基于RFID的快速公交優先系統研發

來源：rfid世界網

1、 項目建設背景及主要應用范圍

自2004年3月18日建設部發布《關于優先發展城市公共交通的意見》以來，各地大力發展公共交通，于2009年左右，已基本確立公共交通在城市交通中的主體地位。目前，大型城市基本形成以大運量快速交通為骨干，常規公共汽電車為主體，出租車等其他公共交通方式為補充的城市公共交通體系。把公交交通專用道路系統建設作為近期建設重點，通過設置并劃定公共交通專用道路、優先單向、逆向專用線路等措施，保證公共交通車輛對道路的專用或優先使用權。

近年來，各地政府以修建城市道路為解決公交問題的手段之一，而現實問題是道路建設速度遠不及車輛的增長速度。在解決城市交通問題上，不少交通專家達成這樣一種共識：理想的城市交通模式中，小汽車僅作為交通輔助工具，而占道面積少、運量大、速度快的新型公交模式才是承載起城市交通的主體。

快速公交優先系統是提高快速公交管理及服務水平的重要技術手段，包括車輛行駛地理位置和到站監控等，其中車輛自動識別及定位系統是關鍵技術，本方案在分析并研究現有方案基礎上，進一步探討更為可行的技術方案。

本研發項目應用的范圍廣泛，可遍及全國大多數城市，提高公交車運行效率，緩解城市交通擁堵問題。

2、 研究內容

提升城市公交運行效率，包括如何提升運載量，開拓專用公交車道，解決信號燈配時變更方案等，公交車識別及信號傳輸與接收。

3、 技術方案

系統的技術框架

快速公交優先系統是集合遠程射頻識別技術、網絡技術、計算機控制技術、機電控制技術于一體的智能化交通控制系統。系統以公交優先為原則，保障BRT車輛準點，實現公交進一步提速，成為整個交通控制系統的子系統。

當車輛行駛至距離交通信號燈200米范圍內，采用RFID技術進行車輛身份識別，并判斷有權申請紅綠燈變化的車輛，然后由中央控制系統按計劃設置綠燈為其放行。

在車輛前擋風玻璃上貼示RFID標簽，在公交線路的終端或站點安裝RFID閱讀器，閱讀器自動識別途經并貼示RFID標簽的車輛，同時將該站點的編號、車輛位置及時間等信息通過有線通訊設備與指揮中心連接，發布調度信息。方案采用有源RFID標簽來標識車輛和站點，RFlD具有設備的投入成本低、車輛RFID標簽設備簡單，可靠性高，維護成本低、識別可靠、定位精確等優點，安裝實施非常方便可靠。RFID產品基于“藍牙”核心技術，采用最新無線通訊技術，性能優異，安全穩定可靠，在全球范圍內無須申請頻點，不依賴公共資源，自成一體，是一種放心務實的選擇。

(1)路口控制子系統

該子系統能自動記錄RFID消息，通過網絡與中心系統聯動，比對行車時刻表以決定是否給予信號控制機公交優先信號。其組成部分主要包括RFID遠距離讀寫器、RFID天線、RFID標簽。系統運行可靠，采用嵌入式設計，在室外環境下能可靠、穩定運行。此外，為滿足城市景觀園藝需求，系統外觀采用吻合環境的設計方案。

(2)中心調度、聯合控制系統

中心調度、聯合控制系統運行正常與否，將直接關系到整個快速公交優先系統的運行情況。路口控制子系統通過專用網絡實時保持與中心通訊， 以確保整個公交優先系統的無故障運行。

4、 解決的關鍵技術

系統建設時充分分析道路分布情況以及路口交通信號控制機接口特性，在此基礎上，綜合分析城市道路通行狀況，結合公交運營商以及城市交通執法者管理手段， 總結評估出以下公交優先系統實現要點：

