反光電動自行車數字號牌研究與實踐

文圖｜朱劍欣 王軍華 林萬華

目前，內嵌國產超高頻RFID 芯片的電動自行車數字號牌已在廣東、石家莊、南京等地開展了試點應用，取得良好的示范成效。期間，不少地方提出將機動車號牌用反光膜和電動自行車數字號牌結合的技術構想，在電動自行車號牌具備數字化的同時賦予其安全特性，可以大幅提高電動自行車在夜間的視認性，減少交通事故的發(fā)生。但在實際使用中發(fā)現，將現有機動車號牌用反光膜直接應用在電動自行車數字號牌上并不能取得預期的效果。為此，本文針對兩者的結合進行了如下針對性的研究和實驗。

一、反光電動自行車數字號牌原理

反光電動自行車數字號牌是指同時具有反光膜和超高頻RFID 數字芯片的電動自行車號牌，與普通號牌相比，需要兼顧反光和射頻識別功能，在數據安全和交通安全上具有極大的優(yōu)勢。

（一）反光膜原理

反光膜是一種已制成薄膜可直接應用的逆反射材料，根據其反光單元的結構，一般分為玻璃微珠型反光膜和微棱鏡型反光膜兩大類。如圖1 所示，玻璃微珠型反光膜主要優(yōu)點是具有較好的逆反射性和耐腐蝕性，制作成本相對較低，但同時存在表面質量差、氣泡和雜質較多、耐沖擊性較差等缺點，一定程度上限制了玻璃微珠反光技術的發(fā)展。如圖2 所示，微棱鏡型反光膜的模板結構設計、模板制作精度、固化工藝路徑以及基材性能決定了其具有更高的逆反射系數和更強的反光效果，但微棱鏡型反光膜模板制作精度和固化工藝要求高，生產成本也相對較高。

圖1 玻璃微珠型反光膜結構示例

圖2 微棱鏡型反光膜結構示例

從圖1、圖2 可知，反光膜由多種層疊的材料組成，一般最外層為透明的保護膜，又稱面層，用于防止反光膜受到外界環(huán)境的侵蝕；中間層為反射層，包含了玻璃微珠層或者棱鏡層；最內層為粘膠層和剝離層，起到連接反射層和外界的作用。反光膜通過微珠或棱鏡結構形成光學反射結構，并通過空氣介質或其他反射層介質形成全反射面。國內的機動車號牌用反光膜以藍色、黃色、淺綠色為主，白色反光膜主要在警用號牌上。電動自行車號牌屬于地方事權，目前主要推行電動自行車數字號牌的城市以白色、綠色、黃色、藍色號牌為主，其中白色號牌居多。機動車號牌用反光膜的主要參數依據是《機動車號牌用反光膜》（GA 666——2018）（以下簡稱GA 666——2018），該標準針對逆反射系數等性能進行了詳細規(guī)定，目前反光電動自行車數字號牌的研究也可以參考相關技術指標。

（二）射頻識別原理

電動自行車數字號牌使用國家自主可控的超高頻無源RFID 芯片作為電動自行車數字身份載體，電動自行車在行駛過程或其他交通場景中，接收由路面識讀設備發(fā)送的920MHz ～925MHz 前向超高頻信號，通過電磁場產生感應電流并獲取能量，從而對存儲在芯片中的信息進行編解碼，調制后發(fā)送反向信號，識讀設備讀取信息、解碼后，與數字號牌進一步通訊，并將最終得到的信息傳至中央信息系統(tǒng)作相關數據處理。因為省去了供電系統(tǒng)，所以號牌整體的外觀和安裝方式都簡潔可控，且自身結構簡單、成本低、故障率低，預期使用壽命可以達到10 年以上，契合電動自行車的使用周期。特別是目前電動自行車數字號牌中內嵌的RFID 芯片使用了國密SM7 算法，空中接口協議包含了身份和口令認證等加密流程，因此比常規(guī)RFID 通信耗費更多的能量，對識讀靈敏度要求也更高。

