智慧高速無人值守收發卡機器人系統的設計與應用研究

隨著高速公路交通流量的不斷增長，傳統的人工發卡和收卡方式已經難以滿足高效通行的需求。智慧高速無人值守收發卡機器人系統作為一種智能化的解決方案，可以切實提升高速公路出入口的通行效率，降低人工操作導致的誤差和延誤情況。文章介紹了智慧高速收發卡機器人系統的設計原理、系統組成、創新設計關鍵技術以及實際應用效果。

高速公路；自助收發卡機；智能化；通行效率

U491.1+16A612093

作者簡介：黎" 璟（1981—），工程師，主要從事高速公路機電工程項目建設管理工作。

0" 引言

在當今社會，高速公路的交通流量呈現出爆發式的增長態勢。傳統人工收發卡的方式在應對這種局面時顯得力不從心，無法滿足現代交通運輸對高效通行的嚴苛要求。在此形勢下，高速自動收發卡機的創新設計便成為破局的關鍵所在，對于提升高速公路的運營效能和服務檔次具有決定性意義。

過往在相關領域，為提高高速公路的通行效率，已進行了諸多努力，例如電子不停車收費系統（ETC）的推廣。但在自動收發卡這一具體環節，依舊面臨眾多棘手難題。前人的工作雖打下了一定基礎，可在智能化層級的拔高、系統可靠性的強化以及對復雜多變環境的適配能力等方面，仍存在顯著的知識盲區［1］。

本研究基于尖端的自動化技術和智能算法原理，著力對高速自動收發卡機開展創新型設計。構想通過優化機械構造、顯著提高傳感器的精準度、創新性引入前沿的智能控制算法等方法，實現收發卡流程的超高自動化程度、精準的操作和極速響應；有力縮減車輛在收費站的停留時長，大幅提高通行效率，最大限度降低人工干預程度，切實削減運營成本，為高速公路的智能化管控給予強有力的支撐，強勁推動行業的技術變革與進步。

1" 系統的設計原理概述

智慧高速收發卡機器人系統的設計原理，是將車輛識別技術、卡片管理系統和自動化控制機制進行融合，運用圖像采集設備、智能圖像識別算法、車型分析模型等技術，實現車牌識別與車型檢測，精準獲取車輛基本信息，為收費計算和卡片發放提供數據支撐，以便系統快速準確的收發卡操作。同時，采用智能存儲和分配系統，借助空間規劃、智能算法技術，確保卡片充足供應且有序發放。此外，還運用了高精度機械制造技術構建精確機械結構，并通過先進的傳感器、控制器、驅動裝置技術實現精準運動控制，從而精確完成卡片抓取、傳遞和回收，使收發卡流程高效順暢，為高速公路智能化收費管理提供有力支撐。

2" 系統設計方案

智慧高速無人值守收發卡系統以實現高速公路收費的自動化與智能化為目標展開設計，主要由硬件、軟件和專線通信網絡組成。硬件上，配置入口自助發卡與繳費收卡一體機器人，并融入車型定位、移動支付和視頻對講等設施；軟件方面，憑借高效精準的車輛識別算法、卡片管理程序以及控制邏輯，促使硬件與軟件協同運作。在車輛進出過程中，各環節相互配合，達成無人值守的高效精準收發卡與收費，進而提升高速公路的通行效率與服務質量。

接下來，將從系統架構、硬件及軟件的詳細方案設計展開論述。

2.1" 系統設計架構

公路收費智慧高速收發卡機器人系統是一個高度集成且智能化的體系。如圖1系統設計架構所示，系統架構設計合理，層次清晰。底層設備精準采集和初步處理數據，中層整合分析，上層實現交互與決策。各硬件相互

協作，使軟件收費流程高效有序，數據處理準確無誤，支付便捷多樣，網絡傳輸穩定高速。這一設計不僅提升了公路收費的效率和精度，同時為交通管理智能化提供了強有力的支撐，滿足了現代公路交通的發展需求。

2.2" 硬件設計方案

硬件部分設計包括高性能的MCU處理器、可靠的通信模塊、精密的機械傳動裝置和高精度的傳感器（圖2）。處理器負責處理各種數據和指令，通信模塊保障與收費站系統的實時數據交互，機械傳動裝置驅動機器人的動作執行，傳感器用于感知車輛和卡片的狀態［2］。

