论  文

摘要：安全、高效、畅通、便捷是高速公路商业运营的核心内涵，推动技术应用创新，满足人民群众美好出行需求，是每个公路人的使命。2020年1月取消省界收费站项目完工，全国高速路网实现跨省无感自由流通行，跨省运输效率显著提升，随着全国“一张网”态势形成，进一步提高路网通行效率，打通匝道收费站堵点，是业内科技创新着力点之一。立足于行业背景和趋势，本文通过对主流新技术的研究分析，剖析公路收费行业的未来发展方向。

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引言

当下我国高速公路通行收费采用“分段计费、出口收费”的制式，按车辆实际行驶路径进行收费，采用以DSRC为主的收费技术，通行费计费介质为车载ETC终端或者CPC卡。入口收费站负责管控和记录车辆上路信息，在通行路段上设置ETC门架系统记录车辆通行路径和计算通行费用，出口收费站负责管控和收取通行费用。
在当前收费制式下，需要利用收费站对车辆进出高速公路进行管控，避免偷逃通行费、超限及其他非法车辆上路等行为的发生，保障收费业务顺利开展，保障道路投资者权益以及路网交通安全。由于收费站通行容量的限制，不可避免会出现收费站通行缓慢、拥堵等现象，制约着高速公路交通的效率提升。
自由流收费制式是以用户信用为基础、车辆特征识别为手段、车辆快捷通行为目的、安全实用为前提的下一代高速公路收费系统，通过智能交通系统技术实现不依赖于收费站管控的全开放式通行费收费制式。发展自由流收费具有重要的价值意义，2020年1月，随着取消省界收费站项目完工，全国高速路网实现跨省无感自由流通行，跨省运输效率显著提升，2021年拥堵缓行500米且拥堵时长5分钟以上收费站数量同比2019年降低81.8%，2020年5月至2021年6月，累计节约车辆燃油约32.17万吨，减少有害气体排放3300吨。可以预见，如果进一步取消匝道收费站，实现全网自由流收费通行，将极大地便利人的出行和物的流转。

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国内外发展分析

近年来，自由流收费制式在国内外公路收费领域已经开展探索和应用。
1.1  国外
德国使用基于全球卫星导航系统（GNSS）和预约的自由流收费系统，由政府和Toll Collect公司负责建设和运营，对所有（德国境内或过境）7.5吨及以上大货车在德国范围内收取通行费，通过全球卫星导航系统计算出高速通行距离，通过通行费率（包括车轴数、车辆排放类别等）完成费用的计算及收取。用户可选择系统自动缴费或人工预约缴费方式。为防止偷逃通行费，德国采取安装执法龙门架、执法立柱，以固定执法、移动执法、车牌识别等方式进行稽查。如果确定车辆未支付通行费或支付费用不全，联邦货物运输局执法队将会追溯征收距离费，并可处以罚款。如果无法确定实际距离，则按500公里收取通行费。
捷克电子收费系统组成与德国类似，于2019年启用基于GPS的电子收费系统，在系统推出前完成了93%的国内货车登记，提供更灵活安全的车辆监控和路线规划服务。捷克对所有境内或过境的3.5吨及以上货车收取通行费，依据通行距离、道路类型、车辆类型、车轴数、车辆排放类别、允许载重、通行时段等，计算收取通行费，用户可通过预付充值或通行后缴纳付费的方式缴纳。
新加坡电子道路收费系统始于1998年，原ERP收费系统基于智能卡和RFID（射频技术），通过路侧闸门设施完成车辆收费。新加坡陆路运输管理局LTA在2016年宣布了实施基于卫星的道路收费系统的计划，替代原有的ERP系统，该系统的实施将花费新加坡政府5.56亿新加坡元(4.0751亿美元)，2023年10月开始为本地注册车辆免费安装与新一代无闸门公路ERP系统兼容的OBU，预计2025年完成车辆终端安装，系统将于2026年启用。
1.2  国内
ETC是目前我国高速公路联网收费的主要技术方式，自国标发布并推广至今，ETC收费系统的建设和终端用户的数量得到快速的发展，截至2019年撤销省界站项目完成后，全国共建成收费站10118个，实体ETC门架27182个，ETC用户总量2.27亿，ETC专用车道33642条，混合车道35304条，通行交易量约3200万笔/日，其中跨省通行占比约30%，使用ETC在出入口收费站不停车快捷通行的车辆占比达到了67%左右，构建了以ETC门架计费、出口收费、ETC为主、MTC为辅的全国联网收费格局，极大提高了收费站收费通行的效率。ETC用户量历年发展趋势如图1所示。
图1  ETC用户量历年发展趋势
目前ETC在高速公路收费领域已经构建完整的应用体系，金融支付形成成熟的闭环模式，行业累计完成投资数百亿元。在城市领域的停车场收费、路侧停车收费、加油站收费、渡口收费等场景，在交通安全管理领域的城市路口交通车辆信息采集、高速公路匝道信息采集等场景也均有应用。ETC应用场景如图2所示。
图2  ETC应用场景
ETC自由收费应用在行业内已开展探索和实践，其中当前已实施的虚拟省界站和主线站就是主线自由流收费的应用场景之一，通过ETC门架实现了车辆跨省交易和分段计费的自由流通行。
2019年以前，两省省界主线通行需采用一出一入两个收费站进行跨省收费管理，车辆跨省通行时需要经过两道收费站，省界站排队现象时有发生，严重影响了路网整体的通行效率，形成明显的堵点。为了解决此问题，2019年撤销省界收费站项目决定采用ETC门架虚拟站替代实体收费站功能，车辆无需减速自由跨省通行，实现了实际意义上的跨省自由流收费应用。同时，在各路段的分段区间内，也设置了ETC门架系统，开展分段计费，但是基于当下ETC用户普及率不足、信用稽核体系不完善、业务制式待完善等原因，匝道收费站仍然保留出入口的管控功能。
匝道自由流是一种准自由流应用，与虚拟省界站类似，在收费站匝道设置ETC门架系统，实现和取代收费站的出入口交易功能，实现出入口的自由流通行，目前处于应用推广阶段，业内人士共识，随着ETC用户量提升及“诚信+稽核”体系的完善，将推动逐步撤销实体匝道收费站。ETC自由收费应用门架形态如图3所示。
图3  ETC自由收费应用门架形态

