超高射頻技術(shù)在交通運(yùn)輸工程中的創(chuàng)新應(yīng)用

趙澤群、荀天洲

（南通大學(xué)，江蘇南通 226000）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展及城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進(jìn)展的加速，交通需求量連年飛速增長(zhǎng)，交通問(wèn)題日趨嚴(yán)重，其主要體現(xiàn)在施工效率低下、道路擁堵、秩序混亂、事故增多、交通引發(fā)的環(huán)境污染嚴(yán)重等諸多問(wèn)題[1]。目前，交通問(wèn)題已經(jīng)成為制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人民生活水平提高的一個(gè)重要因素，著力解決交通問(wèn)題也迫在眉睫。而相較于傳統(tǒng)交通施工模式下工地作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、作業(yè)時(shí)間膨脹、機(jī)器生產(chǎn)設(shè)備長(zhǎng)期怠工、生產(chǎn)材料浪費(fèi)、效率低下、通車公路路面易損易壞等諸多弊端，信息技術(shù)革命帶來(lái)的RFID 技術(shù)能使施工場(chǎng)地管理效率和交通運(yùn)輸需求之間的矛盾得以妥善解決，以信息化建設(shè)為基礎(chǔ)的高效交通工程管理系統(tǒng)得以建立。

1 RFID 技術(shù)概述

RFID 技術(shù)源于軍事領(lǐng)域，是一項(xiàng)利用無(wú)線電波或微波能量，通過(guò)空間耦合實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸雙向信息傳遞，并通過(guò)所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的的技術(shù)。它無(wú)需接觸或瞄準(zhǔn)，可自由工作在各種極端惡劣的環(huán)境下，協(xié)議完備規(guī)范，抵御干擾能強(qiáng)，多個(gè)設(shè)備能夠同時(shí)工作，且工作性能高度穩(wěn)定可靠。RFID 系統(tǒng)由應(yīng)答器（即電子標(biāo)簽）、讀寫(xiě)器與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)組成。其標(biāo)簽分為被動(dòng)、半被動(dòng)、主動(dòng)三類形式。讀寫(xiě)器亦分定向型、全向型與手工型三種形式，其基本內(nèi)部結(jié)構(gòu)有耦合、收發(fā)、控制三個(gè)模塊與一個(gè)接口單元組。RFID 的數(shù)據(jù)管理部分由中心數(shù)據(jù)庫(kù)的計(jì)算機(jī)組成，主要用于數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)、管理及RFID 標(biāo)簽的讀寫(xiě)控制[2]。對(duì)于交通工程工地施工環(huán)節(jié)，RFID 技術(shù)能適用各種復(fù)雜的大規(guī)模施工場(chǎng)地內(nèi)部作業(yè)環(huán)境，可以貼附于工地施工機(jī)械設(shè)備表面或內(nèi)部零件，置于瀝青與混凝土之中也能正常運(yùn)作。此外，RFID 經(jīng)歷多代更新，技術(shù)成熟，成本低廉，操作簡(jiǎn)便，技術(shù)與施工人員稍加培訓(xùn)即可熟練使用。

2 RFID 技術(shù)在道路橋梁工程中的創(chuàng)新應(yīng)用

道路橋梁工程面向公路交通運(yùn)輸?shù)炔块T，從事公路、城市道路、橋梁以及隧道工程的勘察設(shè)計(jì)、試驗(yàn)檢測(cè)、養(yǎng)護(hù)維修的技術(shù)管理工作。

在最早的主動(dòng)模式下，RFID 貼片需要內(nèi)嵌電源芯片以產(chǎn)生對(duì)外信號(hào)，隨其擁有較長(zhǎng)讀取距離與較大存儲(chǔ)容量，但頻繁更換電池在施工過(guò)程中會(huì)增大工作量，尤其是置于機(jī)械或?yàn)r青混凝土中的電子標(biāo)簽，電池的續(xù)航能力尤為重要，自然成本也有所提升，后期維護(hù)置換也較為復(fù)雜。