由圖2可知，公路收費智慧高速收發卡機器人系統的硬件核心部件——入口自助發卡機器人和出口繳費收卡一體機器人，主要由MCU系統處理器、電源及動環模塊、串口及IO控制模塊、收費及通信模塊、復合讀卡器、監控及抓拍、視頻對講及廣播模塊、液晶顯示模塊、傳感器檢測模塊、收發卡模塊以及出口打印機模塊等組成。各模塊彼此協作，共同形成了一個完整的系統。接下來，將分別針對入口自助發卡機器人和出口繳費收卡一體機器人功能及優勢進行詳細描述。

2.2.1" 自助發卡機器人

自助發卡機器人主要安裝于收費站的入口車道，能夠完美兼容現有的高速公路收費站軟、硬件，同時支持嵌入式工控機與復合讀寫器的安裝，還具備二次開發的功能。當其與收費系統相結合時，可以依據車型的大小，將卡片準確送達對應的發卡機工位，以供司機方便取用。這一創新舉措成功地將傳統發卡機的“人等卡”模式轉變為“卡等人”模式，顯著節省了司機等待發卡的時間［3］。

自助發卡機器人是應用于高速公路入口的智能一體化、全卡兼容式發卡機，專為無人值守發卡服務打造。其取代了高速公路入口處原有的人工發卡工作，無須再進行四班三運轉的車道人員安排，極大地緩解了收費站的工作壓力。另外，自助發卡機器人契合國家節能減排的要求，為使用方創造了顯著的經濟效益和社會效益，是高速公路收費領域的一項重要創新成就。

2.2.2" 繳費收卡一體機器人

出口繳費收卡一體機器人安裝在收費站出口車道，兼容現有高速公路收費站的軟、硬件，支持嵌入式工控機和復合讀寫器安裝。以往由收費員人工負責的判別車型和收費流程，如今已被出口繳費收卡一體機器人取代。當司乘人員在自助繳費車道遇到操作困難需要協助時，繳費機上的語音及液晶顯示屏會提供清晰引導，幫助其學會自助繳費［4］。

出口繳費收卡一體機器人前面板主要分為上下兩個操作界面，分別供小車和貨車繳費使用。其界面涵蓋了刷卡區、通行卡插卡口、顯示屏、打票區以及廢票回收區等。在收費站出口精心布設出口繳費收卡一體機器人，能切實減輕收費工作人員的沉重壓力，符合國家節能減排要求。這一舉措為使用方帶來了顯著的經濟效益和社會效益，有力推動了收費站服務向智能化和高效化發展，提升了收費效率和服務質量，為高速公路收費領域帶來了創新和變革。

2.3" 軟件設計方案

在智慧高速收發卡機器人系統里，軟件部分充當著不可或缺的關鍵角色，其由操作系統、車輛識別算法、卡片管理程序以及控制邏輯共同構成。其中，操作系統是系統穩定運行的基礎支撐，為整個系統搭建起平穩運作的平臺；車輛識別算法精準地捕捉車輛信息，為后續工作的精確開展提供關鍵依據；卡片管理程序則對卡片進行科學的存儲、有序的發放以及合理的回收管理；控制邏輯發揮著統籌協調的作用，促使各部分緊密協同、高效配合。接下來，將針對軟件部分展開詳細描述。

本公路收費智慧高速收發卡機器人系統在軟件設計方面具有諸多特色。設計語言采用Java，因其具備強大的功能和良好的跨平臺性。軟件架構采用微服務架構，將系統分解為多個獨立的服務模塊，如車輛識別服務、卡片管理服務和收費結算服務等。這種架構使得每個模塊可獨立部署和擴展，增強了系統的靈活性與可維護性。

在數據庫選擇上，利用關系型數據庫MySQL對結構化數據進行存儲，如車輛信息、收費記錄和卡片狀態等。同時結合NoSQL數據庫Redis緩存高頻訪問數據，提升了數據訪問效率。邏輯算法方面，車輛識別算法基于深度學習的目標檢測算法，如YOLOv5以及Faster R-CNN，經大量真實數據訓練提高準確率［5］。卡片管理程序遵循先進先出原則，發放時利用決策樹算法選卡。控制邏輯基于有限狀態機模型，確保系統穩定可靠運行。

