基于RFID的快速公交优先系统研发

1、 项目建设背景及主要应用范围自 2004 年 3 月 18 日建设部发布 关于优先发展城市公共交通的意见以来，各地大力发展公共交通，于 2009 年左右，已基本确立公共交通在城市交通中的主体地位。目前，大型城市基本形成以大运量快速交通为骨干，常规公共汽电车为主体，出租车等其他公共交通方式为补充的城市公共交通体系。把公交交通专用道路系统建设作为近期建设重点，通过设置并划定公共交通专用道路、优先单向、逆向专用线路等措施，保证公共交通车辆对道路的专用或优先使用权。近年来，各地政府以修建城市道路为解决公交问题的手段之一，而现实问题是道路建设速度远不及车辆的增长速度。在解决城市交通问题上，不少交通专家达成这样一种共识：理想的城市交通模式中，小汽车仅作为交通辅助工具，而占道面积少、运量大、速度快的新型公交模式才是承载起城市交通的主体。快速公交优先系统是提高快速公交管理及服务水平的重要技术手段，包括车辆行驶地理位置和到站监控等，其中车辆自动识别及定位系统是关键技术，本方案在分析并研究现有方案基础上，进一步探讨更为可行的技术方案。本研发项目应用的范围广泛，可遍及全国大多数城市，提高公交车运行效率，缓解城市交通拥堵问题。2、 研究内容提升城市公交运行效率，包括如何提升运载量，开拓专用公交车道，解决信号灯配时变更方案等，公交车识别及信号传输与接收。3、 技术方案系统的技术框架快速公交优先系统是集合远程射频识别技术、网络技术、计算机控制技术、机电控制技术于一体的智能化交通控制系统。系统以公交优先为原则，保障 BRT 车辆准点，实现公交进一步提速，成为整个交通控制系统的子系统。当车辆行驶至距离交通信号灯 200 米范围内，采用 RFID 技术进行车辆身份识别，并判断有权申请红绿灯变化的车辆，然后由中央控制系统按计划设置绿灯为其放行。在车辆前挡风玻璃上贴示 RFID 标签，在公交线路的终端或站点安装 RFID 阅读器，阅读器自动识别途经并贴示 RFID 标签的车辆，同时将该站点的编号、车辆位置及时间等信息通过有线通讯设备与指挥中心连接，发布调度信息。方案采用有源 RFID 标签来标识车辆和站点，RFlD 具有设备的投入成本低、车辆 RFID 标签设备简单，可靠性高，维护成本低、识别可靠、定位精确等优点，安装实施非常方便可靠。RFID 产品基于“蓝牙”核心技术，采用最新无线通讯技术，性能优异，安全稳定可靠，在全球范围内无须申请频点，不依赖公共资源，自成一体，是一种放心务实的选择。(1)路口控制子系统该子系统能自动记录 RFID 消息，通过网络与中心系统联动，比对行车时刻表以决定是否给予信号控制机公交优先信号。其组成部分主要包括 RFID 远距离读写器、RFID 天线、RFID 标签。系统运行可靠，采用嵌入式设计，在室外环境下能可靠、稳定运行。此外，为满足城市景观园艺需求，系统外观采用吻合环境的设计方案。(2)中心调度、联合控制系统中心调度、联合控制系统运行正常与否，将直接关系到整个快速公交优先系统的运行情况。路口控制子系统通过专用网络实时保持与中心通讯， 以确保整个公交优先系统的无故障运行。4、 解决的关键技术系统建设时充分分析道路分布情况以及路口交通信号控制机接口特性，在此基础上，综合分析城市道路通行状况，结合公交运营商以及城市交通执法者管理手段， 总结评估出以下公交优先系统实现要点：在各个 RFID 路口控制前端子系统存储有各到站公交车辆的时刻表，以此表行车时刻与车辆离站时间进行对比，在到达路口信号灯控制前来决定是否给予公交优先权限信号。为防止读卡器在不同时刻检测到相同车辆的数据，在线控的基础上加以判别车辆通行方向，从而得出是否为有效数据。