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 近中期发展路径分析：ETC自由流

2.1  前提条件分析
2.1.1  技术条件
省界站虚拟站的应用为ETC自由流应用树立了工程范例，ETC门架的应用形式大概率会成为ETC自由流收费的主流形式，从实际的技术应用来看，目前仍需从以下几个方面提升ETC技术的先进性。
从产品技术上提高ETC设备通信范围和信号传输的稳定性，提升自由流应用场景下的交易成功率。在全路网自由流模式下，没有出入口收费站的实时拦截设施，如果ETC系统无法提供高效的交易成功率和稳定性，会导致大量的特情车辆交易出现，后台需要消耗大量人力物力进行稽核追溯和补缴收费，一方面容易引发舆情影响，另一方面会导致业主利益受损，因此要求ETC收费技术能够在车辆高速行驶下保持极高的交易成功率和稳定性。
从产品功能上拓展ETC的应用标准，丰富应用场景，提高用户粘性，维持和提高ETC使用率。当前ETC设备功能相对单一，2019年通过银行补贴免费安装实现用户快速上量，但是随着该模式的不可持续性，未来如何保持用户体量稳健增长，需要产品本身通过设计和服务来提高用户黏性，持续壮大生态圈和保持生命力，才能支撑ETC自由流收费体系的有效运转。
从产品形态设计上解决车载设备电量寿命问题，提高产品使用寿命和运行可靠性，降低故障率。当前ETC设备的电源设计寿命年限一般为5年左右，随着使用频次的增加，电量逐渐耗尽，一方面容易导致故障率高，交易不稳定，另一方面容易导致用户流失，因此需要行业重视车载设备的电量寿命问题。
2.1.2  用户条件
目前全国汽车保有量3.02亿，ETC用户数逾2亿，ETC使用率约67%左右，仍有大量的非ETC用户需要在收费站出入口使用CPC卡作为缴费凭证，要想实现真正的ETC自由流收费，用户量使用率方面仍有较大不足。我国路网更复杂，路网区域更广阔、用户管控类型更多样，用户量未达到足够使用率的时候，后续的稽核执法工作难度较大，系统无法稳定运行。必须通过创新手段解决货车用户ETC收费风险管控问题。
2.1.3  自由流监测体系
自由流收费制式建立在成熟的信用体系之上，一方面需要公众具备契约精神，遵守既定的运营规则，另一方面需要有相匹配的完善稽核体系和执法约束手段，否则整个运营体系无法维持稳定运行。
当前高速公路收费通过黑名单方式管控异常ETC账户，需要采用入口识别和拦截等方式实施管控，同时各省也在逐步完善以大数据和车牌识别技术为主的稽核体系，打击偷逃费行为，对恶意欠费、逃费用户采取入口拦截的方式。在自由流收费应用场景下，出入口的管控屏障不复存在，必须建立全网统一完善的信用和稽核体系，通过信用管理和执法保障等方式维护业主利益。
同时，必须建立完善的ETC设备质量监督和全生命周期监管体系，确保ETC的系统稳定可靠。
2.2  难点挑战分析
目前ETC普及率为70%左右（使用率约67%），仍有大量用户使用CPC卡，且ETC存在一定的故障特情比例，导致收费站仍需保留人工收费业务和收费站设施以保障收费系统的稳定运行，无法实现全用户无感通行。而随着OBU产品的使用寿命到期，大面积免费安装的政策或难以为继，如何持续维持和提高ETC用户普及率和使用率仍是行业面临的难题。
基于现状，业内普遍认为当前应聚焦优化升级联网收费系统，加强稳定性、精准性和规范性，提升总体效率和服务质量。
未来通过市场和政策的手段，持续推升ETC用户量，实现全量用户使用ETC，并逐步完善信用体系，收费站逐步虚拟化、去站化，最终实现车辆在路网内无感自由通行。
