應用只讀RFID技術的不停車收費(ETC)方案

1. 中國高速公路的發展情況
　　中國高速公路從上世紀９０年代開始進入快速發展時期。2004年底，中國高速公路已達3.4萬公里，國務院通過的《國家高速公路網規劃》中，高速公路將達８.５萬公里。高速公路的快速發展，仍不能解決一些問題，反而使這些問題更加突出，如高速公路的通行能力、環境污染、以及現金交易帶來的一些弊病等一系列問題。據資料統計，僅廣州地區1996年停車等待交費損失的車是數就達數百萬小時，由此導致的汽油浪費達億元之多。
　　解決上述問題，RF射頻識別技術將是最終的發展趨勢。有關經驗表明，一條具有讀寫功能的RFID設備組成的ETC車道的處理速度是人工收費速度的4~5倍, 可以極大地改善交通條件, 提高道路的通行能力和服務水平,有效地減輕收費人員的勞動強度,改善工作環境。
　　2. 只讀形式的不停車ETC
　　不停車電子收費（ETC ,Electronic Toll Collection）是國際上正在努力開發并推廣普及的一種用于公路﹑大橋和隧道的電子自動收費系統。它的最大特點是不停車收費, 即車輛可以以一定的速度通過收費口, 無須在收費站前停車交費。它通過路側天線與車載電子標簽之間的專用短程通訊，在不需要司機停車和其他收費人員采取任何操作的情況下，自動完成收費處理的全過程。ETC系統主要包括信息采集、網絡傳輸、信息和費用管理三個部分。以下主要討論前兩個部分。
　　信息采集
　　目前，ETC的信息采集部分主要采用RFID技術。RFID是一種非接觸的射頻通信方式，通過讀寫器與標簽的無線通信可以進行信息的采集功能，從而識別標簽載體的身份等特征。
　　從信息采集的標簽和讀寫器的功能分類，ETC系統可分為只讀系統和讀寫系統。只讀系統是讀寫器只讀取射頻標簽的信息，對其進行身份驗證，不對其內部信息進行改寫；讀寫系統是讀寫器和標簽設計成讀寫形式，讀寫器可以讀取標簽數據信息，同時改寫部分數據信息；從標簽有無電源分類，ETC系統分為有源和無源系統。有源系統是標簽有輔助電池為標簽提供工作的能量；無源系統是指標簽的工作的能量來源不是由輔助電池供電，而是通過標簽內設計的電感耦合方式將部分射頻能量轉換為標簽所需工作的能量，這樣就使得無源系統有效通信距離大大降低。
　　過去有一種概念，認為只有在“開放式收費”的環境下，才可以用“只讀”的RFID系統才能完成電子收費功能。對于早期不具備聯網狀態下工作的ETC收費方式和不具備有效的費用分攤機制而言，以上結論無疑是正確的。然而，近年來收費站處通信網設備得到長足的發展，以及有成熟的GSM、CDMA等相關網絡作為技術支撐和中國移動、聯通、銀行等費用管理機制可以作為借鑒。因而利用只有讀出功能的射頻標簽的RFID系統是能夠基于聯網通信進行封閉式ETC收費的。
　　只讀的ETC系統在進口收費站與另一出口收費站處分別讀取來自同一輛車上標簽的代碼（卡中固有的ID碼和發行商等信息），每個獨特代碼與在收費管理系統中的某一個費用結算賬戶代碼惟一對應。車主在領取電子標簽時在后臺數據庫已完成上述對應關系的建立，并同時把與該獨特代碼相關聯的已核定的車型分類代碼、車主的一些相關信息一并注入到該電子收費賬戶的數據庫中。標簽在發行商處寫入車輛的相關信息以及發行商的代號等作為車輛的唯一標識，寫入信息后，將標簽鎖定為只讀形式，防止人為的更改標簽的信息，安裝時，采取防拆卸措施。收費管理系統根據采集到的同一車輛通過進口收費站與出口收費站的時間、收費站代號就可以通過查表處理，計算出通過該路段應收的費用，同時把相關信息存入該車主的賬戶中，并且扣除相應的費用金額。
