基于智慧收费云的无人收费站系统

贺钊， 杨欣， 李广， 吴迪， 赵建东*

(1.中电建冀交高速公路投资发展有限公司， 石家庄 050000； 2.河北交投智能交通技术有限责任公司， 石家庄 050090； 3.北京交通大学交通运输学院， 北京 100044)

2019年中国逐步取消高速公路省界收费站，加快建设电子不停车收费(electronic toll collection, ETC)系统，提高车辆通行效率，缩短通行时间[1]。2020年1月1日起，全国高速公路成功实现收费系统并网切换工作[2]。通过全网联网收费体系的优化和完善，实现车主用户“一次通行、一次扣费、一次告知”的运营服务目标。

目前针对高速公路收费系统的建设已取得了不错成果，麦超武[3]分析了移动支付在高速公路收费中的应用，认为将移动支付应用到高速公路收费系统中，是时代发展趋势，但面对多种移动支付方式，还需在现有基础上不断完善，与现有收费系统更好融合。李丹[4]利用车牌识别和移动支付技术，在用户无需安装额外设备的前提下实现高速公路不停车收费，提高车辆通行效率。但该系统交易成功率和准确性完全依赖于车牌识别结果，在套牌和车牌遮挡的情况下，存在严重问题。邓超[5]提出一种基于物联网的高速公路不停车收费系统，利用物联网技术，对不停车收费管理系统的总体、服务器端和客户端进行设计，确定总体结构。但该系统的车辆识别功能在光照和天气条件不佳情况下，识别精度较低。

综上所述，目前高速公路收费系统，当缴费出现特情时，缺乏智能化异常处理能力、无法对车主提供智慧支持。另外，新运营模式下，对于非ETC车辆无法提供无人化服务，需通过人工方式提供交易服务[6]。因此，现立足于取消省界站的行业变革背景，结合高速公路智慧收费中“无人化、非现金、快速通行”的发展趋势，依托现有收费站设施，利用人工智能(artificial intelligence，AI)(图像识别[7-8]、情绪分析等技术[9])、大数据[10]等技术，提出一套基于智慧收费云的无人收费站系统方案，加强收费站对于特情车辆的智能处理能力，提高车辆通行效率。

1 系统方案

智慧收费云无人收费站系统方案采用无人值守自助缴费系统，组成架构如图1所示。

图1 自助缴费系统组成架构图Fig.1 Composition structure diagram of self-service payment system

该系统在现有混合车道设备的基础上增加车道机器人(自助缴费设备)、车道智能应急终端和云端客服平台系统，通过云、大数据和 AI 等技术，实现半自动车道收费系统(manual toll collection，MTC)和ETC车辆在出口ETC/MTC混合车道的自助缴费通行。系统支持全车型车辆自助缴费通行，支持异常远程处理功能，支持设备状态远程监控功能，支持ETC刷卡支付、微信支付、支付宝支付、银行卡支付、车牌付等非现金“全支付”，支持接入ETC路侧设备实现ETC车辆不停车收费。

对于智慧收费云无人收费站系统方案，在车道场景上呈现两大特征，一方面，在车道上设置无人值守车道机器人，用于检测车辆到达和类别，并提供相应交易处理服务，如ETC或交复合通行证(compound pass card，CPC)和现金；当车辆产生特情交易时，可发挥无人值守车道机器人AI能力，识别特情类别，获取车辆信息、计算路径和费额，并用友好方式与用户进行确认，或接受用户进一步交互请求，最终通过层层场景嵌套合引导，实现对车辆在无人介入情况下完成计费和放行处理。另一方面，当用户通过无人值守车道机器人仍无法对车辆进行正常交易处理时，在车主请求和事件触发下，后台客服人员可介入，为用户提供紧急处理。若该事件不适合后台处理，后台还可呼叫车道管理人员予以现场协助，可通过手持终端为用户提供现场应急处理服务，让用户在不同特情事件下获得最合适处理服务。

