胡興麗 劉 偉

（重慶交通大學交通運輸學院 重慶 400047）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，機動車的增加，城市道路的交通壓力逐漸增大。在城市道路交叉口處，交通設施建設滯后以及管理措施不夠完善等原因，致使交叉口的擁擠越來越嚴重，從而影響城市道路水平的發(fā)揮。城市道路交叉口的交通狀況比較復雜，同時也成為制約城市道路功能的瓶頸。城市交通量是描述城市交通流特性的最重要的參數(shù)。調(diào)查交叉口交通量的目的，是為道路規(guī)劃、建設及交通營運管理與控制，提供有關交通的組成、分布及流向、車速、延誤、停車等數(shù)據(jù)，以便對交叉口的道路運行效能做出準確的評價。因此，對平面交叉口交通特性進行研究是找出擁堵原因，提高交叉口通行能力的前提條件。

1 系統(tǒng)概述

本文采用RFID（radio frequency identification）技術檢測進入交叉路口的車道流量數(shù)，RFID技術在交通信號控制系統(tǒng)中主要應用于交叉口車流量、分向流量、車速和排隊長度的檢測。能夠?qū)徊婵诟飨辔恍盘栠M行配時優(yōu)化提供精確的車流量統(tǒng)計，從而能夠自適應的控制整個交叉口的車輛通行，保證車輛通行質(zhì)量。

1.1 RFID 簡介及原理

1）簡介。RFID是1 種簡捷的、短距離（約10多m）、抗沖突、利用散射原理的900 MHz頻段的無線識別通信系統(tǒng)，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據(jù)。RFID 技術用于識別、檢測和跟蹤物體。系統(tǒng)由1個詢問器（或閱讀器）和很多應答器（或標簽）組成。

2）原理。RFID 電子標簽附著在車輛擋風玻璃內(nèi)側(cè)，電子標簽中保存有約定格式的電子數(shù)據(jù)。閱讀器可無接觸地讀取并識別電子標簽中所保存的電子數(shù)據(jù)，從而達到自動識別物體的目的。閱讀器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號，當標簽進入磁場時產(chǎn)生感應電流獲得能量；射頻標簽將自身編碼等信息通過天線發(fā)送出去；系統(tǒng)接收天線收到從射頻標簽發(fā)送來的載波信號，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到閱讀器，閱讀器對接收的信號進行解調(diào)和解碼然后送到后臺主機系統(tǒng)進行相關處理；進入磁場標簽的合法性由主機系統(tǒng)根據(jù)邏輯運算來判斷，針對不同的設定做出相應的處理和控制，發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機構(gòu)動作。見圖1。

圖1 讀寫器與標簽工作基本流程圖Fig.1 Basic flowchart of reader and tag

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

RFID技術最早開始應用于第2次世界大戰(zhàn)期間，至今已經(jīng)有60多年的歷史，使用RFID技術的是美國國防部軍需供應局。隨著RFID理論基礎的確立，RFID技術逐漸從概念步入到商業(yè)應用階段。

從全球的范圍來看，美國政府是RFID 應用的積極推動者，在其推動下美國在RFID 標準的建立、相關軟硬件技術的開發(fā)與應用領域走在世界前列。目前，美國、英國、法國、意大利和日本等國家均有較為成熟且先進的RFID 產(chǎn)品。

目前美國及歐洲等國家在交通、車輛管理、身份識別、生產(chǎn)線自動化控制、倉儲管理及物資跟蹤等領域已經(jīng)開始逐步應用RFID 技術。

我國已經(jīng)將RFID技術應用于鐵路車號識別、身份證和票證管理、動物標識、特種設備與危險品管理、公共交通以及生產(chǎn)過程管理等多個領域。

如何將RFID 技術應用于交叉口的各種數(shù)據(jù)參數(shù)檢測，目前還沒有相關的研究報告。

1.3 系統(tǒng)構(gòu)成

RFID 系統(tǒng)由3部分組成：

電子標簽（tag）。由天線及芯片組成，每個標簽具有惟一的電子編碼，支持ISO18000－6C 或6B標準，安裝在車輛上標識車輛牌號等信息，其中保存有約定格式的電子數(shù)據(jù)；當受到無線電射頻信號照射時，反射回攜帶有數(shù)字字母編碼信息的無線電射頻信號，供閱讀器處理識別。其工作頻率在國內(nèi)為920～925 MHz。

閱讀器（reader）。用以產(chǎn)生、發(fā)射無線電射頻信號并接收由電子標簽反射回的無線電射頻信號，可遠距離、無接觸讀取并識別電子標簽中保存的車輛數(shù)據(jù)信息。從而達到自動識別車輛的目的。必要時，還可向標簽寫入信息，進一步通過計算機及計算機網(wǎng)絡實現(xiàn)車輛信息的采集、處理及遠程傳送等管理功能。采用廣播發(fā)射式射頻識別和反射調(diào)制式射頻識別。

