基于RFID 技術的高速公路不停車收費系統(tǒng)

伍光科

（新大陸數(shù)字技術股份有限公司，福州 350000）

現(xiàn)階段，我國高速公路產業(yè)建設越來越健全，從建設公路到投入實際使用都有完善的技術作為支撐?，F(xiàn)階段電子不停車收費正逐漸取代人工收費，但由于該技術出現(xiàn)較晚，發(fā)展速度較慢，所以仍有部分地區(qū)沿用半自動人工收費方式。接下來如何大范圍推廣電子不停車收費（ETC）的使用成為了亟待解決的問題。ETC收費模式可以實現(xiàn)不停車自動收取高速公路過路費，提升了收費口的行車速度，在一定程度上提升了高速公路管理質量，為高速公路的平穩(wěn)運行提供了保障。從運行原理的角度分析，ETC 發(fā)展與射頻識別（RFID）技術之間存在著千絲萬縷的聯(lián)系，RFID 技術表現(xiàn)出來的主要特點為具備非接觸自動識別功能，在數(shù)據(jù)交互時，射頻信號發(fā)揮著重要的作用，使得高速公路現(xiàn)階段收費口收費管理工作的各項需求得到最大程度的滿足，研究該技術有助于高速公路收費管理工作的進一步發(fā)展與進步。

1 RFID 實現(xiàn)原理

RFID 技術屬于非接觸自動識別技術的范疇，可以在最短的時間之內完成相關的識別工作，實現(xiàn)信息交互和精準數(shù)據(jù)處理。該技術的有效應用可以大幅度降低人工的使用頻率，在使用該技術時無需人工輔助，且能夠做到同時識別多個目標內容。射頻識別讀寫器發(fā)出的電磁波體現(xiàn)出了一定的頻率性特點，該電磁波具備了激發(fā)信號的功能，當識別對象處于信號的感應范圍內，就可以激活信號并產生弱電流，復原后，識別對象被激活，其內包含的各種信息代碼將利用電子標簽內的天線發(fā)射，讀寫器接受代碼后進行快速識別，做出相應反應[1]。

2 高速公路不停車收費系統(tǒng)模塊設計

高速公路不停車收費系統(tǒng)屬于集成系統(tǒng)，其內部具備許多功能模塊，模塊之間的互相有效配合是實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定準確運行的基礎。系統(tǒng)內每個模塊互相支持也互相制約。系統(tǒng)中包含的模塊比較多，主要由打印統(tǒng)計報表、權限管理、用戶原理和收費等多個模塊構成，整個系統(tǒng)的平穩(wěn)運行借助收費模塊和用戶原理模塊來實現(xiàn)，這2 個系統(tǒng)占據(jù)著核心位置，為后續(xù)的不停車收費做好了充分的準備工作，最后一個模塊起到管理和統(tǒng)計的作用，能夠做到有效整合數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)，為后續(xù)工作的開展提供數(shù)據(jù)方面的支撐。

2.1 不停車收費系統(tǒng)體系架構

后臺收費以SSH 框架為依托，MVC 模式是系統(tǒng)體系機構的基礎，具體內容如圖1 所示。

圖1 不停車收費系統(tǒng)體系結構

瀏覽器以Client 為主，用戶在使用系統(tǒng)以前，需要將瀏覽器安裝好，服務器與客戶端的數(shù)據(jù)信息處理與傳輸?shù)谋硎緦訛镾truts，這就是通常意義上的前臺視圖，請求的轉發(fā)與控制工作由業(yè)務層也就是Spring 負責，最終結果是展示給用戶相應界面，當請求傳輸至后臺，請求數(shù)據(jù)庫和信息交互這一工作由持久層也就是Hibernate 實現(xiàn)[2]。

2.2 不停車收費系統(tǒng)組成模塊

不停車收費系統(tǒng)具體組成模塊如圖2 所示。

圖2 不停車收費系統(tǒng)組成模塊

不停車收費系統(tǒng)主要包含圖2 所示的模塊。結合其功能的不同，主要的模塊類型有打印統(tǒng)計、權限管理、收費和用戶模塊，每個大模塊中又包含著一些小的模塊，針對權限管理、收費和用戶模塊作如下闡述。

