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基于RFID技术的通用停车场管理系统
作者：张国洪 祁同林 华宜朝
来源：中国自动识别技术杂志
日期：2009-07-22 15:05:39
摘要：本文以南京海关机关车辆管理系统为例，着重探讨RFID技术如何应用于停车场管理的通用解决方案。
随着科学技术的发展和人民生活水平的日益提高，社会车辆数量在不断地上升，道路拥堵越来越严重，车辆停泊越来越难，小区、机关、企事业单位、社会停车场车满为患。尤其各政府机关、企事业单位为了保障内部安全，对出入的各类车辆进行规范管理显得更加迫切，既要保证本单位车辆快速出入，同时，又能兼顾对外来车辆管理。这些工作单靠人力是很难胜任的，必须使用现代技术手段对车辆进行管理。本文以南京海关机关车辆管理系统为例，着重探讨RFID技术如何应用于停车场管理的通用解决方案。
RFID技术应用于停车场管理的案例很多，大部分是针对标准收费停车场管理、车辆通行管理，相对规范而简单，而政府机关、企事业单位、住宅小区等一般停车场所进出口地形复杂，进出车辆复杂，因而对车辆通行管理相对复杂些。
标准收费停车场管理
标准收费停车场的车辆进出通道都是分开的，且有人管理，通道宽度一般在3.5米以内。临时车辆进入停车场时，先停车取IC卡，系统统计车辆进入时间，同时抓拍一张车辆车牌图片，挡杆抬起，车辆进入场内停放。车辆离开停车场，收费员人工收回IC卡，系统根据停车时间确定停车费，同时，调取进场时拍摄的车牌照片与当前车辆车牌图片进行比对，确保车辆车牌一致，防止中途换车，最后收取停车费用，挡杆抬起，车辆离开。
一般停车场所管理
政府机关、企事业单位、住宅小区等一般停车场所的进出通道绝大部分是共用，由于停车位比较紧张，需要对固定车辆实行通行证管理，该通行证简称“电子车牌”，电子车牌由远距离、非接触、RFID标签构成，一般采用陶瓷材料的标签，固定在车辆前挡风玻璃上，或者采用金属电子标签固定在车辆前牌照边沿，标签一般不可拆卸，保证一车对应一卡，车辆进出时不用停车，系统就会自动读取电子车牌，拍摄车辆车牌图像，后台系统比对车辆电子车牌注册信息，若读取信息与后台注册信息一致，且通行期限有效则自动抬起挡杆，而无须人工操作。对于临时进出的车辆，则可通过IC卡进行自动、半自动或人工进行管理。
南京海关车辆停车管理
南京海关机关办公区域，地处繁华的市区，停车场地紧张，办公车辆及私人车辆近400辆，并且依然在不断增加，现有的停车场地已不堪重负，对车辆进出机关的管理难度越来越大。为此，南京海关领导非常重视，决定引进RFID技术对进出机关的公车和私车车辆进行自动化管理。
南京海关机关办公区域是一个最常见的、混合的、复杂的停车区域，其地下车库是一个标准的停车场，进出口分开，不会互相干扰，只能进出小型车辆。可是该停车场的2个进出大门设置却非常复杂：
大门宽度可达6～8m，由于经常有10多米长的大巴进出，而不能对进出通道进行物理隔离，导致车辆可能同时进出，且车辆进出时的位置任意性很大；
2个进出大门与门外道路呈丁字形，电动道闸与门外社会道路仅有2到3米之隔，大门内侧道路同样呈丁字形分布，车辆既可以直行，也可以立即进行90º右拐，从地下停车场进口旁边经过；
由于内外道路的复杂性，车辆很容易长时间堵在RFID天线的范围内。
参见图1
针对以上路况的复杂性，南京三宝科技股份有限公司开发了一套通用的停车
场车辆管理系统，该系统的特点为：
具有通用性、实用性，适用于社会标准停车场、小区、企事业单位的车辆管理；
对于不同车辆，采用不同形式的RFID标签；
远距离RFID与IC技术兼容；
LED诱导屏与短信方式结合，动态引导车辆。
软件系统
南京海关车辆停车管理系统包括：发卡管理子系统、查询统计管理子系统、地下停车场管理子系统、地面停车场管理子系统。参见图3.
