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        基于RFSIM路徑識別的高速公路收費系統(tǒng)設計

        2014-04-12 00:00:00李瑩李鴻陳藝廷
        現(xiàn)代電子技術 2014年1期

        摘 要: 為了滿足高速公路聯(lián)網(wǎng)收費管理的需要,針對當前高速公路二義性路徑及收費效率低等問題,提出一種基于RFSIM卡路徑識別的高速公路收費系統(tǒng),利用手機RF?SIM卡中集成的射頻技術與讀卡器進行路徑確認和聯(lián)網(wǎng)收費,系統(tǒng)有利于解決收費拆分不合理的狀況,有效提高高速公路口的通行速率。從現(xiàn)實應用出發(fā),以RFSIM 卡發(fā)展前景為切入點,分析此系統(tǒng)的優(yōu)勢,通過實驗結(jié)果證明了系統(tǒng)的可行性和有效性。

        關鍵詞: RFSIM; 路徑識別; 收費拆分; 二義性; 手機支付

        中圖分類號: TN929.5?34; U491 文獻標識碼: A 文章編號: 1004?373X(2014)01?0060?04

        0 引 言

        高速公路遭遇二義性路徑的問題時,多運用數(shù)理統(tǒng)計方法或最短路徑法等[1]路徑識別方法,這些方法的精確度取決于數(shù)學概率。但當?shù)缆肥褂谜咴谶x擇路徑時產(chǎn)生了更多考慮,如路況、服務設施等情況,此時利用概率計算的誤差較大,造成出口收費時不能準確判斷車輛的實際行駛路徑,從而引起收費不精確。后為解決路徑識別問題,提出運用一定的技術手段精確標識行駛車輛軌跡。ETC技術應用比較廣泛,主要利用車載終端來實現(xiàn)路徑精確識別[2],但由于移動定位裝置開發(fā)運營成本較高、系統(tǒng)復雜,缺乏統(tǒng)一的行業(yè)標準,發(fā)展前景不容樂觀?,F(xiàn)今主要試驗的識別方法有:車牌識別法、無源RFID射頻卡標識站法等[3]。車牌識別法[4]對高速行駛的車輛實時識別難度大,其車牌識別率受環(huán)境影響大,難以滿足實際需求;而采用無源RFID射頻卡技術的路徑識別法[5],無源射頻卡不含有電池,它的發(fā)射距離受限制,且需要讀寫器的發(fā)射功率大,建站投資巨大。

        現(xiàn)今我國手機用戶已超過11.12億戶,普及率達到82.6部/百人,隨著移動支付安全性的增強[6],手機支付成為一種流行趨勢。以手機為載體,將SIM 卡與RFID 技術相結(jié)合,設計一種基于RFSIM卡路徑識別的高速公路收費拆分系統(tǒng),采用手機替代ETC車載終端,實現(xiàn)手機支付相關費用的功能。利用RFSIM卡手機的收費系統(tǒng)結(jié)合了手機的方便性,解決無源射頻卡的高消耗問題;同時,利用RFSIM卡能夠遠距離識別的特性,通過安置路徑標識讀卡器可以精確記錄高速公路上的行車路徑,能夠解決收費精確拆分的問題,開創(chuàng)一種高速公路收費與精確拆分的新模式。

        1 二義性路徑問題

        所謂二義性路徑,就是從同一個地點出發(fā),可以通過路徑1、路徑2、[…、]路徑[n]到達同一個目的地,但對于通過的車輛,預先不能確定其選擇通過的是哪個路徑,這樣路徑1、路徑2、[…、]路徑[n]定義為二義性路徑。這里可以用一個簡單的環(huán)路圖來表示,如圖1所示。