用戶模塊主要包含兩部分內容，分別是用戶管理模塊和客戶注冊登錄系統(tǒng)，客戶注冊登錄系統(tǒng)主要用于用戶注冊和登錄行為的實現(xiàn)，用戶必須以有效身份進行注冊后，設置密碼、完善相關信息才能登錄使用。用戶管理模塊則是對用戶的后續(xù)使用進行管理，包括管理用戶使用行為，清除不法用戶，修改用戶屬性等[3]。

收費模塊由計費和扣費2 個系統(tǒng)組成，前者負責用規(guī)定算法計算車輛經過收費站時應當扣除多少費用，通常情況下都是根據(jù)行駛距離計算費用，得出具體收費金額后，將信息傳輸至扣費系統(tǒng)，扣費系統(tǒng)自動比較用戶余額和金額，接著完成相關的扣費任務。

權限管理主要包含2 個部分的內容，分別是數(shù)據(jù)字典維護系統(tǒng)、權限賦予與收回系統(tǒng)。權限賦予與收回系統(tǒng)負責將每條權限作為數(shù)據(jù)庫記錄開展管理，權限分配到對應用戶信息中，該用戶才可以行駛該權限允許范圍內的權利，做出相應行為，離職的用戶會在第一時間被收回權限，數(shù)據(jù)庫中及時刪除相應的數(shù)據(jù)信息。除此之外，系統(tǒng)中有些內容會隨著時間的變化而變化，例如收費政策改變等，此時系統(tǒng)也需要改變，而因為改變建立新的數(shù)據(jù)庫是一項龐大的工作，這時就需要數(shù)據(jù)字典維護系統(tǒng)發(fā)揮作用，對系統(tǒng)中出現(xiàn)變化的數(shù)據(jù)進行更改，并存入數(shù)據(jù)字典內便于后續(xù)管理工作的開展。

3 高速公路不停車收費系統(tǒng)功能模塊設計

高速公路不停車收費系統(tǒng)依照上述體系結構劃分后，從功能上看可以實現(xiàn)用戶管理、收費扣費、權限賦予與收回、數(shù)據(jù)更改與管理等功能。

3.1 用戶模塊設計

用戶管理模塊發(fā)揮出來的主要作用為對用戶進行管理，新增或者是刪除相應的用戶信息，同時也能夠準確地查詢和更改用戶信息[4]。

客戶注冊登錄模塊體現(xiàn)出來的基本功能就是對用戶進行新增，注冊并登錄后用戶才能使用該系統(tǒng)，登錄后用戶可以瀏覽個人信息，查詢收費口信息和收費規(guī)則、執(zhí)行充值等操作，這些操作需要開啟不同的頁面，對于這些頁面的訪問來講，若頁面內包含的數(shù)據(jù)量較大，采取同步的方式實現(xiàn)前后臺交互會造成較大的系統(tǒng)消耗。且打開頁面時間會增長，需要花費一定時間等待頁面的呈現(xiàn)和使用，這在極大程度上降低了用戶體驗感。系統(tǒng)前端將Jquery 插件引入以后，合理化地使用以Ajax 和JSON 技術為基礎的異步請求響應數(shù)據(jù)傳輸機制，顯著提升了前后臺交互工作的實效性。通過Ajax異步處理，能夠加快數(shù)據(jù)傳輸速度，提升系統(tǒng)響應速度，減少打開和使用頁面的等待時間。

數(shù)據(jù)信息從前臺向后臺傳輸以后，使用JSON 格式的封裝來完成相關的操作，為解析工作的開展做好了鋪墊，該格式的數(shù)據(jù)信息在前臺能夠及時地完成解析工作任務，后臺在使用該格式的JAR 包以后，數(shù)據(jù)的封裝和解析速度也會實現(xiàn)快速提升。

前臺用戶模塊將請求發(fā)出以后，后臺程序要在第一時間完成運行處理工作，此時，Web 容器起到了積極的促進作用。系統(tǒng)在開展管理工作時，使用的主要容器為Tomcat 容器，從而使管理工作取得令人滿意的效果。若同一時刻有大量請求產生，Tomcat 也能很好地處理。系統(tǒng)只需要配置好相關文件，后臺就能完美處理前臺用戶的需求。

3.2 權限管理模塊設計

權限管理模塊顧名思義，其功能就是對用戶權限進行管理，包括賦予權限、刪除權限、修改權限和查看權限等內容[5]。不同用戶所擁有的權限不一樣，其權限管理截面也存在不同，操作功能也存在差異。