在各個RFID路口控制前端子系統存儲有各到站公交車輛的時刻表，以此表行車時刻與車輛離站時間進行對比，在到達路口信號燈控制前來決定是否給予公交優先權限信號。

為防止讀卡器在不同時刻檢測到相同車輛的數據，在線控的基礎上加以判別車輛通行方向，從而得出是否為有效數據。

采用“控制車輛運行總時間固定”方案，以此來優化車輛在運行過程中故障的排除從而使整條公交線路正常運行。在中心調度系統的配合下，以公交發車點為觸發點，同時對各個路口控制機下載當前公交的運行時刻表。車輛到達某一檢測站讀取可比對時刻表即該行車運行表。

在系統的總建設上，考慮到公交運營商對車輛的支配管理以及交通部門在整個城市執法過程中涉及公交優先系統。本方案提出公交運營商只能對公交的運行時刻表進行有效的管理，在具體的交通疏導過程中，如果遇到特殊路段的通行狀況，交通部門有特定公交優先冗余方案的制定，即能延時觸發或停止公交優先系統的權力。

5、 技術創新點和突破點

把射頻識別技術RFID(RFID--Radio Frequency Identification)應用在快速公交優先系統里，利用RFID的技術優勢：不受惡劣環境的影響、穿透性好、電子標簽重復利用、遠距離不接觸式的識別、讀取速度快、數據可以更新等，使得公交車與信號燈之間有效聯動，提升了公交運行效率。

6、 項目成熟程度

目前全國已有類似案例，全國投入運行快速公交線路的城市有北京、上海、杭州等，所采用的公交優先技術不盡相同。杭州快速公交一號線，線路全長約28公里，包括：黃龍公交中心站、下沙公交樞紐站、下沙高教東區站、下沙公交中心站及23對中間站，是采用先進技術實現的一條快速公交線路。以貫徹城市交通“公交優先”為戰略，開通城市地面公交快速運行系統(BRT)專用線路。系統以公交優先為原則，保障車輛準點，實現杭州公交進一步提速。本研發項目在此基礎上進行優化改進，采用了更為成熟的射頻識別技術，使之更加符合先進中小城市交通狀況及地理現狀。

7、 項目完成時所處階段

本項目預計執行期為兩年，從2017年1月開始實施，計劃于2018年12月實施完畢。現已完成了技術整體方案的設計，可行性研究報告的肯定，系統的部分研發內容。目前正在后續新技術研發和整個運行系統的功能提升與完善。

二、主要研究內容和目標：

1、針對目前存在的技術或應用方面的主要問題，主要研究內容，重點解決產業(前沿)關鍵共性技術。

在通常的交通信息化項目中，由于交警與公交兩家單位的業務職能不同，其信息化系統并沒有相應的交集，而本研發過程需要實現公交車輛信號優先控制，這就導致兩家單位的信息化系統需要銜接，因而產生了相關的界面。

公交優先信號控制系統的相關外場設備全部列入交警支隊信息化系統內部，包括車載RFID標簽，RFID讀寫器，交通信號控制機、信號燈以及相應的管道、基礎、線纜等輔助設備全部計入交警支隊信息化系統。

公交公司與交警支隊內部各設置一臺對接服務器，完成相關數據的對接傳遞，該服務器(包括系統軟件)分別接入公交公司與交警支隊信息化系統，應用軟件計入交警支隊信息化系統。

兩家單位之間的通信通過租用運營商網絡實現，兩家單位信息化系統與運營商網絡直接的通信接口由兩家單位分別負責實施。

為了實現公交優先系統，公交公司信息化系統與交警支隊信息化系統之間需要進行相應的數據通信，互通的數據應采用統一的接口與格式，數據內容與質量由數據發送單位負責，接收單位利用規范統一的接口進行接收。交警提供的信息有視頻圖像調用信息、道路占道以及施工信息、道路交通狀態及事件信息、公交車輛速度信息，公交公司提供的信息有公交視頻圖像信息、公交排班表、公交車刷卡信息、公交車位置信息等。

2、研究方案、技術路線、組織方式。

研究方案：

RFID射頻識別系統主要包括電子標簽、閱讀器、天線以及應用軟件四部分。以下是該系統的結構框圖，如圖所示：

圖1 RFID系統結構框圖

從上圖可以看出：在閱讀器與電子標簽的模塊中均有數據的輸入與輸出，并且兩大模塊中傳輸的還有能量與時鐘。

1.閱讀器：讀取(或寫入)標簽信息的設備，可設計為手持式或固定式。手持式是超市收銀員用的那種比較小;固定式則是物流公司在倉庫入庫物品時在門口擺置的不動的閱讀器，物體一掃而過，在瞬間即完成了掃描讀入。

