Кандидат технических наук А.А. Ларионов, технический руководитель разработки и исследований в области создания систем радиочастотной идентификации автомобилей, рассказывает о работах, которые ведутся в лаборатории №69 «Управления сетевыми исследованиями» ИПУ РАН с 2014 года под общим руководством заведующего лабораторией №69 «Управление сетевыми системами» ИПУ РАН профессора, д.т.н.. заслуженного деятеля науки РФ В.М. Вишневского. В лаборатории был создан прототип гибридной оптической и радиочастотной системы идентификации автомобилей и проведены успешные испытания в Казани. Результаты исследований были опубликованы в журнале IEEE JRFID и представлены на ряде международных конференций, включая IEEE RFID.

Цикл «Математика, люди и наука управления»

«RFID-технология на автодорогах»

К.т.н. Андрей Алексеевич Ларионов, ИПУ РАН

У меня в руках вот такой номерной знак. Он практически идентичен тем номерам, которые используют сегодня наши автовладельцы, но с небольшим отличием. У него есть прорезь, в которой располагается чип. Это – RFID-метка. Эту метку можно читать с помощью специальных устройств, которые называются RFID-считывателями, на расстоянии порядка 15 м. Даже если номер будет полностью закрыт снегом, грязью, бумажкой, тряпочкой, все равно эту метку можно будет прочитать.

У нас, как известно, в средней полосе полгода плохая погода, и номера часто грязные. Соответственно, с помощью камер их прочитать не всегда удается. Кроме всего прочего, эту метку очень трудно подделать, поэтому она еще добавляет дополнительную степень защиты.

На метке есть несколько банков памяти, и часть этих банков защищена от повторной записи. Другими словами, на метке есть некий идентификатор, который записан на фабрике, и перезаписать его в домашних условиях невозможна. Естественно, любую систему можно сломать, и можно добиться того, чтобы метка не читалась или вообще ее разрушить. Но в этом случае у сотрудников ГИБДД, если мы говорим о применении на дорогах, могут возникнуть дополнительные вопросы. Они могут остановить и проверить машину. В целом, поскольку эта метка дает дополнительную защиту, то с точки зрения автовладельца не очень выгодно ее повреждать. Если машину угонят, то с помощью такой метки найти ее можно будет быстрее и меньше шансов, что кто-то подделает номера.

Задача создания  RFID-меток для автомобильных номеров появилась при сотрудничестве с ГИБДД Республики Татарстан в 2014 году. Основная идея заключалась в том, чтобы повысить эффективность существующих систем фиксации нарушений.

Как известно, нарушение скоростного режима и пересечение сплошных полос – одни из основных причин высокой смертности на трассах. Идея была в том, чтобы повысить эффективность тех систем, которые используются с целью снизить число таких нарушений и, соответственно, снизить число смертей, тяжелых травм и материального ущерба.

Дело в том, что в хорошую погоду и при умеренном освещении камеры работают достаточно хорошо. Но, во-первых, номера легко скрыть. Для этого некоторые автовладельцы заклеивают часть номеров, или используют грязь, или еще как-то. Во-вторых, часто бывает плохая погода, и номера могут быть грязными. Даже при всем желании прочитать их все равно будет невозможно. Поэтому в плохих погодных условиях вероятность корректной идентификации может падать до 60–70 и ниже процентов.

Наша лаборатория, лаборатория №69 «Управления сетевыми системами» Института проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской Академии наук, занимается разработкой систем радиочастотной идентификации транспорта. Мы занимаемся этим с 2014 года.

У меня в руках устройство, которое называется RFID-считыватель. Он используется для чтения меток в номерах. Устройство работает по международному стандарту ISO 18000-6С (чаще стандарт называют EPC Class 1 Generation 2). Это радиочастотная идентификация в СВЧ-диапазоне 860 МГц. Устройство работает по стандарту и, соответственно, оно совместимо с любыми метками, которые выпускаются по этому стандарту. В России такие метки выпускаются компанией «Микрон».

Основная идея нашей разработки состоит в том, чтобы дооснастить существующие комплексы видеофиксации считывателями и тем самым получить гибридную систему, которая будет идентифицировать автомобиль как оптически, так и по метке, то есть радиочастотным способом.

Ближайшая аналогия к технологии RFID, если говорить простым языком, – это солнечный зайчик. Вот у нас зеркальце. На него падает свет. Мы это зеркальце показываем-убираем, показываем-убираем. Можем, используя кодирование методом азбуки Морзе, передать какое-то сообщение. 

Принципиально физически процесс очень похож. То есть RFID-считыватель создает электромагнитное поле. На метку попадает сигнал (просто синусоида), и метка меняет коэффициент отражения, тем самым модулируя отраженный сигнал. Считыватель получает сильно ослабленный информационный сигнал и извлекает из него ту информацию, которую метка хочет ему сообщить. В самом простом варианте метка сообщает свой идентификатор, но идентификаторов может быть несколько. Есть идентификаторы, которые можно перезаписывать. Например, если у вас склад и вы хотите записать данные о тех объектах, которые на нем содержатся, то мы можем записать их в один банк памяти. А есть другие области памяти, которые записываются на фабрике и содержат код производителя, уникальный код устройства. Их переписать нельзя, что обеспечивает дополнительную степень защиты.

