高速公路无人值守收费系统设计与实现.pdf

技术：高速公路无人值守收费系统设计与实现陈晓鲁，程宝顺（山东高速信息集团有限公司，山东济南摘要：在全国大规模实施取消省界站项目以后，收费站普及率已大 幅提高。但仍有部分车道采用收费模式，偏远省份、地区的公路收费站自动化程度则更低。本文结合先进的智能自动化收费设备，提出一套整体的收费站 解决 方 案，可进一步提高收费站无人化率，为类似项目的实施提供借鉴。关键词：智 能一体化；收费机器人；无人化；收费站收费站作为高速公路运营管理的重要节点，一直是公路运营的最重要环节之一。近年来，收费站采用人工收费结合收费的传统模式，实现了精确收费和全方位服务等 关键职能。但在传统收费工作模式下，自动化、智能化程度偏低，尤其是人工收费车道，收费人员工作量大，工作单一枯燥，人力资源占用多，运营成本高。如何有效地提高工作人员效率，把宝贵的人力资源从单调的发卡、收费工作中解放出来，用于特情处理、服 务引导、应急保障等灵活性较强 的工作，是目前收费站向智慧化、无人化发展的基础和方向。一、系统建设思路目前收费站的 混合车道基本上是全人工操作的，在正常的“四班三运转”的模式下，每个车道需要配置四个收费员。如果通过 智慧化和无人化的 系统建设，能够替代或者减少人员使用量，则 对整个收费站运营效率 的提高、缓解人员不足有很大意义。（一）混合车道收费员主要工作、入口车道：车型判别；车牌识别结果核对和修 改；根据车辆额定准载质量和动态称重结果，判定车辆是否允许驶人；发放通行卡。、出口车道：收回 通行卡；车型核准；车牌核准；引导驾驶员完成支付（现金、手机支付、刷卡等）；提供发票。（二）工作内容归纳、感知：感知即辨识车型、车牌、轴型（准载质量）等。、交互：交互即发卡、收卡、引导等。、管控：管控即是否允许驶入、操作完成放行等。（三）方案设计思路根据上述归纳，无人值守体系应包括感知端、交互端、管控端三个部分。如能将这三个部 分整合为三台智能化设备，分别对 应 车辆感知、人机交互、智能管控，则可以 实现车道的无人化运行。（四）方案实施步骤根据无人值守体系的设计思路，系统设计与实施按照以下步骤进行。、自动车辆识别与感知端（）车型识别。按照交通运输部颁布的行业标准收 费公路车辆通行费车型分类（），收 费车型分为客 车卜型、货 车卜型，均能够正常识别，车型识别率不低于。个别易混淆 的车型可以由人工进行二次核对来保证车型的识别率。（）车牌识别。车牌识别率应不低于，必要时能够由人工进行远程校对和修改。入口还需具备车头、车身、车尾三张图片和秒过车视频的功能。（）轮轴识别。为解决识别货车的准载质量，便于核对动态称重结果，判别是否超载，需要具备轮轴识别的功能，能识别轴型、驱动轴数量，以査表获知准载质量限定值。（）如何解决车牌车型识别误差。由于任何一种方式的车型车牌识别均不可能达到的准确率，因此在系统设计时可以考虑增加远程协助修改的功能。远程协助操作可以在旁边车道或监控室进行，最简单的方案是在远程电脑上安装远程桌面软件和可视对讲。远程桌面软件用来远程观看无人化车道的过车信息和系统日志，在车牌车型等出现异常的情况时，监控人员可以通过此软件在远程桌面上辅助人工更改车牌和车型信息。可视对讲则可以和驾驶员 确认车牌信息或处理异常求助。、自动化人机交互端根据入口和出口不同的功能需求，系统应具备自动化发卡、收卡、扫码支付以及发票打印功能。发票打印可以按需打票，或 年 增刊（总第 期）中国交通信息化？者能够实现废票回收。为适应大小车辆，应具备上下两个工位，便于驾驶员快捷操作。