　　對ETC系統的信息采集部分來講，應考慮的主要指標為有效的通信距離、標簽的使用壽命、數據的傳輸速率、通信所需時間、通信的信息可靠性、所能容許的最大車速、以及對于市場推廣具有最大的影響因素：標簽的成本等。
　　由于有源標簽通信距離可設計為在5~25米范圍內可調，便于現場調試，對于不同的路段情況可以進行相應的調整，信息傳輸速率高以及雙向通信的可靠性等優點，所以國際上的ETC系統多采用有源RFID技術。
　　以前，一些主要推廣ETC系統的廠家多采用可讀寫形式的RFID產品作為主要的ETC信息采集設備。然而，從ETC系統指標分析，采用只讀的RFID的ETC信息采集設備更具有優勢。具體如下：
　　1) 通信距離遠，減少電磁的空間輻射。眾所周知，RFID系統在讀取信息時的距離要比寫入信息的距離遠。在相同的通信距離條件下，只讀系統所需射頻信號能量要低于讀寫系統。從而減小電磁波對空間的輻射，減少對相鄰的設備干擾；
　　2) 信息采集時間短。只讀系統通信時間相對讀寫系統要短很多，經過幾十毫秒就可以完成一次信息的采集工作，而讀寫形式的標簽一般在進站口通信要經過180毫秒左右，在出站口則需要經過300毫秒左右才能完成一次交易；
　　3) 信息可靠度高。只讀系統傳遞信息量少，不需要寫入，信息的出錯率相應會下降；另外，只讀系統采集信息時間短，可以保障一輛車以相同的速度經過通信區域時至少進行兩次通信。假設，一次通信的出錯率為10-4，那么兩次同時出錯的概率為10-8，可見只讀系統可以使通信的可靠性大大地增加；
　　4) 成本低，減少運營上的投入資金，有利于市場推廣。目前，國際上讀寫的不停車ETC設備主要為5.8GHz頻段的系統，該頻段的設備成本偏高，一套讀寫器設備在15~30萬元，標簽在300~700元左右，這個價格適用于發達國家以及我國東南沿海等發達地區，但是在全國范圍內推廣困難較大。如果采用只讀系統，系統的價格會明顯降低很多，尤其是標簽70元左右，價格的大幅下降有利于市場的推廣。
　　5) 使用壽命長。對于有源標簽來講讀寫系統在寫入信息時，電源消耗很快，減少了標簽的使用壽命，相比之下，只讀形式標簽的壽命比較長，這樣減少客戶的重復經濟投入；信息的網絡傳輸部分相對信息采集部分，信息的傳輸也是ETC系統的重要組成部分，承擔著各種必要的信息的傳遞，是收費中心與收費站的橋梁。然而，只有采用覆蓋全國高速公路收費站口的網絡，才能夠使ETC在全國范圍內得以推廣。目前，雖然國內的很多高速公路已具備有小范圍局部聯網的能力，但是，還不具備有大范圍區域，更不用說全國聯網的能力，沒有一個強大的機構對高速公路的通信網絡進行整合。所以單獨靠目前路方已有的網絡是不能夠完成ETC系統大范圍聯網的網絡建設的。
　　隨著移動通訊事業的普及，目前國內幾乎所有的收費站點都在GSM網絡的覆蓋范圍之內。 GPRS業務的普及，使GSM網絡的數據業務從9.6Kbps提高到實際應用中的30Kbps，GPRS同時具有可以向3G平滑過渡的優勢。而且，移動運營商也具備有成熟的費用管理機制等優勢，所以可以在ETC的信息傳輸過程中采用GSM網絡和現有高速公路已鋪設的通信設備進行結合的方式進行組網。這樣，不但減少了路方在網絡方面的建設投資，同時，也有很多通信網絡的技術可以借鑒，對于移動網絡來講同時也擴大了其增值業務的發展。
