利用i‑RFID技术实现城市交通智能化的系统和方法

1.一种利用i-RFID技术实现城市交通智能化的系统，包括：交通控制系统计算机，用于处理来自阅读器所采集到的路口车载i-RFID标签的标签ID及车辆目标行驶方向的信息，并据此计算出路口或整个城市各个路口车流量的信息；控制路口交通红绿灯的运行；通过不同方式向车辆驾驶人员发布城市交通路况信息；
固定安装在各个路口的协调器，用于向车载i-RFID标签广播至少包括自身位置编号和本路口车载i-RFID标签应该使用的工作频道的信息；
固定安装在各个路口与交通控制系统计算机连接的阅读器，用于接收来自车载i-RFID标签的至少包括标签ID和车载i-RFID标签途经的上一路口的位置信息；向车载i-RFID标签发送准确接收到信息的回执；
安装在每辆行驶的车辆上的车载i-RFID标签，平常并不向外发射任何信号，而是周期性地在专用的监听频道上监听接收来自协调器以广播方式发来的唤醒指令信号，只有当其来到路口并接收到协调器发来的唤醒指令信号时，才会跳转到新的阅读器工作频道上，向阅读器发射至少包括标签ID和车载i-RFID标签途经的上一路口的位置信息；
还包括车载导航设备；
车载导航设备安装有一个车载i-RFID标签，并通过车载i-RFID标签接收来自各个路口协调器的信息以确定自身的位置，所述车载导航设备还可以接收城市路况和拥堵信息；
车载导航设备的导航软件可以根据实时路况信息及电子地图，对自己的行驶路线进行实时修正；
车载导航设备还可以安装移动通信终端模块，所述车载导航设备具有输入车辆行驶目的地信息的功能，而且这个输入的行 驶目的地信息还可以通过车载i-RFID标签或移动通信终端模块传给交通控制系统计算机。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述交通控制系统计算机可以仅只是一个负责处理某一路口交通流量信息，并依据这些信息来指挥控制该路口各个方向上红绿灯开关的单片机。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，当所述系统通过车载导航设备向车载i-RFID标签输入车辆行驶目的地信息时，车载i-RFID标签还需要向阅读器发射车辆行驶目的地的信息。
4.根据权利要求3所述系统，其特征在于，所述系统通过同一个路口的阅读器接收来自同一个车载i-RFID标签的标签ID的次数的多少，来反应该路口的拥堵情况；通过接收不同车辆的目标行驶方向来反应不同方向上的车流量的大小。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在车流量较小的路口，协调器和阅读器可以通过时分的方式，由同一个设备来承担。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，车载i-RFID标签和阅读器之间在进行通信时，采用了基于i-RFID技术的防碰撞处理方式。

利用i-RFID技术实现城市交通智能化的系统和方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及城市交通的智能化管理，包括车辆的射频识别及定位技术。\n背景技术\n[0002] 城市车辆数量的快速增加给所有城市的交通管理带来了巨大的压力，特别是像中国这样一个处于快速发展中的国家。由于道路等基础设施的建设不仅需要大量资金的投入，同时也还会带来许多其它问题。因而，提高城市交通基础设施的利用率，实现城市交通管理的智能化无疑是首选，这也是所有现代大城市所面临的挑战。城市交通智能化管理首先面临的一个关键问题，就是如何以一种经济有效的方式，实现城市车流信息的实时采集和传输，并在此基础上实现对车辆的实时导航。\n[0003] 目前最常采用的做法有：\n[0004] 通过安装视频监控的方式人工采集车流量的信息。这种做法的优点是直观，但其缺点不仅是安装维护成本高，而且难于准确地实现数字化自动管理。