半自動(dòng)式無(wú)源標(biāo)簽利用小型電池驅(qū)動(dòng)標(biāo)簽芯片，體積與成本有所降低，但有很強(qiáng)的局限性，只適用于工期短，規(guī)模小的施工項(xiàng)目。被動(dòng)式標(biāo)簽利用RFID讀寫(xiě)器發(fā)出的電磁波驅(qū)動(dòng)內(nèi)部集成電路，向讀寫(xiě)器發(fā)回?cái)?shù)據(jù)，則適用于不易更換的使用位置。當(dāng)前RFID標(biāo)簽中芯片大多由集成在互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體的二極管組成，而新一期RFID 標(biāo)簽利用石墨烯等液態(tài)金屬代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬雕刻于標(biāo)簽特質(zhì)紙板，這在增強(qiáng)抗干擾性的同時(shí)也進(jìn)一步降低了成本。

基于這一特點(diǎn)，工地作業(yè)、各式機(jī)械設(shè)備與材料設(shè)備就能夠放置大量RFID 標(biāo)簽，通過(guò)標(biāo)簽不同形式的排列組合及三維陣列的排列形式，能夠全方位檢測(cè)施工質(zhì)量與作業(yè)效率、對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行有效探傷，對(duì)于機(jī)械內(nèi)部裂縫位置進(jìn)行三維坐標(biāo)精準(zhǔn)定位，進(jìn)而增加機(jī)械設(shè)備使用壽命。

RFID 定向型讀寫(xiě)器具有收發(fā)信號(hào)距離遠(yuǎn)、信號(hào)強(qiáng)等特點(diǎn)，但其識(shí)別角度小，通常只在60o以內(nèi)；而全向型讀寫(xiě)器具有全方位覆蓋的特點(diǎn)，但其收發(fā)信號(hào)距離較短，不能滿足長(zhǎng)距離收發(fā)需求。針對(duì)這一特點(diǎn)，在施工作業(yè)中需因地制宜，根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇使用，例如道路橋梁沉降段結(jié)構(gòu)檢測(cè)，可測(cè)量出各讀寫(xiě)器覆蓋關(guān)鍵點(diǎn)，放置定向型RFID 讀寫(xiě)器，實(shí)時(shí)檢測(cè)道路橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)與路基結(jié)合部分，對(duì)于低水平的水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)，全向型讀寫(xiě)器可以發(fā)揮其高效便捷的特點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。目前市面上還有一種手持型讀寫(xiě)器，在工地監(jiān)管部分能發(fā)揮重要作用。其具有輕巧靈活便攜的特點(diǎn)，小范圍掃描頻率高，能在半徑90m 的范圍內(nèi)同時(shí)精準(zhǔn)檢測(cè)多種附有電子標(biāo)簽的物品，這極大提高了監(jiān)管人員與質(zhì)檢人員的工作效率。

在線和離線狀態(tài)下，RFID 標(biāo)簽均可與中心數(shù)據(jù)庫(kù)建立連接，并完成數(shù)據(jù)的寫(xiě)入。對(duì)于具體工地作業(yè)，如山地路基路面、海底隧道、城市地下鐵路等復(fù)雜環(huán)境，技術(shù)人員預(yù)先將數(shù)據(jù)寫(xiě)入電子標(biāo)簽，工地作業(yè)時(shí)直接將其附著在需被標(biāo)識(shí)的物體表面，用事先存儲(chǔ)有標(biāo)簽回波信息的讀寫(xiě)器進(jìn)行掃描，待接收后將數(shù)據(jù)上傳至中心數(shù)據(jù)庫(kù)。讀寫(xiě)器還能對(duì)RFID 標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)加密解密與身份識(shí)別，對(duì)讀取到的電子標(biāo)簽信息進(jìn)行解碼和預(yù)處理；通過(guò)其內(nèi)部通信模塊向中心管理數(shù)據(jù)庫(kù)傳輸接收到的數(shù)據(jù)；再將數(shù)據(jù)管理處理器的相關(guān)命令與數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線信號(hào)發(fā)送給RFID 標(biāo)簽。若在道路橋梁作業(yè)中形成規(guī)范，就能達(dá)到降低信息時(shí)延，實(shí)現(xiàn)監(jiān)管者與被監(jiān)管者實(shí)時(shí)通信的效果。

