超高射頻技術在交通運輸工程中的創新應用

趙澤群、荀天洲

（南通大學，江蘇南通 226000）

0 引言

隨著我國經濟的飛速發展及城鎮化、工業化進展的加速，交通需求量連年飛速增長，交通問題日趨嚴重，其主要體現在施工效率低下、道路擁堵、秩序混亂、事故增多、交通引發的環境污染嚴重等諸多問題[1]。目前，交通問題已經成為制約社會經濟發展、人民生活水平提高的一個重要因素，著力解決交通問題也迫在眉睫。而相較于傳統交通施工模式下工地作業環境復雜、作業時間膨脹、機器生產設備長期怠工、生產材料浪費、效率低下、通車公路路面易損易壞等諸多弊端，信息技術革命帶來的RFID 技術能使施工場地管理效率和交通運輸需求之間的矛盾得以妥善解決，以信息化建設為基礎的高效交通工程管理系統得以建立。

1 RFID 技術概述

RFID 技術源于軍事領域，是一項利用無線電波或微波能量，通過空間耦合實現無接觸雙向信息傳遞，并通過所傳遞的信息達到識別目的的技術。它無需接觸或瞄準，可自由工作在各種極端惡劣的環境下，協議完備規范，抵御干擾能強，多個設備能夠同時工作，且工作性能高度穩定可靠。RFID 系統由應答器（即電子標簽）、讀寫器與計算機數據管理系統組成。其標簽分為被動、半被動、主動三類形式。讀寫器亦分定向型、全向型與手工型三種形式，其基本內部結構有耦合、收發、控制三個模塊與一個接口單元組。RFID 的數據管理部分由中心數據庫的計算機組成，主要用于數據信息的存儲、管理及RFID 標簽的讀寫控制[2]。對于交通工程工地施工環節，RFID 技術能適用各種復雜的大規模施工場地內部作業環境，可以貼附于工地施工機械設備表面或內部零件，置于瀝青與混凝土之中也能正常運作。此外，RFID 經歷多代更新，技術成熟，成本低廉，操作簡便，技術與施工人員稍加培訓即可熟練使用。

2 RFID 技術在道路橋梁工程中的創新應用

道路橋梁工程面向公路交通運輸等部門，從事公路、城市道路、橋梁以及隧道工程的勘察設計、試驗檢測、養護維修的技術管理工作。

在最早的主動模式下，RFID 貼片需要內嵌電源芯片以產生對外信號，隨其擁有較長讀取距離與較大存儲容量，但頻繁更換電池在施工過程中會增大工作量，尤其是置于機械或瀝青混凝土中的電子標簽，電池的續航能力尤為重要，自然成本也有所提升，后期維護置換也較為復雜。

半自動式無源標簽利用小型電池驅動標簽芯片，體積與成本有所降低，但有很強的局限性，只適用于工期短，規模小的施工項目。被動式標簽利用RFID讀寫器發出的電磁波驅動內部集成電路，向讀寫器發回數據，則適用于不易更換的使用位置。當前RFID標簽中芯片大多由集成在互補金屬氧化物半導體的二極管組成，而新一期RFID 標簽利用石墨烯等液態金屬代替傳統金屬雕刻于標簽特質紙板，這在增強抗干擾性的同時也進一步降低了成本。

基于這一特點，工地作業、各式機械設備與材料設備就能夠放置大量RFID 標簽，通過標簽不同形式的排列組合及三維陣列的排列形式，能夠全方位檢測施工質量與作業效率、對機械設備進行有效探傷，對于機械內部裂縫位置進行三維坐標精準定位，進而增加機械設備使用壽命。

RFID 定向型讀寫器具有收發信號距離遠、信號強等特點，但其識別角度小，通常只在60o以內；而全向型讀寫器具有全方位覆蓋的特點，但其收發信號距離較短，不能滿足長距離收發需求。針對這一特點，在施工作業中需因地制宜，根據具體情況進行選擇使用，例如道路橋梁沉降段結構檢測，可測量出各讀寫器覆蓋關鍵點，放置定向型RFID 讀寫器，實時檢測道路橋梁內部結構與路基結合部分，對于低水平的水泥混凝土路面養護，全向型讀寫器可以發揮其高效便捷的特點進行檢測。目前市面上還有一種手持型讀寫器，在工地監管部分能發揮重要作用。其具有輕巧靈活便攜的特點，小范圍掃描頻率高，能在半徑90m 的范圍內同時精準檢測多種附有電子標簽的物品，這極大提高了監管人員與質檢人員的工作效率。