2.天線：在標簽和讀取器間傳遞射頻的信號用的。

3.標簽：標簽是由耦合元件以及芯片所組成，每個標簽具有唯一的一個電子編碼，附著在物體上用來標識目標對象。圖3顯示的是閱讀器查詢標簽示意圖：

4.應用軟件：應用軟件則是RFID系統的一部分，針對不同需求從而進行開發的軟件，它可以通過閱讀器對電子標簽進行讀寫和控制，將收集到的數據進行處理和統計。我們教研室使用的數據庫是SQL Sever 2005，界面的設計使用的是C#.net。

技術路線：

一套完整的RFID系統，是由Reader(閱讀器)與Tag(電子標簽)和Transponder(應答器)及應用軟件系統三個部分所組成，他的工作原理是：Reader發射出特定頻率的無線電波的能量，給Transponder，用來驅動Transponder，而電路將送出內部的數據，此時Reader依序接收數據，解讀數據，從而將其送給應用程序做一些相應的處理。圖4所示的為RFID的工作原理圖：

閱讀器和應答器之間一般采用半雙工通信方式進行信息交換，此時閱讀器能夠通過耦合給無源應答器(Passive transponder)提供能量和以及時序等相關內容。在實際應用中，可進一步通過Ethernet等實現對物體識別信息的采集、處理以及遠程傳送等。應答器是它的系統的主要應用的信息載體，目前市場上的應答器大多由耦合原件(包括線圈、微帶天線等)和微芯片組成的無源應用單元。

閱讀器能夠根據結構、技術的不同，RFID系統信息能夠控制和處理信息中心。它的閱讀器通常由收發模塊、耦合模塊、接口單元和控制模塊組成。

組織方式：

當路口檢測設備檢測到車輛時，向路口信號機發送請求信號，同時路口檢測設備對檢測到的車輛進行身份識別，管理中心的運營管理系統比照時刻表對該車是否準點到達某路口進行判斷，并將該信息實時傳至交通管理控制中心，信號燈控制系統對有延誤的車輛下達指令給路口信號機進行配時調整。

實現公交信號優先控制功能，信號機要能夠接受車輛到達的信號，并根據該信號的請求進行信號燈配時的改變：

1、當車輛接近路口遇綠燈時，則適當延長當前的綠燈相位時間，保證車輛通過路口。

2、當車輛接近路口遇紅燈時，則縮短信號周期，提前轉入車輛行駛的對應相位，從而減小公交車輛在交叉口的延誤時間。

3、預期取得的標志性成果，包括可考核的技術指標和經濟指標。

可考核技術指標：

1、實時性指標

1)數字視頻信息傳輸時間特性：數字視頻信息傳輸時間指攝像機獲取圖像至終端顯示圖像需要的時間延時，要求不大于500ms;

2)交通管理中心工作人員發出交通信息發布指令至外場設備顯示信息內容所需要的時間延時不大于3s。

3)具有自動故障檢測的外場設備在檢測到設備故障時，自動向系統發出報警，告警信息實時上傳。

4)共享的信息所需要的傳輸時間延時，要求小于1s。

5)采用校時服務器對網內計算機和外場設備進行統一時鐘校準，校時應采用同一時鐘校準源，如GPS時鐘同步設備，時鐘校準頻率和校準時間應可設置。所有網內設備的時鐘誤差小于100ms。

2、準確性指標

1)交通數據檢測準確性要求

流量平均采集精度：>95%;(0~220Km/H)

車速平均采集精度：>95%;

占有率平均采集精度：>95%;

車間距平均采集精度：>95%;

排隊長度的平均采集精度：>95%;

2)對數據傳輸的準確性要求

在交通信息系統中，要求在數據鏈路層數據為無差錯傳輸。為確保數據鏈路層數據無差錯傳輸，要求在數據電路的誤碼率為：電纜傳輸誤碼率：小于10-6;光纜傳輸誤碼率：小于10-9。