二、反光電動自行車數字號牌的設計要素和難點

（一）設計要素

反光電動自行車數字號牌需要滿足的設計要素主要包含以下幾項：

1.防偽性能：作為電動自行車的可信身份標識，防篡改防復制是其必備的功能。防偽有多種方式，例如在號牌上印防偽標簽、隨機防偽標識等，而通過具備唯一性的安全芯片結合加密后的二維碼，是從根本上解決數字號牌防偽的最有效方式。

2.耐候性能：號牌需要在室外使用，因此應適應各種高低溫和濕度環(huán)境，并且在輕微撞擊情況下不應發(fā)生斷裂。對于反光電動自行車數字號牌來說，其反光膜的附著方式和粘度等就面臨較為嚴峻的考驗。

3.反光性能：融合反光設計，有效提升車輛夜間行車安全。更進一步，為提升電動自行車的數字化管理模式，反光數字號牌應盡量能提升夜間識別的效果。

4.識讀性能：使用具備國密算法的超高頻RFID芯片，具備數據的唯一性和可靠性，應能實現路面電動自行車數據的自動和有效采集，且采集效率和成功率均應滿足路面應用需求，做到電動自行車高速運動下的可靠識讀。

（二）難點和解決思路

本文主要探討的是反光性能，但需要注意的是，超高頻RFID 芯片使用電磁場傳播信號，該特性決定了其無法穿透全金屬介質，而目前市面上的反光膜大都包含金屬成分，如何兼顧反光和識讀性能是反光電動自行車數字號牌研究過程中的最大難點。目前有兩種方案：一是使用不含金屬層的反光膜以免對RFID信號造成屏蔽，此方案可從根本上解決問題。目前主流產品是通過空氣膠囊介質形成反射層，但這種類型的反光膜可靠性相對較差，表面在受到按壓或碰撞后會明顯損壞反射層，需要進行保護，導致工藝成本升高和反射效果降低。除了空氣薄膜外也有企業(yè)通過其他非金屬介質作為反射層，但同樣存在成本較高和反光膜粘貼牢固程度較低的問題。二是降低反射層金屬密度以確保超高頻信號的穿透方案。降低反射層金屬密度，一定會對反光效果造成影響，逆反射系數也同樣會降低，且由于反射層依然含有金屬成分，對數字號牌的整體識讀性能也會產生影響，但因其成本較低、可操作性較高，卻是目前更可能實現和量產的解決方案。為比較兩套方案優(yōu)劣，本文分別針對微棱鏡、玻璃微珠反光膜產品進行實驗，鑒于目前電動自行車數字號牌以白色居多，故實驗對象選用白色反光膜。

三、實驗和模擬

（一）樣品選擇

分別使用微棱鏡、玻璃微珠兩種反光材料的反光膜粘貼在電動自行車數字號牌上，再加上不使用反光膜的電動自行車數字號牌，組成7 種電動自行車數字號牌樣品。需要說明的是，白色反光膜受限于實驗材料的工藝，很難做到純白色，相對偏灰白色。其中，樣品1 使用常規(guī)金屬反射層的白色微棱鏡反光膜，且未降低反射層金屬密度；樣品2 使用常規(guī)金屬反射層的白色玻璃微珠反光膜，且未降低反射層金屬密度；樣品3 使用空氣囊型白色微棱鏡反光膜，不含任何金屬成分；樣品4 使用空氣囊型白色玻璃微珠反光膜，不含任何金屬成分；樣品5 使用含金屬反射層的白色微棱鏡反光膜，調整并降低反射層金屬密度；樣品6使用含金屬反射層的白色玻璃微珠反光膜，調整并降低反射層金屬密度；樣品7 不使用反光膜，使用常規(guī)白色電動自行車數字號牌。

（二）表面色測試

由于反光膜的逆反射系數與表面色直接相關，故首先要進行表面色的測試。參考GA 666——2018 中關于機動車號牌反光膜的要求，白色反光膜的色品坐標和亮度因數應在表1 規(guī)定的范圍內。

