基于RFSIM路徑識別的高速公路收費系統設計

摘 要： 為了滿足高速公路聯網收費管理的需要，針對當前高速公路二義性路徑及收費效率低等問題，提出一種基于RFSIM卡路徑識別的高速公路收費系統，利用手機RF?SIM卡中集成的射頻技術與讀卡器進行路徑確認和聯網收費，系統有利于解決收費拆分不合理的狀況，有效提高高速公路口的通行速率。從現實應用出發，以RFSIM 卡發展前景為切入點，分析此系統的優勢，通過實驗結果證明了系統的可行性和有效性。

關鍵詞： RFSIM； 路徑識別； 收費拆分； 二義性； 手機支付

中圖分類號： TN929.5?34； U491 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）01?0060?04

0 引 言

高速公路遭遇二義性路徑的問題時，多運用數理統計方法或最短路徑法等[1]路徑識別方法，這些方法的精確度取決于數學概率。但當道路使用者在選擇路徑時產生了更多考慮，如路況、服務設施等情況，此時利用概率計算的誤差較大，造成出口收費時不能準確判斷車輛的實際行駛路徑，從而引起收費不精確。后為解決路徑識別問題，提出運用一定的技術手段精確標識行駛車輛軌跡。ETC技術應用比較廣泛，主要利用車載終端來實現路徑精確識別[2]，但由于移動定位裝置開發運營成本較高、系統復雜，缺乏統一的行業標準，發展前景不容樂觀。現今主要試驗的識別方法有：車牌識別法、無源RFID射頻卡標識站法等[3]。車牌識別法[4]對高速行駛的車輛實時識別難度大，其車牌識別率受環境影響大，難以滿足實際需求；而采用無源RFID射頻卡技術的路徑識別法[5]，無源射頻卡不含有電池，它的發射距離受限制，且需要讀寫器的發射功率大，建站投資巨大。

現今我國手機用戶已超過11.12億戶，普及率達到82.6部/百人，隨著移動支付安全性的增強[6]，手機支付成為一種流行趨勢。以手機為載體，將SIM 卡與RFID 技術相結合，設計一種基于RFSIM卡路徑識別的高速公路收費拆分系統，采用手機替代ETC車載終端，實現手機支付相關費用的功能。利用RFSIM卡手機的收費系統結合了手機的方便性，解決無源射頻卡的高消耗問題；同時，利用RFSIM卡能夠遠距離識別的特性，通過安置路徑標識讀卡器可以精確記錄高速公路上的行車路徑，能夠解決收費精確拆分的問題，開創一種高速公路收費與精確拆分的新模式。

1 二義性路徑問題

所謂二義性路徑，就是從同一個地點出發，可以通過路徑1、路徑2、[…、]路徑[n]到達同一個目的地，但對于通過的車輛，預先不能確定其選擇通過的是哪個路徑，這樣路徑1、路徑2、[…、]路徑[n]定義為二義性路徑。這里可以用一個簡單的環路圖來表示，如圖1所示。

假設從A城市到B城市中間分別有如圖1所示5條不同路徑的高速公路，任一條高速公路均分屬于不同的業主。某車輛從A城市出發進入高速公路并要到達B城市，其所行徑的可能路線為直接通過1，或者是2和3，2和5，4和3，4和5等，此時其行駛路線產生了“二義性”。目前通用的辦法是“最短路徑法”，即認為該車是經由最短的路徑2和5線路行駛，并以此來收取通行費，同時該費用由路徑2和路徑5的業主分拆。

圖1 路徑示意圖

但是，這種分法并不合理。在某些因素影響下，若車輛行徑的路線僅僅是路徑1，那么車輛所繳納的通行費應該與行駛最短路徑2和5線路不一致，車輛并沒有通過路徑2和5，但其業主拆分了其通行費用，而對于車輛所通過的路徑1的業主卻沒有收取到其所繳納的通行費用，這樣的拆分顯然有失公允性，由于難以區分行駛車輛的精確路徑，路徑識別問題已成為精確拆分工作所難逾越的障礙。

