文圖｜朱劍欣 王軍華 林萬華

目前，內嵌國產(chǎn)超高頻RFID 芯片的電動自行車數(shù)字號牌已在廣東、石家莊、南京等地開展了試點應用，取得良好的示范成效。期間，不少地方提出將機動車號牌用反光膜和電動自行車數(shù)字號牌結合的技術構想，在電動自行車號牌具備數(shù)字化的同時賦予其安全特性，可以大幅提高電動自行車在夜間的視認性，減少交通事故的發(fā)生。但在實際使用中發(fā)現(xiàn)，將現(xiàn)有機動車號牌用反光膜直接應用在電動自行車數(shù)字號牌上并不能取得預期的效果。為此，本文針對兩者的結合進行了如下針對性的研究和實驗。

一、反光電動自行車數(shù)字號牌原理

反光電動自行車數(shù)字號牌是指同時具有反光膜和超高頻RFID 數(shù)字芯片的電動自行車號牌，與普通號牌相比，需要兼顧反光和射頻識別功能，在數(shù)據(jù)安全和交通安全上具有極大的優(yōu)勢。

（一）反光膜原理

反光膜是一種已制成薄膜可直接應用的逆反射材料，根據(jù)其反光單元的結構，一般分為玻璃微珠型反光膜和微棱鏡型反光膜兩大類。如圖1 所示，玻璃微珠型反光膜主要優(yōu)點是具有較好的逆反射性和耐腐蝕性，制作成本相對較低，但同時存在表面質量差、氣泡和雜質較多、耐沖擊性較差等缺點，一定程度上限制了玻璃微珠反光技術的發(fā)展。如圖2 所示，微棱鏡型反光膜的模板結構設計、模板制作精度、固化工藝路徑以及基材性能決定了其具有更高的逆反射系數(shù)和更強的反光效果，但微棱鏡型反光膜模板制作精度和固化工藝要求高，生產(chǎn)成本也相對較高。

圖1 玻璃微珠型反光膜結構示例

圖2 微棱鏡型反光膜結構示例

從圖1、圖2 可知，反光膜由多種層疊的材料組成，一般最外層為透明的保護膜，又稱面層，用于防止反光膜受到外界環(huán)境的侵蝕；中間層為反射層，包含了玻璃微珠層或者棱鏡層；最內層為粘膠層和剝離層，起到連接反射層和外界的作用。反光膜通過微珠或棱鏡結構形成光學反射結構，并通過空氣介質或其他反射層介質形成全反射面。國內的機動車號牌用反光膜以藍色、黃色、淺綠色為主，白色反光膜主要在警用號牌上。電動自行車號牌屬于地方事權，目前主要推行電動自行車數(shù)字號牌的城市以白色、綠色、黃色、藍色號牌為主，其中白色號牌居多。機動車號牌用反光膜的主要參數(shù)依據(jù)是《機動車號牌用反光膜》（GA 666——2018）（以下簡稱GA 666——2018），該標準針對逆反射系數(shù)等性能進行了詳細規(guī)定，目前反光電動自行車數(shù)字號牌的研究也可以參考相關技術指標。

（二）射頻識別原理

電動自行車數(shù)字號牌使用國家自主可控的超高頻無源RFID 芯片作為電動自行車數(shù)字身份載體，電動自行車在行駛過程或其他交通場景中，接收由路面識讀設備發(fā)送的920MHz ～925MHz 前向超高頻信號，通過電磁場產(chǎn)生感應電流并獲取能量，從而對存儲在芯片中的信息進行編解碼，調制后發(fā)送反向信號，識讀設備讀取信息、解碼后，與數(shù)字號牌進一步通訊，并將最終得到的信息傳至中央信息系統(tǒng)作相關數(shù)據(jù)處理。因為省去了供電系統(tǒng)，所以號牌整體的外觀和安裝方式都簡潔可控，且自身結構簡單、成本低、故障率低，預期使用壽命可以達到10 年以上，契合電動自行車的使用周期。特別是目前電動自行車數(shù)字號牌中內嵌的RFID 芯片使用了國密SM7 算法，空中接口協(xié)議包含了身份和口令認證等加密流程，因此比常規(guī)RFID 通信耗費更多的能量，對識讀靈敏度要求也更高。

