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RFID 城市車輛定位與導航系統(tǒng)
作者：北京郵電大學電子工程學院 望誠
來源：RFID世界網(wǎng)
日期：2007-12-14 17:48:03
摘要：城市交通的不斷發(fā)展，要求對車輛實現(xiàn)準確地定位和導航已經(jīng)成為了一種未來必然的趨勢。而RFID 技術(shù)作為一項有著巨大應(yīng)用前景的技術(shù)，已經(jīng)在物流、運輸、城市交通等各個行業(yè)得到了飛速的發(fā)展和應(yīng)用，本文在分析當前城市車輛現(xiàn)有的定位技術(shù)的基礎(chǔ)上，就RFID 實現(xiàn)城市車輛定位提出了一種新方案，詳細介紹了RFID 城市交通定位系統(tǒng)的各個組成部分、工作原理以及系統(tǒng)實施的可行性、具體前期應(yīng)用領(lǐng)域等問題。
1. 引言
伴隨著各項科學技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，城市交通也已經(jīng)開始逐漸走向了智能化、人性化的道路，從而產(chǎn)生了智能交通系統(tǒng)（Intelligent Traffic System，ITS）的概念，它是將先進的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術(shù)、電子控制技術(shù)、傳感器技術(shù)以及計算機處理技術(shù)等各種技術(shù)有效地綜合運用于交通系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)對交通系統(tǒng)更加準確，實時，高效地綜合管理和控制，最大限度地實現(xiàn)人、車、路之間的和諧統(tǒng)一。其中智能交通發(fā)展的一個重要方向就是對于城市交通中車輛的準確定位和導航，已經(jīng)成為了許多行業(yè)（如公交、消防、緊急救護、交通事故處理等）發(fā)展的一種必然的需求。
2. 現(xiàn)有的城市交通車輛定位與導航系統(tǒng)
2.1 GPS 車輛定位與導航系統(tǒng)
GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）是目前發(fā)展已經(jīng)較為成熟的一項定位和導航技術(shù)，并且已經(jīng)得到了較為廣泛的實際應(yīng)用。它是利用美國的24顆（其中3顆備用）空間衛(wèi)星來達到全球范圍的覆蓋，從而實現(xiàn)全球、全天候、全方位的定位與導航功能。GPS系統(tǒng)主要包括地面控制部分，空間衛(wèi)星部分和地面用戶裝置（GPS接收機終端）三個組成部分。目前在城市車輛定位和導航中也已經(jīng)得到了較為廣泛和成功的應(yīng)用，其定位精度一般為20m～300m。
2.2 A-GPS 定位與導航系統(tǒng)
A-GPS（Assisted GPS，網(wǎng)絡(luò)輔助GPS），它是對GPS 系統(tǒng)的一種改進，在GPS 的基礎(chǔ)上增加了通信基站，從而利用基站的確切位置和接收到的GPS 衛(wèi)星相關(guān)信息實現(xiàn)更加精確的定位和導航，其精度可以達到10m 左右。
2.3 北斗定位系統(tǒng)
北斗定位系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的區(qū)域性衛(wèi)星定位系統(tǒng)，它是專門針對我國國內(nèi)定位與導航而建立的系統(tǒng)，它由兩顆地球靜止軌道衛(wèi)星，一顆備用衛(wèi)星、中心控制系統(tǒng)、標較系統(tǒng)和用戶終端機等部分組成。但是由于系統(tǒng)的特殊工作原理，決定了系統(tǒng)定位的精度上不及GPS，同時對于地面網(wǎng)絡(luò)的依賴程度也非常大，所以不太適合目前城市特殊區(qū)域的精確定位和導航應(yīng)用，只能實現(xiàn)大范圍內(nèi)的粗略定位與簡單導航。
此外還有諸如小區(qū)定位，E-TOD（Enhanced Observed Time Difference，增強型時鐘差）等定位技術(shù)，但是由于它們都主要應(yīng)用在手機移動終端的定位，所以這里不再贅述。通過以上各類現(xiàn)行交通車輛定位與導航系統(tǒng)的簡單介紹和分析，雖然它們都有著各自的優(yōu)勢，但是針對城市交通定位功能來說它們卻都有著以下幾個共同的缺陷：
1. 全部都屬于開放式定位系統(tǒng)，即一旦網(wǎng)絡(luò)或者衛(wèi)星信號發(fā)生問題，定位功能則無法實現(xiàn)；
