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使用RFID和ALPR技术的车辆访问控制智能系统

摘 要

本文介绍了一个使用RFID和自动车牌识别（ALPR）技术的车辆访问控制混合系统。事实证明，RFID技术为不同的跟踪和定位问题提供了一个有效的解决方案。然而，该技术在追踪没有标签的物体/用户方面有着缺点。因此，我们建议用ALPR来补充这项技术，以控制不同类型的车辆在朝圣季节进入麦加地区（沙特阿拉伯）。这个有限的区域很容易因为大量的车辆试图进入而变得拥挤。在朝圣季开始前，获准进入该地区的车辆被分配了通行的RFID标签，规定了他们允许进入的时间表。没有RFID标签的违规车辆用ALPR进行检测和识别。开发的系统在两个朝圣季节进行了测试。实验表明所开发的RFID系统能够识别所有速度达到100公里/小时的过往车辆，而ALPR系统对没有配备RFID标签的车辆识别准确率达到94%。

关键词 RFID ， 阿拉伯字符，车牌识别 ，车辆访问控制，朝圣，朝觐

1 引言

沙特阿拉伯的哈吉（或朝圣）季节是全世界穆斯林的一件大事。在此期间，有大量的车辆往返于圣地麦加。根据交通部门收集的数据，在朝觐月期间，约有260万辆汽车进入该地区。作为执行仪式的一部分，所有朝圣者（超过250万）需要在预先规定的时间内同时在不同地点之间移动。这导致该地区出现严重的交通拥堵，可能需要几个小时才能疏通。调查显示，在朝觐期间，在麦加和米娜（10公里）之间进行简单的单程旅行，很可能需要2小时以上。

在大量的人群中管理如此多的车辆是对交通当局的一个重大挑战。最近引入的火车系统只解决了一小部分问题。然而，对于老年人来说，到达火车站本身就是一个重大的挑战，尤其是大多数朝圣者都是高龄者。在这项工作中，我们提出了一个新的框架，用于在朝圣（或朝觐）季节管理交通和进入圣地。所开发的系统是混合性质的，结合了RFID技术和牌照/号码牌识别/鉴定（LPR）技术。RFID解决方案已被广泛部署在世界各地的不同国家，用于车辆访问控制以及其他不同的应用。然而，对于我们的特定应用，需要识别没有配备RFID标签的违规车辆的车牌号。这样一个LPR系统应该能够识别英文和阿拉伯文字符。

RFID技术已经证明了它在不同的跟踪和定位应用中的适用性，如资产管理、护照、运输支付和库存等。[1,2].RFID的基本概念依赖于使用标签来存储数据和检索数据，这些标签要么嵌入到物体中，要么附着在物体上。RFID标签的主要组成部分是：一个用于存储和处理信息的集成电路和一个用于接收和发射信号的天线。最近，无芯片的RFID技术已经被引入，它在不需要集成电路的情况下，通过直接打印在要识别的物体上的标签来识别[3].

与条形码相比，RFID技术有几个优点。更具体地说，RFID技术不需要视线对准，如果需要，信息可以被改变。该技术还允许同时扫描多个物体。

有三种类型的RFID标签：无源的、半无源的和有源的 [1,2].有源标签使用内部电池，而无源标签不使用。然而，对于大的通信范围，有源标签更适合。在我们的应用中，使用无源标签，因为它们具有成本效益，经久耐用，并满足阅读范围的要求。在过去的几年里，我们见证了RFID技术在交通控制领域的应用激增，特别是在车辆的识别方面。RFID标签甚至被提议作为车牌的替代品。我们在下面简要介绍一下该领域的一些相关工作。

在[4]中，Pandit等人开发了一个使用RFID的车辆追踪系统，以解决交通信号的时间安排、道路拥堵和车辆被盗的问题。该系统使用安装在所有车辆上的RFID标签，并在城市的各个路口安装阅读器进行追踪。在[5]中，作者开发了一个原型系统来管理马来西亚大学校园里的学生巴士。