\n[0005] 通过各种传感器，例如地感线圈来计算通过车辆数目的办法。这种方法不仅带了来各种施工管理的麻烦，而且设备损坏也很严重；\n[0006] 通过有源电子标签车牌(E-Plate)，米采集车流量信息的方法。由于E-Plate电子标签是一种单一不间断周期性重复向外发射自身身份信息的有源电子标签，因而，当城市中大量的车辆都同时反复向外发射无线信号时，必然造成环境的电磁污染，干扰其它通信系统的工作，同时也造成自身信号拥堵而使阅读器无法采集到所有路经车辆的ID信息，因而也就无法实现车流量信息的实时采集；\n[0007] 通过在车上安装GPS和移动通信终端(GPRS)来对车辆进行实时定位监控，从而获取车流量信息的方法。显而易见，这种方法不仅设备安装维护成本高(GPS+GPRS+供电电源)，而且存在长期向移动通信运营商交纳网络使用费的问题；另外，还存在城市中许过地方GPS无法工作，以及GPRS系统需要保证及时将大量车辆位置信息实时地传输到控制中心所带来的诸多其它问题。\n[0008] 通过仅只在部分车(例如出租车)上安装GPS和移动通信终端，来间接获取道路交通状况的方法(FCD)。除了使用车载(GPS+GPRS+供电电源)方法本身所存在的问题外，这种方法虽然部分缓解了在所有车辆上安装GPS和移动通信终端需要大量资金投入的矛盾，但其只能部分反映城市车流量状况，因而降低了据此推测的车流量信息的准确性。这不仅是因为安装GPS和移动通信终端的车辆数量太少无法真实反映道路通行的实际状况，而且在出租车这样的特殊车辆上安装，还会因为出租车驾驶员往往会通过他们自己的对讲系统来避开拥堵路段，从而降低信息的真实度。\n[0009] 而现有的导航技术有：\n[0010] GPS导航技术，即在每辆车上安装一台GPS导航仪，在出发前驾驶人员先对GPS进行初始化，然后输入目的地，GPS导航仪将通过自身储存的电子地图，根据用户的要求选择线路，并在行驶过程中不断根据驾驶过程中出现的新位置信息加以纠正。这种导航方式，除了前述的采用GPS系统不可规避的问题外，它完全没有考虑道路交通的实时拥堵状况，因而这种导航方式在现今普遍存在交通拥堵的城市中作用非常有限。\n[0011] 基于FCD信息的导航方式，这种方式是对纯粹依赖电子地图的GPS导航方式的一种改进。这种方式是将城市道路的拥堵信息，以广播的方式发送给带有GPS导航装置的车辆，然后GPS导航装置再根据这些信息，对导航路线加以修正；或者通过手机短信或其他方式通知驾驶员。然而，这种方法无法准确采集每个路口不同方向上车流量的信息，因而，也无法对城市每个路口红绿灯的高效管理提供可靠地依据。因而对整个城市交通智能化管理的作用有限。而且该系统只能对安装了GPS导航设备，且没有处于GPS信号盲区的车辆发挥一定的作用，而对绝大多数没有安装GPS导航设备以及处于GPS信号盲区的车辆无用。\n[0012] 综上所述，现在使用的城市车流量信息的采集方式以及车辆导航方式，都不能很好地满足城市交通智能化管理的需要。\n发明内容\n[0013] 本发明所要解决的技术问题，就是针对现有城市交通智能化管理中，车流量信息实时采集以及导航管理所存在的缺陷，发明了一种不依赖GPS终端而是利用i-RFID(Interactive RFID交互式智能电子标签)技术，低成本地实现城市车流量信息实时采集，以及根据所采集到的各个路口不同方向上实时车流量信息资料，自动调整不同方向上红绿灯开关时间，并以不同的方式对城市行驶中的车辆进行导航，以改进整个城市道路的使用效率的方法。这种方法不仅设备投入少，安装维护成本低，而且还可以带来其它许多城市车辆和交通管理上的诸多好处。例如不需要额外的投入，就可以实现城市拥堵费的自动征收，不停车自动收费管理，克隆车辆的自动识别，并将有效打击偷逃费和刑事犯罪车辆等，从而大大提高城市交通管理的水平。\n[0014] 系统结构\n[0015] 本发明涉及车载i-RFID标签(以后简称标签)，安装在交通路口的协调器和阅读器，以及通过有线或无线的方式与协调器和阅读器连接的交通控制管理计算机，必要时包括与标签连接的安装有导航软件和电子地图的导航设备，或与标签连接的安装有导航软件和电子地图以及移动通信终端模块的导航设备。