隨著公路建設的飛速發(fā)展，我省高速公路通車里程不斷增加，2010年通車里程達到3 400 km，居西部第一。在通車公路里程增加的同時，交通流量也在不斷增加，人工和半自動收費方式已不能滿足高速路上通行車輛對收費管理系統(tǒng)的需求。原始的收費方式嚴重制約高速公路向現(xiàn)代化方向發(fā)展，存在很多弊端，主要表現(xiàn)在：

（1）收費設施及收費技術落后，停車收費造成收費站交通擁堵。

（2）在收費站停車次數(shù)增多，汽車耗油增加，汽車尾氣對環(huán)境的污染增加。

為了解決以上問題，2009年我省高速公路開始建設電子公路不停車收費系統(tǒng)（Eleefronie Toll Collection，ETC），通過對車載電子標簽的自動識別完成不停車情況下通行費的自動收取處理全過程。自動車輛識別技術主要通過射頻識別技術（Radio Frequency Identification，RFID）來采集車載電子標簽的數(shù)據(jù)信息而實現(xiàn)的。RFID是一種非接觸的射頻通信方式，通過RFID讀寫器與RFID電子標簽的無線通信可以進行信息的采集功能，從而識別車載RFID電子標簽載體的身份等特征，達到提高收費站通行效率的目的。

1 RFID射頻識別技術

RFID是一種無線的、非接觸方式的自動識別技術，作為快速、實時、準確采集與處理信息的高新技術和信息標準化的基礎，被公認為20世紀十大重要技術之一。這項技術最大的優(yōu)點就在于非接觸，在完成識別工作時無須人工干預，適于實現(xiàn)自動化和遠程實時監(jiān)控及管理，可識別高速運動物體并可同時識別多個RFID電子標簽，操作快捷方便。典型的射頻識別系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

系統(tǒng)通電工作后，RFID讀寫器通過其內(nèi)部的線圈周期性地發(fā)出一個固有頻率的電磁波（激發(fā)信號）。當RFID電子標簽處于RFID讀寫器的感應范圍內(nèi)時，RFID電子標簽內(nèi)的線圈在“激發(fā)信號”的感應下產(chǎn)生微弱電流作為集成芯片的電源。RFID電子標簽上電復位后，原本處于“休眠狀態(tài)”的RFID電子標簽被激活并將含有自身種類識別碼標志、制造商標志等信息代碼調(diào)制到載波上，經(jīng)RFID電子標簽內(nèi)天線發(fā)射出去。

2 ETC實施方案

ETC是一個集中了射頻識別、計算機網(wǎng)絡、信息處理以及自動控制等多項高新技術，在公路自動收費綜合系統(tǒng)中的應用。它利用車載RFID電子標簽自動與安裝在路側或門架上的RFID閱讀器進行信息交換，中心控制計算機根據(jù)RFID電子標簽中存儲的信息識別出車主信息，然后自動從車主的銀行賬號中扣除通行費。ETC收費系統(tǒng)可以做到通行車輛不停車、車輛通行時無人操作與無現(xiàn)金交易。ETC收費系統(tǒng)效果圖如圖2所示。

高速路收費站ETC通道采用智能型遠距離非接觸RFID閱讀器，當車輛駛抵收費站ETC通道入口時，RFID閱讀器將收費站入口信息數(shù)據(jù)寫入車載RFID電子標簽內(nèi)。該車輛在駛至下個收費站ETC通道出口時，RFID讀寫器讀取出車載RFID電子標簽的信息并將讀取到的信息傳送到ETC后臺管理系統(tǒng)。經(jīng)ETC后臺收費管理系統(tǒng)核對無誤后完成一次網(wǎng)上銀行的自動收費，并開啟綠燈或其他放行信號，控制道閘抬桿，指示車輛正常通過。如果核對該車輛通行合法性有誤，則維持紅燈或其他停車信號，指示該車輛屬于非正常通行車輛，同時安裝的高速攝像系統(tǒng)能將車輛的有關信息數(shù)據(jù)快速記錄下來并通過管理人員進行處理。該系統(tǒng)的工作流程如下：