該模塊的基本功能是權限的分配和收回，用戶登錄后可以查看自己的權限，在權限之下瀏覽數(shù)據(jù)，進行翻頁、讀取等操作。

在設計權限管理模塊時，設計理念為將所有權限全部當作是數(shù)據(jù)庫中權限的相關記載，與用戶之間建立關聯(lián)關系，索引時，輸入用戶名作為關鍵字，并在權限表中儲存。所有的權限以數(shù)據(jù)庫中的權限表的記錄形式存在，與用戶之間建立良好的關聯(lián)關系，在權限表中，用戶ID 作為一列進行有效的儲存，并以外鍵的形式存在。系統(tǒng)給用戶分配權限時，在數(shù)據(jù)庫權限表中存儲用戶ID，使得用戶能夠隨時行使此項權限。比如：將充值當作是一條權限表的記錄時，向60 個ID 用戶進行分配，用戶在登錄系統(tǒng)以后，系統(tǒng)菜單就會將充值的功能項體現(xiàn)出來，那些沒有分配的用戶對該目錄無法進行識別。功能被轉化成為了Hibernate，在可以處理的范圍之內完成相關的操作，數(shù)據(jù)庫中的封裝能夠實現(xiàn)系統(tǒng)化組裝。

3.3 設計收費模塊

對于收費功能模塊來說，扣費和計算費用是其主要的功能模塊。在對費用需求進行計算時，使用的方式比較多，用戶車輛抵達收費站口以后，對以下情況進行全面的分析，依據(jù)車輛的行駛記錄來完成相關的計費任務，以固定價格為依據(jù)來完成收費任務，依據(jù)車輛的信用值和扣費記錄來完成綜合收費工作，異常車輛數(shù)據(jù)信息會及時發(fā)出警告。在設計費用計算模塊時，結合不同的需求來對計算方法進行合理化選擇，面向對象的多態(tài)技術使用頻率最高。計費方法屬于基類，不同的計費方法會在一個類中體現(xiàn)，對該基類進行了繼承，在系統(tǒng)運行的過程中，編譯器會使用動態(tài)化的管理方式來開展相應的計費算法，使得系統(tǒng)功能需求得到最大程度的滿足。

費用被準確地計算出來以后，計算得出的結果以系統(tǒng)參數(shù)的形式向下一個功能模塊中傳輸，也就是扣費模塊完成了相關的操作。在操作扣費模塊時，以后臺處理為主，RFID 在對車輛信息進行讀取以后，計費模塊會及時地將相關費用計算出來，扣費模塊完成相關的扣費工作任務?？圪M算法在設計扣費模塊時發(fā)揮著十分重要的作用，設計扣費模塊時，當傳入的參數(shù)是空的時，系統(tǒng)就會及時地發(fā)出警告信號，車輛停下以后，以人工收費的形式來完成相關的操作。

該模塊會將收費站過往車輛的所有收費信息匯總在一起，在整理和匯總相關的數(shù)據(jù)信息以后，實現(xiàn)了對系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)信息的快速生成，在數(shù)據(jù)信息被整理好以后，會及時地向結算中心傳輸，為其他功能模塊發(fā)揮作用提供信息支撐。對清算中心下傳的系統(tǒng)運行參數(shù)、黃名單人員、黑名單人員等進行定時接收，并及時地將所有數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)绞召M站系統(tǒng)中。

3.4 打印統(tǒng)計模塊

提供了強大而靈活的打印統(tǒng)計模塊，使用戶能夠輕松地將系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)和報告進行統(tǒng)計或打印導出，以滿足各種個性化需求。這一功能的核心目標是簡化用戶在其他應用程序或環(huán)境中使用系統(tǒng)數(shù)據(jù)的過程，同時確保數(shù)據(jù)的完整性和安全性。打印統(tǒng)計模塊支持以下主要功能。一是提供選擇統(tǒng)計特定數(shù)據(jù)或報告部分的選項，以滿足個性化需求和關注點。二是可以將系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)以多種常見格式導出打印，包括CSV、Excel 和JSON，以滿足不同用戶和應用場景的需求。導出的數(shù)據(jù)和報告格式兼容常見的應用程序和工具，確保順利集成到其他系統(tǒng)中。

4 RFID 技術下不停車收費系統(tǒng)的核心設計技術

在設計不停車收費系統(tǒng)時，要以RFID 技術為依托，從多個方面著手來完成相關的操作任務，其所包含的技術內容比較多，最為常見的有RFID 中間軟件技術、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸安全技術和RFID 技術等。