在公路橋梁工程中，許多高精密儀器和零件價(jià)格昂貴、體積小，尋找相對(duì)困難，尤其在情況復(fù)雜的建設(shè)環(huán)境中，一旦遺失，其對(duì)于工程建設(shè)的工期延誤和財(cái)產(chǎn)損失無(wú)疑是巨大的。基于RFID 標(biāo)簽的回波會(huì)攜帶所附著物品的電磁特性參數(shù)，且信號(hào)接收面積廣，可以實(shí)現(xiàn)良好的定位功能。在工程建設(shè)前把高精密儀器和零件貼附RFID 標(biāo)簽，若物品遺失，通過(guò)對(duì)可能遺失的范圍進(jìn)行信號(hào)搜索，將收集到的回波信號(hào)參數(shù)進(jìn)行有效分析，可以得到RFID 所附著物品的參數(shù)，以及物品所在位置的深度、距離，從而減少損失、規(guī)避延期風(fēng)險(xiǎn)。無(wú)源射頻標(biāo)簽的低廉成本也有助于該技術(shù)的大范圍應(yīng)用。

無(wú)源RFID 標(biāo)簽通過(guò)讀寫(xiě)器發(fā)出的信號(hào)產(chǎn)生定量的激勵(lì)電流給電容進(jìn)行短暫充電，從而迅速發(fā)出信號(hào)。標(biāo)簽回波的反射系數(shù)及頻率與其材料的介電常數(shù)、電阻有很大關(guān)聯(lián)。若貼附在物體上的標(biāo)簽呈現(xiàn)不同的曲率，如貼附在立方體和圓柱體上的物體，其電阻會(huì)發(fā)生對(duì)應(yīng)的變化，若能捕捉到標(biāo)簽曲率變化與電阻改變存在的直接關(guān)系，對(duì)于提取標(biāo)簽信息的豐富性大有裨益。

RFID 技術(shù)在無(wú)損檢測(cè)部分亦能發(fā)揮其重要作用。目前主流的無(wú)損檢測(cè)方式主要分為超聲波檢測(cè)、光纖傳感檢測(cè)、探地雷達(dá)檢測(cè)、激光等四種方式，缺點(diǎn)也都較為明顯。

其一，超聲波用作無(wú)損檢測(cè)過(guò)于敏感，檢測(cè)結(jié)果易受外界環(huán)境影響。

其二，光纖傳感技術(shù)抗干擾性較強(qiáng)，但制作成本昂貴，對(duì)操作水準(zhǔn)有很高的要求，無(wú)法大規(guī)模應(yīng)用。

其三，探地雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)需要根據(jù)橋梁需檢測(cè)部位的實(shí)際要求對(duì)其測(cè)量方式進(jìn)行綜合布局，檢測(cè)局限性較強(qiáng)。

其四，激光方式根據(jù)光電反射原理，通過(guò)分析定點(diǎn)光電流位移關(guān)系對(duì)彎成位移變化達(dá)到精細(xì)計(jì)算的目標(biāo)，相較于前幾種有所改進(jìn)，但是其具有三維化分析的缺陷，無(wú)法進(jìn)行多維分析[3]。故創(chuàng)新型檢測(cè)方法尤為重要，結(jié)合精確度、抗干擾性、實(shí)用性、廉價(jià)性、易操作性等多種因素，利用RFID 無(wú)損檢測(cè)，通過(guò)建立微波暗室環(huán)境，進(jìn)行橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)三維可視化分析，標(biāo)定隱患部位。

