摘要

隨著我國高速公路網的不斷擴大，人工收費方式逐漸無法滿足車輛高速通行的需求。電子不停車收費系統（ETC）的大規模建設，使得射頻識別（RFID）技術在交通行業得到了前所未有的應用與驗證。本文將系統性回顧 RFID 技術在 ETC 中的演進過程，分析關鍵技術環節，包括頻段選擇、OBU 架構、天線設計、通信協議與安全機制，并結合當前發展趨勢，探討其未來可能的方向。

1 引言

高速公路 ETC 系統的核心目標是提升通行效率、降低擁堵和減少運營成本。在整個體系中，RFID 識別技術是車輛與路側基礎設施交互的關鍵環節。如何在高速運動環境下實現準確、快速且安全的識別，一直是研究和工程實踐中的難題。

從技術路線看，ETC 的 RFID 方案經歷了從低頻、高頻到超高頻的演進；從設備形態看，OBU 由無源嘗試到主動化成熟；從系統設計看，識別的“讀得到”逐步走向“讀得準、讀得安全”。這些演進過程，體現了交通信息化與射頻工程不斷磨合的歷程。

2 RFID 頻段選擇的演進

2.1 低頻與高頻方案的局限

早期試點曾采用 125kHz 低頻和 13.56MHz 高頻 RFID。低頻標簽具備較強的抗干擾能力，但通信速率極低，難以支持車輛在 40km/h 以上環境下的穩定識別。高頻 RFID 在門禁與公交支付領域應用廣泛，但識別距離不足 2 米，無法覆蓋高速車道。

2.2 超高頻的確立

超高頻（UHF, 860–960MHz）方案最終被選定，原因在于其識別距離可達 3–10 米，通信速率快，且支持多標簽防碰撞機制。特別是在高速車道多車并行的情況下，UHF 能有效區分多輛車輛身份，滿足工程要求。

2.3 頻段標準化

國際上 UHF 頻段存在差異，例如美國采用 902–928MHz，歐洲采用 865–868MHz。我國最終劃定 920–925MHz 作為專用頻段。這一統一標準不僅解決了兼容性問題，也為產業鏈規模化生產提供了條件。

3 OBU 技術路線

3.1 無源 OBU 的嘗試

早期設想采用無源 OBU（依靠路側天線供能）。該方案在成本和維護方面具有優勢，但實測結果顯示，其在高速場景下識別成功率不足 90%，且金屬貼膜和環境干擾會導致嚴重漏讀。

3.2 有源 OBU 的成熟

目前主流 OBU 均為有源設計，內置電池和射頻模塊，能夠主動發射信號。此類設備在復雜環境下識別率可達 99.9%，并支持更多功能擴展，包括加密運算、安全認證和多應用融合。雖然成本高于無源，但其可靠性使其成為行業的唯一選擇。

3.3 安全模塊集成

近年來，OBU 普遍集成了安全芯片和 國密算法（SM4）。這使得車輛身份驗證與扣費交易能夠在加密通道中完成，防止偽造和篡改。部分 OBU 甚至與銀行系統綁定，實現交通與金融功能的融合。

4 路側天線設計

4.1 寬波束的初期問題

早期 ETC 天線采用寬波束設計，雖然覆蓋范圍大，但在實際運行中產生“跨道識別”問題，即鄰道車輛被誤讀。該現象在多車道收費站中尤為突出，影響系統可靠性。

4.2 窄波束與定向化

隨后，系統采用窄波束定向天線，將識別區嚴格限定在單車道內。這種方式顯著提升了識別精度，但也對安裝位置和角度提出了更高要求。

4.3 分集接收與信號融合

為了應對惡劣天氣和高速通行下的識別窗口縮短問題，ETC 系統普遍應用 分集接收技術。通過布設多副天線并對信號進行融合處理，系統能夠在復雜環境中保持較高的識別率。

5 通信協議與安全機制

5.1 EPC Gen2 協議

ETC 系統采用 EPC Gen2（ISO 18000-6C）標準，該協議具備高效的防碰撞機制，支持快速多標簽識別，是高速場景下的核心保障。

5.2 加密與認證

在交易環節，OBU 與路側單元（RSU）之間進行雙向認證。數據采用 SM4 算法加密，并附帶數字簽名，確保交易過程的完整性和不可抵賴性。

5.3 金融屬性的擴展

部分 ETC 卡已具備銀行卡功能。這一設計體現了 RFID 技術與金融行業的深度融合，拓展了應用邊界。

6 技術演進的趨勢

6.1 融入車聯網體系

未來 ETC 將不僅是收費工具，而是車聯網（V2X）基礎設施的一部分。車輛通過 RFID 識別結果可與其他交通系統共享，支持智能調度與擁堵預測。

6.2 5G 與邊緣計算支持

隨著 5G 和邊緣計算的應用，ETC 數據處理將更趨實時化。本地節點可快速完成識別與扣費，降低對中心系統的依賴。

6.3 輕量化 OBU

低功耗芯片與能量采集技術的發展，可能推動 OBU 向輕量化甚至無電池化方向演進。相比早期無源方案，未來的輕量化 OBU 將具備更高的穩定性。

6.4 多場景拓展

RFID 在 ETC 的成功實踐，也推動了其在園區管理、智慧物流、智慧停車等場景的應用。未來這些領域可能形成新的產業增長點。

7 結論

高速公路 ETC 的成功，充分展示了 RFID 技術在復雜環境中的適應能力。從頻段選擇到協議制定，從 OBU 演進到天線設計，每一步都是工程實踐和標準化工作的結果。未來，隨著車聯網、5G 和邊緣計算的發展，ETC 將繼續承擔交通信息化的重要角色，并可能在更多行業場景中得到應用。