曾炎盛

基于RFID技術(shù)的交通擁堵收費(fèi)系統(tǒng)測試分析

曾炎盛

（深圳市綜合交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，深圳 518000）

為探索交通擁堵收費(fèi)的實(shí)施路徑，驗(yàn)證將RFID技術(shù)應(yīng)用于交通擁堵收費(fèi)系統(tǒng)的可靠性，在RFID技術(shù)特征分析和基于RFID技術(shù)的交通擁堵收費(fèi)技術(shù)方案基礎(chǔ)上，提出系統(tǒng)性的驗(yàn)證測試方案，搭建測試環(huán)境，根據(jù)交通擁堵收費(fèi)系統(tǒng)可能遇到的實(shí)際情況制定不同的測試場景，分別進(jìn)行室內(nèi)測試和室外實(shí)車測試。室內(nèi)測試結(jié)果顯示單個OBU交易時長＜250 ms，OBU交易成功率為100%，均符合室內(nèi)測試預(yù)期要求；室外實(shí)車測試結(jié)果顯示OBU讀取成功率為100%，激光檢測、車輛抓拍、車牌匹配通過率為100%，車牌識別通過率為98.9%，均符合室外實(shí)車測試預(yù)期要求，各種聯(lián)動功能正常。研究結(jié)果顯示基于RFID技術(shù)的交通擁堵收費(fèi)系統(tǒng)具有現(xiàn)實(shí)的可靠性。

智能交通；射頻識別；交通擁堵收費(fèi)；測試；交通需求管理；電子標(biāo)簽

0 引 言

射頻識別（Radio Frequency Identification，簡稱RFID）技術(shù)，是一種利用射頻信號來識別特定目標(biāo)的非接觸式通信技術(shù)，是實(shí)施物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，具有物品識別、定位、數(shù)據(jù)快速讀寫等功能，與互聯(lián)網(wǎng)、GPS、通信等技術(shù)相結(jié)合，能夠識別、定位、跟蹤特定物品，并實(shí)現(xiàn)物品信息共享。

RFID技術(shù)已在物流、制造等行業(yè)得到應(yīng)用，大幅提高行業(yè)管理水平與運(yùn)作效率，降低運(yùn)營成本。國外一些發(fā)達(dá)國家如新加坡、以色列、日本等已將RFID技術(shù)應(yīng)用于智能交通行業(yè)，并取得了顯著效果。國內(nèi)交通行業(yè)多將RFID技術(shù)應(yīng)用于公交一卡通、不停車收費(fèi)、物流監(jiān)控等方面。相關(guān)學(xué)者開展了RFID技術(shù)在交通領(lǐng)域的應(yīng)用探索工作，如將RFID技術(shù)用于車輛識別[1, 2]、車輛巡航控制[3]和引導(dǎo)[4]、人員定位[5]、交通流數(shù)據(jù)采集[6]、交通信號控制[7, 8]、城市交通運(yùn)行狀態(tài)判 別[9, 10]、軌道交通的客流誘導(dǎo)[11]、交通標(biāo)志牌清點(diǎn)定位[12]、交通擁堵信息識別[13]和控制[14]等方面。

交通擁堵問題已成為影響城市健康、可持續(xù)發(fā)展的主要障礙。交通擁堵收費(fèi)作為一種交通需求管理手段，是在不增加基礎(chǔ)設(shè)施供給的情況下對高峰時段行駛在擁堵區(qū)域或路段上的車輛征收額外費(fèi)用，這是校正交通外部效應(yīng)的一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)措施，即通過價格機(jī)制來調(diào)節(jié)出行需求，均衡車輛在城市路網(wǎng)時空分布，減少路網(wǎng)中車流量，從而緩解交通擁堵[15]。