查询统计管理子系统：查询车辆出入地下车库、地面北大门和东门的通行记录，统计车辆通行数据，实时查询车辆所在位置（在停车场内还是在外面）。
地下停车场管理子系统：控制进出地下车库车辆的通行。
当授权车辆进入地下车库大门时，系统能自动读取电子车牌、抓取车辆牌照图片，并控制挡杆自动抬杆；控制人员也能手工控制进口和出口挡杆的起落；LED屏可以实时显示出地面及地下停车场内空车位信息。
地面停车场管理子系统：分为北门控制系统和东门控制系统，分别控制进出地面北大门和东门车辆的通行。可以根据地面线圈触发信息，确定车辆的通行方向；由系统授权能进入地面北大门和东门车辆通过大门时，系统能自动读取电子车牌，并控制挡杆自动抬杆，自动抓拍通过大门车辆牌照图片；控制人员可以手工控制北大门和东门道闸挡杆的起落；LED屏实时显示出地面及地下停车场内空车位信息；将当前地面车位状态实时地通过LED显示屏显示出来。
设备选择
用于停车场管理系统的读写器设备采用两种方案，一种是将天线与读写器集成在一体的一体化读写器，天线增益为7.5dB，安装在通道门顶部或通道侧面位置，这种一体化读写器适用于读取标签距离较近，天线与标签相距小于6米，一般通道宽度不超过3米，安装在地下停车场入口出。
另一种是读写器与天线是分开的，通过馈线连接，一台读写器可以同时连接多个天线进行工作，可使用增益大的天线，天线增益为12dB，读取标签距离可以超过10米，应用于通道较宽的场合。
问题的解决
南京海关机关车辆管理系统除了应具备标准停车场所具备的功能之外，更因其环境复杂的特殊性，在进行现场实施的过程中必须注意解决下列难题：1、贴卡难；2、大门太宽保证读卡成功率；3、进出通行不明确区分通道，电子车牌与车辆关联，空车位与显示数同步；4、挡杆自动落杆。
贴卡难问题
机关停车场系统管理的车辆90％以上是内部的公车和员工上下班驾驶的私家车，这些车辆都是长期使用的，应贴固定电子车牌标签，保证一车一卡对应，参见图4。
为了解决金属材料对陶瓷电子标签使用时影响，就需要采用金属电子标签。车辆表面除玻璃材料外就是金属外壳，从不影响车辆外观出发，又能被读卡器天线读到，最合适的安装位置应该是车辆的前车牌照边沿位置，这就要求金属介质标签必须设计成细而长的外形，根据在集装箱物流管理中使用集装箱电子标签的经验，对集装箱电子标签进行了技术改进以适用于车辆管理需要，专门开发了应用于汽车上的金属电子标签，外形设计参见图5。
大门太宽保证读卡成功率问题
现场地面停车场通行大门最大宽度可达8m，不允许使用顶装天线，天线只能安装在大门两侧，车辆从多个方向通过大门，参见图7。
由于对准门内或门外的两对天线由两个读写器各自控制，会出现当车辆行进出大门时，在同一时刻被两个天线同时读取，这样也会影响标签读取的成功率，因此，在软件设计时，应控制读写器天线轮流循环工作方式读取标签，即读写器1的天线1 →读写器2的天线1→读写器1的天线2→读写器2的天线2→读写器1的天线1，这种轮流读取标签工作方式，保证一个时刻只有一个天线在工作。
进出通行不分道，电子车牌与车辆关联，空车位与显示数的同步问题
由于南京海关停车场空间限制，进出车辆都从一个门内通过，且通行不分通道，导致读取到车辆电子车牌标签很难与通行车辆一一对应，且LED显示屏主是显示的空车位数量也很难与实际空车位数一致。这需要从硬件设备、软件控制及管理规范这些方面进行考虑。
硬件方面，大门埋设两个线圈，分别位于挡杆的两侧，两个线圈相距在一个车位长度内（一般在2.5m以内），必须确保每一辆通行的车辆通过时都能同时压到这两个线圈，每个线圈宽度不超过0.5m，即小于两辆车通行的间距。通过这两个线圈状态信号的先后变化情况，来判断车辆的通行方向。在大门内、外距离两线圏1～2m位置的地面安装减速带，限制车辆通过大门的速度，保证通行时车辆的间距。
软件方面，根据两个地感线圈状态信号的变化来判断通行方向，车辆通过大门时地感线圈状态变化，参见图8.
