应用只读RFID技术的不停车收费(ETC)方案

1. 中国高速公路的发展情况
　　中国高速公路从上世纪９０年代开始进入快速发展时期。2004年底，中国高速公路已达3.4万公里，国务院通过的《国家高速公路网规划》中，高速公路将达８.５万公里。高速公路的快速发展，仍不能解决一些问题，反而使这些问题更加突出，如高速公路的通行能力、环境污染、以及现金交易带来的一些弊病等一系列问题。据资料统计，仅广州地区1996年停车等待交费损失的车是数就达数百万小时，由此导致的汽油浪费达亿元之多。
　　解决上述问题，RF射频识别技术将是最终的发展趋势。有关经验表明，一条具有读写功能的RFID设备组成的ETC车道的处理速度是人工收费速度的4~5倍, 可以极大地改善交通条件, 提高道路的通行能力和服务水平,有效地减轻收费人员的劳动强度,改善工作环境。
　　2. 只读形式的不停车ETC
　　不停车电子收费（ETC ,Electronic Toll Collection）是国际上正在努力开发并推广普及的一种用于公路﹑大桥和隧道的电子自动收费系统。它的最大特点是不停车收费, 即车辆可以以一定的速度通过收费口, 无须在收费站前停车交费。它通过路侧天线与车载电子标签之间的专用短程通讯，在不需要司机停车和其他收费人员采取任何操作的情况下，自动完成收费处理的全过程。ETC系统主要包括信息采集、网络传输、信息和费用管理三个部分。以下主要讨论前两个部分。
　　信息采集
　　目前，ETC的信息采集部分主要采用RFID技术。RFID是一种非接触的射频通信方式，通过读写器与标签的无线通信可以进行信息的采集功能，从而识别标签载体的身份等特征。
　　从信息采集的标签和读写器的功能分类，ETC系统可分为只读系统和读写系统。只读系统是读写器只读取射频标签的信息，对其进行身份验证，不对其内部信息进行改写；读写系统是读写器和标签设计成读写形式，读写器可以读取标签数据信息，同时改写部分数据信息；从标签有无电源分类，ETC系统分为有源和无源系统。有源系统是标签有辅助电池为标签提供工作的能量；无源系统是指标签的工作的能量来源不是由辅助电池供电，而是通过标签内设计的电感耦合方式将部分射频能量转换为标签所需工作的能量，这样就使得无源系统有效通信距离大大降低。
　　过去有一种概念，认为只有在“开放式收费”的环境下，才可以用“只读”的RFID系统才能完成电子收费功能。对于早期不具备联网状态下工作的ETC收费方式和不具备有效的费用分摊机制而言，以上结论无疑是正确的。然而，近年来收费站处通信网设备得到长足的发展，以及有成熟的GSM、CDMA等相关网络作为技术支撑和中国移动、联通、银行等费用管理机制可以作为借鉴。因而利用只有读出功能的射频标签的RFID系统是能够基于联网通信进行封闭式ETC收费的。
　　只读的ETC系统在进口收费站与另一出口收费站处分别读取来自同一辆车上标签的代码（卡中固有的ID码和发行商等信息），每个独特代码与在收费管理系统中的某一个费用结算账户代码惟一对应。车主在领取电子标签时在后台数据库已完成上述对应关系的建立，并同时把与该独特代码相关联的已核定的车型分类代码、车主的一些相关信息一并注入到该电子收费账户的数据库中。标签在发行商处写入车辆的相关信息以及发行商的代号等作为车辆的唯一标识，写入信息后，将标签锁定为只读形式，防止人为的更改标签的信息，安装时，采取防拆卸措施。收费管理系统根据采集到的同一车辆通过进口收费站与出口收费站的时间、收费站代号就可以通过查表处理，计算出通过该路段应收的费用，同时把相关信息存入该车主的账户中，并且扣除相应的费用金额。
　　对ETC系统的信息采集部分来讲，应考虑的主要指标为有效的通信距离、标签的使用寿命、数据的传输速率、通信所需时间、通信的信息可靠性、所能容许的最大车速、以及对于市场推广具有最大的影响因素：标签的成本等。
　　由于有源标签通信距离可设计为在5~25米范围内可调，便于现场调试，对于不同的路段情况可以进行相应的调整，信息传输速率高以及双向通信的可靠性等优点，所以国际上的ETC系统多采用有源RFID技术。
　　以前，一些主要推广ETC系统的厂家多采用可读写形式的RFID产品作为主要的ETC信息采集设备。然而，从ETC系统指标分析，采用只读的RFID的ETC信息采集设备更具有优势。具体如下：
　　1) 通信距离远，减少电磁的空间辐射。众所周知，RFID系统在读取信息时的距离要比写入信息的距离远。在相同的通信距离条件下，只读系统所需射频信号能量要低于读写系统。从而减小电磁波对空间的辐射，减少对相邻的设备干扰；
　　2) 信息采集时间短。只读系统通信时间相对读写系统要短很多，经过几十毫秒就可以完成一次信息的采集工作，而读写形式的标签一般在进站口通信要经过180毫秒左右，在出站口则需要经过300毫秒左右才能完成一次交易；
　　3) 信息可靠度高。只读系统传递信息量少，不需要写入，信息的出错率相应会下降；另外，只读系统采集信息时间短，可以保障一辆车以相同的速度经过通信区域时至少进行两次通信。假设，一次通信的出错率为10-4，那么两次同时出错的概率为10-8，可见只读系统可以使通信的可靠性大大地增加；
　　4) 成本低，减少运营上的投入资金，有利于市场推广。目前，国际上读写的不停车ETC设备主要为5.8GHz频段的系统，该频段的设备成本偏高，一套读写器设备在15~30万元，标签在300~700元左右，这个价格适用于发达国家以及我国东南沿海等发达地区，但是在全国范围内推广困难较大。如果采用只读系统，系统的价格会明显降低很多，尤其是标签70元左右，价格的大幅下降有利于市场的推广。
　　5) 使用寿命长。对于有源标签来讲读写系统在写入信息时，电源消耗很快，减少了标签的使用寿命，相比之下，只读形式标签的寿命比较长，这样减少客户的重复经济投入；信息的网络传输部分相对信息采集部分，信息的传输也是ETC系统的重要组成部分，承担着各种必要的信息的传递，是收费中心与收费站的桥梁。然而，只有采用覆盖全国高速公路收费站口的网络，才能够使ETC在全国范围内得以推广。目前，虽然国内的很多高速公路已具备有小范围局部联网的能力，但是，还不具备有大范围区域，更不用说全国联网的能力，没有一个强大的机构对高速公路的通信网络进行整合。所以单独靠目前路方已有的网络是不能够完成ETC系统大范围联网的网络建设的。
　　随着移动通讯事业的普及，目前国内几乎所有的收费站点都在GSM网络的覆盖范围之内。 GPRS业务的普及，使GSM网络的数据业务从9.6Kbps提高到实际应用中的30Kbps，GPRS同时具有可以向3G平滑过渡的优势。而且，移动运营商也具备有成熟的费用管理机制等优势，所以可以在ETC的信息传输过程中采用GSM网络和现有高速公路已铺设的通信设备进行结合的方式进行组网。这样，不但减少了路方在网络方面的建设投资，同时，也有很多通信网络的技术可以借鉴，对于移动网络来讲同时也扩大了其增值业务的发展。
　　ETC系统网络部分可分为收费站口处基站子系统，网络子系统，操作支持子系统。基站子系统就是ETC系统的RFID技术的信息采集部分，以及本地存贮信息以及控制车道设备的计算机；网络子系统是整个系统的核心部分，负责信息的管理、安全性管理、用户数据、计费记录处理、本地运营维护等。操作支持子系统为运营部门提供一种手段，用来控制和维护用户数据等这些实际运行部分。
　　网络从地理空间可以分为本地网、大区网（或省内网）和全国网。在各大区设置一级汇接中心，各汇接中心之间网状相邻，实现大区间信息网的汇接，从而构成全国网。按照客户的车辆运行情况及客户的申请，用户信息可以存贮在本地网或区域网管理中心并下传到收费站点的管理计算机的数据库中。在必要时，即用户的车辆在跨区移动时，各个大区内用户的信息可以进行互相传输。同时，当载有标签的车辆经过某个收费站时，采集到的信息除了存贮在本地计算机以外还要及时上传至本地网络管理中心，对于跨区的车辆要求采集到的信息同时上传到区域中心进行费用结算。
　　ETC系统采用预付费业务，使用该业务的用户首先在自己的账号中存贮一定数量的金额，除非可以提供适当的信用证明或抵押品（如合适的银行帐号或手机的SIM卡号等）。当预付存款低于某个预定值时，收费中心应及时通过电话或短信的形式通知用户充值。如果车辆经过收费站点后，收费系统发现该用户储值余额不足，不能完成一次交易时，应该及时通知该客户，如果该客户逾期不补交费用，应该强行从其信用保障的帐户中扣除应收款项并把该车辆列入黑名单中，将该信息及时下传到各个收费站点的黑名单列表中；当被列为黑名单客户补交了费用后，立刻下传信息，解除该客户的黑名单信息。对于恶意的逃费，闯关等车辆则处以高额的罚款。用户也可以通过网络、短信或电话通过特服号码免费查询自己的详细消费信息，及时了解自己的消费情况，以及已缴纳的费用和余额等。为使系统交易具有透明性，客户可以随时监督运营商，在必要时提出异议。
　　由以上全国性的网络和金融等保障机制的存在，只读系统将能更加发挥高速公路的优势，使ETC广泛推广，解决多种面临的问题。