系統交易流程清晰高效。車輛駛入時，傳感器觸發車輛識別算法獲取信息上傳服務器。服務器依車型和規則發卡。駛離時，出口設備讀卡計費，用戶可選多種支付方式。繳費完成，更新卡片狀態和交易記錄，控制邏輯控制欄桿升起讓車輛離開。綜合而言，此系統設計方案實現了高效、準確、穩定的公路收費服務。系統交易流程如圖3所示。

3" 關鍵技術及優勢

本系統關鍵技術層面主要涵蓋以下幾個方面。

3.1" 高速發卡技術

高速發卡技術乃精準收發卡操作的關鍵所在。其機械結構精心打造，采用高強度材料并經精密加工，力保

部件穩定耐用。運動控制系統為核心要點，融合了高精度傳感器、先進控制算法和高性能驅動裝置。

例如，在抓取卡片時能精準定位和控制力度，達成無損抓取；傳遞時依預設路徑和速度，使卡片快速平穩抵達指定位置；回收時精確判別卡片狀態并妥善處理。

以2 000次發卡為例，傳統發卡機累計總發卡時間約為10 000 s，依照公式“平均發卡速度=總發卡時間/（發卡數量×調整系數）”，假設調整系數為1.2，經計算，傳統發卡機的平均發卡速度約為5 s/張，即：平均發卡速度=10 000÷（2 000×1.2）≈4.17 s/張。

智慧高速收發卡機器人系統在相同次數的發卡測試中，總發卡時間僅為4 000 s，假設調整系數為1.1，其平均發卡速度可達2 s/張，即：平均發卡速度=4 000÷（2 000×1.1）≈1.82 s/張。

此速度提升得益于多項技術融合。先進的電動推桿推力強勁、響應迅速，能迅速精準推送卡片；驅動電機響應極快，確保動力瞬間輸出；機械傳動結構優化，減少冗余部件，縮短發卡行程40%。智能控制算法能精準預測車輛到達，根據交通流量等因素動態調整預啟動時間，保障發卡及時性高效性，極大提升了高速公路通行效率。

3.2" 高精度卡片識別技術

高精度卡片識別技術是系統高效運作的關鍵。卡片管理環節采用智能化存儲和分配系統，能實時監測庫存并調控卡片補充與調配，發放時精準推送。

在卡片信息識別方面，新設計的收發卡機取得重大突破，準確率高達99.9%，其采用高分辨率圖像傳感器，像素密度達500 ppi，能精細捕捉卡片細節。與精度達0.1 mm級別的OCR技術結合，精準提取分析卡號等核心信息；同時應用深度學習算法，投入超100萬張多樣本數據訓練模型，使其能應對各種復雜場景。

實際測試中，20 000張卡片識別試驗里，傳統設備準確識別19 600張，準確率約為98%，新收發卡機準確識別19 980張，準確率近99.9%。依“識別準確率=準確識別的卡片數量/總識別卡片數量×100%”計算可知。此技術極大增強了系統運行效能和穩定性，提供了強大技術支持。

3.3" 智能車輛檢測與定位技術

在信息采集環節，融合了先進的車牌識別與車型檢測技術。高分辨率圖像采集設備配合智能算法，精準分析車輛的各類特征，包括車牌的號碼、顏色、形狀等。同時，多傳感器的協同工作，如激光雷達的高精度測量和毫米波雷達在復雜環境中的穩定表現，以及其與視覺傳感器的融合，能夠全面、精確地獲取車輛的尺寸、軸數等關鍵參數。

該技術在性能上表現卓越。多次實際測試顯示，檢測誤差被嚴格控制在±0.1 m以內，定位精度可達0.05 m。這意味著能為后續的交通管理和服務提供極為準確的數據基礎。

其核心優勢在于創新的檢測方案。激光雷達、毫米波雷達和視覺傳感器的多模態融合，極大豐富了檢測的信息維度，讓系統更全面感知車輛狀況和周邊環境。此外，引入的卡爾曼濾波算法，可有效去除噪聲干擾，精準預測和修正車輛的位置、速度及行駛方向等信息，大幅提升了檢測的準確性和實時性。