采用“控制车辆运行总时间固定”方案，以此来优化车辆在运行过程中故障的排除从而使整条公交线路正常运行。在中心调度系统的配合下，以公交发车点为触发点，同时对各个路口控制机下载当前公交的运行时刻表。车辆到达某一检测站读取可比对时刻表即该行车运行表。在系统的总建设上，考虑到公交运营商对车辆的支配管理以及交通部门在整个城市执法过程中涉及公交优先系统。本方案提出公交运营商只能对公交的运行时刻表进行有效的管理，在具体的交通疏导过程中，如果遇到特殊路段的通行状况，交通部门有特定公交优先冗余方案的制定，即能延时触发或停止公交优先系统的权力。5、 技术创新点和突破点把射频识别技术 RFID(RFID-Radio Frequency Identification)应用在快速公交优先系统里，利用 RFID 的技术优势：不受恶劣环境的影响、穿透性好、电子标签重复利用、远距离不接触式的识别、读取速度快、数据可以更新等，使得公交车与信号灯之间有效联动，提升了公交运行效率。6、 项目成熟程度目前全国已有类似案例，全国投入运行快速公交线路的城市有北京、上海、杭州等，所采用的公交优先技术不尽相同。杭州快速公交一号线，线路全长约 28 公里，包括：黄龙公交中心站、下沙公交枢纽站、下沙高教东区站、下沙公交中心站及 23 对中间站，是采用先进技术实现的一条快速公交线路。以贯彻城市交通“公交优先”为战略，开通城市地面公交快速运行系统(BRT)专用线路。系统以公交优先为原则，保障车辆准点，实现杭州公交进一步提速。本研发项目在此基础上进行优化改进，采用了更为成熟的射频识别技术，使之更加符合先进中小城市交通状况及地理现状。7、 项目完成时所处阶段本项目预计执行期为两年，从 2017 年 1 月开始实施，计划于 2018 年 12 月实施完毕。现已完成了技术整体方案的设计，可行性研究报告的肯定，系统的部分研发内容。目前正在后续新技术研发和整个运行系统的功能提升与完善。二、主要研究内容和目标：1、针对目前存在的技术或应用方面的主要问题，主要研究内容，重点解决产业(前沿)关键共性技术。在通常的交通信息化项目中，由于交警与公交两家单位的业务职能不同，其信息化系统并没有相应的交集，而本研发过程需要实现公交车辆信号优先控制，这就导致两家单位的信息化系统需要衔接，因而产生了相关的界面。公交优先信号控制系统的相关外场设备全部列入交警支队信息化系统内部，包括车载RFID 标签，RFID 读写器，交通信号控制机、信号灯以及相应的管道、基础、线缆等辅助设备全部计入交警支队信息化系统。公交公司与交警支队内部各设置一台对接服务器，完成相关数据的对接传递，该服务器(包括系统软件) 分别接入公交公司与交警支队信息化系统，应用软件计入交警支队信息化系统。两家单位之间的通信通过租用运营商网络实现，两家单位信息化系统与运营商网络直接的通信接口由两家单位分别负责实施。为了实现公交优先系统，公交公司信息化系统与交警支队信息化系统之间需要进行相应的数据通信，互通的数据应采用统一的接口与格式，数据内容与质量由数据发送单位负责，接收单位利用规范统一的接口进行接收。交警提供的信息有视频图像调用信息、道路占道以及施工信息、道路交通状态及事件信息、公交车辆速度信息，公交公司提供的信息有公交视频图像信息、公交排班表、公交车刷卡信息、公交车位置信息等。2、研究方案、技术路线、组织方式。研究方案：RFID 射频识别系统主要包括电子标签、阅读器、天线以及应用软件四部分。以下是该系统的结构框图，如图所示：图 1 RFID 系统结构框图从上图可以看出：在阅读器与电子标签的模块中均有数据的输入与输出，并且两大模块中传输的还有能量与时钟。