2. 在城市某些特定地區(qū)，如樓宇分布較為密集的地區(qū)，地下停車場等場所和區(qū)域，上述系統(tǒng)則不能實現(xiàn)很好的定位，也就是存在定位的“死角”區(qū)域；
3. 空間立體定位的精度太低，雖然GPS 和A-GPS 可以實現(xiàn)10m 以內(nèi)的定位精度，但是對于空間上而言，這么大的誤差范圍根本區(qū)分不出同一地點上下兩層車道的位置差異；
4. GPS 衛(wèi)星體系全部都隸屬于美國，一旦發(fā)生特殊事件（如美國因為戰(zhàn)爭需要，既有可能限制民用GPS 的精度，覆蓋范圍等），這樣就可能嚴重影響到我國城市民用系統(tǒng)的定位；即使我們國家的北斗系統(tǒng)，也完全依賴于通信網(wǎng)絡(luò)，同樣不是非?？煽?。
由此可以看出，目前的大多數(shù)定位系統(tǒng)雖然能夠滿足城市交通車輛定位的基本需求，但是在很多特殊的區(qū)域（如樓宇密集區(qū)，大型地下停車場，同一立交橋的上下層之間的定位等）方面不能夠很好地得到滿足和實現(xiàn)。正因為此，本文提出了一種基于RFID 技術(shù)的城市交通定位和導航系統(tǒng)。
3. RFID 城市車輛定位與導航系統(tǒng)
3.1 RFID 技術(shù)簡介
RFID（Radio Frequency Identification，無線射頻識別）技術(shù)是一種利用無線射頻實現(xiàn)非接觸式自動識別目標對象的技術(shù)，它主要包含有識讀器（Reader）和電子標簽（E-tag）兩個部分，此外還有用于數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的天線部分（Antenna）。RFID 系統(tǒng)的工作原理如下圖所示：
3.2 系統(tǒng)的總體設(shè)計思想
RFID 城市車輛定位與導航系統(tǒng)的實際模擬效果圖如下所示：
3.3 系統(tǒng)流程圖及各功能實現(xiàn)過程說明
RFID 城市定位與導航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)流程圖如下所示：
車輛通過安裝于底盤上的識讀器獲取用來標志唯一道路位置的編碼信息之后，將其傳遞給車載端的GIS 數(shù)據(jù)處理模塊，GIS 根據(jù)此編碼信息，結(jié)合電子地圖信息數(shù)據(jù)庫（GIS 模塊的一部分），找出此編碼信息對應(yīng)的電子地圖上的具體的地理位置點，進而通過顯示模塊將其顯示在電子地圖上。這樣用戶就可以看到自己當前所處的地理位置，實現(xiàn)了車輛自身定位的功能。
3.3.2 導航功能的實現(xiàn)過程
所謂車輛導航就是要確定一條車輛當前位置和目的地位置的線路信息，假如車輛現(xiàn)在處于A 點，想要到達B 點，則將B 點的信息（直接輸入名稱即可）輸入到車載GIS 模塊中，車載GIS 模塊通過電子地圖信息數(shù)據(jù)庫將目的地位置對應(yīng)找到之后，與電子地圖顯示上的某一點對應(yīng)起來，同時在兩個點之間確定一條或多條可行路線，并且顯示給用戶。這樣用戶就可以根據(jù)電子地圖上的目的地B 點和現(xiàn)在所處位置A 點情況，決定采取那條路線到達目的地?？梢钥闯霰鞠到y(tǒng)不需要借助外界信號或網(wǎng)絡(luò)的輔助作用，可以利用車載模塊直接獨立解決導航問題。
3.3.3 監(jiān)控和調(diào)度功能的實現(xiàn)過程
在完成定位功能的同時，識讀器將獲取到的位置編碼信息和車輛自身的唯一標志信息通過車載通信模塊，利用移動通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方式（如GPRS 等）傳遞給后臺監(jiān)控和調(diào)度中心，調(diào)度中心根據(jù)收到的信息，結(jié)合中心的GIS 系統(tǒng)就可以得知此車輛現(xiàn)在所處的確切位置，從而實現(xiàn)了對車輛的實時監(jiān)控功能。同時如果調(diào)度中心需要車輛去某一個目的地執(zhí)行某項任務(wù)（如消防，醫(yī)院救護等）時，調(diào)度中心就將目的地的位置編碼信息通過通信網(wǎng)絡(luò)傳遞給某一具體車輛，車輛得到此編碼信息，并與自身電子地圖上的點對應(yīng)起來，從而實現(xiàn)導航，以最快的速度到達任務(wù)目的地。所以這主要是針對特殊的行業(yè)（公交、出租、醫(yī)院救護、消防等）應(yīng)用才需要用到的功能，因為對于一般的私人車輛用戶來講，沒必要將自己的位置信息告訴給其他方，所以這是一個可選的功能（圖中用虛線分割開來）。
