AI收費(fèi)機(jī)器人在高速公路ETC/人工混合車(chē)道的應(yīng)用探索

摘要 雖然如今全國(guó)高速公路ETC聯(lián)網(wǎng)不斷推進(jìn)，用戶(hù)規(guī)模顯著擴(kuò)大，但各收費(fèi)站仍然設(shè)置了ETC/人工混合車(chē)道，此類(lèi)車(chē)道相較于ETC車(chē)道存在通行效率低、事故發(fā)生率較高、環(huán)境污染大、人工投入成本高等問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，文章首先深入剖析了當(dāng)前ETC/人工混合車(chē)道存在的問(wèn)題，然后詳細(xì)闡述了基于集成AI技術(shù)的高速公路收費(fèi)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路與實(shí)現(xiàn)過(guò)程，最后通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)，充分驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性和可行性，實(shí)現(xiàn)了收費(fèi)站無(wú)人化操作、多方式支付及快速通行的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞 AI；收費(fèi)機(jī)器人；ETC/人工混合車(chē)道；應(yīng)用探索

中圖分類(lèi)號(hào) TP249 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）02-0001-03

0 引言

2020年，我國(guó)高速公路收費(fèi)體系經(jīng)歷了重大改革，取消了省界收費(fèi)站，實(shí)現(xiàn)了向全新全網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)的順利過(guò)渡[1]。這一變革深刻改變了原有的高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)模式，顯著提升了交通流暢性和效率。在新系統(tǒng)下，各收費(fèi)站除設(shè)置ETC專(zhuān)用車(chē)道外，還保留了至少一進(jìn)一出的ETC/人工混合車(chē)道，以滿(mǎn)足不同駕駛員的需求。這種混合車(chē)道功能多樣，既支持ETC車(chē)輛的不停車(chē)交易，也能為非ETC車(chē)輛提供CPC卡計(jì)費(fèi)服務(wù)，同時(shí)還具備貨車(chē)治超功能。此外，綠通預(yù)約車(chē)輛在經(jīng)過(guò)驗(yàn)證后可快速通行，集裝箱車(chē)輛也能享受特定優(yōu)惠。

然而，數(shù)據(jù)顯示，盡管ETC用戶(hù)數(shù)量在持續(xù)增長(zhǎng)，但截至2024年5月，在全國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)保有量4.4億輛中，僅有2億為ETC用戶(hù)。這表明在未來(lái)較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，ETC/人工混合車(chē)道仍是我國(guó)高速公路收費(fèi)體系不可或缺的一部分。不過(guò)，混合車(chē)道的存在雖然為收費(fèi)提供了更大的靈活性，但由于其依賴(lài)人工操作，也導(dǎo)致了一系列問(wèn)題，例如收費(fèi)效率低下、運(yùn)營(yíng)成本高昂、缺乏智能化處理能力等。為了解決這些問(wèn)題，進(jìn)一步提升高速公路的收費(fèi)效率和服務(wù)質(zhì)量，研發(fā)高速公路智慧收費(fèi)機(jī)器人已成為當(dāng)前行業(yè)研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)[2]。

1 當(dāng)前高速公路ETC/人工混合車(chē)道存在的問(wèn)題分析

當(dāng)前，高速公路上ETC/人工混合車(chē)道的擁堵現(xiàn)象已成為制約快捷通行的重要因素。以云南省昆明市周邊某收費(fèi)站為例，根據(jù)2023年5月的實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)，該站當(dāng)月出入口總車(chē)流量達(dá)到311 128輛，其中ETC通道車(chē)流量為203 265輛，混合車(chē)道車(chē)流量為107 863輛。對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析后發(fā)現(xiàn)，在單位觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，混合車(chē)道的通行效率顯著低于ETC車(chē)道。通過(guò)詳盡的調(diào)研與分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前高速公路ETC/人工混合車(chē)道收費(fèi)系統(tǒng)存在以下幾個(gè)亟待解決的問(wèn)題：

