基于物联网的多路径识别和通行费拆分研究

引言

高速公路被誉为一个国家走向现代化的桥梁，是发展现代交通业的必经之路，高速公路的智能化、信息化是现代化高速公路发展的趋势。在整合高速公路目前已有的硬件设备，充分利用已有的通信网络的基础上，引入物联网的新技术，做到“车车互通，车站互通，站站互通”的“智慧高速交通”，切实解决高速公路的多路径识别和通行费拆分是目前研究的重点内容。

1目前高速公路联网收费面临的问题

1.1二义性路径问题

      影响通行费拆分的主要原因是;错综复杂的路网结构，形成了多重嵌套的二义性路径环路。

      所谓二义性路径，就是从同一个地点出发，可以通过路径1与路径2或路径3到达同一个目的地，但对于通过的车辆，预先不能确定其选择通过的是路径1与路径2还是路径3,这样的路径1、路径2、路径3定义为二义性路径。二义性路径示意图如图1所示。

图1二义性路径示意图

当车辆通过二义性路径时，由于事先无法知道车辆行驶确切路径，就很难根据车辆的实际行驶里程，客观、准确地评估车辆的高速公路通行费的数额,进而无法合理、有效地解决通行费拆分冋题。

1.2车辆通行费的拆分问题

由于高速公路路网结构的复杂性，有的里面具有环形结构，随着路网的不断完善，这种环形结构将会越来越多，而一个路网里面一般有多个所有公司在管理，如何确定车辆行驶路径也就成为一个亟待解决的问题。

各省、市均在努力推进高速公路联网、实行一站式收费工作。由于高速公路各路段投资业主的不同，将面临各路公司之间通行费的拆分问题。

为解决上述问题需要进一步研究、寻找更加有效，合理的处理策略，针对性地全面解决这个难题。

2 物联网技术简介

 物联网是通过RFID射频识别技术、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，进行智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

        物联网作为一种大规模的自组织网络，其特点包括:传感器节点密集布设、协作式、自组织、无线通信等。物联网在高速公路应用的体系结构如图2所示，该体系可划分为3个层次：感知层、网络层和应用层。

      感知层所要解决的是信息的感知与采集，主要包括RF1D及其读写技术、传感器与传感器网络、RFID射频标签技术等。本文中需要的RFID读写技术实质上就是在高速路上构建基于RFID技术的通信网络，以实现对车载RFID射频电子标签的识别。识别车载RFID射频标签所需要的硬件设备包括：车载RFID射频电子标签、在高速路入口、出口、高速路主干道标识点上安装的RFID射频读写器等。

网络层主要包括各种通信网络与物联网形成的承载网络。承载网络主要是现行的通信网络，如互联网、移动通信网络等,完成物联网感知层与应用层之间的信息通信与数据传输。

应用层主要由各种应用系统组成，主要功能包括对感知层采集的数据进行汇集、转换、分析与共享，以及为用户提供物联网的应用接口，为各种用户设备及终端提供应用服务。并实现基于物联网技术的高速公路多路径识别和费用拆分方面的具体应用。

3物联网在路径识别应用中的实施方案

本文提出的基于物联网的多路径识别和通行费拆分方案，本着实用、高效、节约的原则，设计实现相应系统。初期系统设计与现有的高速公路收费系统配套使用，不用大规模地改造现有的收费系统和设备，只需要将现有高速公路收费系统中使用的通行卡换成复合有有源RFID射频电子标签的通行卡，现有通行卡读写器换成RFID射频读写设备，在高速公路存在二义性的路段设置标识点，并安放RFID射频读写设备，就可以以比较低的前期投入和营运、管理成本，解决现存的高速公路收费及拆分问题。

3.1方案基本原理

多路径识别的基本思路是识别出路网中每一辆车的实际行驶路径，避免路网中出现行驶路径的歧义，从而解决路网中多路径问题。而在联网收费的路网中，并不是每一路段的信息均需要确定才能识别路径。有些出入口间的路径具有多条，这时车辆行驶的路段信息则可以通过标识方法来获取，而车辆的行驶路径则可以根据出口信息、人口信息、标识信息来识别。

通过标识方法识别车辆行驶路径的基本原理是通过RFID射频技术采集车辆行驶路径信息，确认车辆行驶路径。在封闭式的联网收费系统环境下车辆通过路网时已经具备了出口信息和入口信息两项信息，因此，识别车辆行驶路径，则只需要确定车辆行驶的路段标识站信息即可。