3.4 系統(tǒng)各組成部分的詳細設(shè)計說明
3.4.1 道路標簽
概念——用來唯一標志某一具體物理位置的電子標簽，它與GIS 電子地圖信息數(shù)據(jù)庫中的某一點具體對應(yīng)，從而實現(xiàn)物理位置的顯示和定位。
標簽內(nèi)的數(shù)據(jù)編碼格式——電子標簽的數(shù)據(jù)存儲量可以達到很大，但是這里卻不需要多么復(fù)雜，因為此編碼數(shù)據(jù)只要能使得實際代表的地理位置的某一點與電子地圖信息數(shù)據(jù)庫中的某一點一一對應(yīng)起來就可以了，所以編碼的格式可以非常靈活，位數(shù)也不需要設(shè)計的過于復(fù)雜（這樣也可以加快數(shù)據(jù)讀取的速度）。所以完全可以在目前的GIS 電子地圖中的編碼格式的基礎(chǔ)上，進行一定的改動。即增加幾個數(shù)據(jù)編碼位，因為要考慮對于同一實際地理位置處上下兩層（甚至更多層）車道的情況，其中增加的一個編碼位用來表示是否是同一地點的信息（是則為1，否則為0），之后的兩個數(shù)據(jù)位則表示是之上或之下的具體的車道層數(shù)。在電子地圖顯示的時候，車輛位于第一層時表示為：▲，位于同一位置之上的第二層車道時表示為： ，第三層車道時則為： ，位于同一位置之下的第一層則可以表示為： 同樣的道理以此類推。這樣用戶就可以通過電子地圖上顯示的不同符號來具體確定同一位置處不同的上下車道的具體位置，這對于一些緊急交通事故，消防，救護等有著非?，F(xiàn)實和重要的意義。
標簽的道路粘貼和維護——這是本系統(tǒng)最大的難點所在，不僅要考慮城市道路路面的情況（軟硬，路面材料，路面的變形情況）、還要考慮外界的環(huán)境情況（溫度的變化，雨雪天氣狀況），此外還要考慮到一些車輛不規(guī)則行駛對標簽?zāi)雺旱那樾?。就路面情況考慮，系統(tǒng)標簽首先考慮粘貼在一些路面狀況比較理想的地面（所謂理想，主要指混凝土路面等比較堅實，不會隨外界壓力和溫度發(fā)生太大型變的情況，比如立交橋、高架橋車道路面就比較理想）；就外界環(huán)境狀況的影響，主要取決于標簽自身物理特性的提高（耐低溫、耐高溫，耐變形和壓力等品質(zhì)）。目前已有RFID 標簽產(chǎn)品的耐溫范圍已經(jīng)可以達到-40℃～140℃，此外對于抗變形和壓力可以通過特殊的外包裝和道路粉刷工藝來進行相應(yīng)的處理。至于車輛不規(guī)則行駛帶來的碾壓現(xiàn)象，因為標簽本身體積很小，同時車輛的輪胎接觸面積較大，所以平均下來的壓強并不能給標簽造成直接的物理損傷，而且不規(guī)則行駛的情況在城市道路上并不是主要常見的[2]。
3.4.2 車載終端
車載終端主要由識讀器模塊，GIS 信息處理模塊，通信模塊（可選），顯示模塊組成，共同配合完成了了整個定位信息的處理和顯示。
識讀器模塊——此部分模塊負責準確地、快速地獲取位于道路上的電子標簽中的位置信息，它對道路標簽的數(shù)據(jù)讀取速度和車輛運行的速度直接決定了系統(tǒng)的定位精度。相同的車速情況下，識讀器的閱讀速度越快，則道路上的標簽就可以間隔更小，從而定位的精度就可以更高。目前已有的識讀器一般的閱讀一個電子標簽的時間可達到毫秒級，而在城市道路上運行的車輛的速度一般都限制在60km/h 以內(nèi)，按照這樣的數(shù)值大約可以計算出標簽的間隔距離在5m 的情況下，仍然可以保證標簽數(shù)據(jù)的快速準確的讀取。也就是說，定位的精度相應(yīng)的也可以相應(yīng)的達到5m 以內(nèi)的精度，當然此外還要考慮GIS 模塊的數(shù)據(jù)處理和顯示速度，所以保證10m 的定位精度是理論可行的。
GIS 信息處理模塊——此部分模塊負責將識讀器獲取的道路標簽的編碼信息進行處理，與電子地圖信息庫中的具體位置點對照，從而實現(xiàn)物理位置和電子地圖上的顯示點之間的對應(yīng)。同時在導航應(yīng)用中，此部分模塊還要能夠?qū)崿F(xiàn)查詢功能，即將輸入的目的地轉(zhuǎn)化為電子地圖上的某一具體對應(yīng)點的信息，從而提供給車輛導航路線。從某種意義上來講，此部分模塊的設(shè)計是整個系統(tǒng)的核心和難點，因為所有的定位、導航數(shù)據(jù)的處理全部由它來完成，具體實現(xiàn)時，可以借助目前已有的GIS 車載端模塊，做一些必要的改變即可。