（1）通行效率低下。在交通高峰時(shí)段，混合車(chē)道的車(chē)輛往往需要長(zhǎng)時(shí)間的排隊(duì)等待，特別是當(dāng)部分車(chē)輛因各種原因無(wú)法通過(guò)ETC系統(tǒng)自動(dòng)繳費(fèi)時(shí)，必須轉(zhuǎn)為人工操作，這不僅延長(zhǎng)了單車(chē)的處理時(shí)間，而且大幅降低了車(chē)道的整體通行效率。

（2）安全事故頻發(fā)?；旌宪?chē)道的擁堵問(wèn)題常常導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。若這些事故不能得到迅速有效的處理，很可能會(huì)引發(fā)連鎖反應(yīng)，造成更多的二次事故，進(jìn)而帶來(lái)更為嚴(yán)重的后果。這些事故不僅威脅道路交通安全，還可能造成難以估量的直接或間接經(jīng)濟(jì)損失。

（3）人力資源投入過(guò)大。混合車(chē)道在處理交易和現(xiàn)場(chǎng)管理時(shí)對(duì)人力資源的需求極大，特別是在交通高峰期，為了應(yīng)對(duì)激增的車(chē)流量，必須增加工作人員，這無(wú)疑增加了運(yùn)營(yíng)的總體成本。

（4）環(huán)境污染加劇。車(chē)輛在人工收費(fèi)窗口排隊(duì)等候繳費(fèi)時(shí)，會(huì)持續(xù)排放尾氣。在交通高峰期，這種排放尤為密集，對(duì)環(huán)境造成了顯著的負(fù)面影響，加劇了空氣污染問(wèn)題。

2 高速公路收費(fèi)機(jī)器人的應(yīng)用案例

隨著智慧高速公路建設(shè)的不斷推進(jìn)，越來(lái)越多的地區(qū)開(kāi)始引入并運(yùn)行高速公路收費(fèi)機(jī)器人。自2022年起，我國(guó)江蘇、黑龍江、山西、湖南、貴州、內(nèi)蒙古和湖北等多個(gè)省份（自治區(qū)），已陸續(xù)啟動(dòng)并實(shí)施了公路收費(fèi)機(jī)器人項(xiàng)目。以湖南株洲高速的首臺(tái)智能收費(fèi)機(jī)器人和山西高速的首個(gè)無(wú)人值守智慧車(chē)道為代表，這些先進(jìn)的智能設(shè)備正逐步改變傳統(tǒng)的收費(fèi)模式。這些智能收費(fèi)機(jī)器人融合了云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和人工智能等尖端技術(shù)，不僅具備自助發(fā)卡、自助交費(fèi)等一系列便捷功能，更重要的是能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人值守、非現(xiàn)金交易及快速通行。由此可見(jiàn)，通過(guò)引入集成AI技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更高效的收費(fèi)，加速數(shù)字交通的變革，提升高速公路的整體運(yùn)行效率[3]。

3 基于集成AI技術(shù)的收費(fèi)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前市場(chǎng)上可用的收費(fèi)機(jī)器人，在提升收費(fèi)效率和降低運(yùn)營(yíng)成本方面表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)，但也存在一些不容忽視的局限性和需要改進(jìn)的地方。首先，現(xiàn)階段的收費(fèi)機(jī)器人功能相對(duì)有限，主要集中在自助發(fā)卡、自助繳費(fèi)等基礎(chǔ)功能，而在處理諸如車(chē)輛違章、異常情況等特殊場(chǎng)景時(shí)，其應(yīng)對(duì)能力尚顯不足。其次，收費(fèi)機(jī)器人的固定位置和高度在一定程度上制約了其使用的靈活性和便利性。對(duì)于不同類(lèi)型的車(chē)輛，以及擁有不同習(xí)慣、身高差異的駕駛員來(lái)說(shuō)，固定的位置和高度未必是最舒適、最便捷的選擇。這一點(diǎn)揭示了收費(fèi)機(jī)器人在適應(yīng)多變場(chǎng)景和滿(mǎn)足個(gè)性化用戶(hù)需求方面，存在的不足之處。