Ключевая особенность технологии радиочастотной идентификации заключается в том, что метке не нужен свой источник питания. То есть всю энергию для работы она получает исключительно из поля, которое создается снаружи. В случае с RFID это поле создается RFID-считывателем.

Существуют и другие системы, использующие энергию поля, которое продуцируется сторонними устройствами (например, от Wi-Fi). Но если мы говорим про СВЧ RFID стандарта 18000-6С, то это электромагнитное поле, которое создает считыватель.

Бывают метки со своим источником питания. Они называются полупассивными или полуактивными. Метка может использовать этот источник для усиления сигнала, чтобы увеличить дальность. Сейчас есть так называемые метки-сенсоры, которые собирают данные, например, про температуру. Для работы сенсора они могут использовать батарейку, но при этом передают данные тоже как RFID-метка при помощи отраженного сигнала считывателя.

С одной стороны, отсутствие собственного источника питания – большое преимущество. То, что метке не нужен свой источник питания, делает её более дешевой, более надежной, более долговечной. Но, с другой стороны, это препятствует передаче данных на большое расстояние. Если мы говорим про номера с меткой, то предельная дальность, на которой мы можем такой номер прочитать, составляет порядка 15 метров.

После первых публикаций в 40-х и 50-х годах, когда проводилось много исследовательских работ на тему RFID, в 1973 году были получены два патента. Первый – на активный RFID с перезаписываемой памятью, и второй – на пассивный RFID, который использовался в гостиницах для открывания дверей. Во втором случае система включала в себя ключ, на котором записан идентификатор, и считыватель, который встраивался в дверь и распознавал этот ключ. Подобные системы до сих пор применяются. Потом еще в течение некоторого времени технологию адаптировали, и уже в 90-х годах был создан центр при Массачусетском технологическом институте, AutoID, в котором занялись вопросами стандартизации. Сегодня стандарты выпускает организация EPC Global.

На сегодняшний день мировой рынок RFID, по разным оценкам, составляет 13–15 млрд. долларов. По прогнозам к 2030 году он имеет шансы достичь 30 млрд.

Технология RFID окружает нас практически везде. Например, когда мы приходим в магазин и меряем какую-нибудь одежду, нам иногда мешает бирка. Эта бирка – тоже RFID-метка. RFID применяется в магазинах, на складах, на производствах, для маркировки каких-то составных частей, в логистике, на железнодорожном транспорте, для маркировки контейнеров, маркировки отдельных товаров — существует большое количество применений.  Еще мы встречаемся с RFID при оплате общественного транспорта. Когда мы покупаем билет, прикладываем его, мы тоже используем RFID, потому что билет – это, по сути, RFID-метка. Более низкоскоростные варианты RFID в области высоких частот применяются, например, в животноводстве. Метки-капсулы, которые встраиваются под кожу животных, это тоже RFID.

Чем интересна технология RFID в области СВЧ 860–900 МГц? Эта технология очень красивая и интересная тем, что, с одной стороны, она очень простая, а с другой – обладает огромным количеством степеней свободы. В зависимости от того, сколько у нас меток вокруг, насколько у нас плохие условия для передачи радиосигнала, мы можем подстраивать протокол так, чтобы читать метки быстрее или медленнее, читать больше меток или меньше.

Когда мы еще в 2014 году начинали заниматься разработкой системы идентификации, мы столкнулись с тем, что при неправильных параметрах система работает плохо. Но в то же время, если подобрать параметры более грамотно, под конкретное приложение, а для нас это было чтение меток в автомобильных номерах на расстоянии порядка 12 метров, то эффективность значительно возрастает.

В 2014 году мы проводили эксперимент в Казани. В рамках этого эксперимента почти тысяча, а точнее 750,  автобусов были оснащены номерами с RFID-метками. Было также смонтировано две точки идентификации с нашими считывателями. В течение 3–4 месяцев зимой мы собирали статистику, какой процент автобусов будет идентифицирован. Оказалось, что при правильных настройках протокола мы получили вероятность порядка 95–96% в зависимости от точки.

С тех пор мы много занимались исследованиями в этой области, строили различные модели, которые позволяют описать и спрогнозировать производительность системы при тех или иных параметрах, при тех или иных условиях окружения. Нами были получены параметры, при которых удается максимизировать успешность работы системы. Соответственно, был опубликован ряд статей в научных журналах и докладов на международных конференциях IEEE по RFID.

В чем заключается сложность? Она заключается в том, что RFID-считыватель располагается высоко над дорогой. У нас те самые 10–15 метров до метки –  предельное расстояние, на котором мы работаем. Поскольку сигнал от метки приходит очень слабый, то приходится иметь дело с очень высокой вероятностью битовой ошибки. Поэтому с первого раза прочитать метку мы практически не можем. Нам нужно ее читать несколько раз. При этом есть особенности распространения сигнала рядом с дорогой. Там куча отражений, и предсказать, в каких именно областях дороги будет хорошее и надежное чтение сигнала, достаточно сложно. Нужно так подстроить параметры, чтобы, с одной стороны, иметь достаточно низкую вероятность битовой ошибки, а с другой  – иметь несколько попыток прочитать номер, при том, что машина будет ехать на скорости 150–160 км/час.

