基于RFID技术的数字化高速公路与无人驾驶系统的配合设计

王思源

（燕山大学机械工程学院,河北 秦皇 066000）

0 引言

2013年12月31日全球知名经济咨询机构IHS环球透视（以下简称IHS）汽车部门预测，截至2035年全球将拥有近5400万辆自动驾驶汽车，预计至2035年自动驾驶汽车全球总销量将由2025年的23万辆上升至1180万辆，而无人驾驶的全自动化汽车将于2030年左右面世[1]。相关研究预测，到2050年之后，几乎所有汽车或将是自动驾驶汽车或自动驾驶商务汽车[2]。可见未来是属于无人驾驶的。

但如今的自动驾驶技术行进的方向，都在集中升级汽车的硬件与软件，但本文的观点认为，数字化道路与无人驾驶组合设计，才是未来智能交通的主流方向。通过系统设计，可以降低汽车上相关硬件的要求，还能基于数字化道路和互联网络，对于在此道路上行驶的汽车下达前瞻性的指令，从而达到未来交通的智能与高效的双重要求。

1 自动驾驶技术的发展与瓶颈

1.1 现阶段发展水平

奥迪A8是目前量产车中自动驾驶等级最高的，达到了L3，其自动驾驶系统称之为“奥迪AI交通拥堵驾驶系统”[3]。从名字可以看出，传统车企在自动驾驶方面还是比较谨慎，而该功能开启的限制也较多：1、行驶在有对向车流隔离带的高速公路上或多车道公路上；2、所有车道的车行驶缓慢，车辆间距非常小；3、车速不超过60公里/小时；4、车辆传感器监控范围内没有交通信号灯或行人。可能奥迪能做的远不止这些，但是其开放的功能只能算是L3级别自动驾驶的初级阶段。

1.2 发展瓶颈

（1）硬件方面：各种传感器和处理芯片意味着高昂的成本，要下放到普通消费者能够接受的程度还有很长的路要走。而对于用摄像头做主识别工具的自动驾驶系统来说，雨雪天气对于摄像头的干扰是亟待解决的问题。

图1 自动驾驶路况图

（2）软件方面：高精度地图对于实现高阶别自动驾驶是很有必要的。比如现在通用的Super Cruise就是依靠了高精度地图，可以在高速上实现“放开双手”。另一方面真实路况的深度学习也非常重要。比如美国和澳大利亚一些地区，经常会有动物闯入公路中，自动驾驶系统必须要能够识别才能进行后续操作。

（3）通信方面：现阶段的4G网络对于L2、L3级别的自动驾驶是够用的，但要想实现更高级别的自动驾驶，4G还是有点捉襟见肘。要达到L5级别的自动驾驶，车辆与周边车辆、行人、道路设施的通信将大幅增加，而要满足这个量级的通信，或许要5G普及后才能实现。

2 RFID技术——技术可行性分析

2.1 RFID的定义

RFID技术的全称是射频识别，是一种非接触式自动识别技术，由射频标签、读写器和天线三部分组成。RFID技术通过射频标签来实现电子数据的存储及远程数据的检索，并基于无线射频方式（无线电信号）实现读写器和射频标签的非接触式双向数据传输，以达到远程识别、监控和跟踪对象的目的[4]。

2.2 结构原理

射频标签、读写器和天线构成了一个完整的RFID系统。

（1）射频标签：射频标签由微芯片和内置天线组成，射频标签位于要识别的目标表面或内部。其中微芯片存有一定的电子数据，即被识别物品的相关信息，是射频识别系统的数据载体，其存储的信息可被读写器通过非接触方式读写；内置天线用于和射频天线进行通信。

（2）读写器：读写器是读取或写入射频标签信息的设备。读写器利用射频技术读取射频标签的数据或写入数据到射频标签，承担向射频标签传输命令或读写信息的任务。其主要功能是向射频标签发射读取信号，接收标签的应答，并对标签的对象标识信息进行解码，并将相关信息送入主机进行处理。

（3）天线：射频标签和读写器之间传输数据的传输装置。

2.3 应用范围

当前，RFID技术的应用范围涉及多种领域，涵盖了交通领域、图书馆文档追踪、生产制造系统、邮件包裹处理、甚至医疗卫生及零售业等方面，依托成本的降低和技术的创新，未来RFID技术将在更多领域发挥重要的作用[5]。

