高速公路ETC背后的RFID识别技术演进

摘要

随着我国高速公路网的不断扩大，人工收费方式逐渐无法满足车辆高速通行的需求。电子不停车收费系统（ETC）的大规模建设，使得射频识别（RFID）技术在交通行业得到了前所未有的应用与验证。本文将系统性回顾 RFID 技术在 ETC 中的演进过程，分析关键技术环节，包括频段选择、OBU 架构、天线设计、通信协议与安全机制，并结合当前发展趋势，探讨其未来可能的方向。

1 引言

高速公路 ETC 系统的核心目标是提升通行效率、降低拥堵和减少运营成本。在整个体系中，RFID 识别技术是车辆与路侧基础设施交互的关键环节。如何在高速运动环境下实现准确、快速且安全的识别，一直是研究和工程实践中的难题。

从技术路线看，ETC 的 RFID 方案经历了从低频、高频到超高频的演进；从设备形态看，OBU 由无源尝试到主动化成熟；从系统设计看，识别的“读得到”逐步走向“读得准、读得安全”。这些演进过程，体现了交通信息化与射频工程不断磨合的历程。

2 RFID 频段选择的演进

2.1 低频与高频方案的局限

早期试点曾采用 125kHz 低频和 13.56MHz 高频 RFID。低频标签具备较强的抗干扰能力，但通信速率极低，难以支持车辆在 40km/h 以上环境下的稳定识别。高频 RFID 在门禁与公交支付领域应用广泛，但识别距离不足 2 米，无法覆盖高速车道。

2.2 超高频的确立

超高频（UHF, 860–960MHz）方案最终被选定，原因在于其识别距离可达 3–10 米，通信速率快，且支持多标签防碰撞机制。特别是在高速车道多车并行的情况下，UHF 能有效区分多辆车辆身份，满足工程要求。

2.3 频段标准化

国际上 UHF 频段存在差异，例如美国采用 902–928MHz，欧洲采用 865–868MHz。我国最终划定 920–925MHz 作为专用频段。这一统一标准不仅解决了兼容性问题，也为产业链规模化生产提供了条件。

3 OBU 技术路线

3.1 无源 OBU 的尝试

早期设想采用无源 OBU（依靠路侧天线供能）。该方案在成本和维护方面具有优势，但实测结果显示，其在高速场景下识别成功率不足 90%，且金属贴膜和环境干扰会导致严重漏读。

3.2 有源 OBU 的成熟

目前主流 OBU 均为有源设计，内置电池和射频模块，能够主动发射信号。此类设备在复杂环境下识别率可达 99.9%，并支持更多功能扩展，包括加密运算、安全认证和多应用融合。虽然成本高于无源，但其可靠性使其成为行业的唯一选择。

3.3 安全模块集成

近年来，OBU 普遍集成了安全芯片和 国密算法（SM4）。这使得车辆身份验证与扣费交易能够在加密通道中完成，防止伪造和篡改。部分 OBU 甚至与银行系统绑定，实现交通与金融功能的融合。

4 路侧天线设计

4.1 宽波束的初期问题

早期 ETC 天线采用宽波束设计，虽然覆盖范围大，但在实际运行中产生“跨道识别”问题，即邻道车辆被误读。该现象在多车道收费站中尤为突出，影响系统可靠性。

4.2 窄波束与定向化

随后，系统采用窄波束定向天线，将识别区严格限定在单车道内。这种方式显著提升了识别精度，但也对安装位置和角度提出了更高要求。

4.3 分集接收与信号融合

为了应对恶劣天气和高速通行下的识别窗口缩短问题，ETC 系统普遍应用 分集接收技术。通过布设多副天线并对信号进行融合处理，系统能够在复杂环境中保持较高的识别率。

5 通信协议与安全机制

5.1 EPC Gen2 协议

ETC 系统采用 EPC Gen2（ISO 18000-6C）标准，该协议具备高效的防碰撞机制，支持快速多标签识别，是高速场景下的核心保障。

5.2 加密与认证

在交易环节，OBU 与路侧单元（RSU）之间进行双向认证。数据采用 SM4 算法加密，并附带数字签名，确保交易过程的完整性和不可抵赖性。

5.3 金融属性的扩展

部分 ETC 卡已具备银行卡功能。这一设计体现了 RFID 技术与金融行业的深度融合，拓展了应用边界。

6 技术演进的趋势

6.1 融入车联网体系

未来 ETC 将不仅是收费工具，而是车联网（V2X）基础设施的一部分。车辆通过 RFID 识别结果可与其他交通系统共享，支持智能调度与拥堵预测。

6.2 5G 与边缘计算支持

随着 5G 和边缘计算的应用，ETC 数据处理将更趋实时化。本地节点可快速完成识别与扣费，降低对中心系统的依赖。

6.3 轻量化 OBU

低功耗芯片与能量采集技术的发展，可能推动 OBU 向轻量化甚至无电池化方向演进。相比早期无源方案，未来的轻量化 OBU 将具备更高的稳定性。

6.4 多场景拓展

RFID 在 ETC 的成功实践，也推动了其在园区管理、智慧物流、智慧停车等场景的应用。未来这些领域可能形成新的产业增长点。

7 结论

高速公路 ETC 的成功，充分展示了 RFID 技术在复杂环境中的适应能力。从频段选择到协议制定，从 OBU 演进到天线设计，每一步都是工程实践和标准化工作的结果。未来，随着车联网、5G 和边缘计算的发展，ETC 将继续承担交通信息化的重要角色，并可能在更多行业场景中得到应用。