管理上，规定车辆通行时保持最小间距0.5米，在大门挡杆两边沿通行方向画出临时等待车辆通行分界线，确保车辆有序通过。
挡杆自动落杆的问题
正常情况下进、出通道分开时，挡杆自动落杆控制则由挡杆和地感线圈联合完成的，一般不需要软件系统介入。对于进、出通道不分开的情况下，车辆通行情况比较复杂，不能简单地由挡杆和地感线圈联合控制完成，除硬件措施外还必须借助软件控制才能实现。
硬件上采用双线圈联合感应的工作方式，由软件判断是否有车辆正经过其中一个线圈，若有则不能自动落杆，否则，挡杆会砸到车辆。如果两个线圈上都没有车辆通过时，则系统自动倒计时(3秒、5秒，…)，在一定时间内没有车辆通过线圈，则系统会发出落杆命令，挡杆才会自动落杆
另外，管理措施上在大门两边标出非机动车通行区域，将人行及自动车通行与汽车通行分开，减少人行及自动车对地感线圈的干扰，也避免人行等被挡杆自动落杆时砸到。
通过以上这些措施，车辆通过大门时，系统对车牌的识别率达到99％，空车位同步达99.5％，确保了系统的正常运行。
本项目自2007年10月建成以后，已经可靠运行了一年半的时间，解决了车辆在门口的堵车和人工难以管理的问题，大大提高车辆通行的速度，实现了不停车进出，减轻了保安人员的工作量，取得了良好的效果。该系统对于政府机关、企事业单位、住宅小区等一般停车场所的管理，具有通用性、实用性和推广性，具有较强的推广应用价值。(作者单位：南京三宝科技股份有限公司)
RFID技术应用于停车场管理的案例很多，大部分是针对标准收费停车场管理、车辆通行管理，相对规范而简单，而政府机关、企事业单位、住宅小区等一般停车场所进出口地形复杂，进出车辆复杂，因而对车辆通行管理相对复杂些。
标准收费停车场管理
标准收费停车场的车辆进出通道都是分开的，且有人管理，通道宽度一般在3.5米以内。临时车辆进入停车场时，先停车取IC卡，系统统计车辆进入时间，同时抓拍一张车辆车牌图片，挡杆抬起，车辆进入场内停放。车辆离开停车场，收费员人工收回IC卡，系统根据停车时间确定停车费，同时，调取进场时拍摄的车牌照片与当前车辆车牌图片进行比对，确保车辆车牌一致，防止中途换车，最后收取停车费用，挡杆抬起，车辆离开。
一般停车场所管理
政府机关、企事业单位、住宅小区等一般停车场所的进出通道绝大部分是共用，由于停车位比较紧张，需要对固定车辆实行通行证管理，该通行证简称“电子车牌”，电子车牌由远距离、非接触、RFID标签构成，一般采用陶瓷材料的标签，固定在车辆前挡风玻璃上，或者采用金属电子标签固定在车辆前牌照边沿，标签一般不可拆卸，保证一车对应一卡，车辆进出时不用停车，系统就会自动读取电子车牌，拍摄车辆车牌图像，后台系统比对车辆电子车牌注册信息，若读取信息与后台注册信息一致，且通行期限有效则自动抬起挡杆，而无须人工操作。对于临时进出的车辆，则可通过IC卡进行自动、半自动或人工进行管理。
南京海关车辆停车管理
南京海关机关办公区域，地处繁华的市区，停车场地紧张，办公车辆及私人车辆近400辆，并且依然在不断增加，现有的停车场地已不堪重负，对车辆进出机关的管理难度越来越大。为此，南京海关领导非常重视，决定引进RFID技术对进出机关的公车和私车车辆进行自动化管理。
南京海关机关办公区域是一个最常见的、混合的、复杂的停车区域，其地下车库是一个标准的停车场，进出口分开，不会互相干扰，只能进出小型车辆。可是该停车场的2个进出大门设置却非常复杂：