通信模塊——主要負責將車輛識讀器讀取到的道路標簽的編碼信息傳遞給后臺控制和調(diào)度中心，或者將后臺中心的控制和目的地信息傳遞到車載端，從而實現(xiàn)中心對于車輛的監(jiān)控和調(diào)度。因為系統(tǒng)在不需要外界網(wǎng)絡(luò)支持的情況下已經(jīng)完全可以獨立完成定位和導航等功能，所以此部分模塊本身就是可選的。主要針對一些特殊的行業(yè)應(yīng)用，比如公交系統(tǒng)，消防，醫(yī)院救護，交通事故處理系統(tǒng)等，在這些行業(yè)中，都要求實時地掌握系統(tǒng)內(nèi)車輛的準確位置信息以便在緊急事件時做出最為有效和快速的反應(yīng)。就目前的網(wǎng)絡(luò)情況而言，可以借助于GPRS 網(wǎng)絡(luò)，因為GPRS 網(wǎng)絡(luò)一方面數(shù)據(jù)傳輸速率比較高，另一方面它可以實現(xiàn)持續(xù)在線，流量計費的特點，適合于突發(fā)性數(shù)據(jù)量的傳送需求。
顯示模塊——即將GIS 處理后的信息數(shù)據(jù)完整地展示在電子地圖上，但決不只是一個簡單的顯示，因為要完成獨立導航時，需要輸入目的地的有關(guān)信息，此時可以采用當前流行的觸摸屏顯示終端，將操作和顯示界面集成在了一起，從而降低系統(tǒng)的操作復(fù)雜度。
3.5 系統(tǒng)方案實現(xiàn)的具體分析
本系統(tǒng)在具體工程實施階段必須考慮以下幾個問題：
1. 道路路況的優(yōu)劣，目前主要的城市道路還是停留在瀝青路面的時代，這樣的路面對于標簽的布設(shè)會帶來致命的威脅，因為在高溫下，這樣的路面發(fā)生較大的變形，直接影響標簽的位置和穩(wěn)定性，甚至直接造成標簽丟失、移位；
2. 車輛違反交通規(guī)則造成的標簽?zāi)雺?，這一點可以說是一個必須要考慮的問題，但是可以通過很多種途徑來避免和盡量減少，其中道路標簽基本都布設(shè)在每條行車車道的中央，大多數(shù)情況下車輛通過是不會形成碾壓的；其次可以改進標簽布設(shè)工藝，增加標簽的受力面積，即在標簽之外包裝一層高硬度的防水硬性材料（目前市場已有的很多標簽已經(jīng)都具備一定的穿透能力，這樣不會造成對標簽閱讀范圍的太大影響），同時通過特殊的路面粉刷工藝，可以大大提高標簽的受力限度；
3. 環(huán)境狀況的影響，由于標簽位于路面之上，不可避免地會遇到雨、雪天氣的影響，為了減少外界條件變化帶來的影響，要求標簽的有很強的耐腐蝕，耐高溫、低溫特性，這都是對標簽工藝的直接挑戰(zhàn)，目前的標簽已經(jīng)出現(xiàn)了耐溫范圍在-40℃～140℃的產(chǎn)品；
4. 成本的影響，標簽的價格現(xiàn)在已經(jīng)做到幾美分到幾十美分的范圍內(nèi)，但是車載終端的價格卻還會帶來較大的問題，但是根據(jù)目前GPS 車載終端進行改造，加上識讀器模塊，實際上也不會帶來太多的問題；此外在標簽的使用過程中，對于因為一些特殊意外的原因造成的標簽損壞，還要進行及時的更新，雖然費用不是很多，但是同樣也應(yīng)予以考慮。
3.6 系統(tǒng)應(yīng)用的設(shè)想：
基于以上工程實施必須考慮的實際問題，對本系統(tǒng)前期應(yīng)用的主要領(lǐng)域和場合進行了如下的設(shè)想：
1. 由于城市道路路況構(gòu)造，標簽的物理特性，以及部分司機不規(guī)則行駛等問題，直接大范圍內(nèi)鋪設(shè)和推廣此系統(tǒng)還為時過早，同時考慮到目前大多數(shù)城市（如北京）道路路況周邊的環(huán)境并非都是高樓密集區(qū)，所以利用GPS 即可，沒有必要一次到位；
2. 系統(tǒng)應(yīng)用的定位：作為現(xiàn)有的GPS 等已經(jīng)成熟應(yīng)用的城市道路交通定位系統(tǒng)的一種有益的補充，即在GPS 可以實現(xiàn)定位的大多數(shù)路面，采用GPS 定位，在一些特殊的區(qū)域，如高樓密集區(qū)，立交橋，高架橋，大型地下停車場等區(qū)域則利用此RFID 系統(tǒng)實現(xiàn)定位，即在這些區(qū)域先進行小范圍的道路標簽的鋪設(shè)；這樣就要求對車載終端進行一定的改造，將GPS終端和識讀器相結(jié)合集成在一起，從而實現(xiàn)城市道路定位“無盲區(qū)”的目標。
4. 結(jié)論
通過以上的分析和研究，我們可以得出此RFID 城市交通定位與導航系統(tǒng)有著諸多的優(yōu)點，它是一個可自主獨立實現(xiàn)定位與導航、定位精度高、無定位盲區(qū)、空間定位感強等的系統(tǒng)，但是由于目前城市道路路面特殊狀況以及RFID 標簽系統(tǒng)本身的物理特性等原因，不可能直接實現(xiàn)大規(guī)模鋪設(shè)應(yīng)用。但是由于此系統(tǒng)具備的明顯優(yōu)勢，相信在不久的將來，當城市的道路建設(shè)標較規(guī)范，路面比較統(tǒng)一，同時加上標簽物理性能的不斷提高，此系統(tǒng)即可進行大規(guī)模的鋪設(shè)和應(yīng)用。從而完全實現(xiàn)獨立定位和導航，而直接擺脫GPS 定位系統(tǒng)，徹底服務(wù)于人們的日常生活和智能交通。