交通擁堵收費(fèi)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)是精確、可靠地對車輛身份、車型等信息進(jìn)行識別并收費(fèi)，通過對不同收費(fèi)技術(shù)手段、收費(fèi)模式的對比分析，將RFID技術(shù)應(yīng)用于交通擁堵收費(fèi)理論上是可行的。但由于RFID是一種短程微波通信技術(shù)，易受電磁波干擾造成識別偏差。道路交通擁堵收費(fèi)多應(yīng)用于特定區(qū)域內(nèi)路段的多車道或單車道收費(fèi)，采用RFID技術(shù)存在跟車、鄰道多標(biāo)簽干擾等不穩(wěn)定因素，導(dǎo)致車載RFID標(biāo)簽無法正常識別與交易。因此，基于RFID技術(shù)的ETC收費(fèi)系統(tǒng)應(yīng)用于交通擁堵收費(fèi)的可靠性需要通過實(shí)際場景下的多項(xiàng)系統(tǒng)測試來驗(yàn)證，但目前這方面研究較為欠缺。本文在基于RFID技術(shù)的交通擁堵收費(fèi)技術(shù)方案基礎(chǔ)上，提出系統(tǒng)性測試方案。通過搭建系統(tǒng)測試環(huán)境，分別進(jìn)行不同場景不同類型的測試，結(jié)合測試結(jié)果指標(biāo)來評價RFID技術(shù)應(yīng)用于交通擁堵收費(fèi)系統(tǒng)的可靠性。

1 技術(shù)特征

RFID標(biāo)簽是RFID技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備，具有體積小、使用便捷、存儲容量大、使用壽命長等特點(diǎn)，相比其他自動識別技術(shù)，RFID技術(shù)具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢：

（1）遠(yuǎn)距離、多目標(biāo)識別。讀寫器識別RFID標(biāo)簽無需外部光源，可有效識別距離讀寫器30 m以上的有源標(biāo)簽，并且可同時批量識別處理多個標(biāo)簽，但在特定環(huán)境下受電磁波干擾影響識別效果。

（2）可動態(tài)實(shí)時交互。RFID標(biāo)簽可以20~100次/秒的頻率與讀寫器通信，讀寫器亦可動態(tài)與RFID標(biāo)簽進(jìn)行交互式數(shù)據(jù)修改。

（3）數(shù)據(jù)安全性和可靠性高。RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)可設(shè)置讀寫保護(hù)，確保數(shù)據(jù)的安全性；RFID技術(shù)采集的數(shù)據(jù)錯誤率和冗余率較低，具有較高的可靠性，采取一定的質(zhì)量控制措施可有效控制RFID錯誤和冗余數(shù)據(jù)的產(chǎn)生[16, 17]。

2 測試方案

基于RFID技術(shù)的交通擁堵收費(fèi)系統(tǒng)的測試主要包括設(shè)備測試和系統(tǒng)測試兩大類。

2.1 設(shè)備測試

設(shè)備測試是對基于RFID技術(shù)的交通擁堵收費(fèi)系統(tǒng)組成中的各種設(shè)備進(jìn)行測試，主要針對路側(cè)單元（RSU）和電子標(biāo)簽（OBU），測試內(nèi)容包括系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，如短程通信的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層等。

設(shè)備測試的配置及方法、測試結(jié)果應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求[18]。電子標(biāo)簽（OBU）和路側(cè)單元（RSU）的測試項(xiàng)目見表1。

表1 設(shè)備測試的測試項(xiàng)目

續(xù)表1

序 號OBU測試項(xiàng)目RSU測試項(xiàng)目 7位速率位速率 8鄰道泄露功率比喚醒信號 9喚醒方式前導(dǎo)碼 10喚醒時間鄰道泄露功率比 11喚醒靈敏度/接收靈敏度接收靈敏度 12同信道干擾抑制比接收帶寬 13鄰信道干擾抑制比同信道干擾抑制比 14防拆卸鄰信道干擾抑制比 15工作溫度工作溫度 16數(shù)據(jù)幀格式與車道控制器接口 17典型交易流程數(shù)據(jù)幀格式 18互操作性互操作性

2.2 系統(tǒng)測試

基于RFID技術(shù)的交通擁堵收費(fèi)系統(tǒng)分為前端系統(tǒng)和后臺系統(tǒng)，其中前端系統(tǒng)包括射頻識別、車牌識別等3個子系統(tǒng)，后臺系統(tǒng)包括收費(fèi)策略設(shè)置、自動扣費(fèi)管理等13個子系統(tǒng)，其組成見圖1所示。

圖1 基于RFID技術(shù)的交通擁堵收費(fèi)系統(tǒng)組成

系統(tǒng)測試分為室內(nèi)測試和室外測試兩部分。室內(nèi)測試用于測試收費(fèi)系統(tǒng)的交易性能及設(shè)備之間的互操作性；室外測試是在實(shí)際道路環(huán)境中測試收費(fèi)系統(tǒng)的讀取準(zhǔn)確率和通信可靠性等性能。此外，還需要考慮實(shí)際場景中的各種變化因素，設(shè)計(jì)極端用例以檢測極端情況下系統(tǒng)的性能。

