專利名稱：一種基于rfid的高速公路路徑識別系統(tǒng)及其運行方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及射頻識別技術(shù)領(lǐng)域，為一種基于RFID的高速公路路徑識別系統(tǒng)及其運行方法。
背景技術(shù)：
聯(lián)網(wǎng)收費是目前高速公路收費方式的主要發(fā)展趨勢，基本上所有發(fā)達地區(qū)都已實施了基于IC卡的高速公路聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)。隨著高速公路的不斷建設(shè)，高速公路路網(wǎng)規(guī)模越來越大，路網(wǎng)結(jié)構(gòu)越來越復雜。車輛在高速公路網(wǎng)內(nèi)從一點到另一點，往往存在多條行駛路徑。在聯(lián)網(wǎng)收費的環(huán)境下，尤其是在投資主體多元化的路網(wǎng)環(huán)境下，如何確定車輛行駛的具體路徑，從而對高速公路收費利潤精確拆分和結(jié)算是保證各高速公路業(yè)主利益的關(guān)鍵。高速公路收費依賴于對車輛的路徑識別，目前采用較多的是對車主進行最短路徑的收費，即車輛從起點到終點存在兩條或兩條以上的路徑時，將最短路徑作為車輛通行費的計算路徑，此方法操作簡便、容易執(zhí)行，但不能從根本上解決路徑識別問題，利潤分配不準確是其最大的問題。除了這種模糊的端點識別方法之外，還有采用精確記錄車輛行車路徑的方式進行識別，目前提出的方式有1)車牌識別。在可能出現(xiàn)多路徑道路上設(shè)立車牌識別站，當車輛通過該處時，記錄下車牌，并傳至中心服務器。當車輛抵達出口收費站時，由出口的計算機從中心服務器中根據(jù)車牌查詢該車輛的路徑信息。2)停車標識站法。在需要設(shè)置路徑標識站的地方設(shè)置幾條帶收費島的車道，車輛經(jīng)過時司機需停車刷卡，設(shè)備將標識站信息寫入通行IC卡。出口站根據(jù)卡內(nèi)信息進行路徑識別，完成收費。3)GPS0車輛在高速公路入口收費站領(lǐng)取GPS電子裝置，記錄該車輛的行車路線，出口的收費計算機根據(jù)根據(jù)GPS電子裝置中記錄的行車路線進行收費。上述精確識別方案能真實記錄車輛行駛路徑，能夠有效的解決多義性路徑識別問題，但以上方法中，車牌識別法目前主要受制于與車牌識別設(shè)備的識別率，因此車牌識別發(fā)并沒有大規(guī)模使用；停車標識站法需要在高速公路主線上修建多個收費站，車輛需要停車刷卡，降低了通行效率，因而也無法得到采用；GPS設(shè)備占用空間較大而且成本太高，在高速公路收費系統(tǒng)中也難以實施。專利200610103766. 8提出的路徑識別系統(tǒng)提出采用RFID技術(shù)，但該專利只說明了系統(tǒng)運行的流程，并沒有對具體實施情況進行交代，而且該專利采用的是RFID主動式標簽，這種標簽是一種有源標簽，有源標簽壽命有限、體積較大、成本較高，且不適合在惡劣環(huán)境下工作，因而也難以應用到高速公路收費系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題是車輛在高速公路行駛需要進行路徑識別，現(xiàn)有識別方法存在精度不夠，效率低，成本高，識別設(shè)備體積大等問題。
本發(fā)明的技術(shù)方案為一種基于RFID的高速公路路徑識別系統(tǒng)，包括RFID標簽、N個門架式RFID標簽標識站、數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)庫、RFID標簽寫入設(shè)備和RFID標簽讀出設(shè)備；所述RFID標簽為無源標簽，設(shè)置在車輛上，在高速公路出入口設(shè)置RFID標簽寫入設(shè)備和RFID標簽讀出設(shè)備，門架式RFID標簽標識站包括支撐門架、RFID寫入器和RFID閱讀器，支撐門架設(shè)置在高速公路上，RFID寫入器和RFID閱讀器設(shè)置在支撐門架上，RFID閱讀器水平布置在支撐門架頂部，RFID閱讀器的天線為平面天線，其天線波束覆蓋范圍只包含高速公路單側(cè)車道；所述RFID標簽寫入設(shè)備、RFID標簽讀出設(shè)備、RFID寫入器和RFID閱讀器與數(shù)據(jù)處理中心連接，數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)處理中心的數(shù)據(jù)；高速公路在設(shè)有門架式RFID標簽標識站的路段，其中央分隔帶上設(shè)有信號隔離帶。