鑒于現(xiàn)有收費(fèi)機(jī)器人在功能、安全性，以及使用便利性方面存在的諸多不足，迫切需要設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)一套全新的收費(fèi)機(jī)器人系統(tǒng)。

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在硬件構(gòu)成方面，智能機(jī)械臂是系統(tǒng)的核心組件之一。它由智能終端接口與四個(gè)精密聯(lián)動(dòng)軸組成，同時(shí)配備了高清攝像頭和多種傳感器，以確保在各種環(huán)境下都能穩(wěn)定運(yùn)行。機(jī)械臂負(fù)責(zé)精準(zhǔn)地執(zhí)行各類(lèi)動(dòng)作，而攝像頭則主要用于捕捉復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)時(shí)圖像，為系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的視覺(jué)反饋。該智能機(jī)械臂具有以下特點(diǎn)：位置和高度無(wú)限制，采用神經(jīng)卷積網(wǎng)絡(luò)算法和多軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)控制算法處理大量數(shù)據(jù)，具備處理復(fù)雜收費(fèi)任務(wù)的能力，提供精確的機(jī)械臂定位，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高速度的服務(wù)，如圖1～2所示。

在圖2中，底座1安裝在混合車(chē)道出入口，其上方安裝有機(jī)械臂本體2，通過(guò)機(jī)械臂本體2可調(diào)節(jié)主機(jī)3的位置，能夠使該機(jī)器人自適應(yīng)駕駛員的位置完成繳費(fèi)。圖3詳細(xì)展示了主機(jī)收費(fèi)系統(tǒng)的正面視圖，其中包括顯示器4、人臉識(shí)別鏡頭5、收款碼掃描鏡頭6、現(xiàn)金收款口7、CPC卡口8、收據(jù)窗口9等一系列功能組件。此外，為了保護(hù)設(shè)備并增強(qiáng)用戶(hù)體驗(yàn)，還配備了海綿墊10、橡膠防護(hù)角11、橡膠墊12等防護(hù)措施，同時(shí)鐵板13、磁板14、彈簧15、放大鏡16等結(jié)構(gòu)也一應(yīng)俱全。

主機(jī)收費(fèi)系統(tǒng)集成了多個(gè)先進(jìn)子系統(tǒng)，包括預(yù)警系統(tǒng)、機(jī)械臂本體2控制系統(tǒng)、人工智能交互系統(tǒng)、避障系統(tǒng)、人臉識(shí)別驗(yàn)證系統(tǒng)、多種支付方式（如人臉支付、支付寶、微信掃碼支付，以及現(xiàn)金找零等）兼容的支付系統(tǒng)，為使用者提供了極大的便利。

此外，該系統(tǒng)還配備了超聲波避障技術(shù)，能夠精準(zhǔn)、快速且靈活地調(diào)整機(jī)械臂本體2的位置，從而有效避免與車(chē)輛門(mén)窗等發(fā)生碰撞。人工智能系統(tǒng)大幅提升了服務(wù)的人性化程度，無(wú)論是處理基本問(wèn)題還是應(yīng)對(duì)緊急情況，都能提供與人工服務(wù)相媲美的解決方案。整個(gè)系統(tǒng)的仿真效果如圖4所示，直觀地展現(xiàn)了其高效便捷的服務(wù)流程。

