智慧高速无人值守收发卡机器人系统的设计与应用研究

随着高速公路交通流量的不断增长，传统的人工发卡和收卡方式已经难以满足高效通行的需求。智慧高速无人值守收发卡机器人系统作为一种智能化的解决方案，可以切实提升高速公路出入口的通行效率，降低人工操作导致的误差和延误情况。文章介绍了智慧高速收发卡机器人系统的设计原理、系统组成、创新设计关键技术以及实际应用效果。

高速公路；自助收发卡机；智能化；通行效率

U491.1+16A612093

作者简介：黎" 璟（1981—），工程师，主要从事高速公路机电工程项目建设管理工作。

0" 引言

在当今社会，高速公路的交通流量呈现出爆发式的增长态势。传统人工收发卡的方式在应对这种局面时显得力不从心，无法满足现代交通运输对高效通行的严苛要求。在此形势下，高速自动收发卡机的创新设计便成为破局的关键所在，对于提升高速公路的运营效能和服务档次具有决定性意义。

过往在相关领域，为提高高速公路的通行效率，已进行了诸多努力，例如电子不停车收费系统（ETC）的推广。但在自动收发卡这一具体环节，依旧面临众多棘手难题。前人的工作虽打下了一定基础，可在智能化层级的拔高、系统可靠性的强化以及对复杂多变环境的适配能力等方面，仍存在显著的知识盲区［1］。

本研究基于尖端的自动化技术和智能算法原理，着力对高速自动收发卡机开展创新型设计。构想通过优化机械构造、显著提高传感器的精准度、创新性引入前沿的智能控制算法等方法，实现收发卡流程的超高自动化程度、精准的操作和极速响应；有力缩减车辆在收费站的停留时长，大幅提高通行效率，最大限度降低人工干预程度，切实削减运营成本，为高速公路的智能化管控给予强有力的支撑，强劲推动行业的技术变革与进步。

1" 系统的设计原理概述

智慧高速收发卡机器人系统的设计原理，是将车辆识别技术、卡片管理系统和自动化控制机制进行融合，运用图像采集设备、智能图像识别算法、车型分析模型等技术，实现车牌识别与车型检测，精准获取车辆基本信息，为收费计算和卡片发放提供数据支撑，以便系统快速准确的收发卡操作。同时，采用智能存储和分配系统，借助空间规划、智能算法技术，确保卡片充足供应且有序发放。此外，还运用了高精度机械制造技术构建精确机械结构，并通过先进的传感器、控制器、驱动装置技术实现精准运动控制，从而精确完成卡片抓取、传递和回收，使收发卡流程高效顺畅，为高速公路智能化收费管理提供有力支撑。

2" 系统设计方案

智慧高速无人值守收发卡系统以实现高速公路收费的自动化与智能化为目标展开设计，主要由硬件、软件和专线通信网络组成。硬件上，配置入口自助发卡与缴费收卡一体机器人，并融入车型定位、移动支付和视频对讲等设施；软件方面，凭借高效精准的车辆识别算法、卡片管理程序以及控制逻辑，促使硬件与软件协同运作。在车辆进出过程中，各环节相互配合，达成无人值守的高效精准收发卡与收费，进而提升高速公路的通行效率与服务质量。

接下来，将从系统架构、硬件及软件的详细方案设计展开论述。

2.1" 系统设计架构

公路收费智慧高速收发卡机器人系统是一个高度集成且智能化的体系。如图1系统设计架构所示，系统架构设计合理，层次清晰。底层设备精准采集和初步处理数据，中层整合分析，上层实现交互与决策。各硬件相互

协作，使软件收费流程高效有序，数据处理准确无误，支付便捷多样，网络传输稳定高速。这一设计不仅提升了公路收费的效率和精度，同时为交通管理智能化提供了强有力的支撑，满足了现代公路交通的发展需求。

2.2" 硬件设计方案

硬件部分设计包括高性能的MCU处理器、可靠的通信模块、精密的机械传动装置和高精度的传感器（图2）。处理器负责处理各种数据和指令，通信模块保障与收费站系统的实时数据交互，机械传动装置驱动机器人的动作执行，传感器用于感知车辆和卡片的状态［2］。

