RFID标签具有全天时/全天候工作、抗干扰能力强、能够识别高速运动物体等一系列优点。射频多义性路径识别系统通过引入复合通行卡(CPC，即RFID电子标签+IC卡)，利用其与设置在二义性路径^[1-3]路侧标识站的单/双向通信记录车辆的完整行驶路径。高速公路收费系统引入射频多义性路径识别技术，不但可以解决由高速公路网结构越来越复杂(路径环)、“一张网”收费机制、投资主体日益多元化导致的通行费拆分问题^[4-6]，利用其“自己认路”这一特点，辅以合理的防逃费策略，还有望解决“跑长买短”等高速公路逃费问题^[7-9]。2015年，交通运输部发布了《收费公路联网收费多义性路径识别技术要求》^[10]，为该系统在高速公路收费系统中的普及和推广提供了技术标准支撑与保证。文献[11]在充分考虑现有机电系统的基础上，联合CPC与数据库的绑定关系、出入口号牌一致性、出入口称重一致性及通行卡记录的路径信息，提出了一种新的高速公路综合防逃费实施方案。

然而机遇与挑战往往并存，通过广泛调研，人为电磁屏蔽^[1-14]问题成为射频多义性路径识别系统在高速公路逃费领域应用面临的新挑战^[11]。首先，CPC与RSU之间若为单向通信方式，则CPC一直处于监测休眠状态，高速公路沿途设置的RSU发射的广播调制信号可以唤醒CPC，通过接收信号产生的感应电流，CPC记录RSU发射的路径信息；若为双向通信方式，则CPC在邻近RSU时处于工作开启状态，在收到RSU监测信号即路径信息后发出应答信号作为回应，由此实现对CPC信息的采集。然而，若驾驶员以逃费为目的，在行驶途中将CPC人为故意放置于密闭的金属容器中，那么CPC处于电磁屏蔽状态。对单向通信方式的CPC而言，导致RSU发射的广播信号无法唤醒CPC，CPC无法记录车辆的路径信息；对双向通信方式的CPC而言，因无法收到RSU发射的监测信号而不能记录车辆的路径信息，更不会将其自身发射的信号中携带的ID信息等传递给RSU。因此对CPC施以电磁屏蔽的这种方法降低了多义性路径识别系统的可靠性，对高速公路业主的合法利益再次构成威胁。

本研究在充分了解电磁屏蔽基本原理的基础上，根据镜像电磁场理论，结合CPC与RSU的双向通信机制，探索一种识别CPC被人为屏蔽的多义性路径识别系统通信方法，并对该方法进行原理性验证。

在讨论应对人为电磁屏蔽的策略之前，有必要对其屏蔽原理进行简单分析。本章将主要利用镜像电场理论^[15]讨论电磁屏蔽问题。镜像法是用放置在所求场域之外的假想电荷(镜像电荷)等效替代导体表面(或介质分界面)上的感应电荷(或极化电荷)对场分布的影响，从而将求解实际的边值问题转换为求解无界空间的问题。

首先以单个静电荷为例，对镜像电场进行讨论。图 1为静电场条件下电荷Q与电荷q的相互作用关系，两个电荷相距较远，电荷q放置于密封的金属屏蔽体内，且电荷q与屏蔽体表面的距离远小于两电荷的距离。与无限空间域内两个电荷相互作用的关系不同，电荷q会因为放置于密封的金属屏蔽体内而无法像电荷Q一样以本身为源来形成自己的电场，故而只能通过其在屏蔽体外的感应电荷(即镜像电荷)释放场能。根据镜像原理，电荷q因为在屏蔽体内部且两者距离较小，因此电荷q的镜像电荷分布于金属屏蔽体表面不远处，这些镜像电荷会代替电荷q作用于电荷Q，对其产生电场力。而对电荷Q来说，因为与金属屏蔽体距离较大，由镜像原理，其镜像电荷会落于距离屏蔽体较远处，因此电荷Q的镜像电荷无法对电荷q产生电场力，换言之，电荷Q对电荷q的作用会因为密封金属体的屏蔽而失去作用。

图 1 镜像电场原理示意图 Fig. 1 Schematic diagram of mirror electric field principle

交变电场条件下的镜像与静电场作用下的镜像类似，同样是用实际上不存在的“象电荷”来代替真实的导体感应电荷或介质极化电荷，只是这些感应电荷或极化电荷在时时发生正负交替的变化，故而在原来电场的基础上会产生相应的磁场，即会在这些电荷周围形成电磁场，通过电磁场的分布对场点作用。