、智能管控端管控端不但包括传统的栏杆机拦阻作用，而且要有人性化的显示、提示、识别和安全保障功能。二、整体解决方案（一）系统拓扑设计根据上述的系统设计思路，把混合车道设备配置分为前中后三个终端，前中后三端涵盖智慧感知、人机交互和智能管控，把传统的收 费车道设备整合为三台关键性设备，包含镭视一体车型识别器、发卡收 费机器 人、一体化网络栏杆机，系统架构十分简洁，不但完整实现了无人化车道的运行，而且具有技末先进、运行可靠和简洁美观等诸多优点。系统拓扑如图所示。（二）设备功能简介、镭视一体车型识别 器集中了激光和视频的多重优势，避开了各自的缺 点。在功能上十分丰富，一机多 用，集成了车 牌识别、车型识别、三目相机、轮轴识别多种产品功能于一身，是真正意义上的车辆智慧感知终端。、发卡机器人是无 人值守发卡机的升级产品，不但具备基本的发卡功能，而且具备人性化 的 交互能力，具备来车自动出卡，机械手递卡或面板伸缩、智能语音提示等人性化特征。、收 费机器人更进一步，具有人性化的显示和语音交互能力，引导驾驶员插入通行卡，并根据需要进行扫码支付或者其他方式支付。支付完成后可以按需打票。如果发票未取，还可以进行废票回收。操作面板具备自动伸缩能 力，便于驾驶员操作。、智能一体化网络栏杆机是具备智 能化车道管控能力的一体化产品。在高速栏杆机平台上集成了车牌识别、大屏幕全彩显示屏作为费额显示和信息发布、语音播报、天线（）以及用于车辆计数、落杆控制和防砸车 的激光雷达。可以通过网络接收车道放行的指令，独立完成车道管控工作。（三）车道配置选择建设单位可以根据车道类型、资金投人等实际情况，依据下表选择镭视一体车型识别器或激光式车型识别 器、亭外独立式或亭内嵌入式发卡或收费机器人、智能一体化网络栏杆机或传统式栏杆机、费额显示器、通行灯、车牌识别 等组成感知端、交互端和管控端三位一体的无 人化收费系统。建议新建收费系统采取推荐配置，自动化程度更高，更加智能；改扩建收费系统可以参考简化配置，以便于传统设备的利旧，减少投资；当然也可以根据需求仅选取感知端、交互端、管控端的一种或两种智能化设备进行局部更新。车道配置如下表所示。车道配置表车道类型感知端交互端管控端入口车道（推荐配置）镭视一体车型识别器发卡机器人（亭外独立式或亭内嵌入式可选）智能一体化网络栏杆机入口车道（简化配置）激光式车型识别器发卡机器人（亭外独立式或亭内嵌入式可选）传统式栏杆机、费显、通行灯、车牌识别等出口车道（推荐配置）镭视一体车型识别 器收费机器 人（亭外独立式或亭内嵌入式可选智能一体化网络栏杆机出口车道（简化配置）激光式车型识别器收 费机器人（亭外独立式或亭内嵌人式可选）传统式栏杆机、费显、通行灯、车牌识别 等三、设备选型（一）镭视一体车型识别器为适应新的收费管理形势，在人员、成本、效益、管理等多方面实现平衡 发展，无 人化收费站、自助发卡、自助缴费、入口治超、“大车小标”的 治理等 等，对精准的车型、轮轴以及车 牌等的检测识别提出了更高的要求，传统上基于视频、红外、激光等单一技术手段，已经无法完全满足日益提高的用 户需求，复合应用 多种技术手段 的 新一代产品应运而生。镭视一体 车型识别器（如图所示）集成一台激光雷达、一台全景扫描相机、两 台车牌识别器以及配套的补光设备，可以在任何环境条件下准确地进行车辆轮轴识别、车型识别、车牌识别和车辆三维全景图片和视频的拍摄，并将这些信息进行整合，作为收费和稽査的重要依据。镭 视一体机全功能车型识别系统技术上综合了激光雷达的精准测量技术和图像深度学习技术，对车型 识别 以及轮轴识别（驱动轴）具有很大优势。经过进一步训练，可以提供专项作业车、两客一危等车辆的识别。