由图2可知，公路收费智慧高速收发卡机器人系统的硬件核心部件——入口自助发卡机器人和出口缴费收卡一体机器人，主要由MCU系统处理器、电源及动环模块、串口及IO控制模块、收费及通信模块、复合读卡器、监控及抓拍、视频对讲及广播模块、液晶显示模块、传感器检测模块、收发卡模块以及出口打印机模块等组成。各模块彼此协作，共同形成了一个完整的系统。接下来，将分别针对入口自助发卡机器人和出口缴费收卡一体机器人功能及优势进行详细描述。

2.2.1" 自助发卡机器人

自助发卡机器人主要安装于收费站的入口车道，能够完美兼容现有的高速公路收费站软、硬件，同时支持嵌入式工控机与复合读写器的安装，还具备二次开发的功能。当其与收费系统相结合时，可以依据车型的大小，将卡片准确送达对应的发卡机工位，以供司机方便取用。这一创新举措成功地将传统发卡机的“人等卡”模式转变为“卡等人”模式，显著节省了司机等待发卡的时间［3］。

自助发卡机器人是应用于高速公路入口的智能一体化、全卡兼容式发卡机，专为无人值守发卡服务打造。其取代了高速公路入口处原有的人工发卡工作，无须再进行四班三运转的车道人员安排，极大地缓解了收费站的工作压力。另外，自助发卡机器人契合国家节能减排的要求，为使用方创造了显著的经济效益和社会效益，是高速公路收费领域的一项重要创新成就。

2.2.2" 缴费收卡一体机器人

出口缴费收卡一体机器人安装在收费站出口车道，兼容现有高速公路收费站的软、硬件，支持嵌入式工控机和复合读写器安装。以往由收费员人工负责的判别车型和收费流程，如今已被出口缴费收卡一体机器人取代。当司乘人员在自助缴费车道遇到操作困难需要协助时，缴费机上的语音及液晶显示屏会提供清晰引导，帮助其学会自助缴费［4］。

出口缴费收卡一体机器人前面板主要分为上下两个操作界面，分别供小车和货车缴费使用。其界面涵盖了刷卡区、通行卡插卡口、显示屏、打票区以及废票回收区等。在收费站出口精心布设出口缴费收卡一体机器人，能切实减轻收费工作人员的沉重压力，符合国家节能减排要求。这一举措为使用方带来了显著的经济效益和社会效益，有力推动了收费站服务向智能化和高效化发展，提升了收费效率和服务质量，为高速公路收费领域带来了创新和变革。

2.3" 软件设计方案

在智慧高速收发卡机器人系统里，软件部分充当着不可或缺的关键角色，其由操作系统、车辆识别算法、卡片管理程序以及控制逻辑共同构成。其中，操作系统是系统稳定运行的基础支撑，为整个系统搭建起平稳运作的平台；车辆识别算法精准地捕捉车辆信息，为后续工作的精确开展提供关键依据；卡片管理程序则对卡片进行科学的存储、有序的发放以及合理的回收管理；控制逻辑发挥着统筹协调的作用，促使各部分紧密协同、高效配合。接下来，将针对软件部分展开详细描述。

本公路收费智慧高速收发卡机器人系统在软件设计方面具有诸多特色。设计语言采用Java，因其具备强大的功能和良好的跨平台性。软件架构采用微服务架构，将系统分解为多个独立的服务模块，如车辆识别服务、卡片管理服务和收费结算服务等。这种架构使得每个模块可独立部署和扩展，增强了系统的灵活性与可维护性。

在数据库选择上，利用关系型数据库MySQL对结构化数据进行存储，如车辆信息、收费记录和卡片状态等。同时结合NoSQL数据库Redis缓存高频访问数据，提升了数据访问效率。逻辑算法方面，车辆识别算法基于深度学习的目标检测算法，如YOLOv5以及Faster R-CNN，经大量真实数据训练提高准确率［5］。卡片管理程序遵循先进先出原则，发放时利用决策树算法选卡。控制逻辑基于有限状态机模型，确保系统稳定可靠运行。