表1 白色反光膜表面色

針對7 種樣品使用分光測色儀進行測試，得到表2 的表面色實驗結果。從中可以看出，所有樣品的色品坐標均在表1 的色品坐標范圍內，且亮度因素均大于0.27，符合GA 666——2018 的要求。其中樣品7 是不使用反光膜的常規(guī)白色電動自行車數字號牌，表面光亮，存在鏡面反射，且反射率較高，所以其亮度因數較大，但實際上反射光線中的逆反射光卻很少，并不能實現號牌的反光效果。另外需要注意的是，由于白色反光膜在機動車號牌上應用相對較少且單一，因此GA 666——2018 中針對白色的亮度因數范圍較大，實際測試過程中還是能夠明顯看出樣品1～6 整體都是偏灰白色的。

表2 樣品表面色實驗結果

（三）逆反射系數測試

同樣參考GA 666——2018 中關于機動車號牌反光膜的要求，白色反光膜的逆反射系數應大于或等于表3的規(guī)定值。

表3 白色反光膜最小逆反射系數

使用逆反射系數測試設備（ROAD VISTA 933）對7 種樣品進行測試，得到表4 的實驗結果。從中能夠看出，微棱鏡反光膜的逆反射系數整體要優(yōu)于玻璃微珠型反光膜；使用不含金屬介質的空氣囊型反光膜逆反射系數明顯優(yōu)于含金屬但降低反射層金屬密度的反光膜；樣品5 和樣品6 降低反射層金屬密度后，其逆反射系數已經不足以達到GA 666——2018 的要求；樣品7 為普通號牌，幾乎不存在反光。實際上，樣品5 和樣品6 已經能看出明顯反光效果，但是否能夠應對夜間安全反光要求，需要進一步實驗。

表4 樣品逆反射系數實驗結果

因此，考慮到逆反射系數也受表面保護層、色度等因素影響，在改善工藝后，使用金屬反射層反光膜的逆反射系數應該可以有進一步的提升。

（四）識讀性能測試

反光電動自行車數字號牌的識讀性能，可使用靈敏度作為衡量指標，因為靈敏度直接關系到實際電子標識系統(tǒng)的識讀距離、識讀穩(wěn)定性等。參考行業(yè)標準《射頻與視頻一體化車輛識別設備通用規(guī)范》（GA/T 1976——2021）中關于電動自行車基準電子標識的要求，數據識讀靈敏度小于或等于-18dBm 為佳。

使用靈敏度測試儀對7 種樣品進行實驗，該儀器放置于暗室內，設置測試模式為《信息技術 射頻識別800/900MHz 空中接口協議》（GB/T 29768——2013）測試，反向鏈路參數設置為320K-Miller2，得到表5的測試數據。從靈敏度實驗結果能夠看出，若不降低反射層金屬密度，則樣品1 的微棱鏡反光膜以及樣品2的玻璃微珠反光膜對射頻信號會產生明顯的屏蔽效果，無法正常識讀；樣品3 和樣品4 使用空氣囊型反光膜對射頻信號無明顯影響，僅有略微下降，且整體靈敏度能夠滿足《射頻與視頻一體化車輛識別設備通用規(guī)范》（GA/T 1976——2021）的要求；而在降低反射層金屬密度后，微棱鏡和微珠工藝的反光電動自行車數字號牌能夠穩(wěn)定識讀，但靈敏度還是出現了明顯的變化，識讀效果會受到一定的影響。

表5 靈敏度實驗結果

四、結語

綜上，經測試和實驗驗證，不含金屬介質的反光膜性能更適用于電動自行車數字號牌，而通過調整降低含金屬反光膜的反射層金屬密度來確保920MHz ～925MHz 超高頻信號的穿透也是可行的，但仍然需要改進工藝和設計。這驗證了反光電動自行車數字號牌的一種實現方式，也為后續(xù)的技術革新提供了研究方向。但反光電動自行車數字號牌的研究也不僅僅局限于反光膜的研究，號牌材料、射頻芯片、印刷涂層等均可能影響到產品的整體效果。因此，在充分考慮電動自行車和應用系統(tǒng)的實際應用環(huán)境和設計需求基礎上，需進一步把握好電動自行車數字號牌的未來發(fā)展方向，只有這樣，才能真正有效提升反光電動自行車數字號牌的整體技術水平。