所述RFID標簽設(shè)有IC卡存儲單元，工作頻段在超高頻UHF頻段。門架式RFID標簽標識站的支撐門架高度為5-6米，RFID閱讀器的天線波束覆蓋范圍在垂直方向為30-50度。上述基于RFID的高速公路路徑識別系統(tǒng)的運行方法為，車輛進入高速公路入口時，由RFID標簽寫入設(shè)備將入口信息及車輛信息寫入RFID標簽然后予以放行，當車輛駛?cè)腴T架式RFID標簽標識站標識范圍時，由門架式RFID標簽標識站對RFID標簽進行感應并完成信息交換，RFID標簽標識站將自身對應的路徑信息寫入RFID標簽，RFID標簽將標簽內(nèi)部信息傳輸給RFID標簽標識站，車輛行駛過程中RFID標簽與N個門架式RFID標簽標識站建立無線連接并進行數(shù)據(jù)交換，直至車輛行駛到高速公路出口，RFID標簽讀出設(shè)備讀出車輛所記載的路徑信息與車輛信息，車輛從高速公路入口到出口的過程中，高速公路入口信息、RFID標簽標識站信息及出口信息傳輸進入數(shù)據(jù)處理中心，進行路徑確定，對應實現(xiàn)車輛路徑識別。進一步的，對于需要進行路徑識別的高速公路路段，其RFID標簽標識站在路段中的位置根據(jù)評價指標N確定，N為與高速公路平、縱、橫指標有關(guān)的一個評價指標，以500m為單位將需要進行路徑識別的高速公路路段分為小段，每小段有各自對應數(shù)量的平曲線曲率、豎曲線曲率和坡度值，N = β(0·028Σχ'+0·6Σ^^· Σ^)，其中\(zhòng)、表示小段內(nèi)第i個平曲線曲率、Y」表示小段內(nèi)第j個豎曲線曲率、Zk表示小段內(nèi)第k個坡度值，選取N值最大的一個小段設(shè)置RFID標簽標識站。本發(fā)明提供了一種基于射頻識別技術(shù)的路徑識別系統(tǒng)及運行方法，在現(xiàn)有高速公路的基礎(chǔ)上進行升級，植入路徑識別模塊，從而解決現(xiàn)有高速公路收費系統(tǒng)中的路徑識別問題。本發(fā)明采用無源標簽，具有壽命長、體積小成本低的特點，而且適合于惡劣環(huán)境下的工作；RFID標簽建立在現(xiàn)有IC卡基礎(chǔ)上，在IC卡的基礎(chǔ)上增加射頻識別模塊，其大小與現(xiàn)在高速公路上使用的IC卡大小相當；RFID標簽標識站采用的是門架式，即路中式的，不同于現(xiàn)有技術(shù)中的路側(cè)式，其進步在于電磁信號可以很好的覆蓋感應區(qū)，保障與RFID標簽的有效傳輸，而且本發(fā)明在高速公路中央分隔帶上設(shè)置信號隔離帶，從而避免信號對對向車輛產(chǎn)生干擾；另外，本發(fā)明對RFID標簽標識站中閱讀器天線的波束寬度確定技術(shù)，這樣使得RFID在路徑識別中應用更為靈活；并且提出了對RFID標簽標識站的選址優(yōu)化技術(shù)，這樣使得RFID在路徑識別中更容易操作。本發(fā)明中的RFID標簽可以滿足高速移動(140km/h)過程中記錄遠程信息，而且耗能極少，且識別率不低于99. 95%，在0-15m的距離對標識站通信全面感應，RFID標簽可以長期使用，而且不需要電源。


圖1為車輛進出收費站發(fā)卡收卡的流程框圖。圖2為高速公路多路徑識別系統(tǒng)實際應用示意圖。圖3為RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖4為RFID閱讀器結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為RFID標簽內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為門架式RFID標簽標識站示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明包括RFID標簽、N個門架式RFID標簽標識站、數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)庫、RFID標簽寫入設(shè)備和RFID標簽讀出設(shè)備；所述RFID標簽為無源標簽，設(shè)置在車輛上，在高速公路出入口設(shè)置RFID標簽寫入設(shè)備和RFID標簽讀出設(shè)備，門架式RFID標簽標識站包括支撐門架、RFID寫入器和RFID閱讀器，支撐門架設(shè)置在高速公路上，RFID寫入器和RFID閱讀器設(shè)置在支撐門架上，RFID閱讀器水平布置在支撐門架頂部，RFID閱讀器的天線為平面天線，其天線波束覆蓋范圍只包含高速公路單側(cè)車道；所述RFID標簽寫入設(shè)備、RFID標簽讀出設(shè)備、RFID寫入器和RFID閱讀器與數(shù)據(jù)處理中心連接，數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)處理中心的數(shù)據(jù)；高速公路在設(shè)有門架式RFID標簽標識站的路段，其中央分隔帶上設(shè)有信號隔離帶。