3 RFID 技術(shù)在道路交通中的應(yīng)用展望

RFID 技術(shù)在目前的交通領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，它將先進(jìn)的電子信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、信號(hào)傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與控制技術(shù)等有效結(jié)合應(yīng)用于地面交通管理系統(tǒng)[4]。通過(guò)對(duì)城市主要道路（如廈門湖濱中路、市府大道等）安裝內(nèi)嵌有Linux 操作系統(tǒng)的RFID讀寫(xiě)器，并測(cè)試其各個(gè)RFID 讀寫(xiě)器的覆蓋范圍，可以實(shí)現(xiàn)城市道路車輛的精確定位，并獲取到關(guān)鍵交通路段智能信號(hào)控制區(qū)域的動(dòng)態(tài)交通流數(shù)據(jù)。通過(guò)利用Python 網(wǎng)絡(luò)爬蟲(chóng)程序分析動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，即可為交通信號(hào)配時(shí)及各路段車頭時(shí)距控制提供技術(shù)指導(dǎo)。在許多中大型城市，公安交通管理系統(tǒng)為每輛機(jī)動(dòng)車派發(fā)了相對(duì)應(yīng)的電子身份標(biāo)簽（即RFID 標(biāo)簽），對(duì)該車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)號(hào)碼、牌照等相關(guān)信息做了較為全面的記錄，此標(biāo)簽?zāi)壳耙呀?jīng)與工商銀行、建設(shè)銀行、華夏銀行等重要銀行機(jī)構(gòu)展開(kāi)合作，將標(biāo)簽嵌入高速公路ETC 繳費(fèi)卡，從而在汽車過(guò)站時(shí)采集相關(guān)信息，掌握道路最新動(dòng)態(tài)[5]。

此外，在公交、警車、救護(hù)車等特殊車輛上加裝射頻標(biāo)簽讀寫(xiě)器，一方面可以有效地對(duì)道路車輛中的主動(dòng)式射頻標(biāo)簽發(fā)送相應(yīng)緊急的射頻信號(hào)，從而縮短道路通行時(shí)間；另一方面該信號(hào)也可以被道路中的紅綠燈所接收而相應(yīng)調(diào)整綠燈時(shí)長(zhǎng)，保證特殊車輛在到達(dá)路口時(shí)順利通行。

鑒于主動(dòng)式射頻標(biāo)簽具有價(jià)格昂貴、電池需要長(zhǎng)期更換等問(wèn)題，被動(dòng)式RFID 標(biāo)簽的應(yīng)用將成為重要問(wèn)題[6]。目前有教授團(tuán)隊(duì)從射頻標(biāo)簽的反射波頻入手，提出了利用RFID 的回波變化對(duì)穿過(guò)物體進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的前瞻性思路，這也為道路交通的RFID 標(biāo)簽設(shè)計(jì)提供了新方向。在RFID 標(biāo)簽識(shí)別系統(tǒng)中加裝一個(gè)頻譜分析儀，對(duì)各車輛中的頻率回波復(fù)雜度加以分析，可以得出較為精確的車載人數(shù)，有效幫助交警部門檢測(cè)超載車輛[7]。無(wú)芯片被動(dòng)式RFID 標(biāo)簽的分類主要基于三部分：時(shí)域反射、頻譜特性以及幅度/相位調(diào)制，其中時(shí)域反射又有可印刷和不可印刷之分，目前國(guó)內(nèi)正掀起液態(tài)金屬革命浪潮，若標(biāo)簽底板可采用柔性材料制成，其中的線圈及電容部分使用液態(tài)金屬（如石墨烯）制作，便可具有優(yōu)良的穿戴能力。

行人若穿戴此標(biāo)簽，在行人較少或事故高發(fā)道路中汽車發(fā)射的信號(hào)就可被行人反射形成應(yīng)答回波，從而提醒汽車司機(jī)注意，即可大大降低行人交通事故發(fā)生率。