多义性路径射频识别系统的电磁屏蔽所用的原理与上述交变电场作用下得出的结论一致。

基于RFID的多义性路径识别系统主要由数据中心、RSU和CPC等组成。以双向通信模式为例，CPC和RSU两者之间能够相互传递信息，即在CPC接收到RSU发射的路径信息后，向其发送带有ID号等信息的应答信号。若将CPC放置于密闭的金属容器中(类比于图 1中的电荷q)，在屏蔽体未接地的情况下，使CPC处于电磁屏蔽状态。由镜像原理可知，CPC处于外电场屏蔽状态，外部电场无法影响屏蔽体中的电场，即CPC无法接收RSU发射的广播信号。但是，屏蔽体内部的有源CPC可在屏蔽体外产生镜像的电磁场，继而对RSU施以影响。

综上所述，在电磁屏蔽条件下，根据镜像原理，RSU能够收到有源CPC发出的信号，而CPC无法收到来自RSU的广播信号。本研究的目的即为设计合理的双向通信策略，对电磁屏蔽状态进行识别并记录有效的路径信息。

基于RFID的多义性路径识别系统的“认路”功能可以精确识别车辆行驶的实际路径^[16]，有效防止如相向行驶换卡、J转、团伙倒卡等一系列的逃费行为^[17-18]。在人为电磁屏蔽情况下，由以上讨论可知，CPC无法接收RSU发出的广播信号，从而无法产生感应电流激活CPC记录路径信息。根据上文镜像原理的分析，对无源CPC而言，记录路径信息将彻底失败。而对有源CPC而言，由于CPC能够主动发射信号，根据镜像理论，发射信号将在屏蔽体外侧产生镜像电磁场，利用这一特性，设计合理的策略可利用RSU与数据中心的双向通信记录CPC的路径信息甚至对人为电磁屏蔽现象进行识别。具体来说，RSU接收到有源双向CPC卡发射的ID信息后，发射应答信号，若CPC未处于屏蔽状态则接收到应答信号后，再向RSU发射应答信号表示已接收到RSU路径信息；若RSU未收到CPC第二次发射的应答信号，则表示CPC有可能处于屏蔽状态。

然而机遇与挑战往往并存，以上思路面临供电问题的困扰。根据《收费公路联网收费多义性路径识别技术要求》，CPC外观尺寸要求为：长度85.5 mm，宽度54 mm，厚度不大于5 mm。尺寸限制了其电池容量，CPC在车辆行驶过程中为节省电量无法全程保持发射开启状态，因此必须采取特定的激活方式，保证CPC卡在通过RSU路侧单元时能及时准确地记录路径信息。考虑到功耗及传感器的尺寸问题，拟在CPC内置一个振动传感器及简单数据处理模块用于激活CPC收发单元。另外，如图 2所示，在RSU天线辐射范围上游设置横向振荡标线，通过统计意义上有规律的振动模式激活CPC。具体实施方案如下。

图 2 RSU接收范围边缘设置横向振荡减速标线示意图 Fig. 2 Schematic diagram of setting horizontal oscillation decelerating marks at edge of RSU receiving radius

步骤1：RSU发射广播信号，通过其覆盖范围的单向CPC、双向CPC记录路径信息，在未屏蔽状态下，双向有源CPC可接收到RSU广播信号并写入路径信息。

步骤2：双向CPC进入路网后，振动传感器开始采集数据，根据标线的凸起宽度、间隔及车辆最高行驶速度确定采集频率，以使通过每个横向振荡标线凸起产生的振动均被采集到。为了去除偶然因素引入的突变振动数据对阈值设定的影响，数据处理模块可以考虑对数据处理周期T_p内记录的振动数据进行简单滤波，滤波后振动数据若干特征值的组合设定为下一周期判定进入RSU覆盖范围的阈值。不断调整阈值是为了自动适应不同车速条件下通过相同障碍物产生的不同振动，每个数据处理周期更新1次阈值。

步骤3：当前数据处理周期内的振动数据有大于等于N个值超过上一周期设定的阈值，则触发无线通信单元发送CPC卡的ID信息。

步骤4：RSU接收到ID信息后，向CPC发送包含RSU路径信息的应答信号。

步骤5：若CPC未被电磁屏蔽，则可接收到RSU发送的应答信号，数据处理模块判断卡内是否有重复路径信息，若无重复路径信息则写入路径信息，同时向RSU发送已接收到路径信息的应答信号。

步骤6：若RSU在时间t_i内未接收CPC的应答信号，则判定该卡被电磁屏蔽。

步骤7：RSU将被屏蔽CPC的ID信息发送至上位机数据库，将该ID信息列入黑名单，并计数加1。

步骤8：车辆进入高速公路前，收费站工作人员读取双向有源复合通行卡信息，若对应ID被m次列入黑名单，则判定为人为故意电磁屏蔽通行卡，根据相关规定进行处罚。

值得说明的是，考虑到双向CPC的成本及高速公路逃费的主要群体^[5]，以上方案将主要针对载重货车，即仅对载重货车发放双向有源CPC。

如上所述，通过内置振动传感器联合横向振荡标线的方式，并辅以合理的策略，能够对人为电磁屏蔽问题进行甄别，至少可以准确记录CPC的路径信息，避免收费损失。其中，对于一些参数的设置需要进行深入的分析和讨论。