对于公交车的识别和监控，该系统联合使用了RFID技术和地理信息系统（GIS）。司机和他们在每个巴士站的预定到达时间被监测到。地理信息系统被用来在互动地图上显示公交车信息。

在[6]中，林颖和他的团队开发了一个将RFID技术与通信网络、数据库和其他一些嵌入式技术相结合的系统，以提高车辆管理系统的信息获取水平、自动化和智能化。然而，他们的系统主要集中在进入停车区的问题上。最后，Isasi等人[7] 开发了一个系统，该系统将RFID识别能力与使用多个摄像头的复杂机器视觉系统结合起来，允许在大范围内对车辆进行识别、定位和跟踪。该系统能够融合所有来源的数据。然而，他们的系统主要是为了在室内工作。在文献中还可以找到其他一些试图开发基于RFID的车辆识别系统的尝试。[8-11].

然而，我们注意到，大多数现有的基于RFID的系统被限制在有少量车辆的限制区域。我们面临的挑战是如何将该技术推广到开放区域的更多用户，更重要的是，像我们的特殊应用一样，车辆没有配备RFID标签的情况。出于这个原因，我们在此建议同时使用RFID和自动车牌识别（ALPR）技术来识别车辆并控制进入圣地的权限。

ALPR在智能交通系统中获得了很大的普及。文献中讨论了大量的ALPR系统，许多系统在商业上可用于美国、欧盟、韩国、中国和日本车牌。然而，具有阿拉伯语支持的ALPR还没有被充分研究[12].许多人认为ALPR系统是典型的模式识别系统。这种系统的主要组成部分是1.图像采集。2.LP区域检测。3.LP分割和字符提取。以及4.字符识别。文献中的大多数现有贡献都依赖于提高上述一个或多个组成部分的性能。

ALPR系统的第一阶段包括一个强大的图像采集模块。对于大规模的部署，一般会使用专门的相机。本应用中使用的IR（红外）相机（卡门相机）提供高分辨率的图像，并可在白天和夜间条件下运行。这种相机是专门为ALPR应用而设计的[13].

对于第二、第三和第四阶段，已经提出了不同的算法，这些算法侧重于照明、室内/室外、复杂背景、多车道等一个或多个方面。Park等人[14]例如，Park等人讨论了一个使用多种颜色检测韩国车牌的系统，而张和殷 [15] 使用Hough变换方法来检测车牌的矩形结构。Hontani和Koga [16]使用比例形状分析法，在不知道车牌位置和尺寸的情况下提取车牌区域。Ahmed等人[12]使用边缘检测，然后使用基于黑白比的自适应阈值技术，从而排除非车牌区域。在他们的工作中，使用基于特征的方法检测LP区域，然后使用神经网络进行阿拉伯字符的识别阶段。对于文献的全面回顾，读者可以参考以下调查/回顾[17-20].

本文的主要贡献在于开发了一个集成了RFID和ALPR技术的新混合系统，以解决车辆进入圣地的主要问题。这一应用对沙特阿拉伯王国来说是极其重要的。该系统是为处理使用阿拉伯字符的区域车牌而定制的。对于我们的应用，总是存在一个瓶颈，即大量的车辆试图在短时间内进入圣地。因此，我们的系统对授权车辆使用了RFID技术。这种技术非常有效，不需要ALPR所要求的分割和识别阶段。然而，对于违规的车辆（数量少得多），我们使用ALPR系统。混合技术的使用提高了我们应用的整体效率。此外，该系统只允许服务车辆按照预先指定的时间表进入。任何试图在其允许的时间表之外进入的服务车辆都被认为是违规车辆。这样的安排有助于缓解拥堵，因为服务车辆的进入可以在整个白天或晚上以良好的分布方式分布在圣地的不同入口。