　　ETC系統網絡部分可分為收費站口處基站子系統，網絡子系統，操作支持子系統。基站子系統就是ETC系統的RFID技術的信息采集部分，以及本地存貯信息以及控制車道設備的計算機；網絡子系統是整個系統的核心部分，負責信息的管理、安全性管理、用戶數據、計費記錄處理、本地運營維護等。操作支持子系統為運營部門提供一種手段，用來控制和維護用戶數據等這些實際運行部分。
　　網絡從地理空間可以分為本地網、大區網（或省內網）和全國網。在各大區設置一級匯接中心，各匯接中心之間網狀相鄰，實現大區間信息網的匯接，從而構成全國網。按照客戶的車輛運行情況及客戶的申請，用戶信息可以存貯在本地網或區域網管理中心并下傳到收費站點的管理計算機的數據庫中。在必要時，即用戶的車輛在跨區移動時，各個大區內用戶的信息可以進行互相傳輸。同時，當載有標簽的車輛經過某個收費站時，采集到的信息除了存貯在本地計算機以外還要及時上傳至本地網絡管理中心，對于跨區的車輛要求采集到的信息同時上傳到區域中心進行費用結算。
　　ETC系統采用預付費業務，使用該業務的用戶首先在自己的賬號中存貯一定數量的金額，除非可以提供適當的信用證明或抵押品（如合適的銀行帳號或手機的SIM卡號等）。當預付存款低于某個預定值時，收費中心應及時通過電話或短信的形式通知用戶充值。如果車輛經過收費站點后，收費系統發現該用戶儲值余額不足，不能完成一次交易時，應該及時通知該客戶，如果該客戶逾期不補交費用，應該強行從其信用保障的帳戶中扣除應收款項并把該車輛列入黑名單中，將該信息及時下傳到各個收費站點的黑名單列表中；當被列為黑名單客戶補交了費用后，立刻下傳信息，解除該客戶的黑名單信息。對于惡意的逃費，闖關等車輛則處以高額的罰款。用戶也可以通過網絡、短信或電話通過特服號碼免費查詢自己的詳細消費信息，及時了解自己的消費情況，以及已繳納的費用和余額等。為使系統交易具有透明性，客戶可以隨時監督運營商，在必要時提出異議。
　　由以上全國性的網絡和金融等保障機制的存在，只讀系統將能更加發揮高速公路的優勢，使ETC廣泛推廣，解決多種面臨的問題。

采用只讀的ETC系統的工作流程如圖（1）所示。

步驟如下：
（1）啟動通信。車輛進入通訊范圍時，首先觸發地感線圈，啟動龍門架上的讀寫天線；
（2）鑒權。讀寫器與射頻標簽（車載標簽）進行通訊，通過車道計算機查表判別車載射頻標簽是否有效，無效則發出警告并保持車道封閉，引導到人工收費口；
（3）采集信息。如車載標簽有效，不在黑名單之列，采集車輛信息并保存，監控設備進行圖像抓拍，保存圖像信息作為檢查備案；
（4）放行。計算機控制欄桿抬升，通行信號燈變綠，費額顯示牌上顯示交易信息，車輛通過落桿線圈后，欄桿自動回落，通行信號燈變紅，等待下一輛車進；
（5）信息處理。車道計算機保存的車輛信息包括：車輛識別信息，過站時間，收費站代碼等記錄，并將其上傳至本地中心及區域中心；
（6）收費。區域收費中心進行查表、收費等操作，并配以短信等形式通知用戶交易的具體信息。
3. 結束語
　　只讀的ETC系統在覆蓋全國網絡的條件下能夠完全實現聯網收費功能。另外，有成熟的移動網絡計費收費系統結合利用，減少重復投資，能使系統更加有效的運營。總之，在我國推廣高速公路ETC工程應該考慮符合我國的國情，降低成本，充分利用現有資源，使ETC能快速推廣，真正解決高速公路的發展問題。