内置一台高精度激光雷达，对车辆进行连续的纵向扫描，可以准确提取轮轴和底盘信息。激光雷达的原理是发出安全激光照射车辆表面，对激光返回的飞行时间（）进行精确测量，以计算车辆每一点 到雷达的距离值。随着车辆不断行进，对连续返回的数据进行坐标变换等计算，获得车辆的三维模型。由于激光图镭视一体车 型识别器不依赖于环境照 明，其工作基本上是全天候进行，长期工作稳定性较好。主要性能参数如 下。（）轮轴识别：轴数、单双胎、轴型识别、轴距、驱动轴。轴数识别率：。（）跟车识别：。（）激光雷达防护等级：。（）车牌识别：符 合 、和，包括车牌颜色和车号。（）图片分辨率：万、万、万像素。（）图片视频：符 合交通运输部高速公路称重检测业务规范和技术要求。（）补光照明：自动适应环境。（）工作温度：一。（）工作湿度：。（）整机防护等级：。（）设计寿命：万次或年。（）工作电源：土、。（）激光等级：类安全激光（不可见）。（）安装方式：侧装。（）通信接口：以太网。（二）收费（发卡）机器人机器人 是无人化收费站的主要关键设备，根据功能不同划分为发卡机器人（入口车道）和收费机器 人（出口车道），均包含了连接前端车辆识别（车牌、车型、轴型、图片短视频等）设备的能力，是一台全功能的人性化用户操作终端。整个系统 包含边缘计算、智 能、等先进技术手段，以及精密可靠经过十几年验证的收发卡机械核心，辅以人性化设计，依托后端的收费云支撑，为收费站无人化、自助化运营提供了可能，并极大简化了收费车道软硬件系统。、收费（发卡）机器人功能（）智慧化 的车辆感知能力。安 装于收费岛头位置的感 知单元，对车辆外观进行抓拍识别、图片视频记录，对车身结构进行激光扫描，感知其车型、轴型等治超 和收费要件。所有信息基于车牌进行整合。（）入口发卡与治超 联动。收费站入口车道已经从单一的发卡过渡到融合超载超限治理等多种职能。因此人口发卡和治超必须紧密结 合，高效和严密缺一不可。发卡机器人系统不但能够对车辆进行感知识别，而且能够和治超软件联动，不符合车辆拒绝发卡或放行。（）全功能非现金支付。支持刷卡支付、支付宝、微信支付、数字人民币等，涵盖各种主要 的非现金支付手段。用户选择余地大，贴近各类用 户支付习惯，最大 限度提高了自助支付能 力。（）远距离二维 码 识别。车道机器人配套远 距离（最大）、万像素高清扫码器，不惧阳光，适应性强，扫码速度快，提高通行速度。（）人性化设计。上下双工位模式，能同时适应小车与大车 的交 易，具有大屏幕和语音、对讲操作提示，全方面提升用户体验。（）发票打印和废票回收。机器人内置发票打印机，既可以实现驾驶员按键取票，按需打印，也可以每辆车打票，未取票时进行废票回收。、收费（发卡）机器人主要性能参数（）工位数量：标配双 工位，可支持单工位。（）卡读写：外部卡刷卡。（）天线读写：支持天线读写。（）卡读写：支持 卡读写。（）车辆识别：车牌、车型、轴型识别率均。（）扫码支付：像素高清扫描器，扫描距离。（）发票打印：支持纸质发票打印。（）发票回收：未取票自动回收。（）伸缩面板：下工位伸缩范围，便于取卡。（）语音对讲模块：配备麦 克风和扬声器，可选可视对讲或普通语音对讲。（）显示器：配备寸高亮显示器，阳光下可见。（）摄像头：配备驾驶员视角摄像头，支持与车主在线视频通话。（）主控单元：配备一体化主控单元，具备车道业务处理能力和边缘计算能 力。（）空调：配备工业级户外恒温空调。（）车检器：配备车检器。（）车控器：可内置工控机及控制盘。技术 全爵相机（下转 第 页）技术通过移动终端设备后置摄像头实时获取车辆照片，将获取的照片依次进行：高斯模糊处理、图像灰度化处理、算子、图像二值化、图像闭操作、二值图像降噪、外部轮廓提取、外部轮廓筛选、切图操作得到处理后图像。