參考文獻
[1] （德）Klaus Finkenzeller，陳大才編譯．射頻識別（RFID）技術(shù)．電子工業(yè)出版社．2001
[2] 游戰(zhàn)清，劉客勝，張義強，吳谷．無線射頻識別技術(shù)（RFID）規(guī)劃與實施．電子工業(yè)出版社．2005
伴隨著各項科學技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，城市交通也已經(jīng)開始逐漸走向了智能化、人性化的道路，從而產(chǎn)生了智能交通系統(tǒng)（Intelligent Traffic System，ITS）的概念，它是將先進的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術(shù)、電子控制技術(shù)、傳感器技術(shù)以及計算機處理技術(shù)等各種技術(shù)有效地綜合運用于交通系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)對交通系統(tǒng)更加準確，實時，高效地綜合管理和控制，最大限度地實現(xiàn)人、車、路之間的和諧統(tǒng)一。其中智能交通發(fā)展的一個重要方向就是對于城市交通中車輛的準確定位和導航，已經(jīng)成為了許多行業(yè)（如公交、消防、緊急救護、交通事故處理等）發(fā)展的一種必然的需求。
2. 現(xiàn)有的城市交通車輛定位與導航系統(tǒng)
2.1 GPS 車輛定位與導航系統(tǒng)
GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）是目前發(fā)展已經(jīng)較為成熟的一項定位和導航技術(shù)，并且已經(jīng)得到了較為廣泛的實際應(yīng)用。它是利用美國的24顆（其中3顆備用）空間衛(wèi)星來達到全球范圍的覆蓋，從而實現(xiàn)全球、全天候、全方位的定位與導航功能。GPS系統(tǒng)主要包括地面控制部分，空間衛(wèi)星部分和地面用戶裝置（GPS接收機終端）三個組成部分。目前在城市車輛定位和導航中也已經(jīng)得到了較為廣泛和成功的應(yīng)用，其定位精度一般為20m～300m。
2.2 A-GPS 定位與導航系統(tǒng)
A-GPS（Assisted GPS，網(wǎng)絡(luò)輔助GPS），它是對GPS 系統(tǒng)的一種改進，在GPS 的基礎(chǔ)上增加了通信基站，從而利用基站的確切位置和接收到的GPS 衛(wèi)星相關(guān)信息實現(xiàn)更加精確的定位和導航，其精度可以達到10m 左右。
2.3 北斗定位系統(tǒng)
北斗定位系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的區(qū)域性衛(wèi)星定位系統(tǒng)，它是專門針對我國國內(nèi)定位與導航而建立的系統(tǒng)，它由兩顆地球靜止軌道衛(wèi)星，一顆備用衛(wèi)星、中心控制系統(tǒng)、標較系統(tǒng)和用戶終端機等部分組成。但是由于系統(tǒng)的特殊工作原理，決定了系統(tǒng)定位的精度上不及GPS，同時對于地面網(wǎng)絡(luò)的依賴程度也非常大，所以不太適合目前城市特殊區(qū)域的精確定位和導航應(yīng)用，只能實現(xiàn)大范圍內(nèi)的粗略定位與簡單導航。
此外還有諸如小區(qū)定位，E-TOD（Enhanced Observed Time Difference，增強型時鐘差）等定位技術(shù)，但是由于它們都主要應(yīng)用在手機移動終端的定位，所以這里不再贅述。通過以上各類現(xiàn)行交通車輛定位與導航系統(tǒng)的簡單介紹和分析，雖然它們都有著各自的優(yōu)勢，但是針對城市交通定位功能來說它們卻都有著以下幾個共同的缺陷：
1. 全部都屬于開放式定位系統(tǒng)，即一旦網(wǎng)絡(luò)或者衛(wèi)星信號發(fā)生問題，定位功能則無法實現(xiàn)；
2. 在城市某些特定地區(qū)，如樓宇分布較為密集的地區(qū)，地下停車場等場所和區(qū)域，上述系統(tǒng)則不能實現(xiàn)很好的定位，也就是存在定位的“死角”區(qū)域；
3. 空間立體定位的精度太低，雖然GPS 和A-GPS 可以實現(xiàn)10m 以內(nèi)的定位精度，但是對于空間上而言，這么大的誤差范圍根本區(qū)分不出同一地點上下兩層車道的位置差異；