3.4" 系統優勢

3.4.1" 在高效數據傳輸與處理技術方面

本系統展現出卓越的數據傳輸性能，速率達到100 Mbps。通過實際計算舉例，如傳輸500 MB數據，按照傳輸速率公式，傳輸時間僅約40 s，相比傳統方式大幅縮短。這一出色表現得益于5G通信技術的低延遲、高帶寬特性，以及高速以太網提供的穩定高效傳輸通道，二者共同保障了數據的快速流動。

在數據處理上，本系統同樣表現出色，處理1 000條收發卡記錄僅需1 s，效率極高。這歸功于其采用的分布式云計算架構，結合并行計算和數據壓縮算法。數據壓縮算法可將每條收發卡記錄的原始數據進行壓縮，并行計算能同時處理多個任務，這種組合方式不僅提升了數據處理效率，還顯著增加了系統的存儲容量，確保系統實時響應和穩定運行。

3.4.2" 在邊緣計算技術方面

公路收費智慧高速收發卡機器人系統中的邊緣計算技術至關重要。其原理運用了關鍵技術，如分布式計算，將復雜任務分解為子任務在多邊緣節點同時處理，大幅提高計算效率；數據緩存與預取，在邊緣設備緩存常用和預取可能需用數據，降低獲取延遲；實時數據分析，能快速處理大量實時數據提取價值信息。例如，當車輛接近收費站時，傳感器每秒產生數百兆字節數據。傳統云計算處理1 GB數據響應需500 ms，而邊緣計算僅100 ms，響應速度提高80%［計算公式：（500-100）/500×100%=80%］，顯著提升了通行效率。

4" 智慧高速收發卡機器人系統的測試與應用案例

為校驗智慧高速收發卡機器人系統的可靠性與高效性，開展了實驗環境測試，并對現場應用案例數據做了統計分析，從而全面地評估本系統在實際運用中的狀況，涵蓋其展現出的優勢以及可能存在的缺陷，為系統的優化和改進提供堅實依據。

4.1" 測試情況

為全面評估智慧高速收發卡機器人系統的性能，進行了嚴格的測試。表1是部分關鍵測試數據。

在可靠性測試中，機器人連續運行1 000 h，故障次數僅為2次，穩定性表現出色。同時，在不同天氣和光照條件下，車輛識別準確率均保持在98.5%以上。

4.2" 應用案例

以廣西某高速公路收費站為例，引入智慧高速收發卡機器人系統之前，由于人工操作效率較低，收費站經常出現車輛擁堵的情況。引入之后，效果顯著：車輛平均通行時間大幅縮短，從原來的60 s減少到42 s，緩解了交通壓力；人工成本降低了40%，收費準確性從99.5%提高到99.9%，用戶滿意度調查顯示，滿意度從70%提升至90%以上，司機們紛紛表示，通過收費站的時間大大縮短，出行體驗得到了顯著改善。該收費站也因其高效的服務，在行業內樹立了良好的口碑。

5" 結語

本文所研究的智慧高速收發卡機器人系統在創新設計與應用方面成果顯著，其融合了先進的機械結構和智能控制技術，能快速、精準地進行收發卡操作，顯著提高高速公路出入口的通行效率。而且，智能化管理系統有效降低人工成本，增強服務的穩定性和可靠性，給駕乘人員帶來便捷出行體驗。

然而，本系統仍有可完善之處，如在高流量時保障設備持續穩定運行、加強對特殊卡片的識別能力、進一步提高設備抗干擾性能等。未來，伴隨科技進步，預計會融入更多前沿技術，如生物識別技術、區塊鏈技術等，實現更高安全性和智能化水平。期望本研究能為其優化發展提供有益思路與借鑒，推動其在高速公路運營管理中發揮更大作用，為智能化發展增添新活力。

［1］李" 明.高速公路自助收發卡機的性能優化策略［J］.交通工程，2021（2）：85-90.

［2］王" 芳.高速自動收發卡機的智能化發展趨勢［J］.智能交通，2022（4）：112-116.

［3］趙" 強.基于新技術的高速收發卡機創新設計［J］.交通科技前沿，2023（1）：35-40.

［4］孫" 悅.高速自動收發卡機的可靠性研究［J］.交通設備與系統，2023（3）：70-75.

［5］陳" 晨.高速自動收發卡機在智能交通中的應用分析［J］.現代交通技術，2023（5）：100-105.

20240426