中國智能交通發展歷程
——ETC來時的路

文|國家智能交通系統研究中心首席科學家 王笑京

2020年1月1日，取消高速公路省界收費站工程順利完成，全國29個聯網省份的487個省界收費站全部取消，完成了2019年國務院《政府工作報告》提出的“兩年內基本取消高速公路省界收費站任務”并“力爭提前”的目標。截至2019年12月底，全國ETC累計用戶達到2.04億，可以說，這是目前世界上覆蓋規模、里程規模和用戶規模最大的ETC網。

從AVI初識ETC

筆者開始了解不停車收費系統是從進行自動車輛識別（Automated Vehicle Identification，簡稱“AVI”）技術研發開始的。1989年至1991年，筆者作為課題組長承擔了原交通部科技項目“養路費征收檢查裝置研究”，當時設置這個課題的初衷是研發一種無源裝置作為車輛標識，通過設置在路側的小型設備，在車輛正常行駛過程中讀取該標識。

1990年前后，沒有今天的互聯網技術，國際交流也很有限，課題組在課題研發過程中盡可能利用各種圖書館、資料室及國內高校和研究機構，來查閱歐洲、美國和日本的有關資料，了解國內外技術和產品狀況。在收集的資料中，有利用光學識別技術和射頻識別技術對鐵路車廂進行識別的技術方案；在歐洲的資料中，有企業在試驗一種利用AVI技術實現公路非現金收費的技術方案，該企業于1985年在香港道路上試驗安裝了道路收費系統；在查閱美國電氣與電子工程師協會的有關文獻中，發現從20世紀70年代起就一直有學者研究利用有源或無源車載裝置來實現車輛跟蹤。但是，當時課題組研究方向的重點是無源廉價車載裝置，焦點并不在收費系統上，因此，沒有過多關注公路收費方面的應用。通過該項目研究，課題組對各種非接觸式的自動識別技術有了深入了解，也對其在各行業中可能的應用有了概念。

早期歐美的ETC車載機

1992年，課題組研究的主要內容是AVI，對于相應的信息和技術動態十分感興趣，而最為關注的是無線電自動識別技術的發展和應用，公路自動收費（即不停車收費）被作為AVI的一個應用來看。在后來多次國內外技術交流和資料分析過程中，課題組認識到AVI技術是公路自動收費（不停車收費）系統的核心支撐技術之一，而且在未來的交通運輸中會有廣泛的應用空間。

中國ETC研發起步

20世紀90年代中后期，國內有很多單位關注不停車收費，例如，參與“七五”國家科技攻關項目課題的原西安公路研究所，他們的課題是高速公路收費系統的研究，跟蹤不停車收費技術。原交通部公路科學研究所（以下簡稱“公路所”）在那時特別提醒原交通部：ETC技術應用必須要有統一的標準，不能一條路一個標準，也不能一個省份一個標準。公路所建議在國內標準還沒有出現混亂的時候，交通部要盡快研究這方面技術，控制住標準，而日本在這方面的經驗可以借鑒。

1997年2月，筆者與原交通部科技司及公路所領導到美國和加拿大考察ITS，期間特意參觀并考察了加拿大407高速公路的自由流不停車收費系統。當時有1%至3%的車輛無法被不停車收費系統自動識別，對此，加拿大的解決方案是通過視頻設備獲取圖像進行人工識別。我們在參觀現場議論中談到，中國短時間內還不能使用自由流收費，如果沒有欄桿擋著，車輛有可能逃跑。回國后，公路所根據國內外相關情況及研究結果，多次與原交通部科技司匯報，就有關研究內容和路徑提出建議。

原交通部立項 國內ETC研發的起點

根據各方面的建議及“九五”交通科技計劃的安排，原交通部于1997年底正式在行業聯合攻關項目中立項研究ETC技術，課題名稱為“網絡環境下不停車收費系統研究”，公路所為課題主持單位，筆者擔任課題負責人；參與課題的單位包括原西安公路研究所，以及北京、江蘇、廣東、四川等地的交通主管部門和高速公路建設單位。

1996年至1997年間，國內已有少數高速公路及獨立的大橋運營單位嘗試不停車收費，由于國內研發剛剛開始，因此這些嘗試使用的都是國外產品，這種現象給課題組提出了幾個必須解決的問題：中國未來的不停車收費系統應采用哪個無線電頻率；中國未來的不停車收費系統是否需要統一的標準；如果需要統一標準，這個標準采用哪個體系，是否應自主制定等。