4. GPS 衛(wèi)星體系全部都隸屬于美國，一旦發(fā)生特殊事件（如美國因為戰(zhàn)爭需要，既有可能限制民用GPS 的精度，覆蓋范圍等），這樣就可能嚴重影響到我國城市民用系統(tǒng)的定位；即使我們國家的北斗系統(tǒng)，也完全依賴于通信網(wǎng)絡(luò)，同樣不是非?？煽?。
由此可以看出，目前的大多數(shù)定位系統(tǒng)雖然能夠滿足城市交通車輛定位的基本需求，但是在很多特殊的區(qū)域（如樓宇密集區(qū)，大型地下停車場，同一立交橋的上下層之間的定位等）方面不能夠很好地得到滿足和實現(xiàn)。正因為此，本文提出了一種基于RFID 技術(shù)的城市交通定位和導航系統(tǒng)。
3. RFID 城市車輛定位與導航系統(tǒng)
3.1 RFID 技術(shù)簡介
RFID（Radio Frequency Identification，無線射頻識別）技術(shù)是一種利用無線射頻實現(xiàn)非接觸式自動識別目標對象的技術(shù)，它主要包含有識讀器（Reader）和電子標簽（E-tag）兩個部分，此外還有用于數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的天線部分（Antenna）。RFID 系統(tǒng)的工作原理如下圖所示：
3.2 系統(tǒng)的總體設(shè)計思想
RFID 城市車輛定位與導航系統(tǒng)的實際模擬效果圖如下所示：
3.3 系統(tǒng)流程圖及各功能實現(xiàn)過程說明
RFID 城市定位與導航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)流程圖如下所示：
車輛通過安裝于底盤上的識讀器獲取用來標志唯一道路位置的編碼信息之后，將其傳遞給車載端的GIS 數(shù)據(jù)處理模塊，GIS 根據(jù)此編碼信息，結(jié)合電子地圖信息數(shù)據(jù)庫（GIS 模塊的一部分），找出此編碼信息對應(yīng)的電子地圖上的具體的地理位置點，進而通過顯示模塊將其顯示在電子地圖上。這樣用戶就可以看到自己當前所處的地理位置，實現(xiàn)了車輛自身定位的功能。
3.3.2 導航功能的實現(xiàn)過程
所謂車輛導航就是要確定一條車輛當前位置和目的地位置的線路信息，假如車輛現(xiàn)在處于A 點，想要到達B 點，則將B 點的信息（直接輸入名稱即可）輸入到車載GIS 模塊中，車載GIS 模塊通過電子地圖信息數(shù)據(jù)庫將目的地位置對應(yīng)找到之后，與電子地圖顯示上的某一點對應(yīng)起來，同時在兩個點之間確定一條或多條可行路線，并且顯示給用戶。這樣用戶就可以根據(jù)電子地圖上的目的地B 點和現(xiàn)在所處位置A 點情況，決定采取那條路線到達目的地?？梢钥闯霰鞠到y(tǒng)不需要借助外界信號或網(wǎng)絡(luò)的輔助作用，可以利用車載模塊直接獨立解決導航問題。
3.3.3 監(jiān)控和調(diào)度功能的實現(xiàn)過程
在完成定位功能的同時，識讀器將獲取到的位置編碼信息和車輛自身的唯一標志信息通過車載通信模塊，利用移動通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方式（如GPRS 等）傳遞給后臺監(jiān)控和調(diào)度中心，調(diào)度中心根據(jù)收到的信息，結(jié)合中心的GIS 系統(tǒng)就可以得知此車輛現(xiàn)在所處的確切位置，從而實現(xiàn)了對車輛的實時監(jiān)控功能。同時如果調(diào)度中心需要車輛去某一個目的地執(zhí)行某項任務(wù)（如消防，醫(yī)院救護等）時，調(diào)度中心就將目的地的位置編碼信息通過通信網(wǎng)絡(luò)傳遞給某一具體車輛，車輛得到此編碼信息，并與自身電子地圖上的點對應(yīng)起來，從而實現(xiàn)導航，以最快的速度到達任務(wù)目的地。所以這主要是針對特殊的行業(yè)（公交、出租、醫(yī)院救護、消防等）應(yīng)用才需要用到的功能，因為對于一般的私人車輛用戶來講，沒必要將自己的位置信息告訴給其他方，所以這是一個可選的功能（圖中用虛線分割開來）。
3.4 系統(tǒng)各組成部分的詳細設(shè)計說明
3.4.1 道路標簽
概念——用來唯一標志某一具體物理位置的電子標簽，它與GIS 電子地圖信息數(shù)據(jù)庫中的某一點具體對應(yīng)，從而實現(xiàn)物理位置的顯示和定位。