大门宽度可达6～8m，由于经常有10多米长的大巴进出，而不能对进出通道进行物理隔离，导致车辆可能同时进出，且车辆进出时的位置任意性很大；
2个进出大门与门外道路呈丁字形，电动道闸与门外社会道路仅有2到3米之隔，大门内侧道路同样呈丁字形分布，车辆既可以直行，也可以立即进行90º右拐，从地下停车场进口旁边经过；
由于内外道路的复杂性，车辆很容易长时间堵在RFID天线的范围内。
参见图1
针对以上路况的复杂性，南京三宝科技股份有限公司开发了一套通用的停车
场车辆管理系统，该系统的特点为：
具有通用性、实用性，适用于社会标准停车场、小区、企事业单位的车辆管理；
对于不同车辆，采用不同形式的RFID标签；
远距离RFID与IC技术兼容；
LED诱导屏与短信方式结合，动态引导车辆。
图1：南京海关办公大楼的平面布置示意图
图2：南京海关车辆停车管理系统结构
软件系统
南京海关车辆停车管理系统包括：发卡管理子系统、查询统计管理子系统、地下停车场管理子系统、地面停车场管理子系统。参见图3.
图3：停车场系统软件结构
查询统计管理子系统：查询车辆出入地下车库、地面北大门和东门的通行记录，统计车辆通行数据，实时查询车辆所在位置（在停车场内还是在外面）。
地下停车场管理子系统：控制进出地下车库车辆的通行。
当授权车辆进入地下车库大门时，系统能自动读取电子车牌、抓取车辆牌照图片，并控制挡杆自动抬杆；控制人员也能手工控制进口和出口挡杆的起落；LED屏可以实时显示出地面及地下停车场内空车位信息。
地面停车场管理子系统：分为北门控制系统和东门控制系统，分别控制进出地面北大门和东门车辆的通行。可以根据地面线圈触发信息，确定车辆的通行方向；由系统授权能进入地面北大门和东门车辆通过大门时，系统能自动读取电子车牌，并控制挡杆自动抬杆，自动抓拍通过大门车辆牌照图片；控制人员可以手工控制北大门和东门道闸挡杆的起落；LED屏实时显示出地面及地下停车场内空车位信息；将当前地面车位状态实时地通过LED显示屏显示出来。
设备选择
用于停车场管理系统的读写器设备采用两种方案，一种是将天线与读写器集成在一体的一体化读写器，天线增益为7.5dB，安装在通道门顶部或通道侧面位置，这种一体化读写器适用于读取标签距离较近，天线与标签相距小于6米，一般通道宽度不超过3米，安装在地下停车场入口出。
另一种是读写器与天线是分开的，通过馈线连接，一台读写器可以同时连接多个天线进行工作，可使用增益大的天线，天线增益为12dB，读取标签距离可以超过10米，应用于通道较宽的场合。
问题的解决
南京海关机关车辆管理系统除了应具备标准停车场所具备的功能之外，更因其环境复杂的特殊性，在进行现场实施的过程中必须注意解决下列难题：1、贴卡难；2、大门太宽保证读卡成功率；3、进出通行不明确区分通道，电子车牌与车辆关联，空车位与显示数同步；4、挡杆自动落杆。
贴卡难问题
机关停车场系统管理的车辆90％以上是内部的公车和员工上下班驾驶的私家车，这些车辆都是长期使用的，应贴固定电子车牌标签，保证一车一卡对应，参见图4。
图4：电子车牌