高性能天線（antenna）。也稱路測標識，用于在電子標簽和閱讀器間傳遞射頻信號。見圖2。

圖2 系統(tǒng)組成圖Fig.2 System components figure

1.4 系統(tǒng)功能

在智能交通系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集模塊占有重要地位。系統(tǒng)根據(jù)前端采集的交通狀態(tài)信息，有針對性地調(diào)整交通信號控制策略。信號配時的準確度與交通量的測量方法也有很大關系。在智能交通控制過程中，信號機要根據(jù)實時采集的車輛信息來選擇路口控制模式。本設計基于RFID 技術進行車流量的檢測，可以成為智能交通系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集模塊，同時對信號控制配時研究起著重大的作用。這種方案只需對車輛粘貼相應的電子標簽，在交叉口各進口停車線處安裝RFID 讀寫設備對進入交叉口車輛進行車流統(tǒng)計。

RFID 閱讀器一體機安裝于道路龍門架上，4個車道分別對應4個天線，實時讀取車輛標簽信息，并將該信息傳送本地控制器作分析處理。本地控制器將分析完后的數(shù)據(jù)通過無線傳輸方式傳送到信息中心服務器。這是系統(tǒng)的基本工作流程。信息中心系統(tǒng)對收集到的信息作進一步分析，獲取如車輛流量、平均車速、占有率、車輛種類、車輛停止偵測及轉(zhuǎn)向比等重要交通信息。見圖3。

圖3 系統(tǒng)原理圖Fig.3 System principle figure

1.5 系統(tǒng)特點與優(yōu)勢

1）使用壽命長。RFID 超高頻無線電通信方式，可以應用于粉塵、油污等高污染環(huán)境和放射性環(huán)境，備具防水、防磁、耐高溫、全天候工作性能；

2）全天候穩(wěn)定工作。不受黑夜、雨霧、風雪、雷電、酷暑嚴寒、粉塵風沙等惡劣天氣影響，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

3）識別距離遠、速度快：能正確采集識別高速行駛在120km／h 下的車輛信息；標簽以20次／s左右的頻率與閱讀器進行讀取通信，具有信息采集量與存儲量大、數(shù)據(jù)準確、實時性高以及成本較低等優(yōu)點；

4）動態(tài)實時通信。系統(tǒng)檢測到車輛后即時傳送到中心系統(tǒng)，具有非常高的實時性。

5）數(shù)據(jù)傳輸方式靈活。RFID 檢測設備可以適用于任何現(xiàn)狀交叉口，即可通過無線方式也可通過有線方式進行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)配置靈活、方便、快捷。

6）便于維護。RFID 檢測設備安裝于交叉口桿件上，相對于線圈檢測而言，維護更方便，效率更高。

2 方案實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)框架及采集流程

當車輛進入交叉口檢測范圍內(nèi)，通過RFID閱讀器對道路車輛數(shù)據(jù)進行采集，將采集的車流數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)絡傳輸至后臺中央處理器，信息中心系統(tǒng)對收集到的車流數(shù)據(jù)信息作進一步分析處理，獲取如車輛流量、平均車速、占有率、車輛種類、車輛停止偵測及轉(zhuǎn)向比等重要交通信息，進行讀取編碼、相位車流量劃分及車流統(tǒng)計。見圖4。

圖4 采集流程圖Fig.4 Collection flowchart

2.2 數(shù)據(jù)檢測的處理模塊

RFID 閱讀器通過微波天線不停地從指定區(qū)域收集車流數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)都通過網(wǎng)絡傳遞到后臺應用系統(tǒng)。閱讀器讀取裝有電子標簽的車流數(shù)據(jù)，并將標簽數(shù)據(jù)作為車流數(shù)據(jù)傳遞到消息系統(tǒng)中。在消息系統(tǒng)中，將整個交叉口檢查所得到的車流量數(shù)據(jù)建立相應的數(shù)據(jù)存儲處理模型，此模型作為交叉口的實時動態(tài)車流量統(tǒng)計，建模宗旨是為了得到最優(yōu)飽和長度為L（根據(jù)交叉口排隊長度來確定取值）路段的進口道車流量數(shù)與轉(zhuǎn)向車道的車流量數(shù)的關系模型，即為短時間內(nèi)從t時刻到t＋1時刻進入交叉口流量相位劃分的關系模型。RFID 閱讀器分別對各個進口道以及各進口車道進行車流量采集，交叉口的進口道數(shù)用i表示，交叉口進口車道數(shù)用j表示，下面以常規(guī)的4交叉口的1個進口道建立在飽和長度為L 路段的進口道總的車流量與進口車道的轉(zhuǎn)向車流量關系模型。見圖5。

