智慧高速無人值守收發(fā)卡機器人系統(tǒng)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(tǒng)的人工發(fā)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(fā)卡機器人系統(tǒng)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(fā)卡機器人系統(tǒng)的設計原理、系統(tǒng)組成、創(chuàng)新設計關鍵技術以及實際應用效果。

高速公路；自助收發(fā)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(xiàn)出爆發(fā)式的增長態(tài)勢。傳統(tǒng)人工收發(fā)卡的方式在應對這種局面時顯得力不從心，無法滿足現(xiàn)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(fā)卡機的創(chuàng)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(tǒng)（ETC）的推廣。但在自動收發(fā)卡這一具體環(huán)節(jié)，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(tǒng)可靠性的強化以及對復雜多變環(huán)境的適配能力等方面，仍存在顯著的知識盲區(qū)［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(fā)卡機開展創(chuàng)新型設計。構想通過優(yōu)化機械構造、顯著提高傳感器的精準度、創(chuàng)新性引入前沿的智能控制算法等方法，實現(xiàn)收發(fā)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(yè)的技術變革與進步。

1" 系統(tǒng)的設計原理概述

智慧高速收發(fā)卡機器人系統(tǒng)的設計原理，是將車輛識別技術、卡片管理系統(tǒng)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(xiàn)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(fā)放提供數(shù)據(jù)支撐，以便系統(tǒng)快速準確的收發(fā)卡操作。同時，采用智能存儲和分配系統(tǒng)，借助空間規(guī)劃、智能算法技術，確保卡片充足供應且有序發(fā)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(xiàn)精準運動控制，從而精確完成卡片抓取、傳遞和回收，使收發(fā)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(tǒng)設計方案

智慧高速無人值守收發(fā)卡系統(tǒng)以實現(xiàn)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(fā)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(xié)同運作。在車輛進出過程中，各環(huán)節(jié)相互配合，達成無人值守的高效精準收發(fā)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(tǒng)架構、硬件及軟件的詳細方案設計展開論述。

2.1" 系統(tǒng)設計架構

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

協(xié)作，使軟件收費流程高效有序，數(shù)據(jù)處理準確無誤，支付便捷多樣，網絡傳輸穩(wěn)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(xiàn)代公路交通的發(fā)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(shù)據(jù)和指令，通信模塊保障與收費站系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)交互，機械傳動裝置驅動機器人的動作執(zhí)行，傳感器用于感知車輛和卡片的狀態(tài)［2］。

由圖2可知，公路收費智慧高速收發(fā)卡機器人系統(tǒng)的硬件核心部件——入口自助發(fā)卡機器人和出口繳費收卡一體機器人，主要由MCU系統(tǒng)處理器、電源及動環(huán)模塊、串口及IO控制模塊、收費及通信模塊、復合讀卡器、監(jiān)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(fā)卡模塊以及出口打印機模塊等組成。各模塊彼此協(xié)作，共同形成了一個完整的系統(tǒng)。接下來，將分別針對入口自助發(fā)卡機器人和出口繳費收卡一體機器人功能及優(yōu)勢進行詳細描述。

2.2.1" 自助發(fā)卡機器人

自助發(fā)卡機器人主要安裝于收費站的入口車道，能夠完美兼容現(xiàn)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(fā)的功能。當其與收費系統(tǒng)相結合時，可以依據(jù)車型的大小，將卡片準確送達對應的發(fā)卡機工位，以供司機方便取用。這一創(chuàng)新舉措成功地將傳統(tǒng)發(fā)卡機的“人等卡”模式轉變?yōu)椤翱ǖ热恕蹦Ｊ剑@著節(jié)省了司機等待發(fā)卡的時間［3］。

自助發(fā)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(fā)卡機，專為無人值守發(fā)卡服務打造。其取代了高速公路入口處原有的人工發(fā)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(fā)卡機器人契合國家節(jié)能減排的要求，為使用方創(chuàng)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(chuàng)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(xiàn)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(xié)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(qū)、通行卡插卡口、顯示屏、打票區(qū)以及廢票回收區(qū)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(jié)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(fā)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(chuàng)新和變革。

2.3" 軟件設計方案

在智慧高速收發(fā)卡機器人系統(tǒng)里，軟件部分充當著不可或缺的關鍵角色，其由操作系統(tǒng)、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(tǒng)是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基礎支撐，為整個系統(tǒng)搭建起平穩(wěn)運作的平臺；車輛識別算法精準地捕捉車輛信息，為后續(xù)工作的精確開展提供關鍵依據(jù)；卡片管理程序則對卡片進行科學的存儲、有序的發(fā)放以及合理的回收管理；控制邏輯發(fā)揮著統(tǒng)籌協(xié)調的作用，促使各部分緊密協(xié)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(fā)卡機器人系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的靈活性與可維護性。

在數(shù)據(jù)庫選擇上，利用關系型數(shù)據(jù)庫MySQL對結構化數(shù)據(jù)進行存儲，如車輛信息、收費記錄和卡片狀態(tài)等。同時結合NoSQL數(shù)據(jù)庫Redis緩存高頻訪問數(shù)據(jù)，提升了數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)訓練提高準確率［5］。卡片管理程序遵循先進先出原則，發(fā)放時利用決策樹算法選卡。控制邏輯基于有限狀態(tài)機模型，確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行。