二、反光電動自行車數(shù)字號牌的設計要素和難點

（一）設計要素

反光電動自行車數(shù)字號牌需要滿足的設計要素主要包含以下幾項：

1.防偽性能：作為電動自行車的可信身份標識，防篡改防復制是其必備的功能。防偽有多種方式，例如在號牌上印防偽標簽、隨機防偽標識等，而通過具備唯一性的安全芯片結合加密后的二維碼，是從根本上解決數(shù)字號牌防偽的最有效方式。

2.耐候性能：號牌需要在室外使用，因此應適應各種高低溫和濕度環(huán)境，并且在輕微撞擊情況下不應發(fā)生斷裂。對于反光電動自行車數(shù)字號牌來說，其反光膜的附著方式和粘度等就面臨較為嚴峻的考驗。

3.反光性能：融合反光設計，有效提升車輛夜間行車安全。更進一步，為提升電動自行車的數(shù)字化管理模式，反光數(shù)字號牌應盡量能提升夜間識別的效果。

4.識讀性能：使用具備國密算法的超高頻RFID芯片，具備數(shù)據(jù)的唯一性和可靠性，應能實現(xiàn)路面電動自行車數(shù)據(jù)的自動和有效采集，且采集效率和成功率均應滿足路面應用需求，做到電動自行車高速運動下的可靠識讀。

（二）難點和解決思路

本文主要探討的是反光性能，但需要注意的是，超高頻RFID 芯片使用電磁場傳播信號，該特性決定了其無法穿透全金屬介質，而目前市面上的反光膜大都包含金屬成分，如何兼顧反光和識讀性能是反光電動自行車數(shù)字號牌研究過程中的最大難點。目前有兩種方案：一是使用不含金屬層的反光膜以免對RFID信號造成屏蔽，此方案可從根本上解決問題。目前主流產(chǎn)品是通過空氣膠囊介質形成反射層，但這種類型的反光膜可靠性相對較差，表面在受到按壓或碰撞后會明顯損壞反射層，需要進行保護，導致工藝成本升高和反射效果降低。除了空氣薄膜外也有企業(yè)通過其他非金屬介質作為反射層，但同樣存在成本較高和反光膜粘貼牢固程度較低的問題。二是降低反射層金屬密度以確保超高頻信號的穿透方案。降低反射層金屬密度，一定會對反光效果造成影響，逆反射系數(shù)也同樣會降低，且由于反射層依然含有金屬成分，對數(shù)字號牌的整體識讀性能也會產(chǎn)生影響，但因其成本較低、可操作性較高，卻是目前更可能實現(xiàn)和量產(chǎn)的解決方案。為比較兩套方案優(yōu)劣，本文分別針對微棱鏡、玻璃微珠反光膜產(chǎn)品進行實驗，鑒于目前電動自行車數(shù)字號牌以白色居多，故實驗對象選用白色反光膜。

三、實驗和模擬

（一）樣品選擇

分別使用微棱鏡、玻璃微珠兩種反光材料的反光膜粘貼在電動自行車數(shù)字號牌上，再加上不使用反光膜的電動自行車數(shù)字號牌，組成7 種電動自行車數(shù)字號牌樣品。需要說明的是，白色反光膜受限于實驗材料的工藝，很難做到純白色，相對偏灰白色。其中，樣品1 使用常規(guī)金屬反射層的白色微棱鏡反光膜，且未降低反射層金屬密度；樣品2 使用常規(guī)金屬反射層的白色玻璃微珠反光膜，且未降低反射層金屬密度；樣品3 使用空氣囊型白色微棱鏡反光膜，不含任何金屬成分；樣品4 使用空氣囊型白色玻璃微珠反光膜，不含任何金屬成分；樣品5 使用含金屬反射層的白色微棱鏡反光膜，調整并降低反射層金屬密度；樣品6使用含金屬反射層的白色玻璃微珠反光膜，調整并降低反射層金屬密度；樣品7 不使用反光膜，使用常規(guī)白色電動自行車數(shù)字號牌。

（二）表面色測試

由于反光膜的逆反射系數(shù)與表面色直接相關，故首先要進行表面色的測試。參考GA 666——2018 中關于機動車號牌反光膜的要求，白色反光膜的色品坐標和亮度因數(shù)應在表1 規(guī)定的范圍內。