2.2.1 室內(nèi)測試

室內(nèi)測試在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，溫度15℃~35℃，相對濕度35%~75%，測試項(xiàng)目主要包括交易時長和OBU交易成功率兩項(xiàng)指標(biāo)。

（1）交易時長

交易時長是指OBU回復(fù)VST前的BST幀尾開始，到OBU回復(fù)的SetMMI幀尾之間的時間間隔，由RSU和OBU性能共同決定。此項(xiàng)測試旨在評價OBU與RSU的交易時長是否滿足指標(biāo)要求。

（2）OBU交易成功率

OBU交易成功率測試是OBU成功交易次數(shù)與總的交易次數(shù)之比，用于評價RSU與OBU的靜態(tài)交易穩(wěn)定性能。

室內(nèi)測試的測試指標(biāo)及預(yù)期結(jié)果要求見表2。

表2 室內(nèi)測試的測試指標(biāo)及預(yù)期結(jié)果要求

2.2.2 室外測試

室外測試在測試場中進(jìn)行，溫度為10℃~45℃，相對濕度10%~85%?？紤]到車型尺寸對系統(tǒng)性能測試的差異，本文測試以常用收費(fèi)車型的小汽車（含出租車）、貨車車型為主，其他車型為輔。

測試選用的測試場為單向兩車道，每條車道寬度均為3.5 m，支持最大車速60~70 km/h；車道總長800 m，其中加速部分（起點(diǎn)到龍門架正下方）長度為400 m，減速部分（龍門架正下方到終點(diǎn)）長度為400 m；龍門架底部距離地面的高度為5.1 m。

標(biāo)識點(diǎn)前端設(shè)備采用單排部署在龍門架上，每臺設(shè)備覆蓋區(qū)域長度不小于20 m，寬度不小于4 m，每條車道/路肩安裝1臺設(shè)備單元，實(shí)現(xiàn)整個斷面的無縫覆蓋，完成對通過車輛標(biāo)識的識別處理，測試車道的標(biāo)識點(diǎn)布局如圖2所示。

（1）測試場景

為提高系統(tǒng)測試的精度，本文制定了交通擁堵收費(fèi)系統(tǒng)實(shí)際可能遇到的8種不同測試場景進(jìn)行室外實(shí)車測試。具體測試場景方案見圖3。

圖2 車道的標(biāo)識點(diǎn)布局

（2）測試項(xiàng)目及方法

室外測試主要包括RSU的無線定位精度、OBU讀取成功率以及系統(tǒng)存在的問題三項(xiàng)指標(biāo)，室外測試的測試指標(biāo)及預(yù)期結(jié)果要求見表3。

表3 室外測試的測試指標(biāo)及預(yù)期結(jié)果要求

在不同信道下，測試多組坐標(biāo)點(diǎn)，檢測定位精度與穩(wěn)定性。定位精度評價指標(biāo)為：

其中，?和?分別為定位測試中橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)的誤差值。

3 結(jié)果分析

3.1 室內(nèi)測試結(jié)果

通過對兩個OBU樣本進(jìn)行室內(nèi)測試，發(fā)現(xiàn)兩個樣本的OBU交易時長和交易成功率均滿足測試結(jié)果的要求，結(jié)果見表4和表5。

表4 OBU交易時長測試結(jié)果

表5 OBU交易成功率測試結(jié)果

3.2 室外測試結(jié)果

（1）無線定位測試

分別選擇6組測試點(diǎn)進(jìn)行無線定位測試，測試橫縱坐標(biāo)的定位精度均≤0. 5m，滿足測試結(jié)果的要求，無線定位測試結(jié)果見表6。

表6 無線定位測試結(jié)果

（2）實(shí)車測試

在8種不同的測試場景情況下進(jìn)行多次實(shí)車測試，測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況見表7。

表7 實(shí)車測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況

備注：*錯誤賬單數(shù)量為OBU已匹配成功，但多拍一次車牌，多產(chǎn)生一個賬單數(shù)量

測試結(jié)果顯示，室外測試的OBU讀取成功率為100%，激光檢測、車輛抓拍、車牌匹配通過率為100%，車牌識別通過率為98.9%，均符合預(yù)期要求，并且各種聯(lián)動功能正常。實(shí)車測試結(jié)果見表8。