車輛行駛過程中，RFID標簽與N個門架式RFID標簽標識站建立無線連接并進行數(shù)據(jù)交換，在高速公路出入口處對RFID標簽進行寫入和讀出操作；數(shù)據(jù)處理中心根據(jù)得到的路徑識別信息對通行費用進行計算和分配，相關(guān)數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫。RFID標簽包括外殼、設(shè)置在外殼內(nèi)的天線、電壓調(diào)節(jié)器、調(diào)制器、解調(diào)器、邏輯控制單元、存儲單元。天線與射頻接口相連；所述的RFID標簽首先被RFID寫入設(shè)備寫入車型、車輛入口等信息，然后進入間隙性工作狀態(tài)，所述電壓調(diào)節(jié)器將門架式RFID標簽標識站送來的射頻信號轉(zhuǎn)換為直流電源，并經(jīng)大電容儲存能量，再經(jīng)穩(wěn)壓電路以提供穩(wěn)定的電源，當RFID標簽高速進入電磁信號覆蓋的區(qū)域時，RFID標簽內(nèi)部就會產(chǎn)生感應電流，同時標簽被激活，RFID標簽標識站將路徑信息寫入RFID標簽，RFID標簽將標簽內(nèi)部信息傳輸給RFID標簽標識站。RFID標簽同時具有原通行IC卡的功能，可以在出入口與出入口的設(shè)備完成讀寫操作，從而不影響其電磁感應的效用。本發(fā)明門架式RFID標簽標識站包括閱讀器部分和門架系統(tǒng)。其中閱讀器包括高頻接口、信號處理與控制部分和天線，高頻接口用于向RFID標簽發(fā)射高頻能量激活RFID標簽，并負責與RFID標簽的數(shù)據(jù)交流；控制部分主要負責與應用程序進行通信、控制與RFID標簽的通信過程、對信號編碼和解碼、對閱讀器和電子標簽之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行加密解密和身份識別；閱讀器的信號和能量都需要通過天線進行發(fā)射，天線采用平面天線。門架系統(tǒng)的支撐門架高度為5-6m，門架橫跨在高速公路一側(cè)的道路上，閱讀器布設(shè)在門架頂部的中間位置，其天線的波束寬度確定方法如下假設(shè)高速公路為雙向四車道，車道寬度為3. 75m,閱讀器布設(shè)高度為5m時，tan α=0.75，則α可取為37度；當閱讀器布設(shè)高度為6m時，tan α =0.63，則α可取為32度；
若假設(shè)高速公路為雙向六車道，車道寬度為3. 75m,閱讀器高度為5m時，tan α =1.1，則α可取為48度；當閱讀器布設(shè)高度為6m時，tan α =0.94，則α可取為43度；綜合上述計算結(jié)果取天線波束覆蓋范圍在30-50度范圍內(nèi)波動，具體取值可根據(jù)
車道數(shù)、車道寬度和閱讀器布設(shè)高度進行確定
+ (車道數(shù)χ車道寬度)a - arctan-. ηη ,.-。
2 χ閱讀器高度本發(fā)明RFID的高速公路路徑識別系統(tǒng)包括對RFID標簽標識站的選址優(yōu)化技術(shù)，對于需要進行路徑識別的高速公路路段，其RFID標簽標識站在路段中的位置根據(jù)評價指標N確定，N為與高速公路平、縱、橫指標有關(guān)的一個評價指標，以500m為單位將需要進行路徑識別的高速公路路段分為小段，每小段有各自對應數(shù)量的平曲線曲率、豎曲線曲率和坡
=，其中表示小段內(nèi)第i個平曲線曲率、Yj表示小段內(nèi)第j