2.3  ETC自由流发展路径分析
ETC技术应用于自由流收费具备了技术可行性，但当前在技术性能、用户量使用率、信用体系等方面离自由流收费制式落地所需的条件还有所欠缺，短期内尚不具备快速落地的条件，根据对现状的务实分析和行业的理解，高速公路收费技术短中期内会继续沿着ETC技术的方向发展，以不断满足群众美好出行、高速公路高质量发展、运营管理降本增效的行业需求为牵引，行业不断完善产品技术短板、提高用户使用率、补齐配套系统，循序渐进，逐步向自由流收费制式迈进。展望以下三个发展阶段。
2.3.1  当前阶段（ETC和人工收费并存时期）
以降本增效为主线，道路运营方逐渐推广收费站自动化收费技术，以收费机器人、远程收费技术、信用收费等手段支撑收费站少人化应用，逐步取消ETC收费亭，保留少量人工车道用于处置业务特情，实现车道扩容和ETC车道的占比提升，逐步提高收费站自动化水平，实现收费站少人化管理，并逐步推广ETC预交易和不停车治超应用，探索实施准自由流收费应用。ETC发行方多举并发，通过政策和市场手段持续维持和提高ETC上车率，上路进城，丰富用户服务体验，构建繁荣的ETC应用生态。
2.3.2  第二阶段（人工收费逐步取消）
随着ETC用户使用率进一步提升，道路运营方逐步取消所有人工车道，保留少量自助通行车道，实现收费站现场无人化管理，构建完善的远程收费管理和服务体系，大力普及ETC预交易，实现准自由流收费大量应用，收费站功能逐渐弱化，收费站车道只作为冗余的保障设施。主管部门构建了一定规模的交通信用和稽核执法制度规范体系。ETC发行方在ETC前装领域拓展取得长足成效，ETC模块或成为法规件。
2.3.3  第三阶段（ETC前装全面普及）
收费站功能大幅弱化，ETC使用率超九成以上，道路运营方逐步取消收费站，ETC匝道交易系统作为唯一收费设施，全社会构建了完善的交通信用体系，能保障收费系统的有效稽核和稳定运行，自觉缴纳通行费深入人心，全路网实现ETC全自由流收费。
2.4  ETC自由流落地路径的关键应用
2.4.1  推广匝道ETC应用
匝道ETC的现实意义是通过预交易和特情车辆引导系统，提高收费站的ETC交易特情处置效率，提高收费站的通行效率，并且也是构建匝道自由流收费的基础，承接“有站”到“无站”的过渡，未来逐步替代收费站功能，实现去站化。
2.4.2  推广自助车道应用
随着ETC使用率的提升，现场人工收费的必要性逐步下降，出于降本增效的需要，通过自助缴费设备替代人工，实现收费站现场少人化、无人化，是向ETC自由流发展的必经阶段。
2.4.3  发展业务平台化
业务平台化是为了实施远程收费管理，适应现场无人化趋势，通过一个平台同时管理多个站，开展远程收费、监测、运维、管理等应用，是适用未来自由流收费应用的基础支撑。
2.4.4  发展匝道不停车治超应用
在自由流收费制式下，如何快速智能治超是货车收费亟需解决的难题之一，通过匝道不停车治超技术，实现动态治超，违章货车在广场前劝返，现阶段可降低站内拥堵，未来自由流场景下支撑无人化治超稽查应用。
2.4.5  建立完善信用稽核体系
建立完善的信用稽核体系是实现自由流收费的必由之路。梳理高速公路不良行为，探索建立高速公路信用通行奖惩体系，并通过与通行费优惠政策、个人征信挂钩等方式，打造有力的信用通行机制，从违规难度、违规成本等多方面杜绝舞弊，引导文明通行，保障路网安全，减少通行费损失。