T_p为CPC数据处理模块的数据处理周期。该参数的设置将直接影响CPC触发无线收发单元的敏感度，因为将在T_p内确定下一个处理周期内的触发阈值，同时T_p也受限于横向振荡标线的覆盖范围L及路网内的平均最低行驶车速v₁，因为需要尽量保证所有振动信号在1个处理周期内，即：

(1)

如上所述，T_p并不是越大越好，过大的T_p将导致过多的数据存储负担，由于CPC尺寸的限制，无法放置过于复杂的数据处理单元，另外也将导致漏警。

如图 2所示，M为横向振荡标线与RSU天线覆盖范围边缘的距离。M的设置是为了保证在路网内平均最高行驶车速v_h条件下，1个T_p内CPC的无线收发单元可以被唤醒，即：

(2)

同样，过大的M将导致CPC收发单元需保持长时间开启，从而损耗更多的电量。

横向振荡标线触发无线收发单元后，无线单元需要在路网内平均最低行驶车速下保持开启状态直至行驶至天线覆盖范围内，因此T_D由M及v₁确定，即：

(3)

同理，电池容量限制了T_D不可过大。

对于f_s同样需要折衷设置，f_s需要至少满足车辆以路网内平均最高行驶车速经过横向振荡标线时，由每个凸起产生的振动可以被记录下来，因此f_s的确定与凸起宽度w与平均最高行驶速度有关，即：

(4)

同时，需要考虑到采样率过高将会导致数据量大，这是小尺寸CPC无法负担的。

为了便于说明，举例对以上参数分析。例如，根据《道路交通标志和标线》(GB5768—2009)标准，每组振荡标线内凸起宽度为25 cm，相邻凸起间距为20 cm，共包括11个凸起，则覆盖范围为L=11×0.25+10×0.2=4.75 m，假定路网内最高和最低平均行驶速度分别为v_h=120 km/h和v₁=5 km/h，可以得到T_p≥3.42 s，M≥114 m，T_D≥82 s，f_s≥133.32 Hz。

为了验证上述应对人为电磁屏蔽的多义性路径射频识别系统实施方案的可行性，搭建了一套无线收发试验平台，包括两个CC2530无线收发模块分别作为RSU与CPC，如图 3所示。以一个金属盒为试验对象，分别在非屏蔽及屏蔽条件下对所提出的方法进行原理性验证。

图 3 试验平台 Fig. 3 Experimental platform

图 4所示为未屏蔽条件下RSU与CPC卡发射接收的数据。其中COM3为CPC收发信息监测窗口，COM4为RSU收发信息监测窗口。可以看出，CPC发射车辆代号并能够接收到RSU的应答信号，RSU能够接收CPC卡发出的车辆代号并发送确认信号，最后接收到CPC卡发送的确认信号，完成一次完整的通信流程。

图 4 未屏蔽条件下CPC和RSU收发数据对比 Fig. 4 Comparison between transmitting and receiving data of unshielded CPC and RSU

COM3中的数据254表示CPC端一直发送车辆代号254，RSU检测到CPC发送的254之后，给CPC发送确认信号T，然后标志位a自加1，显示计数值，CPC收到RSU发的确认信号T后发送信号R，RSU检测到R后即可确认完成一次完整通信过程。

图 5所示为屏蔽状态下RSU的收发状态。值得说明的是，由于CPC处于屏蔽体内，无法监控其收发情况，但是根据RSU的收发信号，同样可以反映CPC卡的工作情况。可以看出，RSU接收到了CPC发出的车辆代号，并发送确认信号T。由于CPC处于屏蔽状态，无法接收到确认信号T，因此COM4中未显示CPC接收到T的确认信号R。

图 5 屏蔽条件下RSU收发数据对比 Fig. 5 Comparison between transmitting and receiving data of shielded RSU

图 4和图 5中收发数据的试验条件是：在屏蔽状态和非屏蔽状态下分别在相距6 m和12 m条件下进行通信完整性测试。

根据镜像电磁场理论，结合CPC与RSU的双向通信机制，探索了一种识别CPC被人为屏蔽的多义性路径识别系统通信方案，并对该方法进行了原理性验证。通过搭建的简易试验平台，在屏蔽和非屏蔽状态下接收数据能够与方案描述思路保持一致，说明所采用的应对人为电磁屏蔽的多义性路径射频识别系统的方法具有一定的可行性。该方法若能在实际多义性路径识别系统中进行深入验证，结合验证结果修正实施方案，能够从一定程度上解决CPC的“失联”问题。