個豎曲線曲率、Zk表示小段內(nèi)第k個坡度值，選取N值最大的一個小段設(shè)置RFID標簽標識站。該公式來源于吉林大學的韓文彬從平面、縱斷面和橫斷面與事故相關(guān)性進行的主成分分析，確立了主因素，建立了該交通事故與道路線性因素的多元回歸方程。這里對交通事故易發(fā)(即N值較大)地段，車輛在這種地段會選擇降低車速從而利于RFID標簽及RFID標簽標識站之間的信息傳遞，因而將N值較大的路段作為RFID標簽選擇布設(shè)的位置。本發(fā)明基于RFID的高速公路路徑識別系統(tǒng)及其運行方法包括如下步驟1)路徑識別卡寫入設(shè)備與讀出設(shè)備分別安裝在高速公路的入口和出口處；將門架式RFID標簽標識站橫跨安裝在高速公路識別路徑的車道上方；RFID標簽由高速公路的入口處發(fā)放給駛?cè)敫咚俟返能囕v；數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)庫安裝在高速公路的收費站出入口處；2)高速公路收費站入口處發(fā)放RFID標簽時，在RFID標簽寫入設(shè)備上刷卡，將收費站名稱、車型、進入日期時間寫入RFID標簽的IC卡存儲模塊；3)RFID標簽標識站連續(xù)發(fā)射標識站信息和電磁信號，車輛進入高速公路之后RFID標簽處于間隙性工作狀態(tài)；4)RFID標簽隨著車輛經(jīng)過RFID標簽標識站的時候產(chǎn)生感應電流從而被激活，RFID標簽將標簽內(nèi)信息傳給標識站，標識站將路徑信息傳給RFID標簽；
5)車輛到達高速公路收費站出口的時候，將RFID標簽回收，收費站讀出設(shè)備將保存在RFID標簽內(nèi)的入口名稱、進入日期時間、車型、路徑信息讀出并將信息輸出至數(shù)據(jù)處理中心；6)數(shù)據(jù)處理中心處理接收的數(shù)據(jù)，計算實際里程，收取通行費，放行車輛，并將相關(guān)數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中；7) RFID標簽標識站得到的信息與RFID標簽記錄的信息相同，RFID標簽標識站將信息傳輸給數(shù)據(jù)庫，最終與RFID標簽的到的數(shù)據(jù)進行對比補充，以便對RFID標簽記錄的信息進行核對和補充；8)數(shù)據(jù)處理中心根據(jù)數(shù)據(jù)庫中得到的核對補充后的信息進行實際路徑計算和拆分，完成利潤分配。如圖1所示，車輛進入收費站時由收費站的寫入設(shè)備將收費站入口信息及車輛信息寫入RFID標簽然后予以放行，當車輛駛?cè)隦FID標簽標識范圍時由門架式RFID標簽標識站對RFID標簽進行感應并完成信息交換，最后車輛行駛到高速公路出口完成收費并駛離高速公路。其中高速公路入口信息、標識站信息及出口信息通過信息傳輸進入數(shù)據(jù)處理中心進行路徑確定、收費計算及利潤分配，同時RFID標簽中也記錄有以上信息，使其進入數(shù)據(jù)處理中心進行補充，最終完成收費計算及利潤分配并存入數(shù)據(jù)庫。如圖2所示，在高速公路需要進行路徑識別的位置設(shè)置門架式RFID標簽標識站，該設(shè)備實時監(jiān)測RFID標簽，并與進入標識范圍的RFID標簽進行通訊，標簽信息傳入標識站，標識站的路徑信息傳入標簽。此設(shè)備具有唯一標識，其標識與設(shè)備所在路徑一一對應，每個RFID標簽中固定保存一個唯一標識號。圖3為RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，主要說明了門架式RFID標簽標識站與RFID標簽進行通訊的工作原理。RFID標簽與標識站之間通過無線感應進行數(shù)據(jù)交換和能量傳輸，RFID標簽信息通過閱讀器接收與響應并最終傳入應用系統(tǒng)，而應用系統(tǒng)將路徑信息寫入閱讀器并通過閱讀器將信息寫入RFID標簽。如圖4所示，射頻接口產(chǎn)生高頻發(fā)射能量，激活RFID標簽并為其提供能量，對發(fā)射信號進行調(diào)制并將數(shù)據(jù)傳輸給RFID標簽同時對來自RFID標簽的射頻信號進行接收和調(diào)制。邏輯控制單元為讀寫模塊，主要負責與應用系統(tǒng)軟件進行通信，并執(zhí)行從應用系統(tǒng)軟件發(fā)送來的指令。圖5所示的RFID標簽主要完成兩種信息的接收，一種信息是通過收費站入口的寫入設(shè)備將入口信息和車輛信息寫入ROM并進行傳輸，另一種信息是通過無線感應由RFID標簽標識站將路徑識別信息寫入標簽并存儲到EEPR0M。圖6所示門架式RFID標簽標識站，門架系統(tǒng)的支撐門架高度為5_6m，在中央分隔帶邊緣設(shè)置信號隔離帶，隔離帶高度取1. 0m，材質(zhì)選用鋁合金材質(zhì)，避免對對向車輛標簽產(chǎn)生影響。依據(jù)支撐門架的高度對信號發(fā)射角度進行調(diào)整，從而保證信號覆蓋范圍及信號強度能夠滿足感應要求，確保信息傳輸?shù)捻樌M行。
權(quán)利要求