1. 阅读器：读取(或写入)标签信息的设备，可设计为手持式或固定式。手持式是超市收银员用的那种比较小;固定式则是物流公司在仓库入库物品时在门口摆置的不动的阅读器，物体一扫而过，在瞬间即完成了扫描读入。2. 天线：在标签和读取器间传递射频的信号用的。3. 标签：标签是由耦合元件以及芯片所组成，每个标签具有唯一的一个电子编码，附着在物体上用来标识目标对象。图 3 显示的是阅读器查询标签示意图：4. 应用软件：应用软件则是 RFID 系统的一部分，针对不同需求从而进行开发的软件，它可以通过阅读器对电子标签进行读写和控制，将收集到的数据进行处理和统计。我们教研室使用的数据库是 SQL Sever 2005，界面的设计使用的是 C#.net。技术路线：一套完整的 RFID 系统，是由 Reader(阅读器) 与 Tag(电子标签)和Transponder(应答器) 及应用软件系统三个部分所组成，他的工作原理是：Reader 发射出特定频率的无线电波的能量，给 Transponder，用来驱动 Transponder，而电路将送出内部的数据，此时 Reader 依序接收数据，解读数据，从而将其送给应用程序做一些相应的处理。图 4 所示的为 RFID 的工作原理图：阅读器和应答器之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，此时阅读器能够通过耦合给无源应答器(Passive transponder)提供能量和以及时序等相关内容。在实际应用中，可进一步通过 Ethernet 等实现对物体识别信息的采集、处理以及远程传送等。应答器是它的系统的主要应用的信息载体，目前市场上的应答器大多由耦合原件(包括线圈、微带天线等)和微芯片组成的无源应用单元。阅读器能够根据结构、技术的不同，RFID 系统信息能够控制和处理信息中心。它的阅读器通常由收发模块、耦合模块、接口单元和控制模块组成。组织方式：当路口检测设备检测到车辆时，向路口信号机发送请求信号，同时路口检测设备对检测到的车辆进行身份识别，管理中心的运营管理系统比照时刻表对该车是否准点到达某路口进行判断，并将该信息实时传至交通管理控制中心，信号灯控制系统对有延误的车辆下达指令给路口信号机进行配时调整。实现公交信号优先控制功能，信号机要能够接受车辆到达的信号，并根据该信号的请求进行信号灯配时的改变：1、当车辆接近路口遇绿灯时，则适当延长当前的绿灯相位时间，保证车辆通过路口。2、当车辆接近路口遇红灯时，则缩短信号周期，提前转入车辆行驶的对应相位，从而减小公交车辆在交叉口的延误时间。3、预期取得的标志性成果，包括可考核的技术指标和经济指标。可考核技术指标：1、实时性指标1)数字视频信息传输时间特性：数字视频信息传输时间指摄像机获取图像至终端显示图像需要的时间延时，要求不大于 500ms;2)交通管理中心工作人员发出交通信息发布指令至外场设备显示信息内容所需要的时间延时不大于 3s。3)具有自动故障检测的外场设备在检测到设备故障时，自动向系统发出报警，告警信息实时上传。4)共享的信息所需要的传输时间延时，要求小于 1s。5)采用校时服务器对网内计算机和外场设备进行统一时钟校准，校时应采用同一时钟校准源，如 GPS 时钟同步设备，时钟校准频率和校准时间应可设置。所有网内设备的时钟误差小于 100ms。2、准确性指标1)交通数据检测准确性要求流量平均采集精度：95%;(0220Km/H)车速平均采集精度：95%;占有率平均采集精度：95%;车间距平均采集精度：95%;排队长度的平均采集精度：95%;2)对数据传输的准确性要求在交通信息系统中，要求在数据链路层数据为无差错传输。