除了利用RFID 標(biāo)簽陣列，單片的RFID 標(biāo)簽同樣可以發(fā)揮極為重要的作用。因?yàn)槠鋼碛须娙?，RFID標(biāo)簽還可充當(dāng)電容式傳感器，對(duì)當(dāng)前道路進(jìn)行地表到空氣的全方位溫濕度檢測(cè)[8]?；赗FID 標(biāo)簽的紡織電容濕度傳感器主要是通過(guò)刺繡、織造和噴涂將傳感器與織物整合形成的，通過(guò)遴選不同的導(dǎo)電纖維，可以將傳感器在環(huán)境下的阻抗控制在一定范圍內(nèi)，從而符合更加多元化的溫濕度檢測(cè)精度需求。RFID 標(biāo)簽甚至可以縮小其面積，貼附于乘客以及駕駛員的面部，通過(guò)高斯濾波降噪處理，精準(zhǔn)識(shí)別車內(nèi)成員的唇語(yǔ)信息，并引導(dǎo)車輛操作系統(tǒng)完成相應(yīng)功能，真正做到車內(nèi)智能一體化[9]。

RFID 技術(shù)還可與其他技術(shù)相融合，如Wi-Fi、GPS 等[10]。陳超等人提出了一種基于RFID 技術(shù)和GPS 技術(shù)相結(jié)合的公交車站臺(tái)定位方法，其類似于馬云的無(wú)人超市檢測(cè)方式，即在公交車進(jìn)站路線中按照一定密度布設(shè)存儲(chǔ)有路面信息的RFID 標(biāo)簽，當(dāng)設(shè)有特定GPS 定位系統(tǒng)的公交車（相當(dāng)于無(wú)人超市的貨物）駛過(guò)標(biāo)簽時(shí)，車上閱讀器接收消息并發(fā)送定位。隨著我國(guó)導(dǎo)航領(lǐng)域的發(fā)展，GPS 定位系統(tǒng)將逐漸被北斗導(dǎo)航技術(shù)所取代，屆時(shí)我國(guó)將在智能交通導(dǎo)航領(lǐng)域擁有更多自主權(quán)。

RFID 與Wi-Fi 的結(jié)合通常出現(xiàn)在道路監(jiān)控及聯(lián)合定位方面，在黑暗狀況下，道路監(jiān)控裝置通常面臨著拍攝畫(huà)面模糊不清、定位效果不佳的問(wèn)題，利用卡爾曼濾波算法和Dijkstra 算法，結(jié)合RFID 回波收集不受光線因素干擾的優(yōu)勢(shì)，相當(dāng)于給道路監(jiān)控插上了“無(wú)形之眼”，不僅優(yōu)化了道路車輛監(jiān)控系統(tǒng)，還利于道路車輛規(guī)劃最優(yōu)路徑。

4 結(jié)語(yǔ)

20世紀(jì)40年代，雷達(dá)的改進(jìn)與應(yīng)用催生了RFID技術(shù)；90年代，RFID 技術(shù)首次在交通鐵路系統(tǒng)應(yīng)用。作為AIDC 的技術(shù)范疇，該技術(shù)在社會(huì)各領(lǐng)域都有涉及。交通工程包括建筑、道路信號(hào)、圖像處理等諸多方面，學(xué)科交叉性強(qiáng)，故RFID 技術(shù)在交通方面擁有良好的應(yīng)用前景。

目前RFID 的編碼模式、通信原理已經(jīng)相對(duì)成熟，但對(duì)其反射回波損耗引起的波頻變化、制作材料等方面并沒(méi)有得到較好的研究。相信隨著石墨烯的廣泛應(yīng)用和微波毫米波領(lǐng)域的發(fā)展，RFID 射頻標(biāo)簽在交通工程領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)迎來(lái)新的生機(jī)。