表8 實(shí)車測試結(jié)果

測試中出現(xiàn)的主要問題是“攝像頭多抓拍1次，系統(tǒng)多產(chǎn)生了1個賬單”，出現(xiàn)該問題的原因是前后攝像頭抓拍時間間隔閾值設(shè)置較小，若車輛行駛速度較慢，使得抓拍的時間間隔超過了閾值，系統(tǒng)會認(rèn)為第2次抓拍的車牌未能成功匹配，從而產(chǎn)生OBU交易失敗。

另外，單次抓拍的車牌偶爾會出現(xiàn)車牌識別的錯誤，但系統(tǒng)采用了“模糊匹配”，當(dāng)僅有1位車牌號匹配錯誤情況下，系統(tǒng)會判定為匹配；同時，前后攝像頭兩次抓拍的結(jié)果，系統(tǒng)會進(jìn)行合并處理，只要有1次匹配成功就算成功。因此，單次車牌識別的錯誤并不會影響整個收費(fèi)系統(tǒng)的交易成功率。

3.3 測試小結(jié)

系統(tǒng)測試中室內(nèi)測試的OBU交易時長和交易成功率均符合測試的預(yù)期要求。室外測試的OBU讀取成功率為100%，激光檢測、車輛抓拍、車牌匹配通過率為100%，車牌識別通過率為98.9%，均符合預(yù)期要求的，并且各種聯(lián)動功能都正常。

測試結(jié)果顯示基于RFID技術(shù)的交通擁堵收費(fèi)系統(tǒng)方案整體測試均符合預(yù)期要求，為可實(shí)施方案。

4 結(jié)束語

交通擁堵收費(fèi)作為一項(xiàng)交通需求管理措施，為解決城市交通擁堵問題提供新的途徑，RFID技術(shù)是實(shí)施交通擁堵收費(fèi)的重要技術(shù)手段。本文在基于RFID技術(shù)的交通擁堵收費(fèi)技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，提出系統(tǒng)性測試方案，搭建測試環(huán)境，分別進(jìn)行不同場景、不同類型的測試。測試結(jié)果顯示各項(xiàng)測試指標(biāo)均符合預(yù)期要求，說明將RFID技術(shù)應(yīng)用于交通擁堵收費(fèi)具有現(xiàn)實(shí)的可靠性，為交通擁堵收費(fèi)的實(shí)施提供參考依據(jù)。

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Test and Analysis of Traffic Congestion Pricing System Based on Radio-frequency Identification Technology

ZENG Yan-sheng

（Shenzhen Transportation Design & Research Institute Co., Ltd., Shenzhen 518000, China）

To explore the implementation path of traffic congestion pricing and verify the reliability of the application of radio-frequency identification (RFID) technology in traffic congestion pricing systems, a systematic test scheme is proposed based on the analysis of the technical characteristics of RFID technology and the technical scheme of traffic congestion pricing using RFID technology. A test environment is built and different test scenarios are formulated depending on the actual situation that the traffic congestion pricing system may encounter. The indoor test and outdoor vehicle test are subsequently performed. The indoor test results demonstrate that the transaction time of a single On Board Unit (OBU) is less than 250 ms. The transaction success rate of OBU is 100%, which meets the expected requirements; the outdoor vehicle test results show that the reading success rate of OBU is 100%, the pass rate of laser detection, vehicle capture and license plate matching is 100%, and the pass rate of license plate recognition is 98.9%, which all meet the expected requirements, and all types of linkage functions are normal. The test results demonstrate that RFID technology can be applied in traffic congestion pricing systems.

intelligent transportation; radio-frequency identification (RFID); traffic congestion pricing; test; traffic demand management; on board unit (OBU)

U491.2+65; U495

A

10.3969/j.issn.1672-4747.2020.03.011

1672-4747（2020）03-0093-08

2019-03-12

曾炎盛（1987—），碩士，工程師，研究方向：道路交通規(guī)劃、智能交通規(guī)劃，E-mail：hgdzys@126. com

曾炎盛. 基于RFID 技術(shù)的交通擁堵收費(fèi)系統(tǒng)測試分析[J]. 交通運(yùn)輸工程與信息學(xué)報，2020，18（3）：93-100

（責(zé)任編輯：劉娉婷）