可考核經濟指標

1、緩解城市交通擁擠

2、提升城市生活環境質量

3、提高公交車運輸效率

站組成，是車聯網系統中重要的組成部分，是相關其他系統工作的基礎數據信息源。

電子標簽中存儲有車輛信息(車牌號、車輛類型、車架號、整車最大質量、使用年限、稅費繳納、車輛所有人信息、車輛所有人社會信用代碼以及該電子標簽的ID號等等)，具有防拆、防磁、防水、可加密、大容量等特點。系統的基本工作原理為：正確安裝了電子標簽的車輛駛入天線的射頻信號覆蓋區域，接收到讀寫器發出的特殊射頻信號，產生感應電流，內部電路進入工作狀態，自動發送出車輛信息，讀寫器接收車輛信息并解碼后，送到基站通過后臺軟件系統進行進一步處理，系統根據相關程序判斷該卡的合法性，針對不同的設定做出相應的處理，發出指令控制執行機構動作。

目前使用的交通流量檢測設備的精度不高，特別是無法精確判斷車型，而基于RFID 技術的電子車牌系統的車輛捕獲率、車牌獲取準確率要高于其他形式的系統，可全天候、全天氣狀態工作，不受自然環境干擾，采集到的車輛信息數據具有準確、全面、實時等特點，信息上傳后經公安交通統一管理平臺整合、更新、反饋，與其他部門(如金融、保險、社保、民航等)的統一管理平臺互通互聯，進行數據共享，實現跨行業、跨部門、跨領域的綜合應用，共同構建平安城市系統。

3、目前電子車牌系統的主要技術指標

3.1讀取時間：

<1秒。

3.2讀取成功率：

99.95%以上。

3.3讀取距離：

0～30米。

3.4定位精度：

偏低。

3.5允許車輛行駛速度：

180公里/小時。

3.6全天候、全天氣狀態工作：

系統基于RFID 技術，可全天候、全天氣狀態工作，不受自然環境干擾。

4、目前電子車牌系統的使用現狀

4.1 國內主要使用城市

國內電子車牌應用處于起步階段，基于電子車牌的車輛管理沒有統一模式和成熟經驗。

重慶于2012年開始使用，重慶電子車牌是國內第一例省級范圍內大規模應用的城市智能交通管理項目，通過解決“無法準確識別車輛身份及資質”難題，同時建設以城市為中心的“區域性道路交通電子收費系統”，逐步實現車輛精準管理、路網動態監測、車流統計與分析以及各種交通稅費的動態稽征、出行服務與大眾出行路況信息發布等功能，打造了“暢通重慶”的精品工程。

北京將于明年出臺電子車牌標準。唐山、南京、深圳、廈門、蘭州、宜賓等城市也準備使用電子車牌。

4.2國際主要使用國家

英國于2004年開始使用，主要用于收取擁堵費。馬來西亞主要用于車輛防盜。墨西哥于2004年開始使用，主要用于跟蹤記錄出入墨美邊境的車輛。美國于1991年開始使用，主要用于提高美加邊境運輸效率和途中貨物的安全和可視。新加坡所有車輛都安裝了類似于電子車牌的電子標識卡，很好地解決了交通控制和交通收費方面的問題。

5、基于電子車牌的道路監管前端系統的幾種形式

我們知道，道路監管系統根據不同需求有著不同的解決方案，根據可以對每一條道路的每一個車道(的每一個時段)進行精細化管理的特點，基于電子車牌的道路監管前端系統可以有以下幾種形式：

5.1“電子車牌”卡口記錄系統

5.1.1系統特點：

無需記錄圖片、無需測量速度值，系統成本低。

5.1.2系統簡介：

通過電子車牌單一技術手段統計車流量、車型流量給ITS系統使用。隨著各大城市的老城區交通日益擁堵，未來可以根據符合條件的統計結果征收進入擁堵區的相關車輛的擁堵費，從而限制無關車輛進入擁堵區，鼓勵使用公共交通工具出行。

