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(jīng)難以滿足高效通行的需求。智慧高速無人值守收發(fā)卡機(jī)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(dǎo)致的誤差和延誤情況。文章介紹了智慧高速收發(fā)卡機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計原理、系統(tǒng)組成、創(chuàng)新設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)以及實際應(yīng)用效果。

高速公路；自助收發(fā)卡機(jī)；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(jī)電工程項目建設(shè)管理工作。

0" 引言

在當(dāng)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(yīng)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(yán)苛要求。在此形勢下，高速自動收發(fā)卡機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計便成為破局的關(guān)鍵所在，對于提升高速公路的運營效能和服務(wù)檔次具有決定性意義。

過往在相關(guān)領(lǐng)域，為提高高速公路的通行效率，已進(jìn)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(chǔ)，可在智能化層級的拔高、系統(tǒng)可靠性的強(qiáng)化以及對復(fù)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(shù)和智能算法原理，著力對高速自動收發(fā)卡機(jī)開展創(chuàng)新型設(shè)計。構(gòu)想通過優(yōu)化機(jī)械構(gòu)造、顯著提高傳感器的精準(zhǔn)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(zhǔn)的操作和極速響應(yīng)；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(yù)程度，切實削減運營成本，為高速公路的智能化管控給予強(qiáng)有力的支撐，強(qiáng)勁推動行業(yè)的技術(shù)變革與進(jìn)步。

1" 系統(tǒng)的設(shè)計原理概述

智慧高速收發(fā)卡機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計原理，是將車輛識別技術(shù)、卡片管理系統(tǒng)和自動化控制機(jī)制進(jìn)行融合，運用圖像采集設(shè)備、智能圖像識別算法、車型分析模型等技術(shù)，實現(xiàn)車牌識別與車型檢測，精準(zhǔn)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(zhǔn)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(shù)，確?？ㄆ渥愎?yīng)且有序發(fā)放。此外，還運用了高精度機(jī)械制造技術(shù)構(gòu)建精確機(jī)械結(jié)構(gòu)，并通過先進(jìn)的傳感器、控制器、驅(qū)動裝置技術(shù)實現(xiàn)精準(zhǔn)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(shè)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(biāo)展開設(shè)計，主要由硬件、軟件和專線通信網(wǎng)絡(luò)組成。硬件上，配置入口自助發(fā)卡與繳費收卡一體機(jī)器人，并融入車型定位、移動支付和視頻對講等設(shè)施；軟件方面，憑借高效精準(zhǔn)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(jìn)出過程中，各環(huán)節(jié)相互配合，達(dá)成無人值守的高效精準(zhǔn)收發(fā)卡與收費，進(jìn)而提升高速公路的通行效率與服務(wù)質(zhì)量。

接下來，將從系統(tǒng)架構(gòu)、硬件及軟件的詳細(xì)方案設(shè)計展開論述。

2.1" 系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)

公路收費智慧高速收發(fā)卡機(jī)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(shè)計架構(gòu)所示，系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計合理，層次清晰。底層設(shè)備精準(zhǔn)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(zhǔn)確無誤，支付便捷多樣，網(wǎng)絡(luò)傳輸穩(wěn)定高速。這一設(shè)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(qiáng)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(shè)計方案

硬件部分設(shè)計包括高性能的MCU處理器、可靠的通信模塊、精密的機(jī)械傳動裝置和高精度的傳感器（圖2）。處理器負(fù)責(zé)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(jī)械傳動裝置驅(qū)動機(jī)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(jī)器人系統(tǒng)的硬件核心部件——入口自助發(fā)卡機(jī)器人和出口繳費收卡一體機(jī)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(fù)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(jī)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(jī)器人和出口繳費收卡一體機(jī)器人功能及優(yōu)勢進(jìn)行詳細(xì)描述。

2.2.1" 自助發(fā)卡機(jī)器人

自助發(fā)卡機(jī)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(jī)與復(fù)合讀寫器的安裝，還具備二次開發(fā)的功能。當(dāng)其與收費系統(tǒng)相結(jié)合時，可以依據(jù)車型的大小，將卡片準(zhǔn)確送達(dá)對應(yīng)的發(fā)卡機(jī)工位，以供司機(jī)方便取用。這一創(chuàng)新舉措成功地將傳統(tǒng)發(fā)卡機(jī)的“人等卡”模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤翱ǖ热恕蹦Ｊ?，顯著節(jié)省了司機(jī)等待發(fā)卡的時間［3］。