系統(tǒng)交易流程清晰高效。車輛駛入時，傳感器觸發(fā)車輛識別算法獲取信息上傳服務器。服務器依車型和規(guī)則發(fā)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(tài)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(tǒng)設計方案實現(xiàn)了高效、準確、穩(wěn)定的公路收費服務。系統(tǒng)交易流程如圖3所示。

3" 關鍵技術及優(yōu)勢

本系統(tǒng)關鍵技術層面主要涵蓋以下幾個方面。

3.1" 高速發(fā)卡技術

高速發(fā)卡技術乃精準收發(fā)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(wěn)定耐用。運動控制系統(tǒng)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(wěn)抵達指定位置；回收時精確判別卡片狀態(tài)并妥善處理。

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

智慧高速收發(fā)卡機器人系統(tǒng)在相同次數(shù)的發(fā)卡測試中，總發(fā)卡時間僅為4 000 s，假設調整系數(shù)為1.1，其平均發(fā)卡速度可達2 s/張，即：平均發(fā)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(yōu)化，減少冗余部件，縮短發(fā)卡行程40%。智能控制算法能精準預測車輛到達，根據(jù)交通流量等因素動態(tài)調整預啟動時間，保障發(fā)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(tǒng)高效運作的關鍵。卡片管理環(huán)節(jié)采用智能化存儲和分配系統(tǒng)，能實時監(jiān)測庫存并調控卡片補充與調配，發(fā)放時精準推送。

在卡片信息識別方面，新設計的收發(fā)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(jié)。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(shù)據(jù)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(tǒng)設備準確識別19 600張，準確率約為98%，新收發(fā)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(shù)量/總識別卡片數(shù)量×100%”計算可知。此技術極大增強了系統(tǒng)運行效能和穩(wěn)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(huán)節(jié)，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(xié)同工作，如激光雷達的高精度測量和毫米波雷達在復雜環(huán)境中的穩(wěn)定表現(xiàn)，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(shù)等關鍵參數(shù)。

該技術在性能上表現(xiàn)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(xù)的交通管理和服務提供極為準確的數(shù)據(jù)基礎。

其核心優(yōu)勢在于創(chuàng)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(tài)融合，極大豐富了檢測的信息維度，讓系統(tǒng)更全面感知車輛狀況和周邊環(huán)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(tǒng)優(yōu)勢

3.4.1" 在高效數(shù)據(jù)傳輸與處理技術方面

本系統(tǒng)展現(xiàn)出卓越的數(shù)據(jù)傳輸性能，速率達到100 Mbps。通過實際計算舉例，如傳輸500 MB數(shù)據(jù)，按照傳輸速率公式，傳輸時間僅約40 s，相比傳統(tǒng)方式大幅縮短。這一出色表現(xiàn)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(wěn)定高效傳輸通道，二者共同保障了數(shù)據(jù)的快速流動。

在數(shù)據(jù)處理上，本系統(tǒng)同樣表現(xiàn)出色，處理1 000條收發(fā)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(shù)據(jù)壓縮算法。數(shù)據(jù)壓縮算法可將每條收發(fā)卡記錄的原始數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理效率，還顯著增加了系統(tǒng)的存儲容量，確保系統(tǒng)實時響應和穩(wěn)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(fā)卡機器人系統(tǒng)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(jié)點同時處理，大幅提高計算效率；數(shù)據(jù)緩存與預取，在邊緣設備緩存常用和預取可能需用數(shù)據(jù)，降低獲取延遲；實時數(shù)據(jù)分析，能快速處理大量實時數(shù)據(jù)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(shù)百兆字節(jié)數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)云計算處理1 GB數(shù)據(jù)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(fā)卡機器人系統(tǒng)的測試與應用案例

為校驗智慧高速收發(fā)卡機器人系統(tǒng)的可靠性與高效性，開展了實驗環(huán)境測試，并對現(xiàn)場應用案例數(shù)據(jù)做了統(tǒng)計分析，從而全面地評估本系統(tǒng)在實際運用中的狀況，涵蓋其展現(xiàn)出的優(yōu)勢以及可能存在的缺陷，為系統(tǒng)的優(yōu)化和改進提供堅實依據(jù)。

4.1" 測試情況

為全面評估智慧高速收發(fā)卡機器人系統(tǒng)的性能，進行了嚴格的測試。表1是部分關鍵測試數(shù)據(jù)。

在可靠性測試中，機器人連續(xù)運行1 000 h，故障次數(shù)僅為2次，穩(wěn)定性表現(xiàn)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(fā)卡機器人系統(tǒng)之前，由于人工操作效率較低，收費站經常出現(xiàn)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(yè)內樹立了良好的口碑。

5" 結語

本文所研究的智慧高速收發(fā)卡機器人系統(tǒng)在創(chuàng)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(fā)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(tǒng)有效降低人工成本，增強服務的穩(wěn)定性和可靠性，給駕乘人員帶來便捷出行體驗。

然而，本系統(tǒng)仍有可完善之處，如在高流量時保障設備持續(xù)穩(wěn)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(qū)塊鏈技術等，實現(xiàn)更高安全性和智能化水平。期望本研究能為其優(yōu)化發(fā)展提供有益思路與借鑒，推動其在高速公路運營管理中發(fā)揮更大作用，為智能化發(fā)展增添新活力。

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20240426