2 基于RFSIM卡路徑識別的收費系統

2.1 RFSIM卡技術的基本原理

RFSIM卡是射頻識別技術（Radio Frequency Identification）與手機SIM卡的簡稱。RFSIM卡可安裝在手機上實現中遠距離身份識別和近距離金融支付，并能利用SIM卡上的CPU進行運算功能，這是NFC等其他手機不具備的功能[7]。表1通過對三種技術的對比，可以看出RFID技術通過與SIM卡的有機集成，不受終端的限制，在應用上能夠充分與移動通信技術結合。RFSIM采用了無線射頻的通信方式，它將具有RF射頻功能的模塊鑲嵌在SIM卡多余卡基空間內[8]，使用2.4 GHz的微波頻率進行數據通信，通過手機供電實現有源RFID卡，如圖2所示。利用RFSIM技術可實現電子錢包、在線支付、身份識別、電子票據、電子證件、情景OTA等功能，其技術正被廣泛地使用到各政企單位、商業以及個人的日常生活與消費支付中[9]。

基于RFID技術的路徑識別系統能夠在一定范圍內同時對多個載有射頻標簽的目標物體進行非接觸、高速及準確的并行跟蹤和識別。因此只要裝設相應的RFID?SIM卡讀寫器[10]，當射頻識別標簽（RFSIM卡）進入讀卡器的有效讀卡范圍內時就會自動讀取卡內身份標識。

表1 RFSIM卡與其他類似技術的比較

[＼NFC＼SIM Pass＼RFSIM＼構造＼終端內置無線

裝置，通過天線實現＼SIM雙界面卡將13.56M的無線裝

置作為SIM的延伸＼RF?SIM是一個全自動無線裝置＼運算

方式＼手機存儲和執行無線應用及安全密鑰＼SIM卡存儲和執行無線應用

及安全密鑰＼SIM卡中的智能卡存儲和執行無線應用及安全密鑰＼安全性與可操作性＼安全性強

操作性實現較為復雜＼安全性強

可操作性較差＼高安全性

可操作性強＼機型＼機型和終端數量有限＼機型和終端

數量有限＼不依賴于終端

很少的改造既可兼容絕大部分的POS＼試用＼目前在日本、美國等地應用廣泛＼小范圍試用＼2008年投入商用＼]

圖2 RFSIM卡技術原理

2.2 系統組成與業務流程

將RFID技術應用于高速公路路徑的精確定位中，組成一個智能化的精確收費拆分系統，本系統主要包括：RFSIM卡與手機、近距離RFID讀卡器與POS機（交易主機），中遠距離RFID讀卡器（路徑標識站）、智能電子警察、收費數據庫處理平臺等系統。其基本構成是：RFSIM卡的身份標示是惟一的，每個車主的手機卡都采用內嵌RFID芯片的SIM卡，在數據庫管理系統中將該卡的身份標示號、車型、銀行專用賬號和對應的車牌號進行關聯綁定，形成電子車牌；車輛通過高速公路入口時，讀卡器會讀取RFSIM卡中存儲的用戶信息，再將進入口的收費站信息寫入RFSIM卡中；在高速公路的每個轉換道路的匝道出入口處安裝一套遠距離RFID讀卡器和智能電子警察，對每一個讀卡器進行路徑編號；當車輛通過路段時，將通過讀卡器獲得的路徑編號存儲到RFSIM卡中；在高速公路出口處的主機平臺讀取卡中信息上傳到收費數據庫處理平臺；收費數據庫處理平臺根據卡中車輛所經路徑編號通過收費讀卡器自動收取相應費用，并后臺處理以此實現相應的精確收費拆分。

（1） RFSIM卡手機

用戶只需換卡而無需更換手機，無需增加新的通信協議，能與現有市場快速融合，能夠較好的獲得移動運營商的支持，針對全國各地路網標準不一的情況，只需改造各收費站的讀卡器，RFSIM卡手機即可跨路網使用。

（2） 路徑標識站

以現高速公路各個路段的編號為基礎，根據高速公路的復雜環路段的起止點，對每個道路轉換匝道的出入口進行路徑編號。路徑標識站的主編號法如表2所示，如為路段入口則在主編號后添加相應的標識，如G4_LX_CS_R；同理，出口則為G4_LX_CS_C。

表2 路徑標識站編號方法

[高速公路全稱＼現編號＼起點＼終點＼標識站主編號＼北京?港澳高速公路

臨湘至長沙段＼G4＼臨湘＼長沙＼G4_LX_CS＼長沙市繞城高速

公路東北段＼G401＼楊梓沖＼黃花＼G401_YZC_HH＼長沙?株洲

高速公路＼S21＼長沙黃花＼株洲田心＼S21_CHH_ZTX＼長沙機場

高速公路＼S40＼長沙黎托＼長沙黃花機場＼S40_CLT_CHH＼]