在后台场景上呈现两大特征，一方面，后台服务支持SaaS化部署，以云平台作为依托实现更广范围内的人员统一对对象机器人进行管控和介入处理协助，形成集中且服务一致的后台管控服务；另一方面，后台在功能上不仅聚焦于机器人特情产生时的远程回控处理支持，还提供了如设施监测、信息确认、音视频交互和紧急呼叫调度等服务功能，并且当中一些业务处理功能中还配套一定的人工智能能力应用，更好地为事件或任务处理提速。

2 系统功能说明

智慧收费云+无人收费站系统主要由无人收费站车道机器人系统、车道移动智能应急终端系统和无人收费站后台管理系统所组成。这些系统中又各自涵盖相应的子系统和功能模块，其功能结构如图2所示。

图2 基于智慧收费云的无人收费站系统功能组成图Fig.2 Function composition diagram of unmanned toll station system based on smart charging cloud

2.1 无人收费站车道机器人系统功能说明

无人收费站车道机器人与车道系统进行对接协同，支撑车辆交易处理及各类特情事件识别和应对。无人收费站车道机器人安置在收费广场车道上，主要有状态信息采集、告警信息采集、信息可视化展示、回控指令接收、执行等功能。当车道产生收费特情时，可直接与过车用户进行交互，实现对车辆交易处理和放行，过车流程如图3所示。

(1)状态信息采集。通过给定的接口与收费车道软件进行交互，采集与车道收费、特情相关设备状态和系统状态信息，设备状态信息包括打印机、ETC读卡器、CPC读卡器、移动支付组件(如支付盒子等)、车牌识别设备、车型识别设备、前(后)线圈、栏杆机、天线等。采集到的设备状态信息，不仅包括设备的运行状态信息(如关闭、打开、正常和异常)，也包括设备业务状态信息(如打印机的无纸、栏杆机的抬杆等)。另外，系统状态信息主要指无人收费站车道机器人及其所连车道系统的启动、上班、下班。对于这些信息采取定时或按条件触发采集，当车道系统和机器人无其他数据交互时，则每隔1 min上报一次机器人及其所连车道系统状态信息。

(2)告警信息采集。通过给定的接口与收费车道软件进行交互，采集与车道收费业务相关的特情事件信息和弹窗告警信息。特情事件包括：入口无效、无入口、未知车型、未知车牌、出入车型不符等。弹窗告警事件包括：ETC卡出口过车车牌不符、绿通车、挂车、打印机无纸等。这些特情事件及告警信息采集后会作为后续回控作业的对应事件类别重要依据。

OBU(on board unit)为车载单位图3 无人收费站过车流程图Fig.3 Flow chart of passing through unmanned toll station

(3)信息可视化展示。为更好与用户交互，系统根据不同处理场景提供相应操作界面，用户通过界面可辨识机器人情况，及相应处理流程执行阶段。如系统在正常情况下，会提供欢迎界面，通过该界面可查看当前机器人所在站、车道号及车道程序上下班状态(已上班、已下班)。当车辆到达时，欢迎界面会根据车辆拟处理业务，跳转到对应业务操作界面，而获得处理并离开车道后会切换到主界面。

(4)回控指令接收、执行。接收到从移动智能应急终端系统或无人收费站后台管理系统处理的特情处理结果和指令。指令由一系列信息串组成，包括设备控制指令和相关信息内容，用于解决对应特情事件，让车辆得到交易和放行，以及满足数据生成。为更好地支撑回控，程序除了接收具体指令信息外，还可接收从车道中传来的车辆图片，车辆图片包含车辆全景图，车牌识别小图及二维码图。根据所接收回控指令，对当前车辆执行处理，如通过控制指令的信息内容消除车道特情。且在消除车道特情后，触发交易流程完成对车辆交易处理，最终达到放行车辆目的。

(5)视频语音对讲。车主在过车时若碰上无法处理的情况，可选择和机器人对话，系统可以根据对话过程，给车主进行指引操作，从而完成交易。同时，车主可选择直接呼叫后台系统或智能应急终端进行视频对话，客服人员通过和车主对话及从车道获取的车辆信息对车辆进行特情回控处理，让车辆得到交易和放行。

(6)回控消息性能监测。对软件中各类监测、告警类消息交互情况进行监测，包括消息接收和上送，以及是否存在明显消息积压等。消息监测以日志形式进行记录，并支持当触发某条件阈值时可产生告警信号。该信号可传送给无人收费站后台管理系统，以便进行相应提示。