将处理后的图像结合算法和车牌识别模型，得到车牌、车牌颜色和可信度。系统支持蓝牌、黄牌、新能源车牌、双层车牌等车牌和颜色的识别，其识别准确率能达到 以上，能快速录入车辆车牌和颜色。四、应用情况及展望系统上线以来，为 青海、重庆的座收费站提供服务，安装设备套，运行稳定、计费精确、特情处理及时高效。支持在线、离线卡，卡、卡、卡和交易，路径拟合、在线计 费、兜底、黑名单拦截，通行费移动 支付、现金支付和刷卡支付，通行费票据打印，入口、出口特情联动处理快 速放行，车道外设控制。实现了四个方面的效果：特情处理，快速放行，减少倒车，提高出入口通行效率；提高收费站应急处理能力，可 在车道设备故障、网络故障、施工、高峰期等情况下，协助维持收 费站的正常运行；外设控制（如栏杆机）快速便捷，免去人工推杆，提高安全性；支持多种交易方式和支付方式，功能齐全，为公众提供高效、便捷的高品质出行服务。系统将持续地进行完善，提供更多的功能，如：更多的车道外设控制支持，如：通过费显、语音播报，将通行费直观的展示给通行人员；利用移动端成熟的地图技术，结合车辆通行的门架信息，为收费人员和通行人员提供可视化的路径信息和详细的收费信息；支付方式更加多元化，支持数字人民币支付通行费。五、结束语基于移动终端的应急车道收费系统是一套完整的车道收费模式，将天线和刷卡机小型化集成到便携式移动设备，结合系统各个功能模块实现了高速公路出人口交易，具备外设控制和特情处理能力。基于移动端的应急车道收费系统能有效提高收费站的通行效率和应急处理能力，推动建设更高品质的高速公路出行服务。参考文献杨鵄飞取消省界收 费站对高速公路车辆运行 影响分析研究长安 大学 尤 加庚基于深度学习的单目图像深度恢复浙江工业大学高建明自适应感兴趣区域车道检測算法】山东大学，空责任编辑：户利华（上接第 页）（三）智能一体化网络栏杆机智 能一体化网络栏杆机是具备远程网络控制 能力，集大面积全面屏全彩信息发布和费额显示、高清车牌识别、通行信号、天线等功能为一体的高速栏杆机，主要性能参数如下。（）网络接口可直连收费云后台，便于远程控制和状态监控。（）自带高精度车牌识别模块，识别率。（）自带天线（），角度距离合理，近场交易无邻道干扰。（）首次采用全彩色，以全面曲屏技术大面积包围栏杆机机身，获得令人惊叹的视觉效果。（）大屏幕集成费额显示和全彩视频形象宣传两大功能。（）充分利用栏杆机的位效果，达到耳目一新的用户体验。（）车道布局简洁美观，综合成本低。四、结束语随着智慧交通领域髙科技、数智化新型设备的不断研发和投人运行，高速公路收费系统的自动化、无人化水平突飞猛进。结合、大数据、智能等新兴技术的专业应用，收费系统、监控系统、通信系统等传统的高速公路机电三大系统越来越融合、汇集和密不可分，成为搭建智慧高速软件平台的一体化基础。秉承区块链思想的终端智能化设备是这场科技浪潮中重要的节点，高速公路无人值守收费系统的设计与实现是需要持续实践的典型案例，期望能为交通领域的发展提供借鉴。参考文献丨郭自强高速公路无人 值守自助收 费系统的设计与实现沈阳：东北大学，雷袁欧忆，詹鑫钢高速公路无人值守收费管理系统设 计与应用中国交通信息 化，（）李永量应用于高速公路 收费站的自动取卡智 能支付系统 丨朱立王新官，卢金勤高速公路无 人值守自助缴费系统的设计与实现交通科技与管理，（）】沈佳 平，李炳 政，孟军波，等高 速公路收 费站无人 值 守 发卡机自动发 卡系统儿中囯交通信 息 化，（）？责任编辑：崔雪薇