        假設從A城市到B城市中間分別有如圖1所示5條不同路徑的高速公路,任一條高速公路均分屬于不同的業(yè)主。某車輛從A城市出發(fā)進入高速公路并要到達B城市,其所行徑的可能路線為直接通過1,或者是2和3,2和5,4和3,4和5等,此時其行駛路線產(chǎn)生了“二義性”。目前通用的辦法是“最短路徑法”,即認為該車是經(jīng)由最短的路徑2和5線路行駛,并以此來收取通行費,同時該費用由路徑2和路徑5的業(yè)主分拆。

        圖1 路徑示意圖

        但是,這種分法并不合理。在某些因素影響下,若車輛行徑的路線僅僅是路徑1,那么車輛所繳納的通行費應該與行駛最短路徑2和5線路不一致,車輛并沒有通過路徑2和5,但其業(yè)主拆分了其通行費用,而對于車輛所通過的路徑1的業(yè)主卻沒有收取到其所繳納的通行費用,這樣的拆分顯然有失公允性,由于難以區(qū)分行駛車輛的精確路徑,路徑識別問題已成為精確拆分工作所難逾越的障礙。

        2 基于RFSIM卡路徑識別的收費系統(tǒng)

        2.1 RFSIM卡技術的基本原理

        RFSIM卡是射頻識別技術(Radio Frequency Identification)與手機SIM卡的簡稱。RFSIM卡可安裝在手機上實現(xiàn)中遠距離身份識別和近距離金融支付,并能利用SIM卡上的CPU進行運算功能,這是NFC等其他手機不具備的功能[7]。表1通過對三種技術的對比,可以看出RFID技術通過與SIM卡的有機集成,不受終端的限制,在應用上能夠充分與移動通信技術結(jié)合。RFSIM采用了無線射頻的通信方式,它將具有RF射頻功能的模塊鑲嵌在SIM卡多余卡基空間內(nèi)[8],使用2.4 GHz的微波頻率進行數(shù)據(jù)通信,通過手機供電實現(xiàn)有源RFID卡,如圖2所示。利用RFSIM技術可實現(xiàn)電子錢包、在線支付、身份識別、電子票據(jù)、電子證件、情景OTA等功能,其技術正被廣泛地使用到各政企單位、商業(yè)以及個人的日常生活與消費支付中[9]。

        基于RFID技術的路徑識別系統(tǒng)能夠在一定范圍內(nèi)同時對多個載有射頻標簽的目標物體進行非接觸、高速及準確的并行跟蹤和識別。因此只要裝設相應的RFID?SIM卡讀寫器[10],當射頻識別標簽(RFSIM卡)進入讀卡器的有效讀卡范圍內(nèi)時就會自動讀取卡內(nèi)身份標識。

        表1 RFSIM卡與其他類似技術的比較

        [\NFC\SIM Pass\RFSIM\構(gòu)造\終端內(nèi)置無線

        裝置,通過天線實現(xiàn)\SIM雙界面卡將13.56M的無線裝

        置作為SIM的延伸\RF?SIM是一個全自動無線裝置\運算

        方式\手機存儲和執(zhí)行無線應用及安全密鑰\SIM卡存儲和執(zhí)行無線應用

        及安全密鑰\SIM卡中的智能卡存儲和執(zhí)行無線應用及安全密鑰\安全性與可操作性\安全性強

        操作性實現(xiàn)較為復雜\安全性強

        可操作性較差\高安全性

        可操作性強\機型\機型和終端數(shù)量有限\機型和終端

        數(shù)量有限\不依賴于終端

        很少的改造既可兼容絕大部分的POS\試用\目前在日本、美國等地應用廣泛\小范圍試用\2008年投入商用\]