（1）車主辦理ETC通行以及網(wǎng)上銀行業(yè)務。車主到高速公路管理部門購置RFID電子標簽。由發(fā)行系統(tǒng)向RFID電子標簽輸入車輛識別碼，并在數(shù)據(jù)庫中存入該車輛的全部有關信息，并在銀行系統(tǒng)開通網(wǎng)上銀行業(yè)務，使銀行賬戶與車主信息綁定。

（2）車輛信息入庫。發(fā)行系統(tǒng)將上述車主、車輛信息輸入收費計算機系統(tǒng)。RFID電子標簽貼在車上相應的部位，可以立即使用。

（3）收費站ETC通道入口寫信息。當車輛通過高速公路ETC通道入口時，該站的收費系統(tǒng)的RFID閱讀器發(fā)出射頻信號，由RFID電子標簽的天線接收射頻信號，激活RFID電子標簽后，該RFID讀寫器同時還向RFID電子標簽寫入入口信息。寫入信息也由電子標簽的天線接收，寫入RFID電子標簽芯片中。

（4）收費站ETC通道出口讀信息。當車輛通過高速公路ETC通道出口時，該站的收費系統(tǒng)的RFID閱讀器發(fā)出射頻信號，由RFID電子標簽的天線接收射頻信號，激活RFID電子標簽后，RFID讀寫器讀寫出RFID電子標簽中存儲的入口信息。

（5）車輛處理。收費計算機系統(tǒng)向執(zhí)行機構輸出執(zhí)行信號。當網(wǎng)上銀行的儲值，即結余金額足夠支付過站的費用時，出站口綠燈亮，給予放行；若結余金額已不多，處于警告值以下，則黃燈亮，提示車主應再購買儲值，但仍予以放行；若結余金額不足或已無余款，則紅燈亮，不予放行。對于闖紅燈的車輛，將由站內(nèi)攝像機自動攝下站牌號，并由計算機系統(tǒng)記錄沖紅燈的時間，以便追究其責任。

（6）收費完成。上述過程，均于瞬間完成，ETC系統(tǒng)可保證車輛高速通過收費站，收費計算機系統(tǒng)將通過該站的車輛識別碼及其新儲值等信息，經(jīng)通信網(wǎng)絡，送至有關中心與其他收費系統(tǒng)中。

3 關鍵技術研究

項目采用的主要技術包括：RFID技術、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸安全技術和處理數(shù)據(jù)的RFID中間件技術等。本文著重介紹處理數(shù)據(jù)的RFID中間件技術。

3．1 RFID中間件模型的建立

RFID中間件在上位機應用程序和讀寫器的數(shù)據(jù)采集之間扮演著樞紐的角色，其為上層應用程序提供的一組通用應用程序接口（API），應用程序能實現(xiàn)到RFID讀寫器的透明連接。RFID中間件是在物聯(lián)網(wǎng)三層架構中的應用層實現(xiàn)具體的功能，主要分為三個層次：數(shù)據(jù)采集層、事件處理層、信息發(fā)布層。中間件數(shù)據(jù)采集層負責感知車載RFID電子標簽的信息，整個系統(tǒng)的可用性、可靠性都以此為基礎；中間件事件處理層是RFID中間件至關重要的一層，在該層中對采集到的RFID電子標簽信息進行歸納整理，從無意義的數(shù)據(jù)中，提取出含有一定實際意義的事件信息。并且進一步封裝RFID電子標簽返回信息包，為上層應用提供更全面的信息與服務；中間件信息發(fā)布層負責為上位機軟件提供安全可靠的數(shù)據(jù)。就如何實時地對巨量RFID數(shù)據(jù)進行處理，如何充分挖掘RFID數(shù)據(jù)所包含的有用信息方面建立了模型。RFID中間件模型架構圖如圖3所示。

3．2 中間件算法實現(xiàn)