3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在功能層面，基于集成AI技術(shù)的收費(fèi)機(jī)器人系統(tǒng)不僅具備了基礎(chǔ)收費(fèi)功能，還融合了更多高級(jí)特性，如圖像識(shí)別、自然語(yǔ)言處理等，從而能夠高效應(yīng)對(duì)各種特殊場(chǎng)景。舉例來(lái)說(shuō)，該系統(tǒng)通過(guò)引入尖端的圖像識(shí)別技術(shù)，使得機(jī)器人可以精確地識(shí)別車(chē)輛類(lèi)型和車(chē)牌信息，進(jìn)而為每位駕駛員提供量身定制的服務(wù)。此外，結(jié)合自然語(yǔ)言處理技術(shù)，機(jī)器人能夠與駕駛員進(jìn)行順暢對(duì)話(huà)，及時(shí)解答疑問(wèn)并提供所需的實(shí)時(shí)幫助。具體來(lái)說(shuō)，該系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面：

（1）視覺(jué)AI。該方案借助高性能CMOS或CCD攝像頭，結(jié)合多光譜成像和HDR技術(shù)，能夠清晰地捕捉到100 m外的車(chē)輛細(xì)節(jié)。通過(guò)運(yùn)用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）、遷移學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)增強(qiáng)技術(shù)深入分析圖像，系統(tǒng)能夠精確識(shí)別車(chē)輛的型號(hào)和窗高。同時(shí)，該系統(tǒng)還支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，迅速處理并反饋車(chē)輛信息。此外，利用逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)和路徑規(guī)劃技術(shù)，機(jī)械臂能夠?qū)崿F(xiàn)六軸精控，預(yù)測(cè)性地調(diào)整其位置和動(dòng)作[4]。通過(guò)中間件和系統(tǒng)集成技術(shù)，各個(gè)子系統(tǒng)能夠協(xié)同工作，確保整個(gè)系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）動(dòng)態(tài)捕捉技術(shù)。采用高性能攝像頭和服務(wù)器，結(jié)合先進(jìn)的圖像處理和識(shí)別軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速行駛車(chē)輛的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)識(shí)別。通過(guò)全面測(cè)試，確保其在各種環(huán)境下都能保持穩(wěn)定和準(zhǔn)確。同時(shí)，該技術(shù)與收費(fèi)系統(tǒng)的緊密集成，使得技術(shù)能夠迅速轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用。

（3）圖像識(shí)別與機(jī)器學(xué)習(xí)。通過(guò)收集大量的多樣化車(chē)輛圖像數(shù)據(jù)，并在TensorFlow或PyTorch框架下開(kāi)發(fā)深度學(xué)習(xí)識(shí)別算法，利用GPU加速技術(shù)，進(jìn)行了高效的模型訓(xùn)練。經(jīng)過(guò)精確調(diào)優(yōu)后，將模型部署在收費(fèi)站系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的圖像處理。

（4）機(jī)械臂聯(lián)動(dòng)控制。通過(guò)高性能控制器和實(shí)時(shí)反饋監(jiān)控，如編碼器和傳感器等，可以精確調(diào)整機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡。通過(guò)集成專(zhuān)業(yè)的控制軟件，能夠使機(jī)械臂自動(dòng)執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)。經(jīng)過(guò)全面測(cè)試，確保機(jī)械臂在各種環(huán)境下都能進(jìn)行精確的操作。

3.3 工作流程

收費(fèi)站混合收費(fèi)車(chē)道由入口車(chē)道與出口車(chē)道構(gòu)成，兩者的收費(fèi)機(jī)器人在功能上各有側(cè)重。入口收費(fèi)機(jī)器人主要負(fù)責(zé)采集車(chē)輛信息并發(fā)放CPC卡，而出口收費(fèi)機(jī)器人則聚焦于處理繳費(fèi)操作和回收CPC卡。以下以出口收費(fèi)機(jī)器人為例，詳細(xì)闡述其工作流程。