4.1 創(chuàng)建模型

從整體層面分析，在讀寫器數(shù)據(jù)和上位機應用程序中，RFID 中間件發(fā)揮出來的作用十分關鍵，使得上層應用程序的API 得以高效地提供，使得RFID 讀寫器的透明連接成為可能。從其他層面上開展分析工作時，RFID 中間件包含的結構層次為3 層，具體情況：第一層為數(shù)據(jù)采集層，對車載RFID 電子標簽的相關數(shù)據(jù)信息進行全方位的感知，使其在整個系統(tǒng)中具備超強的可靠性和可用性。第二層為事件處理層，其在RFID 中間層中占據(jù)非常重要的地位，在此層中整理采集到的RFID 電子標簽信息，并對相關的數(shù)據(jù)信息進行綜合分析，從中獲得有價值的信息資料，完成RFID電子標簽的封裝操作，將信息包及時地傳輸回去，為上層應用做好充分的準備工作。第三層為信息發(fā)布層，上位機軟件所需的各類數(shù)據(jù)信息能夠從此層中得以準確獲取，整理和分析大量的數(shù)據(jù)信息以后，對數(shù)據(jù)價值開展深層次的挖掘和探究，使得相應的模型得以積極地構建。

4.2 中間件算法

綜合分析相關的數(shù)據(jù)記錄和調查數(shù)據(jù)，讀寫器在對RFID 電子標簽信息的間隔時間進行讀取時，核心時間間隔大約為十幾毫秒，這就使得讀寫器所獲得的各類信息資源表現(xiàn)出了超強的冗余性，很多原始數(shù)據(jù)信息對RFID 數(shù)據(jù)傳輸失去了價值，只能是在提取和轉變原始數(shù)據(jù)信息以后，其價值才能得以體現(xiàn)，這也是開展相關算法的核心目標。

感知層感知到的所有數(shù)據(jù)信息要在第一時間傳輸?shù)絺鬏攲又?，傳輸層在獲得相應的數(shù)據(jù)信息以后，不需要對所得數(shù)據(jù)信息開展任何的分析和處理工作，只是將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)綉脤又屑纯桑瑢⑷哂嗳肯蓛?，對?shù)據(jù)價值進行客觀的評價。在對感知數(shù)據(jù)進行判斷時，使用的具體方案：第一，在注冊環(huán)節(jié)中，在RFID電子標簽的電子產品代碼編碼中綁定有效的數(shù)據(jù)信息，并在數(shù)據(jù)庫中完成相關的存儲任務，RFID 中間件不會處理任何數(shù)據(jù)信息，只是將數(shù)據(jù)信息向上層應用軟件中傳輸即可，在上傳數(shù)據(jù)信息以后，結合中間件上傳的數(shù)據(jù)信息來對數(shù)據(jù)開展客觀的分析工作。第二，結合編碼的各項規(guī)章制度，綜合分析RFID 電子標簽，在注冊環(huán)節(jié)中，將RFID 電子標簽重新寫入其中，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的儲存，在消除感知層感知數(shù)據(jù)的冗余時，RFID 中間層發(fā)揮著十分重要的作用，并在最短的時間之內將電子標簽的編碼前三位數(shù)字信息進行準確地獲取，實現(xiàn)對ETC 的準確判斷，是不是具備實效性。然而在最后的環(huán)節(jié)中，所有的有效數(shù)據(jù)信息要及時地向應用軟件中傳輸，使其發(fā)揮出應有的作用。

5 結束語

在高速公路收費口管理工作中，電子不停車收費系統(tǒng)逐漸被更多的人所接受，不僅給過往車輛帶來了巨大的便利，也使得收費站的工作效率顯著提升。以該系統(tǒng)代替半人工收費可以實現(xiàn)快速便捷準確收費，該系統(tǒng)作為一種非接觸式信息交互型收費技術，利用路側天線與車載電子標簽進行信息交互，實現(xiàn)自動計費和扣費。除此之外，ETC 收費還能夠減少現(xiàn)金交易，提升交易安全性，車輛通行速度快，不影響高速公路的交通，這在一定程度上提升了高速公路的運載能力。相信在時代的發(fā)展下，ETC 技術也會更加完善，應用范圍也會更加廣泛。