系统交易流程清晰高效。车辆驶入时，传感器触发车辆识别算法获取信息上传服务器。服务器依车型和规则发卡。驶离时，出口设备读卡计费，用户可选多种支付方式。缴费完成，更新卡片状态和交易记录，控制逻辑控制栏杆升起让车辆离开。综合而言，此系统设计方案实现了高效、准确、稳定的公路收费服务。系统交易流程如图3所示。

3" 关键技术及优势

本系统关键技术层面主要涵盖以下几个方面。

3.1" 高速发卡技术

高速发卡技术乃精准收发卡操作的关键所在。其机械结构精心打造，采用高强度材料并经精密加工，力保

部件稳定耐用。运动控制系统为核心要点，融合了高精度传感器、先进控制算法和高性能驱动装置。

例如，在抓取卡片时能精准定位和控制力度，达成无损抓取；传递时依预设路径和速度，使卡片快速平稳抵达指定位置；回收时精确判别卡片状态并妥善处理。

以2 000次发卡为例，传统发卡机累计总发卡时间约为10 000 s，依照公式“平均发卡速度=总发卡时间/（发卡数量×调整系数）”，假设调整系数为1.2，经计算，传统发卡机的平均发卡速度约为5 s/张，即：平均发卡速度=10 000÷（2 000×1.2）≈4.17 s/张。

智慧高速收发卡机器人系统在相同次数的发卡测试中，总发卡时间仅为4 000 s，假设调整系数为1.1，其平均发卡速度可达2 s/张，即：平均发卡速度=4 000÷（2 000×1.1）≈1.82 s/张。

此速度提升得益于多项技术融合。先进的电动推杆推力强劲、响应迅速，能迅速精准推送卡片；驱动电机响应极快，确保动力瞬间输出；机械传动结构优化，减少冗余部件，缩短发卡行程40%。智能控制算法能精准预测车辆到达，根据交通流量等因素动态调整预启动时间，保障发卡及时性高效性，极大提升了高速公路通行效率。

3.2" 高精度卡片识别技术

高精度卡片识别技术是系统高效运作的关键。卡片管理环节采用智能化存储和分配系统，能实时监测库存并调控卡片补充与调配，发放时精准推送。

在卡片信息识别方面，新设计的收发卡机取得重大突破，准确率高达99.9%，其采用高分辨率图像传感器，像素密度达500 ppi，能精细捕捉卡片细节。与精度达0.1 mm级别的OCR技术结合，精准提取分析卡号等核心信息；同时应用深度学习算法，投入超100万张多样本数据训练模型，使其能应对各种复杂场景。

实际测试中，20 000张卡片识别试验里，传统设备准确识别19 600张，准确率约为98%，新收发卡机准确识别19 980张，准确率近99.9%。依“识别准确率=准确识别的卡片数量/总识别卡片数量×100%”计算可知。此技术极大增强了系统运行效能和稳定性，提供了强大技术支持。

3.3" 智能车辆检测与定位技术

在信息采集环节，融合了先进的车牌识别与车型检测技术。高分辨率图像采集设备配合智能算法，精准分析车辆的各类特征，包括车牌的号码、颜色、形状等。同时，多传感器的协同工作，如激光雷达的高精度测量和毫米波雷达在复杂环境中的稳定表现，以及其与视觉传感器的融合，能够全面、精确地获取车辆的尺寸、轴数等关键参数。

该技术在性能上表现卓越。多次实际测试显示，检测误差被严格控制在±0.1 m以内，定位精度可达0.05 m。这意味着能为后续的交通管理和服务提供极为准确的数据基础。

其核心优势在于创新的检测方案。激光雷达、毫米波雷达和视觉传感器的多模态融合，极大丰富了检测的信息维度，让系统更全面感知车辆状况和周边环境。此外，引入的卡尔曼滤波算法，可有效去除噪声干扰，精准预测和修正车辆的位置、速度及行驶方向等信息，大幅提升了检测的准确性和实时性。