ETC使用頻率的研究和確定

擺在課題組面前可選的無線電頻率有3個：915兆赫、2.4吉赫、5.8吉赫。在中國，915兆赫這個頻段已經被移動電話使用了，根據研究結果并綜合考慮國內外情況，課題組否定了915兆赫這個頻段，而從剩下的2.4吉赫和5.8吉赫頻段中選擇。

1997年，公路所與日方的幾個公司達成了合作協議，聯合測試和研究ETC技術。日方介紹，2.4吉赫這個頻段是工業開放使用的頻段，背景噪聲很高，對于可靠性要求高的不停車收費并不合適，而5.8吉赫這個頻段使用的用戶不多，背景干凈，有很高的傳輸速率，可以用較小尺寸的路側天線實現窄波束。

但是，頻段選擇不僅由技術要素決定，還涉及國際和國內對頻段使用的規定和應用成本。于是，課題組決定開展進一步測試和研究，同時將研究結果和建議提交給交通部和信息產業部。最后，通過原交通部與原信息產業部的溝通，明確了中國智能交通領域有關車輛自動識別（包括ETC）的無線電頻段使用5.8吉赫。

關于技術和標準的研究

ETC使用頻率確定后，課題組開始深入研究不停車收費中的一些關鍵技術問題，分析國內外現有的研發情況、標準制定情況及應用情況等，同時利用與國外合作的機會對國外設備進行測試，摸清既有設備的技術狀況和潛力。課題組首先利用其承擔國際標準化組織智能交通技術委員會（ISO/TC204）秘書處工作的便利條件，收集了TC204有關不停車收費的工作文件和標準草案，利用參加TC204各種工作的機會，了解清楚了各國參加標準工作的專家及其所在公司的情況。

課題組利用康比泰克公司Combitech的支持和授權，對其ETC產品進行了全面分析，包括硬件構成和性能、軟件結構、與硬件結合的驅動軟件細節等。由于該公司正在參與歐洲不停車收費標準的編制，課題組根據其提供的歐洲標準草案，按照微波物理層、數據鏈路層、應用層、電子收費應用接口的層次結構逐層研究、拆解，還原了整個不停車收費系統的技術體系，做到了心中有數。

通過對這些技術資料的分析，以及對國外產品的試驗，特別是對歐洲產品的徹底解剖，課題組對不停車收費的技術體系和流派、各國技術標準、未來技術發展方向有了全面的了解和系統的認知，對各項關鍵技術的細節、軟件的結構和要求有了基本掌握，為我國今后自主開發ETC系統打下了堅實的基礎。

在課題組對歐、美、日的ETC技術和標準有了較深入的了解之后，是否研究和編制中國自己的標準就成了一個重要課題。課題組認真研究了各種意見，傾向意見是要有統一標準，否則一輛車需要安裝多個車載機才能夠在未來的高速公路網內行駛，這是不可想象的。但是，課題組又提出，是否可以實現不同標準的ETC設備互通，就像使用不同協議的計算機可以通過轉換實現相互通信。課題組決定利用研究課題的機會，進行不停車收費設備的互通性和互換性試驗。

虎門大橋互換性測試

一輛汽車前擋風玻璃上安裝多個車載機

1999年7月在虎門大橋的ETC互換性試驗

互換性測試是課題研究的重要內容，其目的是考察既有標準和系統是否能夠很好地支持多個廠商的產品在同一個標準體系下可靠工作。

當時公路所的試驗場還沒有ETC測試車道，也沒有測試設備，課題組考慮選擇在條件合適的高速公路收費站測試。通過現場考察，課題組認為虎門大橋收費站和收費廣場的條件較好，最終決定在虎門大橋收費站進行ETC互換性試驗。

1999年7月，多個廠家ETC的互換性測試在虎門大橋進行，測試共使用6條收費車道，其中4條車道作為循環測試用，2條車道和收費島作為工作人員和測試設備調試的工作場地。在課題研究中了解到，歐、美、日很多廠商已經根據歐洲發布的CEN預標準開發了產品，為了保證測試的客觀性，課題組要求參加測試的廠商使用歐洲公布的預標準，測試原語和軟件中的操作函數由課題組規定。

通過測試發現，由于開發初期沒有統一的標準，不同廠商依據不同標準開發或生產的ETC設備是不能直接互換使用的。在按照課題組提供的測試原語和軟件中的操作函數對設備驅動和協議進行改造后，只有部分廠商的產品可以互換使用，但仍然存在成功率不穩定的問題，由此可以看出：如果在開發時使用統一標準，不同廠商生產的產品互換和通用是沒問題的，這也符合電子產品的一般規律；由于試驗中的依照標準是歐洲剛發布的預標準，細節并不完善，雖然廠商都聲稱采用歐洲標準，但是第一輪測試時多數都不能互換，這說明要實現互換，標準必須對細節有明確的規定。