本文组织如下。第2节详细介绍了所提出的系统，第3节概述了系统的设计和运行，第4节描述了系统的部署设置，接着是第5节我们的实验结果。最后，第6节是本文的结论。

2 建议的系统

我们在本文中的主要目标是开发一个系统，以解决沙特阿拉伯朝圣季节的车辆拥堵的主要问题。对现有商业系统的初步调查表明，大多数系统并不适合我们的特定应用。在设计拟议的系统之前，我们首先与当地交通部门的官员协调，制定了一套规范。这些官员在朝圣季节组织和管理圣地的交通方面有丰富的经验。在这些讨论的基础上，我们列出了该系统的主要规格。

不同的车辆（私人或服务）都有规定的进入该地区的时间表。

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这些车辆配备了预先编程的RFID标签。

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进入检查站区域后，车辆被扫描出一个RFID标签。

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在有标签的情况下，其有效性会被交叉检查，以便在该特定时间进入。

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未经授权的车辆被拒绝进入和/或被处以罚款（预防与威慑模式）。

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对于没有标签的车辆，使用ALPR系统来识别车牌。

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为了控制繁忙的交通，在检查点前约50米处，安装了车道分隔器，以限制每辆车通过特定的车道。

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该系统的运行有两个主要阶段。在第一阶段，未经许可的车辆的司机会通过汽车侧面的大型显示板得到警告。

图1 提议系统的总体结构

在检查站前的道路出口。这将减少主检查站前的拥堵。所有的设备，包括传感器、阅读器、摄像头和障碍物，都安装在检查站。这里使用的障碍物可以自动操作，也可以由交通官员手动操作（需要时）。

在检查站收集到的所有信息都被发送到一个区域数据中心进行进一步处理。从违规车辆上收集的图像被处理并传送到一个中央办公室，以便进一步处理和发放罚款。该系统的设置可以选择获取和传输视频流而不是单个图像。图1 和 2 显示了该系统的整体配置以及一个部署的例子。

对于数据通信，我们已经审查了许多备选方案，包括通用分组无线电服务（GPRS）、全球微波接入互操作性（WiMAX）、地面集群无线电（TETRA）技术和综合数字增强网络（iDEN）。下面我们列出了我们的应用对数据通信模块的主要要求。

-支持2MB/s量级的数据速率。

-安全和私密的通信渠道

-易于访问和管理系统

-初始和运行成本低

-易于与其他交通管理系统整合

基于上述要求，作者与当局讨论了两个主要的选择，即TETRA和GPRS。虽然TETRA可以完全由交通部门管理，但它存在数据速率低的问题。另一方面，GPRS系统需要与沙特阿拉伯的移动电话运营商之一（STC、Mobily、Virgin和Zain）协调安装和管理。在全面部署之前，这两种方案都需要进一步调查。

图2 系统部署的一个例子

3 系统设计和运行

在朝觐季开始之前，获准的车辆都会被提供预编程的RFID标签。这些标签包含司机的信息、车辆识别信息，更重要的是，为这些车辆分配的路线和时间段。在接近麦加圣地时，未经许可的车辆会被警告，并在路边设置大型警告牌，提醒其离开（见图3).

主检查站的系统由一个触发模块、RFID阅读器、LPR摄像机和每个车道的障碍物组成。为了提供部署该系统的灵活性，我们提出了两种操作模式。在第一种模式下，称为威慑模式，允许未经许可的车辆进入，但对其处以重罚；而在预防模式下，使用障碍物迫使未经许可的车辆离开。下面将详细解释这两种操作模式。

3.1 预防模式

在这种情况下，未经授权的车辆被迫离开主干道，因为障碍物不会打开（见图4).此外，当局可以选择对到达主检查站的违规车辆进行罚款。这将有助于减少主检查站的瓶颈问题。实际上，这种模式可以被看作是一种预防-威慑相结合的模式。

图3 用于提醒司机的路边标志（如果未经授权请离开）。

图4 预防方案的草图

图5 系统的总体流程图

3.2 威慑模式

由于强迫未经授权的车辆离开本身就会增加拥堵，当局可以选择允许这些车辆进入限制区，但对司

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