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远期路径展望：车联网与自由流收费

近年来，汽车行业正在发生巨大变革，伴随新能源汽车快速发展，智能网联汽车已成为国家科技创新和产业升级的重要战略方向之一。智能网联汽车利用先进的传感器、控制器和执行器等设备，可以实现自动/辅助驾驶功能，通过协同通信、协同感知和协同决策等技术，实现车与车、车与路、车与云的智能互联，从而提高交通效率和行车安全性，为人们带来更加便捷、舒适和安全的出行体验，越来越受用户市场青睐。
“智慧的路”“聪明的车”是发展交通强国和交通新基建的两条主线，未来智能交通系统将会是由车路协同构建的立体数字交通网。2020年2月，国家发改委、中央网信办、科技部等联合下发关于印发《智能汽车创新发展战略》的通知，加快推进智能汽车创新发展，文中指出到2025年，中国标准智能汽车的技术创新、产业生态、基础设施、法规标准、产品监管和网络安全体系基本形成。实现有条件自动驾驶的智能汽车达到规模化生产，实现高度自动驾驶的智能汽车在特定环境下的市场化应用。智能交通系统和智慧城市相关设施建设取得积极进展，车用无线通信网络（LTE-V2X等）实现区域覆盖，新一代车用无线通信网络（5G-V2X）在部分城市、高速公路逐步开展应用，高精度时空基准服务网络实现全覆盖。展望2035到2050年，中国标准智能汽车体系全面建成、更加完善。安全、高效、绿色、文明的智能汽车强国愿景逐步实现，智能汽车充分满足人民日益增长的美好生活需要。
车联网是汽车智能化发展的重要支撑，通过联网通信技术将汽车连结入网，构建可感知、可计算、可决策的车路协同智能交通体系，按照其技术发展阶段可分为车联云和车联万物（V2X），车联云是目前已较为普及的一种应用方式，汽车系统通过车载的T-BOX与云联网，通过蜂窝网的通信方式接入互联网，通过主控显示系统实现人车交互。车联万物（V2X）则是汽车系统通过V2X通信系统构建专用车联网体系，通信方式为C-V2X（5G版本的车车、车路通信采用URLLC协议），汽车安装V2X模组后，可实现车与车、车与路、车与互联网等之间的超可靠、低时延通信，是智能汽车，尤其是自动驾驶汽车的重要支撑技术。
过去5年中，中国新能源汽车市场取得了长足的发展，2022年我国汽车产销分别完成了2702.1万辆和2686.4万辆，其中新能源汽车产销量分别完成705.8万辆和688.7万辆，新能源汽车新车上市占有率25%左右，行业有关机构预测，基于罗兰贝格乘用车保有量预测模型分析，预计2025年燃油汽车保有量将出现下降拐点，2034年左右新能源汽车成为主流。新能源汽车和燃油汽车发展趋势如图4所示。
汽车电动化、网联化、智能化紧密关联，汽车产业电动化之后，网联汽车的保有量也在快速增长。在乘用车领域，2016年11月，工信部发布《关于进一步做好新能源汽车推广应用安全监管工作的通知》，提出自2017年1月1日起对新生产的全部新能源汽车安装车载网联终端。截至2023年10月，我国新能源汽车保有量已达到1821万辆，其中新能源汽车国家监管平台接入网联新能源车辆超过1650万辆。按照《电动汽车远程服务与管理系统技术规范》(GB/T 32960)国家标准的要求，新能源网联汽车通过内置的车载通信模组，以30秒每帧传输频率向平台远程实时回传包括电机、整车、位置等61项常规数据。此外，根据佐思汽研发布《2023Q2-Q3中国汽车T-BOX与通信终端市场分析报告》，从2021Q1到2023Q2，中国乘用车T-BOX新车渗透率从54.6%稳步上升至70.2%，车联云和车联万物（V2X）正在逐步走进车生活。
在商用车领域，交通运输部中国交通通信信息中心已经统筹运营全国重点车辆联网联控系统，依托卫星定位系统技术对旅游客车、包车客车、三类以上班线客车和危险货物运输车辆等重点营运车辆开展动态监管，截至2022年底，安装使用北斗终端的重点营运车辆超过800万辆。该类车辆需按法规安装北斗终端，并联网接入全国重点车辆联网联控系统，回传关键信息包括车辆定位信息、车辆行驶轨迹、车辆行驶速度、车辆信息等，平台根据实时数据分析，实施开展实时监控车辆位置、车辆超速行驶监控和告警、车辆行驶路线监控、应急救援和指挥调度、疲劳驾驶监控和告警、0-5时违规行车监测等交通安全管理应用，在道路交通安全管理方面发挥重要作用。
具体回到高速公路收费领域，未来网联汽车的普及，预计将对行业产生重大的影响。从技术上，以车载定位模组（前装+后装）为基础，以移动通信、V2X等网联技术为通道，结合卫星定位信息+GIS+路网费率进行计费，行程结束后后台自动扣费，技术上完全具备可行性。2017年，广东利通科技联合粤高速，在佛开高速进行实车测试蓝色通道项目，以手机（App定位）为介质，车牌识别为辅助，蓝色通道云平台为业务载体，后台在线支付为手段，开展不停车收费应用。该项目是国内首个利用卫星定位技术实现高速公路收费应用的案例。蓝色通道项目如图5所示。
图5  蓝色通道项目
随着网联新能源汽车用户发展，预测2030-2035年数量将逐步超过传统汽车，在政策支撑、各类型车辆网联数据融通及标准完善的前提下，以汽车为介质的自由流收费系统有望进入落地窗口期。该模式下，将不再主要依赖路侧收费基础设施（收费站、ETC门架等），车辆在路网内无障碍自由通行，新的车联网营运模式会应运而生。基于卫星定位的自由流收费系统如图6所示。
图6  基于卫星定位的自由流收费系统