聯合攻關項目完成 ETC自主研發開啟新征程

截至1999年底，公路所的研究團隊已分析了歐、美、日的ETC相關產品，并與這些國家的企業合作，開展了一系列測試和試驗，這些工作對完成交通部聯合攻關項目“網絡環境下不停車收費系統研究”有很大幫助。在聯合攻關項目的研究中，對ETC涉及的關鍵技術和標準問題進行了深入研究。

1999年底，研究工作基本結束，在原交通部科技司的主持下，課題參加單位在研究過程中還聯合編制了《網絡環境不停車收費系統行業聯合攻關指導性意見》，該意見除了發給參加聯合攻關示范工程的省市以外，還發給了部分正在開發ETC產品的中國廠商，這個指導性意見成為了中國不停車收費系統標準化工作的出發點。

自1996年10月在原交通部公路交通試驗場進行ETC演示起，到1999年上半年，公路所的團隊在交通部的支持下與國內研究機構和有關省市合作，在ETC領域開展了一系列工作。通過交通部聯合攻關課題“網絡環境下不停車收費系統研究”的相關工作，在兩年多的時間里，團隊在ETC涉及的關鍵技術和標準方面進行了深入研究，并利用新建的智能運輸系統中心實驗室進行了諸多軟硬件開發和測試。

此時，中國ETC發展到了一個關鍵時刻，下一步，究竟是采用國外既有產品和系統，或是在采用國外硬件產品的基礎上自己開發收費系統，還是制定中國自主標準、開發自主產品和系統，業內專家莫衷一是。其中，國內不少高速公路業主和部分專家建議直接采用國外的標準和產品。但是，我們課題組研究發現，使用國外產品及與國外合作會有種種制約，所以公路所ETC團隊提出，應該制定中國自主標準、開發自主產品和系統，從長遠考慮，這應該是正確的選擇。

如果不掌握底層核心技術和系統技術，就毫無主動權，也無法開發適應我國管理和服務特點的ETC產品。除此之外，由于中國將建設數萬公里的高速公路（當時原交通部提出的是建設3.5萬公里的國道主干線），如果ETC產品基于國外開發，風險是不可想象的。

國家產業技術創新項目立項

在原交通部科技司的組織下，課題組從1999年4月開始編寫《不停車收費系統技術開發和示范工程可行性研究報告》，經多次匯報和修改后，得到有關部門認可，6月按照要求編寫了《不停車收費系統技術開發和示范工程項目建議書》，通過原交通部報送原國家經貿委。隨后進行了反復的論證和修改，最終原國家經貿委同意將該項目列入1999年國家重點技術創新項目（國經貿技術〔1999〕598號）。

公路所在與國家簽訂項目合同時遇到了難題：按照原國家經貿委的規定，“國家技術創新項目計劃”主要支持產業技術開發，承擔單位必須有自己的產業投入，而且國家財政經費與產業開發貸款是配套的。為了促成并承擔這一項目，公路所不僅成立了開發公司（即北京中交國通智能交通系統技術有限公司）,而且積極尋找企業合作伙伴。公路所在自有資金中安排開發資金，加上合作企業的投入，形成了基本開發資金，再由合作企業向銀行貸款，達到了國家技術創新項目的要求。在各方的努力下，原國家經貿委正式下達了項目，項目名稱為“高等級公路電子收費系統技術開發和產業化”。2000年6月，原交通部科技司組織了實施方案評審會并確定了技術路線。

由于有了1997年至1999年聯合攻關項目的基礎，以及對國外主要ETC廠商的設備進行測試的經驗，國家技術創新項目“高等級公路電子收費系統技術開發和產業化”所設定的目標、計劃，以及要進行的工作已經非常明確，當時與國家簽訂的項目任務書所列主要目標和內容包括：研究并確定適合中國公路電子收費業務的AVI技術和專用短程通信（DSRC）技術；進行產品核心技術的研究與開發等。

雙片組合式ETC技術方案的確立

雙片組合式ETC技術體制的提出和產品研制

國家技術創新項目正式啟動后，首要工作是選擇ETC系統架構和技術體制。基于前期研究和試驗的經驗，研發團隊在討論架構和技術體制時一致認為：電子收費系統不僅涉及到很多方面的技術問題，而且必須與中國復雜的管理問題相結合，某些時候適應具體國情和高速公路管理體系要比技術更重要。