        圖2 RFSIM卡技術原理

        2.2 系統(tǒng)組成與業(yè)務流程

        將RFID技術應用于高速公路路徑的精確定位中,組成一個智能化的精確收費拆分系統(tǒng),本系統(tǒng)主要包括:RFSIM卡與手機、近距離RFID讀卡器與POS機(交易主機),中遠距離RFID讀卡器(路徑標識站)、智能電子警察、收費數(shù)據(jù)庫處理平臺等系統(tǒng)。其基本構(gòu)成是:RFSIM卡的身份標示是惟一的,每個車主的手機卡都采用內(nèi)嵌RFID芯片的SIM卡,在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中將該卡的身份標示號、車型、銀行專用賬號和對應的車牌號進行關聯(lián)綁定,形成電子車牌;車輛通過高速公路入口時,讀卡器會讀取RFSIM卡中存儲的用戶信息,再將進入口的收費站信息寫入RFSIM卡中;在高速公路的每個轉(zhuǎn)換道路的匝道出入口處安裝一套遠距離RFID讀卡器和智能電子警察,對每一個讀卡器進行路徑編號;當車輛通過路段時,將通過讀卡器獲得的路徑編號存儲到RFSIM卡中;在高速公路出口處的主機平臺讀取卡中信息上傳到收費數(shù)據(jù)庫處理平臺;收費數(shù)據(jù)庫處理平臺根據(jù)卡中車輛所經(jīng)路徑編號通過收費讀卡器自動收取相應費用,并后臺處理以此實現(xiàn)相應的精確收費拆分。

        (1) RFSIM卡手機

        用戶只需換卡而無需更換手機,無需增加新的通信協(xié)議,能與現(xiàn)有市場快速融合,能夠較好的獲得移動運營商的支持,針對全國各地路網(wǎng)標準不一的情況,只需改造各收費站的讀卡器,RFSIM卡手機即可跨路網(wǎng)使用。

        (2) 路徑標識站

        以現(xiàn)高速公路各個路段的編號為基礎,根據(jù)高速公路的復雜環(huán)路段的起止點,對每個道路轉(zhuǎn)換匝道的出入口進行路徑編號。路徑標識站的主編號法如表2所示,如為路段入口則在主編號后添加相應的標識,如G4_LX_CS_R;同理,出口則為G4_LX_CS_C。

        表2 路徑標識站編號方法

        [高速公路全稱\現(xiàn)編號\起點\終點\標識站主編號\北京?港澳高速公路

        臨湘至長沙段\G4\臨湘\長沙\G4_LX_CS\長沙市繞城高速

        公路東北段\G401\楊梓沖\黃花\G401_YZC_HH\長沙?株洲

        高速公路\S21\長沙黃花\株洲田心\S21_CHH_ZTX\長沙機場

        高速公路\S40\長沙黎托\長沙黃花機場\S40_CLT_CHH\]

        (3) 出口讀卡繳費

        通過收費站出口收費車道時,射頻識別標簽(RFSIM卡)進入讀卡器的的作用范圍,激活識別標簽,從卡中讀取車輛身份標識、車牌號與路徑信息,上傳到POS機,系統(tǒng)檢索庫中相應車型及銀行專用賬號,根據(jù)具體路徑信息計算費用,將交易記錄返回給交易平臺,從銀行卡中扣除相應費用。根據(jù)信號測試結(jié)果,當車通過高速公路收費站收費車道時,可以很好的直接利用手機支付交易。

        (4) 收費數(shù)據(jù)庫處理平臺

        收費數(shù)據(jù)庫處理平臺根據(jù)交易平臺所上傳的含標識站信息的出口流水信息,對高速公路車輛通行費按實際行駛路徑拆分、結(jié)算,將車輛通行費的結(jié)果劃分到每個路段(橋)業(yè)主的收益賬戶中。