自助發(fā)卡機(jī)器人是應(yīng)用于高速公路入口的智能一體化、全卡兼容式發(fā)卡機(jī)，專為無人值守發(fā)卡服務(wù)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(jìn)行四班三運轉(zhuǎn)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(jī)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(jīng)濟(jì)效益和社會效益，是高速公路收費領(lǐng)域的一項重要創(chuàng)新成就。

2.2.2" 繳費收卡一體機(jī)器人

出口繳費收卡一體機(jī)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(jī)和復(fù)合讀寫器安裝。以往由收費員人工負(fù)責(zé)的判別車型和收費流程，如今已被出口繳費收卡一體機(jī)器人取代。當(dāng)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(jī)上的語音及液晶顯示屏?xí)峁┣逦龑?dǎo)，幫助其學(xué)會自助繳費［4］。

出口繳費收卡一體機(jī)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?yán)U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(shè)出口繳費收卡一體機(jī)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(jīng)濟(jì)效益和社會效益，有力推動了收費站服務(wù)向智能化和高效化發(fā)展，提升了收費效率和服務(wù)質(zhì)量，為高速公路收費領(lǐng)域帶來了創(chuàng)新和變革。

2.3" 軟件設(shè)計方案

在智慧高速收發(fā)卡機(jī)器人系統(tǒng)里，軟件部分充當(dāng)著不可或缺的關(guān)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(gòu)成。其中，操作系統(tǒng)是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)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(zhǔn)地捕捉車輛信息，為后續(xù)工作的精確開展提供關(guān)鍵依據(jù)；卡片管理程序則對卡片進(jìn)行科學(xué)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(diào)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(xì)描述。

本公路收費智慧高速收發(fā)卡機(jī)器人系統(tǒng)在軟件設(shè)計方面具有諸多特色。設(shè)計語言采用Java，因其具備強(qiáng)大的功能和良好的跨平臺性。軟件架構(gòu)采用微服務(wù)架構(gòu)，將系統(tǒng)分解為多個獨立的服務(wù)模塊，如車輛識別服務(wù)、卡片管理服務(wù)和收費結(jié)算服務(wù)等。這種架構(gòu)使得每個模塊可獨立部署和擴(kuò)展，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性與可維護(hù)性。

在數(shù)據(jù)庫選擇上，利用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL對結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，如車輛信息、收費記錄和卡片狀態(tài)等。同時結(jié)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(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測算法，如YOLOv5以及Faster R-CNN，經(jīng)大量真實數(shù)據(jù)訓(xùn)練提高準(zhǔn)確率［5］。卡片管理程序遵循先進(jìn)先出原則，發(fā)放時利用決策樹算法選卡?？刂七壿嫽谟邢逘顟B(tài)機(jī)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?cè)霑r，傳感器觸發(fā)車輛識別算法獲取信息上傳服務(wù)器。服務(wù)器依車型和規(guī)則發(fā)卡。駛離時，出口設(shè)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(shè)計方案實現(xiàn)了高效、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的公路收費服務(wù)。系統(tǒng)交易流程如圖3所示。

3" 關(guān)鍵技術(shù)及優(yōu)勢

本系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)層面主要涵蓋以下幾個方面。

3.1" 高速發(fā)卡技術(shù)

高速發(fā)卡技術(shù)乃精準(zhǔn)收發(fā)卡操作的關(guān)鍵所在。其機(jī)械結(jié)構(gòu)精心打造，采用高強(qiáng)度材料并經(jīng)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(jìn)控制算法和高性能驅(qū)動裝置。

例如，在抓取卡片時能精準(zhǔn)定位和控制力度，達(dá)成無損抓??；傳遞時依預(yù)設(shè)路徑和速度，使卡片快速平穩(wěn)抵達(dá)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(jī)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(diào)整系數(shù)）”，假設(shè)調(diào)整系數(shù)為1.2，經(jīng)計算，傳統(tǒng)發(fā)卡機(jī)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(jī)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(shè)調(diào)整系數(shù)為1.1，其平均發(fā)卡速度可達(dá)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(shù)融合。先進(jìn)的電動推桿推力強(qiáng)勁、響應(yīng)迅速，能迅速精準(zhǔn)推送卡片；驅(qū)動電機(jī)響應(yīng)極快，確保動力瞬間輸出；機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)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(zhǔn)預(yù)測車輛到達(dá)，根據(jù)交通流量等因素動態(tài)調(diào)整預(yù)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(shù)