2.4 优势特点

（1）快速、批量读取。RFID技术可达到穿透性和无障碍的阅读，大量的RFID标签可被读写器同时、快速、批量读取。一次可读取高达数千枚标签，标签一进入磁场，读写器可即时读取相关信息，通常在几毫秒就完成一次读写。

（2）数据容量大。电子标签可存储大量的数据信息，如生产日期、入库日期等，还可反复改写，重复使用。读取后的数据也可即时上传系统加以处理，还可实现对产品的全过程追踪。

（3）读取距离远。根据读写器的功率等性能特点，读取距离可从几十厘米至几米不等，最远可达1.5米。采用自带电池的特定标签时，有效识别距离可达到30米以上。

（4）全球唯一性。每个RFID标签都是唯一的，在生产标签过程中，便已将标签与商品信息绑定，所以在后续商品流通、使用过程中，该标签是该商品相关信息的唯一标识。

（5）保存周期长。当前射频标签的保存周期可达几年、十几年甚至几十年，这是由标签的防水、防磁、防腐蚀、耐高温的性能决定的。因此RFID技术广泛应用于医疗卫生、畜牧业等对技术条件要求较高的行业。

（6）高安全性。RFID标签的核心技术之一是芯片，而芯片开发的难度大，成本高。而且电子标签具有可靠的安全加密机制，RFID所承载的电子信息，数据内容通过密码保护，内容不易被仿冒、侵入。

3 系统设计

3.1 整体设计

系统由公路的电子标签和车载读写器与电子标签组成。公路沿程分为一个个路段，每一个路段都装有一个电子标签，标签内含有该路段的道路信息，比如限速、道路分段等各种信息。车载的电子标签实时更新自身的车况信息，车载的读写器通过读取道路的电子标签与其它车上的车载电子标签来获取道路信息与同道路上的其它车辆的信息，从而帮助自动驾驶系统自主驾驶。具体结构如图3所示：

图3 系统结构图

3.2 道路电子标签模块

道路电子标签可存储分段道路的具体信息并且存储信息可根据实际需求调整。其存储信息内容如下：

（1）高速路段的行车道划分信息，包括宽度、行驶速度范围、是否允许变道。

（2）该路段是否有施工，如施工含有的具体的施工路段信息。

（3）来往车辆的信息，如果有违法行车行为，会被储存下来，通过网络传到交警违章系统。

3.3 车载电子标签

车载电子标签是行驶车辆的全部信息的载体，负责给其它车辆传递讯息。其存储信息内容如下：

（1）车辆的具体信息，包括车辆牌照、行驶证详情、驾驶人情况、所有者等基本信息。

（2）车辆的行驶信息，包括时速、是否有变道需求、是否有降速需求等信息。

3.4 车载读写器

通过读写器，车辆的自动驾驶系统会获得道路信息与其他车辆信息，通过讯息，做出行车的各种指令的下发。再通过车载导航仪联网所获得的该道路前方的综合车况，做出具体的行车操作。

4 系统的创新发展点

（1）把集中于车辆的智能要求中的一部分转移到道路上，减少了车辆的一部分智能硬件（各种传感器）要求，降低了车辆成本。

（2）克服了基于机器视觉的无人驾驶系统容易受到天气环境因素干扰的困境，整个信息交流是基于射频信号，不受环境的干扰。

（3）将道路信息也加入到互联网的控制范围内，综合组成物联网系统，顺应了未来万物都互联的趋势，车与道路不再是分开的、无联系的个体，而是互相联系的整体。

5 结论

本文针对现有无人驾驶技术的缺陷，基于RFID技术实现车辆与车辆之间、车辆与道路之间的信息交互，实现了数字化高速公路与无人驾驶系统的配合设计。此设计大幅度减少了车辆上各种传感器的使用，降低了成本，同时克服了机器视觉受限于恶劣环境的限制，在大雨、大雪等天气中，车辆周围的信息收集更加准确与稳定，自动驾驶系统的行为指令也就越准确。搭载5G通讯以后，车辆收集的基础信息会上传到云空间，高速公路的智能云操作系统可根据每一个车辆上传的信息，获得该高速公路上的整体信息，从而给每一辆车下发基于整体情况的建议指令，最终适应于未来“万物皆互联”的物联网时代。