(参见附图)\n[0016] 系统工作原理\n[0017] 使用车载i-RFID标签和安装在各个交通路口的阅读器来代替GPS系统，低成本地实现对城市中行驶车辆的定位，并利用标签在向阅读器提供自身ID号的同时，也提供车载标签所经过的上一路口位置信息(可能的话还包括车辆行驶目的地的信息)的方式来确定车辆实际行驶方向。然后再利用有线或无线通信网络，将阅读器采集到的车辆位置信息和行驶方向的信息传给交通控制管理计算机，并将经过计算机处理过的信息直接通过i-RFID系统或公网，或i-RFID系统和公网传给路口红绿灯控制器，或车载导航设备。从而实现对城市行驶中车辆的实时定位；车流量信息和路况信息的实时采集；并在此基础上，实现每个交通路口红绿灯的自适应控制，以及在整个城市实时路况信息的基础上对行驶中的车辆实现不同方式的导航。\n[0018] 系统的可实施性\n[0019] i-RFID电子标签技术，是一个十分成熟的技术，i-RFID不仅为国际标准化组织所接受，(参阅ISO有源电子标签2010年9月14日法国图卢兹国际会议官方文件资料)而且经过多年的实际应用的检验。包括由交通部组织的2006-2007年间由国家电子标签质量监督检验中心，以及北京交通部交科研究设计院负责的实验室性能测试和连续三次在河南郑州高速公路上的现场功能测试，无一不说明了它的可靠性。2010年9月由国家有源电子标签标准化工作组成员北京航空航天大学所做的计算机模拟防碰撞试验报告，以及我们自己所做的海量标签防碰撞试验，都说明i-RFID处理海量标签的能力(使用20个字节包长)远大于50个/秒，完全能够应付任何现有的城市最大交通流量＜15辆/秒＝54000辆/小时。一个i-RFID标签的造价不到50元/个，随着数量的增大，这个成本将变得更低，最终实现每个标签＜30元/个是完全可能的；而一个读写器和协调器的造价也不超过1000元/个，最终实现每个阅读器或协调器的造价＜300元/个也是完全可能的。i-RFID标签与协调器和阅读器的双向通信能力，根据国家有源电子标签产品质量监督检验中心的测试结果为365米(上行)/\n680米(下行)参阅相关测试报告。\n[0020] 本发明的有益效果\n[0021] 在使用i-RFID技术获得实时流量信息后，交通控制系统的计算机就可以利用各个路口实时采集到的具体交通流量信息和拥堵信息完成以下工作：\n[0022] A.根据每个路口不同方向上车流量的大小，及时自动调整各个路口不同方向上红绿灯的开关时间。\n[0023] B.根据每个路口不同方向上车流量的大小以及整个城市的交通流量状况，再结合无线红绿灯控制专利技术(专利申请号：2007100488725)，我们就可以有效地实现城市交通信号灯的智能化管理。\n[0024] C.根据整个城市的交通流量状况，以及不同路口和路段的拥堵状况，以不同的方式通知车辆驾驶员或车载导航设备，对车辆进行导航，以进一步改进整个城市道路的通行效率。通知方式包括通过电台广播拥堵路段信息，直接通过i-RFID或移动公网向具有导航功能的多功能手机发射拥堵路段信息。\n[0025] D.根据车辆在城市中不同区域位置停留的时间，不需任何其它硬件的投入，就可以实现中心城区交通拥堵费的征收。\n[0026] E.对城市的道路规划提供最真实可靠的宝贵资料。\n[0027] F.向城市各种车辆的拥有单位提供车辆考勤和调度管理的有偿服务服务。(例如公交车，出租车，救护车，送货车，维修服务车，政府机关公用车辆等)。\n[0028] G.对失窃车辆和违法车辆，欠费车辆，克隆出租车进行定位跟踪和拦截。\n[0029] H.由于我们的数据采集是24小时全天候的，因此，当交通事故或可能的涉及车辆的刑事犯罪发生后，我们可以很容易根据时间和地点找出相关责任车辆。\n[0030] I.由于在每辆车上都安装了标签，这将带来其它许多车辆管理上的好处。