基于RFID技術的數字化高速公路與無人駕駛系統的配合設計

王思源

（燕山大學機械工程學院,河北 秦皇 066000）

0 引言

2013年12月31日全球知名經濟咨詢機構IHS環球透視（以下簡稱IHS）汽車部門預測，截至2035年全球將擁有近5400萬輛自動駕駛汽車，預計至2035年自動駕駛汽車全球總銷量將由2025年的23萬輛上升至1180萬輛，而無人駕駛的全自動化汽車將于2030年左右面世[1]。相關研究預測，到2050年之后，幾乎所有汽車或將是自動駕駛汽車或自動駕駛商務汽車[2]。可見未來是屬于無人駕駛的。

但如今的自動駕駛技術行進的方向，都在集中升級汽車的硬件與軟件，但本文的觀點認為，數字化道路與無人駕駛組合設計，才是未來智能交通的主流方向。通過系統設計，可以降低汽車上相關硬件的要求，還能基于數字化道路和互聯網絡，對于在此道路上行駛的汽車下達前瞻性的指令，從而達到未來交通的智能與高效的雙重要求。

1 自動駕駛技術的發展與瓶頸

1.1 現階段發展水平

奧迪A8是目前量產車中自動駕駛等級最高的，達到了L3，其自動駕駛系統稱之為“奧迪AI交通擁堵駕駛系統”[3]。從名字可以看出，傳統車企在自動駕駛方面還是比較謹慎，而該功能開啟的限制也較多：1、行駛在有對向車流隔離帶的高速公路上或多車道公路上；2、所有車道的車行駛緩慢，車輛間距非常小；3、車速不超過60公里/小時；4、車輛傳感器監控范圍內沒有交通信號燈或行人。可能奧迪能做的遠不止這些，但是其開放的功能只能算是L3級別自動駕駛的初級階段。

1.2 發展瓶頸

（1）硬件方面：各種傳感器和處理芯片意味著高昂的成本，要下放到普通消費者能夠接受的程度還有很長的路要走。而對于用攝像頭做主識別工具的自動駕駛系統來說，雨雪天氣對于攝像頭的干擾是亟待解決的問題。

圖1 自動駕駛路況圖

（2）軟件方面：高精度地圖對于實現高階別自動駕駛是很有必要的。比如現在通用的Super Cruise就是依靠了高精度地圖，可以在高速上實現“放開雙手”。另一方面真實路況的深度學習也非常重要。比如美國和澳大利亞一些地區，經常會有動物闖入公路中，自動駕駛系統必須要能夠識別才能進行后續操作。

（3）通信方面：現階段的4G網絡對于L2、L3級別的自動駕駛是夠用的，但要想實現更高級別的自動駕駛，4G還是有點捉襟見肘。要達到L5級別的自動駕駛，車輛與周邊車輛、行人、道路設施的通信將大幅增加，而要滿足這個量級的通信，或許要5G普及后才能實現。

2 RFID技術——技術可行性分析

2.1 RFID的定義

RFID技術的全稱是射頻識別，是一種非接觸式自動識別技術，由射頻標簽、讀寫器和天線三部分組成。RFID技術通過射頻標簽來實現電子數據的存儲及遠程數據的檢索，并基于無線射頻方式（無線電信號）實現讀寫器和射頻標簽的非接觸式雙向數據傳輸，以達到遠程識別、監控和跟蹤對象的目的[4]。

2.2 結構原理

射頻標簽、讀寫器和天線構成了一個完整的RFID系統。

（1）射頻標簽：射頻標簽由微芯片和內置天線組成，射頻標簽位于要識別的目標表面或內部。其中微芯片存有一定的電子數據，即被識別物品的相關信息，是射頻識別系統的數據載體，其存儲的信息可被讀寫器通過非接觸方式讀寫；內置天線用于和射頻天線進行通信。

（2）讀寫器：讀寫器是讀取或寫入射頻標簽信息的設備。讀寫器利用射頻技術讀取射頻標簽的數據或寫入數據到射頻標簽，承擔向射頻標簽傳輸命令或讀寫信息的任務。其主要功能是向射頻標簽發射讀取信號，接收標簽的應答，并對標簽的對象標識信息進行解碼，并將相關信息送入主機進行處理。

（3）天線：射頻標簽和讀寫器之間傳輸數據的傳輸裝置。

2.3 應用范圍

當前，RFID技術的應用范圍涉及多種領域，涵蓋了交通領域、圖書館文檔追蹤、生產制造系統、郵件包裹處理、甚至醫療衛生及零售業等方面，依托成本的降低和技術的創新，未來RFID技術將在更多領域發揮重要的作用[5]。