为了解决金属材料对陶瓷电子标签使用时影响，就需要采用金属电子标签。车辆表面除玻璃材料外就是金属外壳，从不影响车辆外观出发，又能被读卡器天线读到，最合适的安装位置应该是车辆的前车牌照边沿位置，这就要求金属介质标签必须设计成细而长的外形，根据在集装箱物流管理中使用集装箱电子标签的经验，对集装箱电子标签进行了技术改进以适用于车辆管理需要，专门开发了应用于汽车上的金属电子标签，外形设计参见图5。
图5：汽车专用金属电子标签
图6：金属电子标签安装示意图
大门太宽保证读卡成功率问题
现场地面停车场通行大门最大宽度可达8m，不允许使用顶装天线，天线只能安装在大门两侧，车辆从多个方向通过大门，参见图7。
图7：车辆流通方向示意图
由于对准门内或门外的两对天线由两个读写器各自控制，会出现当车辆行进出大门时，在同一时刻被两个天线同时读取，这样也会影响标签读取的成功率，因此，在软件设计时，应控制读写器天线轮流循环工作方式读取标签，即读写器1的天线1 →读写器2的天线1→读写器1的天线2→读写器2的天线2→读写器1的天线1，这种轮流读取标签工作方式，保证一个时刻只有一个天线在工作。
进出通行不分道，电子车牌与车辆关联，空车位与显示数的同步问题
由于南京海关停车场空间限制，进出车辆都从一个门内通过，且通行不分通道，导致读取到车辆电子车牌标签很难与通行车辆一一对应，且LED显示屏主是显示的空车位数量也很难与实际空车位数一致。这需要从硬件设备、软件控制及管理规范这些方面进行考虑。
硬件方面，大门埋设两个线圈，分别位于挡杆的两侧，两个线圈相距在一个车位长度内（一般在2.5m以内），必须确保每一辆通行的车辆通过时都能同时压到这两个线圈，每个线圈宽度不超过0.5m，即小于两辆车通行的间距。通过这两个线圈状态信号的先后变化情况，来判断车辆的通行方向。在大门内、外距离两线圏1～2m位置的地面安装减速带，限制车辆通过大门的速度，保证通行时车辆的间距。
软件方面，根据两个地感线圈状态信号的变化来判断通行方向，车辆通过大门时地感线圈状态变化，参见图8.
图8：线圈状态变化示意图
管理上，规定车辆通行时保持最小间距0.5米，在大门挡杆两边沿通行方向画出临时等待车辆通行分界线，确保车辆有序通过。
挡杆自动落杆的问题
正常情况下进、出通道分开时，挡杆自动落杆控制则由挡杆和地感线圈联合完成的，一般不需要软件系统介入。对于进、出通道不分开的情况下，车辆通行情况比较复杂，不能简单地由挡杆和地感线圈联合控制完成，除硬件措施外还必须借助软件控制才能实现。
硬件上采用双线圈联合感应的工作方式，由软件判断是否有车辆正经过其中一个线圈，若有则不能自动落杆，否则，挡杆会砸到车辆。如果两个线圈上都没有车辆通过时，则系统自动倒计时(3秒、5秒，…)，在一定时间内没有车辆通过线圈，则系统会发出落杆命令，挡杆才会自动落杆
另外，管理措施上在大门两边标出非机动车通行区域，将人行及自动车通行与汽车通行分开，减少人行及自动车对地感线圈的干扰，也避免人行等被挡杆自动落杆时砸到。
通过以上这些措施，车辆通过大门时，系统对车牌的识别率达到99％，空车位同步达99.5％，确保了系统的正常运行。
本项目自2007年10月建成以后，已经可靠运行了一年半的时间，解决了车辆在门口的堵车和人工难以管理的问题，大大提高车辆通行的速度，实现了不停车进出，减轻了保安人员的工作量，取得了良好的效果。该系统对于政府机关、企事业单位、住宅小区等一般停车场所的管理，具有通用性、实用性和推广性，具有较强的推广应用价值。(作者单位：南京三宝科技股份有限公司)