標簽內(nèi)的數(shù)據(jù)編碼格式——電子標簽的數(shù)據(jù)存儲量可以達到很大，但是這里卻不需要多么復(fù)雜，因為此編碼數(shù)據(jù)只要能使得實際代表的地理位置的某一點與電子地圖信息數(shù)據(jù)庫中的某一點一一對應(yīng)起來就可以了，所以編碼的格式可以非常靈活，位數(shù)也不需要設(shè)計的過于復(fù)雜（這樣也可以加快數(shù)據(jù)讀取的速度）。所以完全可以在目前的GIS 電子地圖中的編碼格式的基礎(chǔ)上，進行一定的改動。即增加幾個數(shù)據(jù)編碼位，因為要考慮對于同一實際地理位置處上下兩層（甚至更多層）車道的情況，其中增加的一個編碼位用來表示是否是同一地點的信息（是則為1，否則為0），之后的兩個數(shù)據(jù)位則表示是之上或之下的具體的車道層數(shù)。在電子地圖顯示的時候，車輛位于第一層時表示為：▲，位于同一位置之上的第二層車道時表示為： ，第三層車道時則為： ，位于同一位置之下的第一層則可以表示為： 同樣的道理以此類推。這樣用戶就可以通過電子地圖上顯示的不同符號來具體確定同一位置處不同的上下車道的具體位置，這對于一些緊急交通事故，消防，救護等有著非?，F(xiàn)實和重要的意義。
標簽的道路粘貼和維護——這是本系統(tǒng)最大的難點所在，不僅要考慮城市道路路面的情況（軟硬，路面材料，路面的變形情況）、還要考慮外界的環(huán)境情況（溫度的變化，雨雪天氣狀況），此外還要考慮到一些車輛不規(guī)則行駛對標簽?zāi)雺旱那樾?。就路面情況考慮，系統(tǒng)標簽首先考慮粘貼在一些路面狀況比較理想的地面（所謂理想，主要指混凝土路面等比較堅實，不會隨外界壓力和溫度發(fā)生太大型變的情況，比如立交橋、高架橋車道路面就比較理想）；就外界環(huán)境狀況的影響，主要取決于標簽自身物理特性的提高（耐低溫、耐高溫，耐變形和壓力等品質(zhì)）。目前已有RFID 標簽產(chǎn)品的耐溫范圍已經(jīng)可以達到-40℃～140℃，此外對于抗變形和壓力可以通過特殊的外包裝和道路粉刷工藝來進行相應(yīng)的處理。至于車輛不規(guī)則行駛帶來的碾壓現(xiàn)象，因為標簽本身體積很小，同時車輛的輪胎接觸面積較大，所以平均下來的壓強并不能給標簽造成直接的物理損傷，而且不規(guī)則行駛的情況在城市道路上并不是主要常見的[2]。
3.4.2 車載終端
車載終端主要由識讀器模塊，GIS 信息處理模塊，通信模塊（可選），顯示模塊組成，共同配合完成了了整個定位信息的處理和顯示。
識讀器模塊——此部分模塊負責準確地、快速地獲取位于道路上的電子標簽中的位置信息，它對道路標簽的數(shù)據(jù)讀取速度和車輛運行的速度直接決定了系統(tǒng)的定位精度。相同的車速情況下，識讀器的閱讀速度越快，則道路上的標簽就可以間隔更小，從而定位的精度就可以更高。目前已有的識讀器一般的閱讀一個電子標簽的時間可達到毫秒級，而在城市道路上運行的車輛的速度一般都限制在60km/h 以內(nèi)，按照這樣的數(shù)值大約可以計算出標簽的間隔距離在5m 的情況下，仍然可以保證標簽數(shù)據(jù)的快速準確的讀取。也就是說，定位的精度相應(yīng)的也可以相應(yīng)的達到5m 以內(nèi)的精度，當然此外還要考慮GIS 模塊的數(shù)據(jù)處理和顯示速度，所以保證10m 的定位精度是理論可行的。
GIS 信息處理模塊——此部分模塊負責將識讀器獲取的道路標簽的編碼信息進行處理，與電子地圖信息庫中的具體位置點對照，從而實現(xiàn)物理位置和電子地圖上的顯示點之間的對應(yīng)。同時在導航應(yīng)用中，此部分模塊還要能夠?qū)崿F(xiàn)查詢功能，即將輸入的目的地轉(zhuǎn)化為電子地圖上的某一具體對應(yīng)點的信息，從而提供給車輛導航路線。從某種意義上來講，此部分模塊的設(shè)計是整個系統(tǒng)的核心和難點，因為所有的定位、導航數(shù)據(jù)的處理全部由它來完成，具體實現(xiàn)時，可以借助目前已有的GIS 車載端模塊，做一些必要的改變即可。
通信模塊——主要負責將車輛識讀器讀取到的道路標簽的編碼信息傳遞給后臺控制和調(diào)度中心，或者將后臺中心的控制和目的地信息傳遞到車載端，從而實現(xiàn)中心對于車輛的監(jiān)控和調(diào)度。因為系統(tǒng)在不需要外界網(wǎng)絡(luò)支持的情況下已經(jīng)完全可以獨立完成定位和導航等功能，所以此部分模塊本身就是可選的。主要針對一些特殊的行業(yè)應(yīng)用，比如公交系統(tǒng)，消防，醫(yī)院救護，交通事故處理系統(tǒng)等，在這些行業(yè)中，都要求實時地掌握系統(tǒng)內(nèi)車輛的準確位置信息以便在緊急事件時做出最為有效和快速的反應(yīng)。就目前的網(wǎng)絡(luò)情況而言，可以借助于GPRS 網(wǎng)絡(luò)，因為GPRS 網(wǎng)絡(luò)一方面數(shù)據(jù)傳輸速率比較高，另一方面它可以實現(xiàn)持續(xù)在線，流量計費的特點，適合于突發(fā)性數(shù)據(jù)量的傳送需求。