為做好該項目，公路所精心組織了研發團隊，團隊的主要人員來自ITS中心和交通工程室（設計院團隊），隨著項目的展開，參加單位擴展到電子、IC卡、系統集成、高速公路運營等眾多單位。當時，研發團隊分析了當下的問題：國外傳統的單片式ETC技術多用于開放式收費系統，即每過一個收費站就在使用者賬戶內扣除固定的費用；除了在收費站的車道內使用ETC系統外，還有在開放式收費系統中建立自由流方式的ETC；如果單片式ETC設備在封閉式收費系統中使用，必須使OBU具有一定距離的讀寫功能，如果使用不具備讀寫功能的OBU，則對通信網絡的可靠性、數據傳輸的實時性要求極高；中國高速公路建設還處于發展的初期階段，不可能大量使用ETC；根據我國實際和相關標準，中國高速公路大部分采用封閉式人工收費，法規不完善，管理水平參差不齊，且中國車輛使用者不守法現象普遍，更不存在今天的信用管理等。

當時國內已有的ETC試驗應用大多數是在大橋、機場高速等開放式收費站上，而當時第一個在封閉式收費高速公路上試驗安裝國外單片式ETC的系統卻遇到了嚴重問題，該系統建設后無法正式開通，問題根源在于建設和維護水平較低，通信系統和后臺系統故障率較高，在10多個收費站上總是輪流出現車道設備和通信故障，因此試驗系統不敢開通應用。

研究團隊認為，在當時的技術環境和管理水平下，全面提高高速公路機電系統的水平是一個長期的過程，因此除了研發技術外，應該更重視在當前中國高速公路管理和維護水平下如何提高ETC系統的可用性、可靠性和經濟性。根據多家高速公路管理單位的試驗情況和公路所團隊的研究，特別是經與原廣東省交通廳負責ETC設計團隊溝通，國家技術創新項目團隊一致認為，鑒于高速公路機電設備狀況和管理水平，ETC車輛的相關信息（如入口地址、車型、行駛路段，以及其他與收費相關的信息等）應該以加密電子數據的方式隨車走，再將封閉式高速公路收費費率表下發到每一個收費站。

由此，研究團隊提出開發一種可以插入IC卡的OBU，將相關信息寫入IC卡，這樣在沒有安裝ETC設備的收費站或者ETC車道設備出現故障時就可以使用這個IC卡完成收費。同時研究團隊還提出，使用當時剛推出不久的CPU卡，它存儲容量較大、帶有片上操作系統并能實現加密運算，而且可以將其設計成電子錢包來支持電子交易，這樣就可以不借助通信系統而離線完成繳費。

在開發過程中，項目組和參加示范工程的高速公路運營單位討論了CPU卡上的電子錢包使用標準的選擇問題，經過爭論最后確定使用中國人民銀行制定的PBOC協議，這樣ETC業務可以很方便地引入銀行服務。研究團隊與示范工程參加單位在具體工程方案設計中提出：在高速公路建設ETC的初期，可以在交通量大的主線收費站建設ETC車道并使用插上IC卡的雙片式OBU不停車通過；而在交通量小的收費站可以暫時不建ETC車道，而是將OBU中的IC卡交給收費員在人工收費系統的IC卡讀卡器上完成收費，至此適合中國國情的基于“兩片式車載機（OBU）＋雙界面CPU卡”的組合式電子不停車收費技術方案被完整地提出來了。

該方案擺脫了歐美和日本技術方案的束縛，并且從雙界面IC卡、短程通信協議、電子錢包支付方式、后臺管理方式等方面進行了技術創新和集成創新，由此形成了具有國際先進水平、融合停車和不停車收費系統、具有自主知識產權的全新ETC技術體系和工程化方案，這個方案和系統既滿足國內當時應用需求和管理特點，又為將來網絡的擴大和應用拓展打下了基礎。

團隊在公路所的公路交通試驗場進行了大量試驗，試驗確定了設備和系統的技術參數，考核了協議，檢驗了各種交通檢測器的適用性，以及ETC與人工收費組合運行時的流程和應用要求。在這些試驗基礎上，設備開發企業完成了產業化開發，最終在國際上首次實現了具有自主知識產權的組合式ETC核心設備和系統，并實現了產業化。

雙片組合式ETC架構和技術要求寫入技術要求

自1999年下半年起，為了配合交通部在全國進行的“拆除高速公路省內主線收費站”的工作，原交通部公路司組織《高速公路聯網收費暫行技術要求》（以下簡稱《暫行技術要求》）制定工作。公路所向原交通部公路司建議要將ETC的有關內容列入，當時國內對ETC的技術選擇有多種看法，因此在《暫行技術要求》編制工作開始時,對于如何編寫相關條款出現了不同意見。所以，在編寫《暫行技術要求》相關條款時采取了折中的辦法，將有把握的技術盡量在文件中列入，而對于還沒有完全研究透徹的技術就暫時不列入，對于通用的通信和計算技術盡量采用國家標準和國際標準。