出口繳費(fèi)機(jī)器人融合了ETC自動(dòng)扣費(fèi)與CPC卡非現(xiàn)金繳費(fèi)的自動(dòng)化功能。當(dāng)機(jī)器人檢測(cè)到OBU信息時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將其識(shí)別為ETC車(chē)輛，并執(zhí)行相應(yīng)的扣費(fèi)程序。若未檢測(cè)到OBU信息，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換至CPC交易模式。在此模式下，智能機(jī)械臂會(huì)根據(jù)車(chē)窗高度自適應(yīng)調(diào)整，以便與駕駛員進(jìn)行交互。駕駛員將CPC通行卡插入插槽（未來(lái)計(jì)劃升級(jí)為拋卡回收箱，以提高回收效率），機(jī)器人會(huì)自動(dòng)吸入并推送卡片至讀寫(xiě)器進(jìn)行信息讀取。收費(fèi)軟件根據(jù)卡片信息計(jì)算費(fèi)用，并在顯示屏上展示，同時(shí)通過(guò)語(yǔ)音提示駕駛員展示支付二維碼。掃描槍識(shí)別二維碼后，車(chē)道軟件或支付盒子將通過(guò)專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)與結(jié)算中心進(jìn)行連接，完成扣款操作，并將結(jié)果反饋至收費(fèi)軟件。隨后，軟件會(huì)生成交易記錄，并根據(jù)需求打印發(fā)票（如選擇電子發(fā)票則無(wú)須打?。?。在費(fèi)顯和語(yǔ)音的引導(dǎo)下，駕駛員領(lǐng)取發(fā)票，同時(shí)機(jī)器人控制欄桿抬起以放行車(chē)輛，從而順利完成整個(gè)的繳費(fèi)流程。

該系統(tǒng)的人機(jī)交互界面友好，操作流程簡(jiǎn)潔易懂，即使是初次使用的用戶(hù)也能輕松上手。

3.4 研究結(jié)果對(duì)比分析

系統(tǒng)研發(fā)后，參照各類(lèi)車(chē)輛在實(shí)際通行過(guò)程中的運(yùn)行參數(shù)，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了嚴(yán)格的模擬測(cè)試，結(jié)果如表1所示：

該文研發(fā)的基于集成AI技術(shù)的收費(fèi)機(jī)器人系統(tǒng)，在大多數(shù)場(chǎng)景下能夠迅速且準(zhǔn)確地判斷通行車(chē)輛狀態(tài)，并做出恰當(dāng)?shù)淖赃m應(yīng)服務(wù)決策（如入口車(chē)道發(fā)卡，出口車(chē)道收卡、收費(fèi)）。在正常天氣條件下，系統(tǒng)準(zhǔn)確率高達(dá)92%以上，反應(yīng)時(shí)間平均不超過(guò)10 s。在模擬的惡劣天氣環(huán)境下，盡管系統(tǒng)性能有所下滑，但其準(zhǔn)確率仍保持在85%左右，展現(xiàn)出良好的魯棒性。針對(duì)突發(fā)事件，系統(tǒng)能在平均2 min內(nèi)完成事件識(shí)別和響應(yīng)策略的制定。然而，在硬件故障模擬測(cè)試中，備用處理流程存在一定的延遲，需加強(qiáng)系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)和故障恢復(fù)機(jī)制。通過(guò)深入分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性。

4 結(jié)語(yǔ)

該文專(zhuān)注于智慧高速公路自由流收費(fèi)建設(shè)，深入分析了ETC/人工混合收費(fèi)車(chē)道的需求，并創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一套智能化的收費(fèi)機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)以駕駛員需求為中心，結(jié)合了先進(jìn)的人工智能技術(shù)和高性能機(jī)械臂，實(shí)現(xiàn)了自助發(fā)卡、收卡、繳費(fèi)及特情處理等環(huán)節(jié)的智能化和自動(dòng)化。這不僅降低了人力的參與度，趨近無(wú)人化運(yùn)營(yíng)，還有效減少了收費(fèi)站二次事故的發(fā)生率，顯著提升了ETC/人工混合車(chē)道的通行效率和服務(wù)水平，為人工智能技術(shù)在交通新基建領(lǐng)域的更廣泛應(yīng)用提供了示范，對(duì)推進(jìn)智慧高速公路建設(shè)具有重要意義。

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