3.2方案概述

通过有源RFID射频复合通行卡取代现有车辆通行卡。该卡内复合了RF1D有源电子标签；通过使用RFID射频读写器，取代目前车辆通行卡读写器;研制开发路侧识别系统，在路网存在二义性的路段安装。车辆在自由行驶的情况下,RFID射频读写器准确对有源RFID电子标签进行识别，并将必要的路段标识站信息写入有源RFID复合通行卡中。

司机在高速公路入口时领取有源RFID复合通行卡，当车辆高速通过二义性路段标识点时,路侧识别系统可将路段标识站信息写入卡中，在出口通过RFID读写器读取出卡内的入口和路段标识信息，确定行驶路径。这样就可以结合目前的高速公路联网收费系统平台，实现多义性路径识别，完成收费和拆分结算。

车辆从高速路的入口进入高速公路，在路上行驶时经过若干路段标识点，然后在某一个收费站的出口驶出高速公路，这个过程中各点的任务如下：

(1) 高速公路收费站入口

司机在高速路人口车道处，领取一张复合有“有源RFID电子标签”的通行卡。利用RFID读写器向电子标签中写入入口信息，并由司机携带上路。

(2) 路段标识站

当车辆行驶至具有二义性路段标识点的路径时，安装于标识点车道的RFID读写器会实时向RFID电子标签中写入本路段标识站的信息。

(3) 高速公路收费站出口

车辆行驶至高速路的出口车道时，司机把复合有"RFID电子标签”通行卡交回给收费员，用RFID读写器读取出RFID电子标签存储的高速路入口、二义性路段标识点信息，然后由车道系统组合到本次交易流水中去，传送至结算中心后台进行分账。

(4) 数据中心

提供后台的信息管理与通行费计算、收取和拆分等服务。

具有多路径识别系统的基本示意图如图3所示。

3.3方案中需要解决的关键问题

(1) RFID射频电子标签的封装

RFID射频电子标签的封装形态：要求识别速度快、识别准确度高、封装成本低、封装中尽量避免由于外部封装材料而引起无法识别的现象。同时便于携带以及与现有通行卡的有机合成将是需重点研究的内容。

(2) RFID射频电子标签的高速识别

要实现高速公路路径识别，首先要解决的问题就是实现RFID射频电子标签的高速识别问题。车辆在高速公路上行驶，正常速度为100〜120km/h.标识站中RFID读写器可以覆盖的有效距离大约为100m,所以车辆通过RFID读写器射频范围的时间只有约几十毫秒。这么短的时间要能够正确地向车载RFID射频电子标签写入标识站的数据信息，是需要解决的关键问题。

图3多路径识别功能示意图

考虑以上因素，本方案首先要研究采用RFID电子标签采用超高频有源设计，它具有识别距离远(200〜500m)、写入速度快(20000b/s)等特征，可以大大提高识别的距离与写入数据的速度。

(3) 软件与数据库系统

前台功能软件与后台数据库的设计:前台功能软件与后台数据库是整个系统功能的核心，可以分为2大部分:路径拆分与结算；高速公路通行费的计算与分析。

(4) 路段标识站建设方案

路段标识站是实现路径识别和通行费用精确拆分的重要组成部分，路段标识站需建设在有二义性路径的主干道上，能够明确标识车辆是否经过了该路段。RFID读写器可架设在横跨高速公路的龙门架上，通过对车载RFID射频电子标签的识别，并把路段标识点的信息写入RF1D射频电子标签中，实现对车辆行驶路径的确认，负责识别车辆、保存数据以及与数据中心通信并及时上传车辆的通行信息。

(5) 路段标识站的选择

路段标识站的工程点的选择是一个非常重要的问题，选择得当，可以大大节约资金，提高效率。

① 安装RFID渎写器应尽量利用现有安装情报板的龙门架，以节省投资；

② 对于路段上无龙门架的增加龙门架，新增龙门架的地点尽量靠近收费站或者服务区，便于保证电源与传输；

③ 新增龙门架的地点处到前方200m处，保持路段平直，以便提高RFID射频电子标签识别精度。

4结论

基于物联网技术发展的已经比较成熟，被广泛的应用到多个领域。在此研究利用车载有源RF1D射频电子标签，作为路径信息记录载体，并开展技术方案和系统设备的开发和研究。该方案研究成功将能够为解决全国性难题一高速公路联网收费二义性路径问题提供有效手段，实现高速公路通行费的据实收取、合理拆分现象。将使高速公路各业主间和过往车辆的利益得到了真实的保护，进一步提高高速公路的服务和管理水平，使联网管理、收费的效率和网络的整体效应得以全面发挥。项目具有广阔的应用和产业化前景。