在交叉口各個進口道停車線處設置RFID 檢測讀寫器，在路段i的t 時刻檢測的進口道車流為Ni（t）（i＝1，2，…，i為進口車道），停車線處的轉(zhuǎn)向車道的車道流量為nj（t）（j＝1，2，…，j為車道數(shù)），路段i在飽和長度為L 下分為Nk個長度為Δi的小段，小段車道數(shù)記為λi。在交通控制的需求下，道路網(wǎng)絡交通流模型為時空離散化的模型。交叉口進口路段i的第k 小段在t 時刻的交通狀態(tài)用密度、速度和流量表示，分別記作ρi，k（t）、vi，k（t）和qi，k（t），在t時刻，Ni（t）進入交叉口停車線的流量與轉(zhuǎn)向車道流量建立模型為

式中：Ni（t＋1）為進入交叉口停車線的動態(tài)變化的車輛數(shù)；n為進口車道數(shù)j的取值（n＝1，2，…）。則在t＋1時刻，進入飽和長度L 路段變化的車流量Ni（t）的變化模型為

式中：T為模型取樣周 期；γi，k，j＝ρi，k，j／ρi，j為交 通組成比例。

圖5 交叉口流量圖Fig.5 Intersection flow diagram

RFID 系統(tǒng)本身具有數(shù)據(jù)處理的功能，因應用的領域不同，數(shù)據(jù)處理規(guī)則不同。將RFID 技術應用在交叉口做流量檢測，根據(jù)各個交叉口的參數(shù)需求，自定義處理規(guī)則，建立相應的處理模型，完成系統(tǒng)相應的數(shù)據(jù)處理和管理任務，當事件滿足一定條件時，會自動的觸發(fā)相應的動作。

2.3 交叉口安裝具體位置

在交叉口進口停車線處（以4車道為例），安裝道路龍門架上，分別對應4個車道設置4個天線，按典型交叉口道路環(huán)境預測，4個方向進口分別有左轉(zhuǎn)1車道、直行2 車道、右轉(zhuǎn)1 車道，按1個閱讀器配2個天線計算，整個交叉口需要布置4個交通參數(shù)檢測剖面、合計8臺閱讀器、4臺4口交換機將全部閱讀器進行聯(lián)網(wǎng)，4 個交通參數(shù)檢測剖面將交通量數(shù)據(jù)實時送到信號機處理中心進行匯總處理。見圖6。

圖6 安裝示意圖Fig.6 Installation sketch map

3 結(jié)論與建議

1）本文所提出的基于RFID的交叉口流量檢測，是1 種新型的交叉口流量檢測方法，是以RFID 技術檢測器作為基礎的，將車輛檢測器安裝在交叉口進口停車線處，根據(jù)檢測器的車輛數(shù)量和能夠反映交通飽和程度的車輛時間占有率。

2）RFID 在路費征稽、高速公路或各種停車場收費中的應用體現(xiàn)為不停車收費，高速公路不停車收費系統(tǒng)是RFID 技術最成功的應用之一。

3）將RFID 技術應用在交叉口流量檢測，可以實時、高效的監(jiān)管交叉口交通情況，并且能夠為交叉口自適應信號配時提供精確的車流數(shù)據(jù)，及時發(fā)布信號燈相位信息，疏導交通，以達到強化交通指揮，有效提高交叉口的通行力的目的，從而實現(xiàn)交叉口的智能控制。

4）基于RFID技術的數(shù)據(jù)采集，在智能交通信息采集及交叉口管理中都具有很好的應用前景。

5）隨著電子產(chǎn)品的發(fā)展，RFID 技術的逐漸成熟，RFID 產(chǎn)品價格也將在可取范圍之內(nèi)。

當然，基于RFID的交叉口流量檢測，存在的問題是進入交叉口的車輛必須安裝有電子標簽。本文只在流量檢測上建立了相關的處理模型，對該模型的驗證以及交叉口的其他重要參數(shù)的獲取，還需要進一步探討。為了提高交叉口通行能力，同時為了實現(xiàn)RFID 技術能夠應用于交叉口各種數(shù)據(jù)檢測，還需要在實際的信號控制系統(tǒng)中得到充分驗證。同時還希望與我國交通信號控制領域的工作者共同努力，對此技術作進一步改善，為實現(xiàn)自主創(chuàng)新的交通信號控制系統(tǒng)做出貢獻，在智能交通中得到很好的運用。

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