为确保数据链路层数据无差错传输，要求在数据电路的误码率为：电缆传输误码率：小于 10-6;光缆传输误码率：小于 10-9。可考核经济指标1、缓解城市交通拥挤2、提升城市生活环境质量3、提高公交车运输效率站组成，是车联网系统中重要的组成部分，是相关其他系统工作的基础数据信息源。电子标签中存储有车辆信息(车牌号、车辆类型、车架号、整车最大质量、使用年限、税费缴纳、车辆所有人信息、车辆所有人社会信用代码以及该电子标签的 ID 号等等)，具有防拆、防磁、防水、可加密、大容量等特点。系统的基本工作原理为：正确安装了电子标签的车辆驶入天线的射频信号覆盖区域，接收到读写器发出的特殊射频信号，产生感应电流，内部电路进入工作状态，自动发送出车辆信息，读写器接收车辆信息并解码后，送到基站通过后台软件系统进行进一步处理，系统根据相关程序判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理，发出指令控制执行机构动作。目前使用的交通流量检测设备的精度不高，特别是无法精确判断车型，而基于 RFID 技术的电子车牌系统的车辆捕获率、车牌获取准确率要高于其他形式的系统，可全天候、全天气状态工作，不受自然环境干扰，采集到的车辆信息数据具有准确、全面、实时等特点，信息上传后经公安交通统一管理平台整合、更新、反馈，与其他部门(如金融、保险、社保、民航等)的统一管理平台互通互联，进行数据共享，实现跨行业、跨部门、跨领域的综合应用，共同构建平安城市系统。3、目前电子车牌系统的主要技术指标3.1 读取时间：1 秒。3.2 读取成功率：99.95%以上。3.3 读取距离：030 米。3.4 定位精度：偏低。3.5 允许车辆行驶速度：180 公里/小时。3.6 全天候、全天气状态工作：系统基于 RFID 技术，可全天候、全天气状态工作，不受自然环境干扰。4、目前电子车牌系统的使用现状4.1 国内主要使用城市国内电子车牌应用处于起步阶段，基于电子车牌的车辆管理没有统一模式和成熟经验。重庆于 2012 年开始使用，重庆电子车牌是国内第一例省级范围内大规模应用的城市智能交通管理项目，通过解决“无法准确识别车辆身份及资质”难题，同时建设以城市为中心的“区域性道路交通电子收费系统”，逐步实现车辆精准管理、路网动态监测、车流统计与分析以及各种交通税费的动态稽征、出行服务与大众出行路况信息发布等功能，打造了“畅通重庆”的精品工程。北京将于明年出台电子车牌标准。唐山、南京、深圳、厦门、兰州、宜宾等城市也准备使用电子车牌。4.2 国际主要使用国家英国于 2004 年开始使用，主要用于收取拥堵费。马来西亚主要用于车辆防盗。墨西哥于 2004 年开始使用，主要用于跟踪记录出入墨美边境的车辆。美国于 1991 年开始使用，主要用于提高美加边境运输效率和途中货物的安全和可视。新加坡所有车辆都安装了类似于电子车牌的电子标识卡，很好地解决了交通控制和交通收费方面的问题。5、基于电子车牌的道路监管前端系统的几种形式我们知道，道路监管系统根据不同需求有着不同的解决方案，根据可以对每一条道路的每一个车道(的每一个时段) 进行精细化管理的特点，基于电子车牌的道路监管前端系统可以有以下几种形式：5.1“ 电子车牌 ”卡口记录系统5.1.1 系统特点：无需记录图片、无需测量速度值，系统成本低。5.1.2 系统简介：通过电子车牌单一技术手段统计车流量、车型流量给 ITS 系统使用。随着各大城市的老城区交通日益拥堵，未来可以根据符合条件的统计结果征收进入拥堵区的相关车辆的拥堵费，从而限制无关车辆进入拥堵区，鼓励使用公共交通工具出行。5.2“ 电子车牌 +摄像机