        3 系統(tǒng)的關鍵技術

        3.1 刷卡沖突

        由于高速公路多條車道并存,則可能出現(xiàn)多個RFID讀卡器同時讀一張RFSIM卡,一個RFID讀卡器讀多張RFSIM卡,以及RFID讀卡器和RFID讀卡器之間的相互發(fā)生碰撞的情況,即為沖突。一旦沖突發(fā)生,收費交易即會產(chǎn)生干擾,通信可能無法進行,甚至導致收費站出現(xiàn)車輛擁堵,嚴重的收費系統(tǒng)直致癱瘓。上述沖突可歸類為多卡沖突和地址沖突。針對兩種沖突形式,系統(tǒng)識別對應的沖突是通過對RFID讀卡器發(fā)送二次標簽沖突檢測特征信息來實現(xiàn)。在讀卡器與RFSIM卡建立連接后,即馬上發(fā)送沖突檢測幀,接著與當前連接的卡建立接入和交易,此時進入沖突區(qū)域內(nèi)所有的卡都將收到低頻沖突檢測幀,RFSIM卡作為主體判斷沖突,并根據(jù)沖突類型進行及時響應和處理。

        3.2 防拔機制

        由于RFSIM卡是基于非接觸的移動交易,通信鏈路存在一定不可靠性,用戶在通信過程中,可能處于支付的臨界位置,或者因其他原因使得在POS發(fā)送交易指令完畢且卡執(zhí)行命令成功后,通信過程突然出現(xiàn)問題,導致扣費流程發(fā)生錯誤,既出現(xiàn)卡片的金額已經(jīng)被扣除,但POS機收費并未成功的情況。此類問題單靠底層是無法得到有效解決的,因此POS機應用的上層須能及時監(jiān)測到錯誤情況并做出相應處理,即防拔機制的實現(xiàn),以確保整個交易的完整性。

        3.3 交易距離控制

        在系統(tǒng)中為控制交易距離,加入低頻檢測線圈,RFSIM卡端根據(jù)檢測到的低頻信號強度[V]為門限進行交易處理。當POS機發(fā)出連接RFSIM卡指令后,即[V>]Gate1時,RFID讀卡器將持續(xù)嘗試與RFSIM卡進行連接,從而減輕主機負擔,提高交易效率。當RFSIM卡攜帶信息包進入讀卡器正常工作的范圍,即[V>Gate2]時,讀卡器與RFSIM卡連接上,并持續(xù)維持其接入的狀態(tài);否則讀卡器將斷開連接,并嘗試接入新的RFSIM卡。當RFID讀卡器接入RFSIM卡時,POS機會發(fā)送讀取SIM卡的指令,此時[V>Gate3,]讀卡器會將接入的RFSIM卡的信息傳回給POS機,POS機就可以發(fā)送相應的交易指令進行交易。RFID讀卡器搜索RFSIM卡時的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3所示。

        圖3 RFID讀卡器搜索RFSIM卡時的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

        4 交易信號衰減特性測試

        在模擬實驗中,2.4 GHz高頻收發(fā)模塊采用的是NORDIC公司的NRF24L01,低頻接收芯片是國民技術的Si1309,用頻譜儀測量了不同型號的移動手機位于讀卡器不同距離時所發(fā)出的2.4 GHz射頻信號的衰減特性,表3為其中部分手機的模擬數(shù)據(jù),其中放大信數(shù)為30。

        上述表內(nèi)數(shù)據(jù)表明,當RFSIM卡手機處于讀卡器2.5 m范圍內(nèi)時能夠建立良好的通信。

        5 結(jié) 語

        隨著3G網(wǎng)絡的完善和新興商業(yè)模式的出現(xiàn),手機支付呈現(xiàn)一個快速發(fā)展的態(tài)勢,本系統(tǒng)以RFID卡技術為基礎,利用RFSIM卡技術實現(xiàn)了遠程控制與現(xiàn)場支付功能的統(tǒng)一,經(jīng)模擬實驗結(jié)果可以看出,RFSIM卡通信的效果符合預期,結(jié)合高速公路的設備改造,能夠替代傳統(tǒng)的高速公路收費系統(tǒng),從而提高高速公路收費效率,實現(xiàn)高速公路路徑準確記錄和通行費的精確拆分,能夠有效地解決現(xiàn)有的“概率統(tǒng)計法”、“最短路徑法” 所導致的收費拆分不公的矛盾和糾紛。

        參考文獻

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