在項目的具體應用中，由于讀寫器讀取RFID電子標簽信息的間隔是幾十毫秒，所以讀寫器獲取的信息數(shù)量巨大、雜亂無章、冗余的。這些原始的巨量RFID數(shù)據(jù)對上位機應用管理系統(tǒng)是無效的，把原始巨量的RFID數(shù)據(jù)變成對上位機應用管理系統(tǒng)有意義、有價值的數(shù)據(jù)是設計并實現(xiàn)算法的最終目的。RFID事件處理過程示意圖如圖4所示。

感知層感知的數(shù)據(jù)上傳給傳輸層，傳輸層得到數(shù)據(jù)后并沒對數(shù)據(jù)做任何處理，而是把數(shù)據(jù)傳輸給應用層的中間件。中間件首先對上傳的數(shù)據(jù)消除冗余，再進一步判斷數(shù)據(jù)對本系統(tǒng)來說是不是有效的數(shù)據(jù)。對于RFID中間件判斷感知數(shù)據(jù)是不是對本系統(tǒng)有效的，本文提出兩種方案：

（1）在本系統(tǒng)的注冊環(huán)節(jié)，把所有有效數(shù)據(jù)綁定RFID電子標簽的EPC（Electronic Product Code，電子產(chǎn)品代碼）編碼后存入后臺數(shù)據(jù)庫。對于這種方案，RFID中間件并不對消除冗余后的數(shù)據(jù)進行處理，而是把數(shù)據(jù)上傳給上層應用軟件，應用軟件可根據(jù)中間件上傳的RFID電子標簽EPC信息查詢數(shù)據(jù)庫，依次判斷感知層感知的數(shù)據(jù)對本系統(tǒng)是不是有效的。在此方案中RFID中間件對感知層感知的數(shù)據(jù)只是做了消除冗余、上傳數(shù)據(jù)的功能。上層應用軟件則完成了對數(shù)據(jù)是否為有效數(shù)據(jù)的判斷。

（2）根據(jù)一定的編碼規(guī)則對本系統(tǒng)使用的所有RFID電子標簽，在信息注冊環(huán)節(jié)重新寫入RFID電子標簽內(nèi)存儲EPC信息，例如：可以向RFID電子標簽內(nèi)寫入以下EPC信息：ETC000000000000000000001，ETC000000000000000000002，ETC00000000000000000003，ETC000000000000000 000004等。對于這種方案，RFID中間件首先對感知層感知的數(shù)據(jù)進行消除冗余處理。然后RFID中間件會獲取感知到每個RFID電子標簽EPC編碼的前三位，判斷是不是ETC，進而判斷感知到的RFID電子標簽是不是本系統(tǒng)的電子標簽，感知的數(shù)據(jù)是不是有效的，最后再把有效的數(shù)據(jù)傳輸給上層應用軟件。

對于以上RFID中間件對判斷感知數(shù)據(jù)是否有效提出的兩種方案各有各的特點，對于具體應用應該采用哪種處理機制，應根據(jù)上次應用軟件的應用特點來判斷。

基于RFID技術的電子不停車收費系統(tǒng)由于采用了滿足該項目具體要求的RFID中間技術，使得上位機應用軟件得到了所需要的數(shù)據(jù)。本文已經(jīng)實現(xiàn)用簡潔的算法實現(xiàn)RFID中間件處理巨量的RFID數(shù)據(jù)，挖掘應用系統(tǒng)有用信息的功能，進而緩解了網(wǎng)絡和處理器處理信息的壓力。

4 結論

RFID由單一識別向多功能識別發(fā)展的同時，將結合射頻識別、計算機網(wǎng)絡、信息處理以及自動控制等技術，實現(xiàn)跨地區(qū)、跨行業(yè)的應用。而基于RFID無線射頻識別技術的ETC系統(tǒng)與傳統(tǒng)的收費系統(tǒng)相比，有著絕對的發(fā)展優(yōu)勢，隨著RFID無線射頻識別技術的發(fā)展，ETC系統(tǒng)也會逐漸得到完善，在高速公路收費系統(tǒng)中得到廣泛應用。