Наше дальнейшее исследование последовало за первым экспериментом в 2014 году (тогда, напомню, метки были установлены на автобусах, а автобусы быстро не ездят). Соответственно, дальнейшее исследование было направлено на то, чтобы получить как можно более высокую эффективность системы при высоких скоростях движения автомобилей.

В 2020 году мы снова проводили испытания в Казани, но уже на полигоне. В ходе этих испытаний мы проверяли, как система будет работать при высоких скоростях движения машин и успешно идентифицировали машины, которые ездили на скорости до 160 км/час.

Мы продолжаем работу над созданием системы идентификации транспорта. Сейчас наши усилия направлены, в первую очередь, на то, чтобы создать гибридную систему, то есть систему, которая объединяет видеокамеру и RFID-считыватель. Тут тоже возникает ряд интересных задач, над которыми мы сейчас работаем.

Наша основная задача сейчас – создание такой распределенной системы, которая будет состоять из камеры и считывателя, размещенных не прямо на одной точке, а на расстоянии друг от друга, и, соответственно, тех программ и тех модулей, которые будут совмещать данные, полученные от считывателей и камер. Мы занимаемся разработкой системы управления, которая сможет получать данные от камер, считывателей, размещенных на территории города или какой-то достаточно большой территории, оперативно и быстро. Система будет эти данные собирать, аккумулировать, анализировать и уже передавать, куда требуется.

Еще одно направление, которым мы сейчас занимаемся, – это разработка распределенной системы управления парковочными местами и доступом на закрытую территорию. Как только у нас появляются RFID-метки на машине, номере или стикере под лобовым стеклом, мы можем их использовать для того, чтобы авторизовать доступ на парковку или на закрытую территорию. В чем преимущество такого подхода? В том, что человеку не требуется останавливаться и выходить из машины, чтобы открыть ворота или шлагбаум. Машина подъезжает, и на расстоянии несколько метров от нее шлагбаум открывается. Не выходя из машины и не открывая окна, водитель проезжает.

Еще одно интересное направление, которым сейчас занимаются некоторые наши аспиранты, – это разработка различных алгоритмов и методов навигации для наземного робота, который перемещается в помещении со сложной структурой, сложной топологией. Его можно оснастить RFID-считывателем, разместить метки на стенах, на полу или на других поверхностях и, соответственно, использовать сигналы от них для того, чтобы направлять этого робота туда, куда требуется. Аналогичная задача связана с навигацией людей с ограниченными возможностями.

Еще одно очень важное преимущество RFID-метода состоит в том, что метки очень дешевые. Их можно в достаточно больших количествах наносить на поверхность и использовать для навигации.

В 2022 году мы провели успешное испытание опять же в Казани, на полигоне, где тестировали прототип гибридной системы идентификации. Мы объединили наш считыватель с существующей системой видеофиксации «Кордон» производства ООО «СИМИКОН» и использовали такой гибрид для идентификации автомобилей.

Во время испытаний мы пробовали так заклеить нолик на автомобильном номере скотчем, что получалось как 8. Камера его распознавала как 8, но при этом RFID-считыватель идентифицировал машину правильно. Пробовали залепить номер снегом – испытания проходили в начале зимы, – но система тоже смогла успешно идентифицировать номер.  

Сейчас мы продолжаем работу в этом направлении. Для того, чтобы система заработала на полную мощность, кроме ряда технических задач, требуется решить еще больше задач организационного характера. Во-первых, это изменение ГОСТа. На сегодняшний день, если взять номер с RFID-меткой, установить его на машину, то дальше первого поста ГИБДД уехать не удастся, потому что номер не соответствует ГОСТу. Чтобы появилась возможность такие номера использовать, нужно менять ГОСТ.

Пару лет назад было постановление Правительства РФ о том, чтобы проводить пилотные испытания радиочастотной идентификации в нескольких регионах, в частности – в Москве и в Татарстане. Пока что этот процесс еще не запустился.

Также требуется решить ряд организационных вопросов. Например, внедрение в существующие стандарты, которые регулируют ту или иную информацию, передаваемую камерами в ГИБДД. Нужно в эти стандарты добавить понятие об RFID. И решить еще ряд организационных бюрократических вопросов.

В чем будет преимущество для людей от внедрения такой системы? Во-первых, как я уже отмечал, использование этих меток существенно усложнит подделку номеров. Это хорошая дополнительная степень защиты. Во-вторых, коль скоро эти метки будут уже встроены в номера, то можно будет их использовать для оплаты парковки или для оплаты проезда по платным дорогам.

Однако так как для полноценного внедрения технологии требуется решить целый ряд организационных и бюрократических вопросов, то это вопрос не одного дня и, думаю, даже не одного года.

Беседу вела Л. Бойко