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。

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