2.2 车道移动智能应急终端系统

车道移动智能应急终端系统，主要是以App的形式部署在专用的应急终端设备上，用于解决现场车辆在通过车道机器人或后台回控服务后，仍无法解决交易或通行问题时，现场广场管理员通过终端提供人工的应急处置服务。同时，智能终端系统可与后台管理系统进行语、音频交互，上报收费广场的紧急特情事件，或者接收后台管理系统的作业调度任务等。系统功能主要如下：用户登录/退出、车道监控、特情回控、音视频交互和信息查询服务等。

(1)用户登录/退出。用户可通过账户名+密码的方式进行登录，登录后用户进入终端首页。

(2)广场列表。用户录陆终端后，将会进入显示有收费广场机器人监控列表的主界面，该界面可查看到账号权限范围内收费广场机器人状态信息。状态信息包括机器人上班状态、设备正常状态、网络连接状态，以及是否机器人所在车道有特情。

(3)车道监控。系统提供对所辖广场车道关键收费设施状态进行监控的功能，操作人员通过终端可了解如顶棚灯、打印机、读卡器、卡槽卡数、移动支付组件、车牌识别设备、车型识别设备、前(后)线圈和栏杆机等的收费设施运行状态，还可了解这些设施作业状态信息(如打印机的无纸、栏杆机的抬杆等)，同时，支持远程控制设备。

(4)特情回控。当车道机器人系统出现特情时，一方面，终端能及时采集特情告警信息，如无入口信息、出入口车型不符、车牌不符、车卡不符等异常；另一方面，当车辆通过机器人的自助处理服务，或者后台远程回控服务仍无法完成交易或通行时，终端会收到请求介入的信息；此时，终端操作员可以人工介入，在了解车主及车辆特情后，通过终端特情回控界面，执行回控处理，满足车主交易或通行处理诉求。

(5)音视频交互。终端支持与后台管理系统建立音、视频连线，实现车道操作员和后台操作员可直接进行语音和视频交互，以实现如车道的问题上报、现场的实景了解、后台的作业安排等业务处理。

(6)信息查询服务。终端提供相应信息查询服务，如图4所示，主要是终端操作员的回控操作记录、设施状态的异常记录等。回控操作记录包括：收费站、车道、特情事件ID、特情类别、产生时间、处置时间、车辆信息、交易信息等；设施状态异常记录包括：收费站、车道、设施名称、异常信息、产生时间、恢复时间等。对于这些信息支持按照车道、信息类别和时间范围进行单条件或组合查询。

图4 信息查询服务界面Fig.4 Information query service interface

2.3 无人收费站后台管理系统

无人收费站后台管理系统作为智慧收费云+无人收费系统的智慧大脑设置在云端，主要为车道机器人提供相应的技术服务，主要由后台服务子系统和业务工作台子系统所组成，如图5所示。

图5 人工智能控制台Fig.5 Artificialintelligence console

2.3.1 后台服务管理子系统

(1)车道状态信息和告警信息的采集。系统通过与无人值守自助缴费车道交互接口，接收车道的收费设施状态信息和告警信息，并通过适合实时展示和事后查询方式，对信息进行存储管理，以支撑业务工作台子系统的车道设施监测、车道特情回控、信息查询服务等功能页面正常运行。

(2)车道回控指令的发送。系统将业务工作台子系统中的回控页面操作结果，按照给定的接口要求生成回控指令，传送到无人值守自助缴费车道上，以便无人值守自助缴费车道按指令执行回控操作。另外，回控指令与车道告警事件配对对应，以便呈现告警事件是否得到处理闭环，支撑后台管理系统中的业务工作台子系统信息查询服务、指标统计服务等功能页面正常运行。

(3)前后台音视频交互通道的建立。系统根据业务工作台子系统在业务操作过程中所触发的音视频交互需求，自动与无人值守车道的机器人或智能应急终端建立对应的音视频交互通道，支持用户通过工作台的操作页面可与车道的车主或者终端操作员直接进行交互。

