(jīng)具備了出口信息和入口信息兩項(xiàng)信息，因此，識(shí)別車輛行駛路徑，則只需要確定車輛行駛的路段標(biāo)識(shí)站信息即可。

3.2方案概述

通過(guò)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(guò)使用RFID射頻讀寫(xiě)器，取代目前車輛通行卡讀寫(xiě)器;研制開(kāi)發(fā)路側(cè)識(shí)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(xiě)器準(zhǔn)確對(duì)有源RFID電子標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別，并將必要的路段標(biāo)識(shí)站信息寫(xiě)入有源RFID復(fù)合通行卡中。

司機(jī)在高速公路入口時(shí)領(lǐng)取有源RFID復(fù)合通行卡，當(dāng)車輛高速通過(guò)二義性路段標(biāo)識(shí)點(diǎn)時(shí),路側(cè)識(shí)別系統(tǒng)可將路段標(biāo)識(shí)站信息寫(xiě)入卡中，在出口通過(guò)RFID讀寫(xiě)器讀取出卡內(nèi)的入口和路段標(biāo)識(shí)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(fèi)系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多義性路徑識(shí)別，完成收費(fèi)和拆分結(jié)算。

車輛從高速路的入口進(jìn)入高速公路，在路上行駛時(shí)經(jīng)過(guò)若干路段標(biāo)識(shí)點(diǎn)，然后在某一個(gè)收費(fèi)站的出口駛出高速公路，這個(gè)過(guò)程中各點(diǎn)的任務(wù)如下：

(1) 高速公路收費(fèi)站入口

司機(jī)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(xiě)器向電子標(biāo)簽中寫(xiě)入入口信息，并由司機(jī)攜帶上路。

(2) 路段標(biāo)識(shí)站

當(dāng)車輛行駛至具有二義性路段標(biāo)識(shí)點(diǎn)的路徑時(shí)，安裝于標(biāo)識(shí)點(diǎn)車道的RFID讀寫(xiě)器會(huì)實(shí)時(shí)向RFID電子標(biāo)簽中寫(xiě)入本路段標(biāo)識(shí)站的信息。

(3) 高速公路收費(fèi)站出口

車輛行駛至高速路的出口車道時(shí)，司機(jī)把復(fù)合有"RFID電子標(biāo)簽”通行卡交回給收費(fèi)員，用RFID讀寫(xiě)器讀取出RFID電子標(biāo)簽存儲(chǔ)的高速路入口、二義性路段標(biāo)識(shí)點(diǎn)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(tái)進(jìn)行分賬。

(4) 數(shù)據(jù)中心

提供后臺(tái)的信息管理與通行費(fèi)計(jì)算、收取和拆分等服務(wù)。

具有多路徑識(shí)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(wèn)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(shí)別速度快、識(shí)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(wú)法識(shí)別的現(xiàn)象。同時(shí)便于攜帶以及與現(xiàn)有通行卡的有機(jī)合成將是需重點(diǎn)研究的內(nèi)容。

(2) RFID射頻電子標(biāo)簽的高速識(shí)別

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

圖3多路徑識(shí)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(jì)，它具有識(shí)別距離遠(yuǎn)(200?500m)、寫(xiě)入速度快(20000b/s)等特征，可以大大提高識(shí)別的距離與寫(xiě)入數(shù)據(jù)的速度。

(3) 軟件與數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)

前臺(tái)功能軟件與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì):前臺(tái)功能軟件與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)是整個(gè)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(fèi)的計(jì)算與分析。

(4) 路段標(biāo)識(shí)站建設(shè)方案

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

(5) 路段標(biāo)識(shí)站的選擇

路段標(biāo)識(shí)站的工程點(diǎn)的選擇是一個(gè)非常重要的問(wèn)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(xiě)器應(yīng)盡量利用現(xiàn)有安裝情報(bào)板的龍門架，以節(jié)省投資；

② 對(duì)于路段上無(wú)龍門架的增加龍門架，新增龍門架的地點(diǎn)盡量靠近收費(fèi)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(diǎn)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(shí)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(gè)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(kāi)展技術(shù)方案和系統(tǒng)設(shè)備的開(kāi)發(fā)和研究。該方案研究成功將能夠?yàn)榻鉀Q全國(guó)性難題一高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)二義性路徑問(wèn)題提供有效手段，實(shí)現(xiàn)高速公路通行費(fèi)的據(jù)實(shí)收取、合理拆分現(xiàn)象。將使高速公路各業(yè)主間和過(guò)往車輛的利益得到了真實(shí)的保護(hù)，進(jìn)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(fèi)的效率和網(wǎng)絡(luò)的整體效應(yīng)得以全面發(fā)揮。項(xiàng)目具有廣闊的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化前景。