（3） 出口讀卡繳費

通過收費站出口收費車道時，射頻識別標簽（RFSIM卡）進入讀卡器的的作用范圍，激活識別標簽，從卡中讀取車輛身份標識、車牌號與路徑信息，上傳到POS機，系統檢索庫中相應車型及銀行專用賬號，根據具體路徑信息計算費用，將交易記錄返回給交易平臺，從銀行卡中扣除相應費用。根據信號測試結果，當車通過高速公路收費站收費車道時，可以很好的直接利用手機支付交易。

（4） 收費數據庫處理平臺

收費數據庫處理平臺根據交易平臺所上傳的含標識站信息的出口流水信息，對高速公路車輛通行費按實際行駛路徑拆分、結算，將車輛通行費的結果劃分到每個路段（橋）業主的收益賬戶中。

3 系統的關鍵技術

3.1 刷卡沖突

由于高速公路多條車道并存，則可能出現多個RFID讀卡器同時讀一張RFSIM卡，一個RFID讀卡器讀多張RFSIM卡，以及RFID讀卡器和RFID讀卡器之間的相互發生碰撞的情況，即為沖突。一旦沖突發生，收費交易即會產生干擾，通信可能無法進行，甚至導致收費站出現車輛擁堵，嚴重的收費系統直致癱瘓。上述沖突可歸類為多卡沖突和地址沖突。針對兩種沖突形式，系統識別對應的沖突是通過對RFID讀卡器發送二次標簽沖突檢測特征信息來實現。在讀卡器與RFSIM卡建立連接后，即馬上發送沖突檢測幀，接著與當前連接的卡建立接入和交易，此時進入沖突區域內所有的卡都將收到低頻沖突檢測幀，RFSIM卡作為主體判斷沖突，并根據沖突類型進行及時響應和處理。

3.2 防拔機制

由于RFSIM卡是基于非接觸的移動交易，通信鏈路存在一定不可靠性，用戶在通信過程中，可能處于支付的臨界位置，或者因其他原因使得在POS發送交易指令完畢且卡執行命令成功后，通信過程突然出現問題，導致扣費流程發生錯誤，既出現卡片的金額已經被扣除，但POS機收費并未成功的情況。此類問題單靠底層是無法得到有效解決的，因此POS機應用的上層須能及時監測到錯誤情況并做出相應處理，即防拔機制的實現，以確保整個交易的完整性。

3.3 交易距離控制

在系統中為控制交易距離，加入低頻檢測線圈，RFSIM卡端根據檢測到的低頻信號強度[V]為門限進行交易處理。當POS機發出連接RFSIM卡指令后，即[V>]Gate1時，RFID讀卡器將持續嘗試與RFSIM卡進行連接，從而減輕主機負擔，提高交易效率。當RFSIM卡攜帶信息包進入讀卡器正常工作的范圍，即[V>Gate2]時，讀卡器與RFSIM卡連接上，并持續維持其接入的狀態；否則讀卡器將斷開連接，并嘗試接入新的RFSIM卡。當RFID讀卡器接入RFSIM卡時，POS機會發送讀取SIM卡的指令，此時[V>Gate3，]讀卡器會將接入的RFSIM卡的信息傳回給POS機，POS機就可以發送相應的交易指令進行交易。RFID讀卡器搜索RFSIM卡時的狀態轉換圖如圖3所示。

圖3 RFID讀卡器搜索RFSIM卡時的狀態轉換圖

4 交易信號衰減特性測試

在模擬實驗中，2.4 GHz高頻收發模塊采用的是NORDIC公司的NRF24L01，低頻接收芯片是國民技術的Si1309，用頻譜儀測量了不同型號的移動手機位于讀卡器不同距離時所發出的2.4 GHz射頻信號的衰減特性，表3為其中部分手機的模擬數據，其中放大信數為30。

上述表內數據表明，當RFSIM卡手機處于讀卡器2.5 m范圍內時能夠建立良好的通信。

5 結 語

隨著3G網絡的完善和新興商業模式的出現，手機支付呈現一個快速發展的態勢，本系統以RFID卡技術為基礎，利用RFSIM卡技術實現了遠程控制與現場支付功能的統一，經模擬實驗結果可以看出，RFSIM卡通信的效果符合預期，結合高速公路的設備改造，能夠替代傳統的高速公路收費系統，從而提高高速公路收費效率，實現高速公路路徑準確記錄和通行費的精確拆分，能夠有效地解決現有的“概率統計法”、“最短路徑法” 所導致的收費拆分不公的矛盾和糾紛。

參考文獻

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[10] 中國移動企業標準委員會.中國移動手機支付RFID?SIM卡讀寫器技術方案1.0.0 版[S].北京：中國移動通信有限公司，2008.