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小结

通过研究分析，ETC是目前高速收费行业唯一健全的不停车收费体系，成熟度高，且具备了较大用户体量和路侧系统投资的基础，近中期仍会是主流的收费方式，且随着运营体系的完善和用户量（前装为主）的增长，将会逐步走向ETC不停车自由流收费（+车牌识别辅助）的制式。
结合未来智能交通方向发展分析，智能网联汽车是长期发展趋势，随着用户量上升，围绕车联网的应用生态将逐步繁荣，基于汽车为介质的自由流收费应用可以帮助行业从繁重的机电基础设施投资和运维任务中解放出来，专注于路网服务和发展，具有较大的商用价值前景，随着智能网联汽车普及，以汽车为介质的自由流收费系统有望于2030-2035年进入落地窗口期。
综上研究分析，自由流收费技术的应用落地步骤大致可分为以下三个关键节点，其关键特征如下。
1）2025-2030年 ETC系统持续完善，无人化实现。实现了以ETC不停车收费为主流，人工收费基本取消，系统运行和服务质量极大提升；匝道自由流、自助缴费、不停车治超、远程平台化管理等应用大量普及，收费站基本实现现场无人化管理。
2）2030-2035年 ETC自由流实现，车联网支付落地。交通信用体系逐步构建，稽核体系完善；匝道收费站基本取消，实现ETC自由流；车联网支付开始落地应用，相关政策和标准开始探索、制定和实施。
3）2035年ETC和车联网“双网”并存，智能车生活走向繁荣。自由流收费制式：车联网与ETC自由流双网并存；收费系统对路侧设施的依赖逐步降低，基于车联网的应用和服务走向繁荣。
参考文献
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[3] 里斯战略定位咨询.全球新能源汽车品类趋势研究报告[Z].2022-11.
[4] 佐思汽研.2023Q2-Q3中国汽车T-BOX与通信终端市场分析报告[Z].2023-10.
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[7] GB/T 32960.电动汽车远程服务与管理系统技术规范[S].北京:全国汽车标准化技术委员会,2016.

[8] GB20851-2019.电子收费 专用短程通信系列[S].北京: 交通运输部公路科学研究院,2012.

（原文刊载于2024年第3期《中国交通信息化》）

责任编辑 | 孙婧

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