顯示模塊——即將GIS 處理后的信息數(shù)據(jù)完整地展示在電子地圖上，但決不只是一個簡單的顯示，因為要完成獨立導航時，需要輸入目的地的有關(guān)信息，此時可以采用當前流行的觸摸屏顯示終端，將操作和顯示界面集成在了一起，從而降低系統(tǒng)的操作復(fù)雜度。
3.5 系統(tǒng)方案實現(xiàn)的具體分析
本系統(tǒng)在具體工程實施階段必須考慮以下幾個問題：
1. 道路路況的優(yōu)劣，目前主要的城市道路還是停留在瀝青路面的時代，這樣的路面對于標簽的布設(shè)會帶來致命的威脅，因為在高溫下，這樣的路面發(fā)生較大的變形，直接影響標簽的位置和穩(wěn)定性，甚至直接造成標簽丟失、移位；
2. 車輛違反交通規(guī)則造成的標簽?zāi)雺?，這一點可以說是一個必須要考慮的問題，但是可以通過很多種途徑來避免和盡量減少，其中道路標簽基本都布設(shè)在每條行車車道的中央，大多數(shù)情況下車輛通過是不會形成碾壓的；其次可以改進標簽布設(shè)工藝，增加標簽的受力面積，即在標簽之外包裝一層高硬度的防水硬性材料（目前市場已有的很多標簽已經(jīng)都具備一定的穿透能力，這樣不會造成對標簽閱讀范圍的太大影響），同時通過特殊的路面粉刷工藝，可以大大提高標簽的受力限度；
3. 環(huán)境狀況的影響，由于標簽位于路面之上，不可避免地會遇到雨、雪天氣的影響，為了減少外界條件變化帶來的影響，要求標簽的有很強的耐腐蝕，耐高溫、低溫特性，這都是對標簽工藝的直接挑戰(zhàn)，目前的標簽已經(jīng)出現(xiàn)了耐溫范圍在-40℃～140℃的產(chǎn)品；
4. 成本的影響，標簽的價格現(xiàn)在已經(jīng)做到幾美分到幾十美分的范圍內(nèi)，但是車載終端的價格卻還會帶來較大的問題，但是根據(jù)目前GPS 車載終端進行改造，加上識讀器模塊，實際上也不會帶來太多的問題；此外在標簽的使用過程中，對于因為一些特殊意外的原因造成的標簽損壞，還要進行及時的更新，雖然費用不是很多，但是同樣也應(yīng)予以考慮。
3.6 系統(tǒng)應(yīng)用的設(shè)想：
基于以上工程實施必須考慮的實際問題，對本系統(tǒng)前期應(yīng)用的主要領(lǐng)域和場合進行了如下的設(shè)想：
1. 由于城市道路路況構(gòu)造，標簽的物理特性，以及部分司機不規(guī)則行駛等問題，直接大范圍內(nèi)鋪設(shè)和推廣此系統(tǒng)還為時過早，同時考慮到目前大多數(shù)城市（如北京）道路路況周邊的環(huán)境并非都是高樓密集區(qū)，所以利用GPS 即可，沒有必要一次到位；
2. 系統(tǒng)應(yīng)用的定位：作為現(xiàn)有的GPS 等已經(jīng)成熟應(yīng)用的城市道路交通定位系統(tǒng)的一種有益的補充，即在GPS 可以實現(xiàn)定位的大多數(shù)路面，采用GPS 定位，在一些特殊的區(qū)域，如高樓密集區(qū)，立交橋，高架橋，大型地下停車場等區(qū)域則利用此RFID 系統(tǒng)實現(xiàn)定位，即在這些區(qū)域先進行小范圍的道路標簽的鋪設(shè)；這樣就要求對車載終端進行一定的改造，將GPS終端和識讀器相結(jié)合集成在一起，從而實現(xiàn)城市道路定位“無盲區(qū)”的目標。
4. 結(jié)論
通過以上的分析和研究，我們可以得出此RFID 城市交通定位與導航系統(tǒng)有著諸多的優(yōu)點，它是一個可自主獨立實現(xiàn)定位與導航、定位精度高、無定位盲區(qū)、空間定位感強等的系統(tǒng)，但是由于目前城市道路路面特殊狀況以及RFID 標簽系統(tǒng)本身的物理特性等原因，不可能直接實現(xiàn)大規(guī)模鋪設(shè)應(yīng)用。但是由于此系統(tǒng)具備的明顯優(yōu)勢，相信在不久的將來，當城市的道路建設(shè)標較規(guī)范，路面比較統(tǒng)一，同時加上標簽物理性能的不斷提高，此系統(tǒng)即可進行大規(guī)模的鋪設(shè)和應(yīng)用。從而完全實現(xiàn)獨立定位和導航，而直接擺脫GPS 定位系統(tǒng)，徹底服務(wù)于人們的日常生活和智能交通。
參考文獻
[1] （德）Klaus Finkenzeller，陳大才編譯．射頻識別（RFID）技術(shù)．電子工業(yè)出版社．2001
[2] 游戰(zhàn)清，劉客勝，張義強，吳谷．無線射頻識別技術(shù)（RFID）規(guī)劃與實施．電子工業(yè)出版社．2005