在線和離線狀態下，RFID 標簽均可與中心數據庫建立連接，并完成數據的寫入。對于具體工地作業，如山地路基路面、海底隧道、城市地下鐵路等復雜環境，技術人員預先將數據寫入電子標簽，工地作業時直接將其附著在需被標識的物體表面，用事先存儲有標簽回波信息的讀寫器進行掃描，待接收后將數據上傳至中心數據庫。讀寫器還能對RFID 標簽進行數據加密解密與身份識別，對讀取到的電子標簽信息進行解碼和預處理；通過其內部通信模塊向中心管理數據庫傳輸接收到的數據；再將數據管理處理器的相關命令與數據通過無線信號發送給RFID 標簽。若在道路橋梁作業中形成規范，就能達到降低信息時延，實現監管者與被監管者實時通信的效果。

在公路橋梁工程中，許多高精密儀器和零件價格昂貴、體積小，尋找相對困難，尤其在情況復雜的建設環境中，一旦遺失，其對于工程建設的工期延誤和財產損失無疑是巨大的。基于RFID 標簽的回波會攜帶所附著物品的電磁特性參數，且信號接收面積廣，可以實現良好的定位功能。在工程建設前把高精密儀器和零件貼附RFID 標簽，若物品遺失，通過對可能遺失的范圍進行信號搜索，將收集到的回波信號參數進行有效分析，可以得到RFID 所附著物品的參數，以及物品所在位置的深度、距離，從而減少損失、規避延期風險。無源射頻標簽的低廉成本也有助于該技術的大范圍應用。

無源RFID 標簽通過讀寫器發出的信號產生定量的激勵電流給電容進行短暫充電，從而迅速發出信號。標簽回波的反射系數及頻率與其材料的介電常數、電阻有很大關聯。若貼附在物體上的標簽呈現不同的曲率，如貼附在立方體和圓柱體上的物體，其電阻會發生對應的變化，若能捕捉到標簽曲率變化與電阻改變存在的直接關系，對于提取標簽信息的豐富性大有裨益。

RFID 技術在無損檢測部分亦能發揮其重要作用。目前主流的無損檢測方式主要分為超聲波檢測、光纖傳感檢測、探地雷達檢測、激光等四種方式，缺點也都較為明顯。

其一，超聲波用作無損檢測過于敏感，檢測結果易受外界環境影響。

其二，光纖傳感技術抗干擾性較強，但制作成本昂貴，對操作水準有很高的要求，無法大規模應用。

其三，探地雷達檢測技術需要根據橋梁需檢測部位的實際要求對其測量方式進行綜合布局，檢測局限性較強。

其四，激光方式根據光電反射原理，通過分析定點光電流位移關系對彎成位移變化達到精細計算的目標，相較于前幾種有所改進，但是其具有三維化分析的缺陷，無法進行多維分析[3]。故創新型檢測方法尤為重要，結合精確度、抗干擾性、實用性、廉價性、易操作性等多種因素，利用RFID 無損檢測，通過建立微波暗室環境，進行橋梁內部結構三維可視化分析，標定隱患部位。

3 RFID 技術在道路交通中的應用展望

RFID 技術在目前的交通領域得到了廣泛應用，它將先進的電子信息技術、數據通信系統、信號傳感技術、計算機科學與控制技術等有效結合應用于地面交通管理系統[4]。通過對城市主要道路（如廈門湖濱中路、市府大道等）安裝內嵌有Linux 操作系統的RFID讀寫器，并測試其各個RFID 讀寫器的覆蓋范圍，可以實現城市道路車輛的精確定位，并獲取到關鍵交通路段智能信號控制區域的動態交通流數據。通過利用Python 網絡爬蟲程序分析動態數據，即可為交通信號配時及各路段車頭時距控制提供技術指導。在許多中大型城市，公安交通管理系統為每輛機動車派發了相對應的電子身份標簽（即RFID 標簽），對該車輛的發動機號碼、牌照等相關信息做了較為全面的記錄，此標簽目前已經與工商銀行、建設銀行、華夏銀行等重要銀行機構展開合作，將標簽嵌入高速公路ETC 繳費卡，從而在汽車過站時采集相關信息，掌握道路最新動態[5]。