5.2“電子車牌+攝像機”卡口記錄系統

5.2.1系統特點：

無需測量速度值，統計車流量、記錄不按車道行駛車輛。

5.2.2系統簡介：

在不需要測速或不宜測速的路段，主要通過實時監控路況和車流量來了解路面是否出現異常情況。在車站、廣場前面的路段或其他公共區域，可以查處非法營運車輛、不按車道行駛車輛、也可配合紀檢監察部門加強對公車的監管。

5.3“電子車牌+雷達”卡口記錄系統

5.3.1系統特點：

無需記錄圖片、需要測量速度值，統計車流量、車速分布情況。

5.3.2系統簡介：

在不需要抓拍圖片的路段，主要通過實時監控車輛速度和車流量來了解路面是否出現異常情況。這種形式的系統將是未來卡口的主要形式，將廣泛分布在城區、省道和高速公路路段，是智能交通網絡的信息源，為ITS系統和其他系統提供大量的、詳細的基礎信息，使得實時路況播報、實時導航、交通誘導、交通干預成為可能，從而更好地為廣大司乘人員服務。

5.4“電子車牌+攝像機+雷達”卡口記錄系統

5.4.1系統特點：

需要記錄圖片和速度值，統計車流量，軟件中的號牌識別功能只起檢測車輛是否套牌的輔助作用。

5.4.2系統簡介：

滿足GA/T 497-2009公路車輛智能監測記錄系統通用技術條件。能夠實現其中所有的技術要求，另外具有目前雷達卡口無法具備的2個新功能：一是根據車型限速，使得藍牌貨車和黃牌貨車限速相同，在藍牌貨車與黃牌車的電子標簽里增加專項信息并提供給攝像機，二者限速不再根據號牌顏色而是根據車型，以便限制藍牌貨車的超速行駛現象。二是根據車型設置抓拍張數，攝像機根據藍牌貨車和黃牌貨車電子標簽里的專項信息自動抓拍2張，第一張抓拍車頭，顯示車輛前部特征，第二張抓拍車輛中后部，顯示車輛裝載情況，規范車輛載貨的超寬、超高、超長等現象，并根據相關規定進行非現場處罰。

5.5“電子車牌+攝像機+雷達”區間測速記錄系統

5.5.1系統特點：

需要記錄圖片、平均速度值，統計車流量。

5.5.2系統簡介：

滿足GA/T 959-2011機動車區間測速技術條件。能夠實現其中所有的技術要求，另外，如前所述，具有目前區間測速記錄系統無法具備的2個新功能：一是根據車型限速，二是根據車型設置抓拍張數。

5.6“電子車牌+視頻錄像”卡口記錄系統

5.6.1系統特點：

在電子車牌普及的未來，無需雷達，僅使用視頻抓拍和測速。

5.6.2系統簡介：

隨著視頻軟件的日益完善，技術人員不斷發明新的算法，在不遠的未來，其功能將發生質的轉變，視頻測速得以實現并滿足國家標準的測速精度，獲得國家法律許可。同時發明新的視頻壓縮技術和視頻檢索軟件，在性能更高的硬件支持下，從視頻中提取有效圖片且具有最小的重復率并按統一模式保存。系統同時也具有根據車型限速的新功能。

5.7“電子車牌”區間測速記錄系統

5.7.1系統特點：

在電子車牌普及的未來，無需攝像機和雷達，系統成本低，安裝調試簡單快捷，系統可靠性高。

5.7.2系統簡介：

車輛在通過距離固定的2套“電子車牌”卡口記錄系統時，分別記錄時間，通過軟件可以計算出平均速度值，同時也具有根據車型限速的新功能。

6、基于電子車牌的道路監管(前端)系統需要解決的相關問題

6.1響應時間：

參照GB/T 21255-2007《機動車測速儀》，響應時間應不大于0.5s。這里的0.5s指的是系統從車輛進入測定區域開始到形成記錄為止所需要的時間，可以認為0.5s是“探測時間”、“抓拍時間”、“合成時間”三者的和，三者分別對應于“電子車牌子系統”、“ 攝像機子系統”、“ 抓拍軟件子系統”。所以，電子車牌本身的響應時間應該是其中的“探測時間”，亦即其響應時間要小于0.5s。