2.4 優勢特點

（1）快速、批量讀取。RFID技術可達到穿透性和無障礙的閱讀，大量的RFID標簽可被讀寫器同時、快速、批量讀取。一次可讀取高達數千枚標簽，標簽一進入磁場，讀寫器可即時讀取相關信息，通常在幾毫秒就完成一次讀寫。

（2）數據容量大。電子標簽可存儲大量的數據信息，如生產日期、入庫日期等，還可反復改寫，重復使用。讀取后的數據也可即時上傳系統加以處理，還可實現對產品的全過程追蹤。

（3）讀取距離遠。根據讀寫器的功率等性能特點，讀取距離可從幾十厘米至幾米不等，最遠可達1.5米。采用自帶電池的特定標簽時，有效識別距離可達到30米以上。

（4）全球唯一性。每個RFID標簽都是唯一的，在生產標簽過程中，便已將標簽與商品信息綁定，所以在后續商品流通、使用過程中，該標簽是該商品相關信息的唯一標識。

（5）保存周期長。當前射頻標簽的保存周期可達幾年、十幾年甚至幾十年，這是由標簽的防水、防磁、防腐蝕、耐高溫的性能決定的。因此RFID技術廣泛應用于醫療衛生、畜牧業等對技術條件要求較高的行業。

（6）高安全性。RFID標簽的核心技術之一是芯片，而芯片開發的難度大，成本高。而且電子標簽具有可靠的安全加密機制，RFID所承載的電子信息，數據內容通過密碼保護，內容不易被仿冒、侵入。

3 系統設計

3.1 整體設計

系統由公路的電子標簽和車載讀寫器與電子標簽組成。公路沿程分為一個個路段，每一個路段都裝有一個電子標簽，標簽內含有該路段的道路信息，比如限速、道路分段等各種信息。車載的電子標簽實時更新自身的車況信息，車載的讀寫器通過讀取道路的電子標簽與其它車上的車載電子標簽來獲取道路信息與同道路上的其它車輛的信息，從而幫助自動駕駛系統自主駕駛。具體結構如圖3所示：

圖3 系統結構圖

3.2 道路電子標簽模塊

道路電子標簽可存儲分段道路的具體信息并且存儲信息可根據實際需求調整。其存儲信息內容如下：

（1）高速路段的行車道劃分信息，包括寬度、行駛速度范圍、是否允許變道。

（2）該路段是否有施工，如施工含有的具體的施工路段信息。

（3）來往車輛的信息，如果有違法行車行為，會被儲存下來，通過網絡傳到交警違章系統。

3.3 車載電子標簽

車載電子標簽是行駛車輛的全部信息的載體，負責給其它車輛傳遞訊息。其存儲信息內容如下：

（1）車輛的具體信息，包括車輛牌照、行駛證詳情、駕駛人情況、所有者等基本信息。

（2）車輛的行駛信息，包括時速、是否有變道需求、是否有降速需求等信息。

3.4 車載讀寫器

通過讀寫器，車輛的自動駕駛系統會獲得道路信息與其他車輛信息，通過訊息，做出行車的各種指令的下發。再通過車載導航儀聯網所獲得的該道路前方的綜合車況，做出具體的行車操作。

4 系統的創新發展點

（1）把集中于車輛的智能要求中的一部分轉移到道路上，減少了車輛的一部分智能硬件（各種傳感器）要求，降低了車輛成本。

（2）克服了基于機器視覺的無人駕駛系統容易受到天氣環境因素干擾的困境，整個信息交流是基于射頻信號，不受環境的干擾。

（3）將道路信息也加入到互聯網的控制范圍內，綜合組成物聯網系統，順應了未來萬物都互聯的趨勢，車與道路不再是分開的、無聯系的個體，而是互相聯系的整體。

5 結論

本文針對現有無人駕駛技術的缺陷，基于RFID技術實現車輛與車輛之間、車輛與道路之間的信息交互，實現了數字化高速公路與無人駕駛系統的配合設計。此設計大幅度減少了車輛上各種傳感器的使用，降低了成本，同時克服了機器視覺受限于惡劣環境的限制，在大雨、大雪等天氣中，車輛周圍的信息收集更加準確與穩定，自動駕駛系統的行為指令也就越準確。搭載5G通訊以后，車輛收集的基礎信息會上傳到云空間，高速公路的智能云操作系統可根據每一個車輛上傳的信息，獲得該高速公路上的整體信息，從而給每一輛車下發基于整體情況的建議指令，最終適應于未來“萬物皆互聯”的物聯網時代。