采用只读的ETC系统的工作流程如图（1）所示。

步骤如下：
（1）启动通信。车辆进入通讯范围时，首先触发地感线圈，启动龙门架上的读写天线；
（2）鉴权。读写器与射频标签（车载标签）进行通讯，通过车道计算机查表判别车载射频标签是否有效，无效则发出警告并保持车道封闭，引导到人工收费口；
（3）采集信息。如车载标签有效，不在黑名单之列，采集车辆信息并保存，监控设备进行图像抓拍，保存图像信息作为检查备案；
（4）放行。计算机控制栏杆抬升，通行信号灯变绿，费额显示牌上显示交易信息，车辆通过落杆线圈后，栏杆自动回落，通行信号灯变红，等待下一辆车进；
（5）信息处理。车道计算机保存的车辆信息包括：车辆识别信息，过站时间，收费站代码等记录，并将其上传至本地中心及区域中心；
（6）收费。区域收费中心进行查表、收费等操作，并配以短信等形式通知用户交易的具体信息。
3. 结束语
　　只读的ETC系统在覆盖全国网络的条件下能够完全实现联网收费功能。另外，有成熟的移动网络计费收费系统结合利用，减少重复投资，能使系统更加有效的运营。总之，在我国推广高速公路ETC工程应该考虑符合我国的国情，降低成本，充分利用现有资源，使ETC能快速推广，真正解决高速公路的发展问题。