此外，在公交、警車、救護車等特殊車輛上加裝射頻標簽讀寫器，一方面可以有效地對道路車輛中的主動式射頻標簽發送相應緊急的射頻信號，從而縮短道路通行時間；另一方面該信號也可以被道路中的紅綠燈所接收而相應調整綠燈時長，保證特殊車輛在到達路口時順利通行。

鑒于主動式射頻標簽具有價格昂貴、電池需要長期更換等問題，被動式RFID 標簽的應用將成為重要問題[6]。目前有教授團隊從射頻標簽的反射波頻入手，提出了利用RFID 的回波變化對穿過物體進行無損檢測的前瞻性思路，這也為道路交通的RFID 標簽設計提供了新方向。在RFID 標簽識別系統中加裝一個頻譜分析儀，對各車輛中的頻率回波復雜度加以分析，可以得出較為精確的車載人數，有效幫助交警部門檢測超載車輛[7]。無芯片被動式RFID 標簽的分類主要基于三部分：時域反射、頻譜特性以及幅度/相位調制，其中時域反射又有可印刷和不可印刷之分，目前國內正掀起液態金屬革命浪潮，若標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金屬（如石墨烯）制作，便可具有優良的穿戴能力。

行人若穿戴此標簽，在行人較少或事故高發道路中汽車發射的信號就可被行人反射形成應答回波，從而提醒汽車司機注意，即可大大降低行人交通事故發生率。

除了利用RFID 標簽陣列，單片的RFID 標簽同樣可以發揮極為重要的作用。因為其擁有電容，RFID標簽還可充當電容式傳感器，對當前道路進行地表到空氣的全方位溫濕度檢測[8]。基于RFID 標簽的紡織電容濕度傳感器主要是通過刺繡、織造和噴涂將傳感器與織物整合形成的，通過遴選不同的導電纖維，可以將傳感器在環境下的阻抗控制在一定范圍內，從而符合更加多元化的溫濕度檢測精度需求。RFID 標簽甚至可以縮小其面積，貼附于乘客以及駕駛員的面部，通過高斯濾波降噪處理，精準識別車內成員的唇語信息，并引導車輛操作系統完成相應功能，真正做到車內智能一體化[9]。

RFID 技術還可與其他技術相融合，如Wi-Fi、GPS 等[10]。陳超等人提出了一種基于RFID 技術和GPS 技術相結合的公交車站臺定位方法，其類似于馬云的無人超市檢測方式，即在公交車進站路線中按照一定密度布設存儲有路面信息的RFID 標簽，當設有特定GPS 定位系統的公交車（相當于無人超市的貨物）駛過標簽時，車上閱讀器接收消息并發送定位。隨著我國導航領域的發展，GPS 定位系統將逐漸被北斗導航技術所取代，屆時我國將在智能交通導航領域擁有更多自主權。

RFID 與Wi-Fi 的結合通常出現在道路監控及聯合定位方面，在黑暗狀況下，道路監控裝置通常面臨著拍攝畫面模糊不清、定位效果不佳的問題，利用卡爾曼濾波算法和Dijkstra 算法，結合RFID 回波收集不受光線因素干擾的優勢，相當于給道路監控插上了“無形之眼”，不僅優化了道路車輛監控系統，還利于道路車輛規劃最優路徑。

4 結語

20世紀40年代，雷達的改進與應用催生了RFID技術；90年代，RFID 技術首次在交通鐵路系統應用。作為AIDC 的技術范疇，該技術在社會各領域都有涉及。交通工程包括建筑、道路信號、圖像處理等諸多方面，學科交叉性強，故RFID 技術在交通方面擁有良好的應用前景。

目前RFID 的編碼模式、通信原理已經相對成熟，但對其反射回波損耗引起的波頻變化、制作材料等方面并沒有得到較好的研究。相信隨著石墨烯的廣泛應用和微波毫米波領域的發展，RFID 射頻標簽在交通工程領域的應用會迎來新的生機。