2000年7月以后，技術研究和產業開發取得了明顯進展，在《暫行技術要求》的一般規定、實施細則和附錄中均對雙片組合式ETC進行了規定，特別是在實施細則的“收費方式”條款中對雙片組合式ETC的工作方式、安全性、使用雙界面IC卡等均做出了規定。

2000年9月，原交通部正式以部文件的方式發布了《高速公路聯網收費暫行技術要求》（交公路發〔2000〕463號），并規定自2000年10月1日起施行。可以說，這是中國以政府文件和行業標準的方式正式規定了ETC的技術方案和要求，至此，中國自主研發的雙片組合式ETC得到了政府和行業的認可。

《高速公路聯網收費暫行技術要求》發布

自主研發ETC在廣東落地并推動國家標準制定

ETC示范工程在廣東開通

雖然廣東高速公路各運營公司建設ETC的積極性很高，但由于是一路一公司，各家使用的設備和體系完全不同。原廣東省交通廳在1999年就認識到這種狀況會為今后ETC的路網應用帶來問題，因此請公路所參加該省公路ETC的規劃和論證。我們首先說服原交通廳領導進行廣東全省高速公路ETC的規劃，要使用統一的標準和流程，要采購具有自主知識產權的設備和系統。此時，原交通部與原國家經貿委正在籌備ETC的國家技術創新項目，經過與省交通廳商量將廣東省納入了該項目的示范工程。

廣東全省高速公路ETC在規劃和設計過程中經歷了多次爭論和方案設計變動，最終，在各方面的努力下，原廣東省交通廳和原廣東省經貿委確定使用在國家技術創新項目中研發的組合式聯網收費技術方案和產品并組織示范工程，待示范工程取得經驗后在全省推廣建設。

之后，原廣東省交通廳和原經貿委組織有關單位開始按照雙片組合式ETC方案進行系統設計，為了慎重起見，2000年公路所配合廣東省有關單位在京珠高速公路粵境南段（曲江至翁城段）組織示范工程，經過規定的基本建設程序后于2001年3月開始建設。2001年7月，京珠南高速公路組合式收費系統示范工程完成并開通。經過半年多的應用檢驗，證明具有自主知識產權的雙界面IC卡的雙片組合式ETC穩定可靠，可以滿足中國高速公路封閉式收費系統的要求。

京珠南高速公路組合式收費系統示范工程完成并開通

國家技術創新項目最早提供給廣東的雙片式ETC產品

2002年6月28日，廣東省召開了公路“聯網收費一卡通”實施方案評審會，評審通過了實施方案并建議盡快上報省政府批準。不久后，廣東省政府批準了這個實施方案，同時還批準成立廣東聯合電子收費股份有限公司專門負責ETC的建設和運營。

這次建設從2002年12月正式開始實施，2004年12月廣東省建成開通了當時國內規模最大的聯網不停車收費系統，在廣東省2400多公里的所有收費站點均可以使用雙界面CPU卡，實現非現金的刷卡付費，在160多條ETC車道上，安裝了不停車收費OBU的用戶可以使用不停車收費系統。這是中國首次在省域范圍內大規模建設高速公路ETC和非現金支付收費系統，該項目的建設成功為我國后來大規模建設ETC和系統聯網提供了寶貴經驗。

推動國家ETC標準制定

原交通部在2000年發布的《高速公路聯網收費暫行技術要求》雖然對ETC的技術有了大致的規定，但并不細致，隨著國家技術創新項目和示范工程的進展，需要對有關技術要求進行修訂和補充。2002年，公路所正式向原交通部和原國家標準化管理委員會提出制定國家不停車收費系統標準的建議。經過幾輪論證，國家標準化管理委員會對制定不停車收費系統系列標準給予了大力支持，不僅在ETC設備系列核心標準即專用短程通信方面立項支持，而且在ETC基礎技術和應用方面也給予了大力支持，在2002年至2003年期間批準了電子收費方面的數據結構及屬性尋址、服務原語、交易模型、應用接口框架等方面的國家標準制定。

中國自主知識產權的行業標準從1999年起步，國家ETC標準制定于2002年正式起步，這既是產業和應用需求推動的。又是艱苦而深入的研究和創新支撐的，在隨后的3年時間里，ETC標準的制定經歷了多次修改和各種磨練，最終形成了達到國際先進水平、體系化、有產業支持、符合工程應用要求、具有自主知識產權的中國ETC標準。