包括不停车自动收费，自动门禁管理等。\n[0031] 我们谨以几个典型的例子为例，来进一步加以说明：\n[0032] 1.可实现车辆行驶路径的跟踪和定位：车载标签可以清楚记载车辆的实际行驶路线，从根本上解决了当前收费公路严重存在的逃费问题，以及许多地区因集资修路，以及公路管辖地区划分不同所造成的过路费分段收取，收费站数量增加，从而降低了公路通行能力的问题；详细情况，可参阅“微功率射频车辆行驶路径跟踪及智能收费公路管理系统”专利说明(专利申请号：\n[0033] 2.可携带各种车辆管理所需的各种信息：使用车载标签后，车辆的数字化管理就变得相当容易了，不仅解决了克隆，套牌等假车牌的问题，而且由于车载标签还可以记录交费，违章等各种相关资料，因而，只需要在需要监控的地方，安装一个协调器，阅读器和报警器就行了，当任何一辆假牌车辆或欠费车辆经过时，报警器就会报警，采用手持式读写器，也可以达到同样的目的。\n[0034] 3.可以实现真正意义上的不停车收费：由于低成本地解决了车载标签的节电问题，以及近距离快速读写和抗干扰等现有电子标签所存在的诸多问题，我们可以将我们的车载标签读写系统，与现有的IC卡或CPU卡及其读写器集成在一起，低成本的实现对现有的IC卡或CPU卡进行远距离无线快速读写。这样，当车辆经过收费站时，不仅不再需要停车交费或刷卡，而且，由于车载标签已经记录了车辆的实际行驶路经，因而，现有高速公路因管辖地区划分不同所造成的“一卡通”障碍。现有的IC卡或CPU卡，将车辆集中在高速公路或停车场出口处使用现金交费的方式，转变为将车主分散到各IC卡或CPU卡充值点缴费的方式，从而，降低了车辆在高速公路和各种车辆收费站点的停留时间，在一定程度上减缓了高速公路出口处，以及其它车辆收费站点的压力；而本发在IC卡或CPU卡的基础上，通过远距离无线快速刷卡的方式，低成本从根本上解决了不停车收费问题(带IC卡或CPU卡读写插口和密钥的车载标签的成本造价，不到100元人民币)，从而为现有高速公路和其它车辆收费站点的堵车问题，提供了一种可靠有效和经济实用的解决方案。\n[0035] 附图说明  用于车流量信息采集的i-RFID系统结构和工作方式图具体实施方式\n[0036] (1)标签：在每一辆车上的固定位置，例如车前挡风玻璃角上安装一个防拆卸的i-RFID智能电子标签(以后简称标签)，它们具有世界上独一无二的ID编号(当然也可根据需要由用户自己重新编号)。标签可以记录和储存一定量的信息，必要时驾驶员还可以通过不同的方式向标签写入车辆行驶目的地的信息(例如使用与标签连接的多功能手机)。\n[0037] 该标签平常并不向外发射任何信号，而是每隔1s左右的时间，周期性地在专用的监听频道上监听接收来自协调器以广播方式发来的唤醒指令信号。\n[0038] 标签应具有防拆卸的功能。使用一只5号锂电池驱动，一般情况下可以使用五年不需更换电池。\n[0039] (2)协调器和阅读器：在城市中每一个需要进行车辆和流量监控的道路口，安装一个协调器和一个工作在不同频道上的标签阅读器，它们通过有线或无线网络(光纤，ADSL或GPRS等)与交通控制系统的计算机相连接。这个计算机可以是管理整个城市交通的控制计算机，也可以仅只管理本路口红绿灯的简单计算机或单片机。它们可以使用220V市电或其它电源供电，功耗一般都＜1W。\n[0040] (3)车载导航设备：\n[0041] 一般车载导航设备是指储存有城市交通电子地图，相应管理软件以及可以通过语音或屏幕显示向驾驶员提供最佳行驶路线的电子设备。它们全都依赖GPS终端和卫星来获取车辆位置信息。它们可以是一般的GPS导航仪，带有GPS功能的多功能手机。而我们这里的导航设备是不依赖GPS而是通过车载标签和安装在固定位置的i-RFID协调器和阅读器来获取车辆位置信息的。这里的车载导航设备，都安装有一个i-RFID标签，并通过标签接收来自各个路口协调器的信息以确定自身的位置，必要时包括城市路况和拥堵信息，以便导航软件可以根据实时路况信息及电子地图，对自己的行驶路线实时进行修正。