高精度卡片識別技術(shù)是系統(tǒng)高效運作的關(guān)鍵?？ㄆ芾憝h(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(diào)控卡片補(bǔ)充與調(diào)配，發(fā)放時精準(zhǔn)推送。

在卡片信息識別方面，新設(shè)計的收發(fā)卡機(jī)取得重大突破，準(zhǔn)確率高達(dá)99.9%，其采用高分辨率圖像傳感器，像素密度達(dá)500 ppi，能精細(xì)捕捉卡片細(xì)節(jié)。與精度達(dá)0.1 mm級別的OCR技術(shù)結(jié)合，精準(zhǔn)提取分析卡號等核心信息；同時應(yīng)用深度學(xué)習(xí)算法，投入超100萬張多樣本數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型，使其能應(yīng)對各種復(fù)雜場景。

實際測試中，20 000張卡片識別試驗里，傳統(tǒng)設(shè)備準(zhǔn)確識別19 600張，準(zhǔn)確率約為98%，新收發(fā)卡機(jī)準(zhǔn)確識別19 980張，準(zhǔn)確率近99.9%。依“識別準(zhǔn)確率=準(zhǔn)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(shù)極大增強(qiáng)了系統(tǒng)運行效能和穩(wěn)定性，提供了強(qiáng)大技術(shù)支持。

3.3" 智能車輛檢測與定位技術(shù)

在信息采集環(huán)節(jié)，融合了先進(jìn)的車牌識別與車型檢測技術(shù)。高分辨率圖像采集設(shè)備配合智能算法，精準(zhǔn)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(dá)的高精度測量和毫米波雷達(dá)在復(fù)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(guān)鍵參數(shù)。

該技術(shù)在性能上表現(xiàn)卓越。多次實際測試顯示，檢測誤差被嚴(yán)格控制在±0.1 m以內(nèi)，定位精度可達(dá)0.05 m。這意味著能為后續(xù)的交通管理和服務(wù)提供極為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

其核心優(yōu)勢在于創(chuàng)新的檢測方案。激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)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(zhǔn)預(yù)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(zhǔn)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(shù)方面

本系統(tǒng)展現(xiàn)出卓越的數(shù)據(jù)傳輸性能，速率達(dá)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(shù)的低延遲、高帶寬特性，以及高速以太網(wǎng)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(gòu)，結(jié)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(jìn)行壓縮，并行計算能同時處理多個任務(wù)，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(yīng)和穩(wěn)定運行。

3.4.2" 在邊緣計算技術(shù)方面

公路收費智慧高速收發(fā)卡機(jī)器人系統(tǒng)中的邊緣計算技術(shù)至關(guān)重要。其原理運用了關(guān)鍵技術(shù)，如分布式計算，將復(fù)雜任務(wù)分解為子任務(wù)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(yù)取，在邊緣設(shè)備緩存常用和預(yù)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(dāng)車輛接近收費站時，傳感器每秒產(chǎn)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(yīng)需500 ms，而邊緣計算僅100 ms，響應(yīng)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(jī)器人系統(tǒng)的測試與應(yīng)用案例

為校驗智慧高速收發(fā)卡機(jī)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(yīng)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(jìn)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(jī)器人系統(tǒng)的性能，進(jìn)行了嚴(yán)格的測試。表1是部分關(guān)鍵測試數(shù)據(jù)。

在可靠性測試中，機(jī)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(zhǔn)確率均保持在98.5%以上。

4.2" 應(yīng)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(jī)器人系統(tǒng)之前，由于人工操作效率較低，收費站經(jīng)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(zhǔn)確性從99.5%提高到99.9%，用戶滿意度調(diào)查顯示，滿意度從70%提升至90%以上，司機(jī)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(wù)，在行業(yè)內(nèi)樹立了良好的口碑。

5" 結(jié)語

本文所研究的智慧高速收發(fā)卡機(jī)器人系統(tǒng)在創(chuàng)新設(shè)計與應(yīng)用方面成果顯著，其融合了先進(jìn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和智能控制技術(shù)，能快速、精準(zhǔn)地進(jìn)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(qiáng)服務(wù)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(shè)備持續(xù)穩(wěn)定運行、加強(qiáng)對特殊卡片的識別能力、進(jìn)一步提高設(shè)備抗干擾性能等。未來，伴隨科技進(jìn)步，預(yù)計會融入更多前沿技術(shù)，如生物識別技術(shù)、區(qū)塊鏈技術(shù)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