(4)AI服务。后台服务子系统汇聚众多AI服务能力，且这些服务能力可通过标准接口提供给车道机器人或者智能应急终端体现。目前，已经开通的AI服务内容包括：①语义释义服务；②场景对话服务；③图像深度分析服务；④车辆信息研判服务；⑤用户活体验证服务；⑥用户情绪分析服务。

2.3.2 业务操作工作台子系统

业务工作台子系统，主要是以页面的形式供用户访问和使用，用于前端车辆在车道机器人的智能引导和处理服务后，仍无法解决交易或通行问题时，可以通过后台快速进行人工的介入，借助远程回控的处理手段予以及时解决。系统功能主要如下。

(1)概览首页。为提高后台客服人员的集中处理效率，系统围绕着回控事件任务、异常确认事件任务、设施故障响应和机器人呼叫任务，提供专项的任务概览首页。用户通过已注册账户、短信验证码和微信扫码登录后，通过本首页，后台客服人员可以快速辨识待处理的各类事件任务，并快速认领已经等候多时、亟待处理的事件，以确保这些事件或问题得到迅速闭环的解决，让前端车主得到放行。

(2)机器人监测。系统提供机器人监控页面，支持后台用户通过这些不同类型的监测页面了解所辖路段、收费站的车道机器人及其关键设施、组件的运行状态。操作人员通过页面可了解到某个路段、某个收费站、某条车道上的关键收费设施状态，如打印机、读卡器、卡槽卡数、移动支付组件、车牌识别设备、车型识别设备、前(后)线圈和栏杆机等的收费设施运行状态。

(3)特情回控。无人车道机器人向后台发出需后台人员介入请求时，对应任务将会在概览首页上呈现。此时，后台人员可认领任务，及时做出处理，让相应特情得到处理，阻碍正常交易的断点得到确认，实现对车辆的交易放行。整个过程，后台人员可在车主无感下完成处理。可支持事件包括：①特情回控事件，如车型异常、车牌异常、入口异常、轴数异常等；②确认处理事件，如车卡不符确认、绿通车确认、挂车确认等；③故障响应事件，如发现机器人故障，迅速定位问题并上报等；④呼叫接听事件，如车主通过机器人向后台进行人工咨询。

(4)音视频交互。在业务工作台监测页面、回控页面上，均设置可与车道机器人现场音视频连线功能。后台业务人员可根据需要，支持用户开通与前端机器人音视频连线，以便与车道车主进行沟通。

(5)紧急呼叫。除了可以在回控、监测的过程中，与前端机器人进行连线外，工作台也提供用户按需选择与车道机器人，或智能应急终端进行音视频连线，以便完成如车道问题了解、后台作业安排调度等工作需求。系统提供可快速定位广场上课连线的终端、机器人，并且快速实现连线。

(6)信息查询服务。业务工作台提供相应的信息查询服务，主要是操作员通过工作台的查询页面查询设备状态异常记录、回控操作处理记录、远程控制记录等。对于这些信息支持按照车道、信息类别和时间范围进行单条件或组合查询。

(7)大脑脑能力监测。由于后台服务子系统提供多样的AI服务，因此，相关有权限人员可通过业务工作台查看后台AI大脑的脑能力活动情况，例如：哪些能力已开启、被调用次数、耗时等。同时，通过该界面，在相应权限管控下，部分用户具备脑能力开启和关闭处理。

3 结论

智慧收费云无人收费站系统，主要由无人收费站车道机器人系统、车道移动智能应急终端系统和无人收费站后台管理系统所组成。该系统相比于现有的高速收费系统，具有一定实用性。

(1)通过引入车道机器人和手持终端等智能设备，配套车牌识别、车型识别、天线等外场辅助设备，实现目前由人工处理的各项收费工作，转至由机器人进行一站式自动处理。

(2)应用云计算技术搭建无人收费站智慧平台，为前端智能设备提供能力支撑，实现前端各类收费和监控操作，为运营管理者提供后台管理和报表分析。通过各类AI能力的汇聚，为现场收费提供如语言要义提取、深度图像识别等SaaS化服务，为无人收费站业务赋能。

(3)通过无人收费站的应用，可由现有的多人值守向少人值守、无人值守逐步转变。在实现自动收费和异常智能处理情况下，逐步降低人力参与，实现运营投入经济化。