对于安装有移动通信终端的导航设备，还可以通过移动公网来获取城市车流量的实时信息。车载导航设备应该具有输入车辆行驶目的地信息的功能，而且这个输入的行驶目的地信息还必须通过标签或移动公网终端模块最终传给交通控制系统计算机。\n[0042] (4)标签，协调器和阅读器之间的工作参数要求：每个协调器或阅读器必须保证具有处理可能出现的最大车流量的车载标签的能力。例如，不应低于20个/秒＝72000个/小时，否则需要使用频分的方式，增加阅读器的数量来提高i-RFID系统处理标签的能力。协调器和阅读器的位置最好安装在路口较高的位置，例如信号灯杆上或照明灯杆上，以保证在各种可能出现的情况下(例如车辆遮挡等)，都能在要求的距离范围内实现与各个方向上车载标签的双向通信。\n[0043] 标签与路口协调器和阅读器的双向通信距离，可根据路口的大小范围和实际情况进行调整。一般应按照以最快速度(可考虑为100公里/小时)行驶的车辆在穿越这个信号覆盖范围时，应保证至少有5秒钟的时间处于协调器和读写器的信号覆盖范围内，且相邻路口阅读器的信号覆盖范围不相重叠为原则。\n[0044] 每个路口可供阅读器使用的独立频道可有多个，不同路口阅读器可以根据本路口具体无线通信环境，选用不同的通信频道，以避开与现有无线通信系统之间可能造成的干扰。并且通过本路口的协调器向标签广播信息指令，通知标签本路口应该使用的频道。但所有路口的协调器所使用的频道与所有标签所使用的监听频道必须统一一致，且与所有阅读器可能使用的频道都不相同。可能的话，这个频道最好是一个专用的频道。整个i-RFID系统所使用的频段应与相关国家规定相一致，这里建议使用国际通用的2.4G频段，且所使用的频道带宽一般应小于3Mhz，这样可以很容易避开与现有其它2.4G无线系统之间的相互干扰。为了保证系统工作的可靠性和提高系统的抗干扰能力，i-RFID系统应采用直序扩频通信技术。\n[0045] (5)在车流量较小的路口，为了节省成本，协调器和阅读器可以通过时分的方式由同一个设备来承担。例如使用阅读器现在协调器工作的唤醒频道上，连续不间断的向标签发送一段时间的唤醒指令信号，然后再跳转到阅读器的工作频道上等待接收来自标签的信息。连续不间断发射唤醒信号的时间T应大于标签睡眠苏醒后监听信号的周期，而每个标签在接收到唤醒指令信号后将自动延时T后，再跳转到阅读器的工作频道上发射信号，与阅读器建立通信联系。\n[0046] 具体实施\n[0047] 协调器通过广播方式不间断连续地，或间隙性连续地向进入路口协调器信号覆盖范围内的所有车载标签，发送唤醒指令信号。一般每次连续发射的时间应超过标签睡眠苏醒后监听信号的周期。而每个间隙的时间取决于各个路口交通流量的大小。指令信号的内容应包括向标签写入该路口的位置编号，标签应该使用哪一个频道与该路口的阅读器进行通信等，必要时还可包括实时路况信息。这个信号指令要求标签在记录下该协调器所在的路口的位置编号后，立即跳转到新的指定工作频道上，按照要求的防碰撞方式(参阅“基于交互式电子标签技术的防碰撞方法”。专利申请号：201010194562.6)向该路口的阅读器发射信号，直到接收到来自阅读器已经准确无误地接收到该信号的回执，或超过预先规定的时间限制(20秒左右)为止。这个信号包括标签ID(与该车辆车牌号对应)，该车辆所经过的上一个路口的位置编号，必要时包括车辆行驶目的位置的编号(车辆行驶目的位置编号可由车辆驾驶员通过多种方式写入标签，例如使用可以和标签进行通信的多功能手机，或带有输入装置的标签等)。后两个信息用于判断路口车辆的行驶方向。\n[0048] 标签在接收到读写器发回的确认回执信号后，将立即停止发射，并在休眠一定时间(例如20秒钟左右后)后跳转回到监听频道上，继续监听来自协调器以广播方式发来的信号指令。\n[0049] 同一个路口阅读器接收到来自同一个标签信号的次数的多少，可以反映该路口的拥堵情况，再根据不同车辆的目标行驶方向，就可以清楚知道不同方向上车流量的大小及交通顺畅情况。