1.一種基于RFID的高速公路路徑識別系統(tǒng)，其特征是包括RFID標簽、N個門架式RFID標簽標識站、數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)庫、RFID標簽寫入設(shè)備和RFID標簽讀出設(shè)備；所述RFID標簽為無源標簽，設(shè)置在車輛上，在高速公路出入口設(shè)置RFID標簽寫入設(shè)備和RFID標簽讀出設(shè)備，門架式RFID標簽標識站包括支撐門架、RFID寫入器和RFID閱讀器，支撐門架設(shè)置在高速公路上，RFID寫入器和RFID閱讀器設(shè)置在支撐門架上，RFID閱讀器水平布置在支撐門架頂部，RFID閱讀器的天線為平面天線，其天線波束覆蓋范圍只包含高速公路單側(cè)車道；所述RFID標簽寫入設(shè)備、RFID標簽讀出設(shè)備、RFID寫入器和RFID閱讀器與數(shù)據(jù)處理中心連接，數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)處理中心的數(shù)據(jù)；高速公路在設(shè)有門架式RFID標簽標識站的路段，其中央分隔帶上設(shè)有信號隔離帶。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于RFID的高速公路路徑識別系統(tǒng)，其特征是所述RFID標簽設(shè)有IC卡存儲單元，工作頻段在超高頻UHF頻段。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于RFID的高速公路路徑識別系統(tǒng)，其特征是門架式RFID標簽標識站的支撐門架高度為5-6米，RFID閱讀器的天線波束覆蓋范圍在垂直方向為30-50度。
4.權(quán)利要求1-3任一項所述的基于RFID的高速公路路徑識別系統(tǒng)的運行方法，其特征是車輛進入高速公路入口時，由RFID標簽寫入設(shè)備將入口信息及車輛信息寫入RFID標簽然后予以放行，當車輛駛?cè)腴T架式RFID標簽標識站標識范圍時，由門架式RFID標簽標識站對RFID標簽進行感應并完成信息交換，RFID標簽標識站將自身對應的路徑信息寫入RFID標簽，RFID標簽將標簽內(nèi)部信息傳輸給RFID標簽標識站，車輛行駛過程中RFID標簽與N個門架式RFID標簽標識站建立無線連接并進行數(shù)據(jù)交換，直至車輛行駛到高速公路出口，RFID標簽讀出設(shè)備讀出車輛所記載的路徑信息與車輛信息，車輛從高速公路入口到出口的過程中，高速公路入口信息、RFID標簽標識站信息及出口信息傳輸進入數(shù)據(jù)處理中心，進行路徑確定，對應實現(xiàn)車輛路徑識別。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于RFID的高速公路路徑識別系統(tǒng)的運行方法，其特征是對于需要進行路徑識別的高速公路路段，其RFID標簽標識站在路段中的位置根據(jù)評價指標N確定，N為與高速公路平、縱、橫指標有關(guān)的一個評價指標，以500m為單位將需要進行路徑識別的高速公路路段分為小段，每小段有各自對應數(shù)量的平曲線曲率、豎曲線曲率和坡度值，# = β(0·028ΣΧ,.0,2^.0,52 )，其中&表示小段內(nèi)第i個平曲線曲率、Yj表示小段內(nèi)第j個豎曲線曲率、4表示小段內(nèi)第k個坡度值，選取N值最大的一個小段設(shè)置RFID標簽標識站。
全文摘要
一種基于RFID的高速公路路徑識別系統(tǒng)及其運行方法，包括RFID標簽、N個門架式RFID標簽標識站、數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)庫、RFID標簽寫入設(shè)備和RFID標簽讀出設(shè)備；車輛行駛過程中RFID標簽與門架式RFID標簽標識站建立無線連接并進行數(shù)據(jù)交換，在高速公路出入口處對RFID標簽進行寫入和讀出操作；數(shù)據(jù)處理中心處理得到的路徑識別信息，相關(guān)數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫。本發(fā)明運行方便，只需增加少量設(shè)備和對現(xiàn)有設(shè)備進行適當升級，就可方便實現(xiàn)對車輛在高速公路的路徑識別，方便管理。
文檔編號G07B15/06GK102568044SQ20111040666
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月9日
發(fā)明者李向陽, 程琳 申請人:東南大學