表1 白色反光膜表面色

針對7 種樣品使用分光測色儀進行測試，得到表2 的表面色實驗結果。從中可以看出，所有樣品的色品坐標均在表1 的色品坐標范圍內，且亮度因素均大于0.27，符合GA 666——2018 的要求。其中樣品7 是不使用反光膜的常規(guī)白色電動自行車數(shù)字號牌，表面光亮，存在鏡面反射，且反射率較高，所以其亮度因數(shù)較大，但實際上反射光線中的逆反射光卻很少，并不能實現(xiàn)號牌的反光效果。另外需要注意的是，由于白色反光膜在機動車號牌上應用相對較少且單一，因此GA 666——2018 中針對白色的亮度因數(shù)范圍較大，實際測試過程中還是能夠明顯看出樣品1～6 整體都是偏灰白色的。

表2 樣品表面色實驗結果

（三）逆反射系數(shù)測試

同樣參考GA 666——2018 中關于機動車號牌反光膜的要求，白色反光膜的逆反射系數(shù)應大于或等于表3的規(guī)定值。

表3 白色反光膜最小逆反射系數(shù)

使用逆反射系數(shù)測試設備（ROAD VISTA 933）對7 種樣品進行測試，得到表4 的實驗結果。從中能夠看出，微棱鏡反光膜的逆反射系數(shù)整體要優(yōu)于玻璃微珠型反光膜；使用不含金屬介質的空氣囊型反光膜逆反射系數(shù)明顯優(yōu)于含金屬但降低反射層金屬密度的反光膜；樣品5 和樣品6 降低反射層金屬密度后，其逆反射系數(shù)已經(jīng)不足以達到GA 666——2018 的要求；樣品7 為普通號牌，幾乎不存在反光。實際上，樣品5 和樣品6 已經(jīng)能看出明顯反光效果，但是否能夠應對夜間安全反光要求，需要進一步實驗。

表4 樣品逆反射系數(shù)實驗結果

因此，考慮到逆反射系數(shù)也受表面保護層、色度等因素影響，在改善工藝后，使用金屬反射層反光膜的逆反射系數(shù)應該可以有進一步的提升。

（四）識讀性能測試

反光電動自行車數(shù)字號牌的識讀性能，可使用靈敏度作為衡量指標，因為靈敏度直接關系到實際電子標識系統(tǒng)的識讀距離、識讀穩(wěn)定性等。參考行業(yè)標準《射頻與視頻一體化車輛識別設備通用規(guī)范》（GA/T 1976——2021）中關于電動自行車基準電子標識的要求，數(shù)據(jù)識讀靈敏度小于或等于-18dBm 為佳。

使用靈敏度測試儀對7 種樣品進行實驗，該儀器放置于暗室內，設置測試模式為《信息技術 射頻識別800/900MHz 空中接口協(xié)議》（GB/T 29768——2013）測試，反向鏈路參數(shù)設置為320K-Miller2，得到表5的測試數(shù)據(jù)。從靈敏度實驗結果能夠看出，若不降低反射層金屬密度，則樣品1 的微棱鏡反光膜以及樣品2的玻璃微珠反光膜對射頻信號會產(chǎn)生明顯的屏蔽效果，無法正常識讀；樣品3 和樣品4 使用空氣囊型反光膜對射頻信號無明顯影響，僅有略微下降，且整體靈敏度能夠滿足《射頻與視頻一體化車輛識別設備通用規(guī)范》（GA/T 1976——2021）的要求；而在降低反射層金屬密度后，微棱鏡和微珠工藝的反光電動自行車數(shù)字號牌能夠穩(wěn)定識讀，但靈敏度還是出現(xiàn)了明顯的變化，識讀效果會受到一定的影響。

表5 靈敏度實驗結果

四、結語

綜上，經(jīng)測試和實驗驗證，不含金屬介質的反光膜性能更適用于電動自行車數(shù)字號牌，而通過調整降低含金屬反光膜的反射層金屬密度來確保920MHz ～925MHz 超高頻信號的穿透也是可行的，但仍然需要改進工藝和設計。這驗證了反光電動自行車數(shù)字號牌的一種實現(xiàn)方式，也為后續(xù)的技術革新提供了研究方向。但反光電動自行車數(shù)字號牌的研究也不僅僅局限于反光膜的研究，號牌材料、射頻芯片、印刷涂層等均可能影響到產(chǎn)品的整體效果。因此，在充分考慮電動自行車和應用系統(tǒng)的實際應用環(huán)境和設計需求基礎上，需進一步把握好電動自行車數(shù)字號牌的未來發(fā)展方向，只有這樣，才能真正有效提升反光電動自行車數(shù)字號牌的整體技術水平。