3.4" 系统优势

3.4.1" 在高效数据传输与处理技术方面

本系统展现出卓越的数据传输性能，速率达到100 Mbps。通过实际计算举例，如传输500 MB数据，按照传输速率公式，传输时间仅约40 s，相比传统方式大幅缩短。这一出色表现得益于5G通信技术的低延迟、高带宽特性，以及高速以太网提供的稳定高效传输通道，二者共同保障了数据的快速流动。

在数据处理上，本系统同样表现出色，处理1 000条收发卡记录仅需1 s，效率极高。这归功于其采用的分布式云计算架构，结合并行计算和数据压缩算法。数据压缩算法可将每条收发卡记录的原始数据进行压缩，并行计算能同时处理多个任务，这种组合方式不仅提升了数据处理效率，还显著增加了系统的存储容量，确保系统实时响应和稳定运行。

3.4.2" 在边缘计算技术方面

公路收费智慧高速收发卡机器人系统中的边缘计算技术至关重要。其原理运用了关键技术，如分布式计算，将复杂任务分解为子任务在多边缘节点同时处理，大幅提高计算效率；数据缓存与预取，在边缘设备缓存常用和预取可能需用数据，降低获取延迟；实时数据分析，能快速处理大量实时数据提取价值信息。例如，当车辆接近收费站时，传感器每秒产生数百兆字节数据。传统云计算处理1 GB数据响应需500 ms，而边缘计算仅100 ms，响应速度提高80%［计算公式：（500-100）/500×100%=80%］，显著提升了通行效率。

4" 智慧高速收发卡机器人系统的测试与应用案例

为校验智慧高速收发卡机器人系统的可靠性与高效性，开展了实验环境测试，并对现场应用案例数据做了统计分析，从而全面地评估本系统在实际运用中的状况，涵盖其展现出的优势以及可能存在的缺陷，为系统的优化和改进提供坚实依据。

4.1" 测试情况

为全面评估智慧高速收发卡机器人系统的性能，进行了严格的测试。表1是部分关键测试数据。

在可靠性测试中，机器人连续运行1 000 h，故障次数仅为2次，稳定性表现出色。同时，在不同天气和光照条件下，车辆识别准确率均保持在98.5%以上。

4.2" 应用案例

以广西某高速公路收费站为例，引入智慧高速收发卡机器人系统之前，由于人工操作效率较低，收费站经常出现车辆拥堵的情况。引入之后，效果显著：车辆平均通行时间大幅缩短，从原来的60 s减少到42 s，缓解了交通压力；人工成本降低了40%，收费准确性从99.5%提高到99.9%，用户满意度调查显示，满意度从70%提升至90%以上，司机们纷纷表示，通过收费站的时间大大缩短，出行体验得到了显著改善。该收费站也因其高效的服务，在行业内树立了良好的口碑。

5" 结语

本文所研究的智慧高速收发卡机器人系统在创新设计与应用方面成果显著，其融合了先进的机械结构和智能控制技术，能快速、精准地进行收发卡操作，显著提高高速公路出入口的通行效率。而且，智能化管理系统有效降低人工成本，增强服务的稳定性和可靠性，给驾乘人员带来便捷出行体验。

然而，本系统仍有可完善之处，如在高流量时保障设备持续稳定运行、加强对特殊卡片的识别能力、进一步提高设备抗干扰性能等。未来，伴随科技进步，预计会融入更多前沿技术，如生物识别技术、区块链技术等，实现更高安全性和智能化水平。期望本研究能为其优化发展提供有益思路与借鉴，推动其在高速公路运营管理中发挥更大作用，为智能化发展增添新活力。

［1］李" 明.高速公路自助收发卡机的性能优化策略［J］.交通工程，2021（2）：85-90.

［2］王" 芳.高速自动收发卡机的智能化发展趋势［J］.智能交通，2022（4）：112-116.

［3］赵" 强.基于新技术的高速收发卡机创新设计［J］.交通科技前沿，2023（1）：35-40.

［4］孙" 悦.高速自动收发卡机的可靠性研究［J］.交通设备与系统，2023（3）：70-75.

［5］陈" 晨.高速自动收发卡机在智能交通中的应用分析［J］.现代交通技术，2023（5）：100-105.

20240426