6.2允許車輛行駛速度：

參照目前ITS行業的雷達和機動車測速儀產品技術指標，電子車牌子系統的最大允許車輛行駛速度應該為250km/h，針對高速行駛的車輛應該能夠及時捕獲并與攝像機聯動。

6.3車輛定位：

車輛定位必須準確，其一是因為目前主流卡口系統的攝像機都是采用定焦鏡頭，同時考慮到夜間效果，光圈偏大，景深較短，清楚成像的縱深區域較短，其二是因為夜間補光范圍的縱深區域較短。如果車輛定位不準確，車輛位置相差過大，很可能連肉眼都無法看清號牌，導致相應的違章行為無法取證。

6.4相鄰車道干擾問題：

一個標準車道寬度為3.75米，車輛正常行駛中，應該行駛在本車道的中心線上，如果出現不同程度的車輛跨線行駛現象，電子車牌子系統在100%捕獲時能否不重復捕獲或遺漏。另外還有大量的非標準車道，分布在省道、縣道、鄉道、城區非主干道路段，寬度3～5米，也應該既保證本車道的捕獲率，又能夠避免相鄰車道干擾。

6.5與攝像機、雷達的數據通信觸發協議：

目前的雷達卡口系統中，雷達與攝像機的數據通信觸發有RS232、 RS485和TTL電平3種方式，是選用RS232，還是選用RS485，或是選用TTL電平，或是選用無線通信，要綜合考慮目前主流方式以及今后技術發展方向來確定。

6.6主、輔觸發方式如何協調:

系統中，電子車牌與攝像機聯動抓拍為主觸發方式，雷達與攝像機聯動抓拍為輔助觸發方式，在無法通過主觸發方式(如電子車牌損壞、丟失、未安裝、人為破壞等)與攝像機聯動抓拍時，如何及時啟動輔助觸發方式，或者采用其他何種技術手段來協調二者以避免重復捕獲。

6.7視頻測速:

相關公司、廠家積極研發新的算法，使得視頻測速成為可能且越來越精確，并且通過計量檢定，獲得國家法律認可。開創全新的測速方法。

6.8制定國家標準:

由公安部牽頭，工信部、標準化委員會等部門參與，盡快制定、頒布、實施“電子車牌道路監管系統通用技術條件”國家(推薦)標準，明確相關術語和定義，統一相關產品的技術指標要求，引導企業規范生產，指導省市各職能部門按規定監督執法或進行相關工作。

6.9與其他系統平臺信息共享:

例如，國務院于7月2日印發了《社會信用體系建設規劃綱要(2014—2020年)》，其中明確提出，建立自然人、法人和其他組織機構統一社會信用代碼制度。同時配合其他相關制度或規定，推動在社會經濟活動中廣泛使用統一社會信用代碼，公民通過查詢代碼，就可以知道自己的金融、工商登記、稅收繳納、社保繳費、交通違章等各類信用信息。

6.10如何防止電子車牌被克隆:

盡管通過芯片固化技術可以使每個電子車牌都有唯一的、不可修改的ID號碼，且不可拆卸或拆卸自毀，但仍然不能防止電子車牌被克隆，從而給下一步工作帶來不便。

6.11修訂相關法規:

修訂相關交通法規，進一步加大對各種交通違法行為的處罰力度，大幅度提高交通違法成本，技術取證和法律管理雙管齊下，使人們切實做到文明出行，真正體驗到駕駛的樂趣，共同打造平安道路、和諧交通。

7、結束語

隨著國家道路橋梁的不斷建設和道路通行里程的不斷提高，基于電子車牌的道路監管前端系統將成為保障交通安全、提供便捷出行的一個必要的技術手段，為后端各個系統提供各種詳盡的基礎數據。同時，隨著計算機領域和ITS行業軟、硬件的飛速發展，未來基于電子車牌的道路監管前端系統將會越來越完善，越來越科學，越來越人性化，還會出現更多的形式，更好地為我們的工作和生活提供服務，從而使得智能交通能夠真正融入到平安城市的建設之中，成為平安城市不可或缺的一個子系統。