中国智能交通发展历程——ETC来时的路

文|国家智能交通系统研究中心首席科学家 王笑京

2020年1月1日，取消高速公路省界收费站工程顺利完成，全国29个联网省份的487个省界收费站全部取消，完成了2019年国务院《政府工作报告》提出的“两年内基本取消高速公路省界收费站任务”并“力争提前”的目标。截至2019年12月底，全国ETC累计用户达到2.04亿，可以说，这是目前世界上覆盖规模、里程规模和用户规模最大的ETC网。

从AVI初识ETC

笔者开始了解不停车收费系统是从进行自动车辆识别（Automated Vehicle Identification，简称“AVI”）技术研发开始的。1989年至1991年，笔者作为课题组长承担了原交通部科技项目“养路费征收检查装置研究”，当时设置这个课题的初衷是研发一种无源装置作为车辆标识，通过设置在路侧的小型设备，在车辆正常行驶过程中读取该标识。

1990年前后，没有今天的互联网技术，国际交流也很有限，课题组在课题研发过程中尽可能利用各种图书馆、资料室及国内高校和研究机构，来查阅欧洲、美国和日本的有关资料，了解国内外技术和产品状况。在收集的资料中，有利用光学识别技术和射频识别技术对铁路车厢进行识别的技术方案；在欧洲的资料中，有企业在试验一种利用AVI技术实现公路非现金收费的技术方案，该企业于1985年在香港道路上试验安装了道路收费系统；在查阅美国电气与电子工程师协会的有关文献中，发现从20世纪70年代起就一直有学者研究利用有源或无源车载装置来实现车辆跟踪。但是，当时课题组研究方向的重点是无源廉价车载装置，焦点并不在收费系统上，因此，没有过多关注公路收费方面的应用。通过该项目研究，课题组对各种非接触式的自动识别技术有了深入了解，也对其在各行业中可能的应用有了概念。

早期欧美的ETC车载机

1992年，课题组研究的主要内容是AVI，对于相应的信息和技术动态十分感兴趣，而最为关注的是无线电自动识别技术的发展和应用，公路自动收费（即不停车收费）被作为AVI的一个应用来看。在后来多次国内外技术交流和资料分析过程中，课题组认识到AVI技术是公路自动收费（不停车收费）系统的核心支撑技术之一，而且在未来的交通运输中会有广泛的应用空间。

中国ETC研发起步

20世纪90年代中后期，国内有很多单位关注不停车收费，例如，参与“七五”国家科技攻关项目课题的原西安公路研究所，他们的课题是高速公路收费系统的研究，跟踪不停车收费技术。原交通部公路科学研究所（以下简称“公路所”）在那时特别提醒原交通部：ETC技术应用必须要有统一的标准，不能一条路一个标准，也不能一个省份一个标准。公路所建议在国内标准还没有出现混乱的时候，交通部要尽快研究这方面技术，控制住标准，而日本在这方面的经验可以借鉴。

1997年2月，笔者与原交通部科技司及公路所领导到美国和加拿大考察ITS，期间特意参观并考察了加拿大407高速公路的自由流不停车收费系统。当时有1%至3%的车辆无法被不停车收费系统自动识别，对此，加拿大的解决方案是通过视频设备获取图像进行人工识别。我们在参观现场议论中谈到，中国短时间内还不能使用自由流收费，如果没有栏杆挡着，车辆有可能逃跑。回国后，公路所根据国内外相关情况及研究结果，多次与原交通部科技司汇报，就有关研究内容和路径提出建议。

原交通部立项 国内ETC研发的起点

根据各方面的建议及“九五”交通科技计划的安排，原交通部于1997年底正式在行业联合攻关项目中立项研究ETC技术，课题名称为“网络环境下不停车收费系统研究”，公路所为课题主持单位，笔者担任课题负责人；参与课题的单位包括原西安公路研究所，以及北京、江苏、广东、四川等地的交通主管部门和高速公路建设单位。

1996年至1997年间，国内已有少数高速公路及独立的大桥运营单位尝试不停车收费，由于国内研发刚刚开始，因此这些尝试使用的都是国外产品，这种现象给课题组提出了几个必须解决的问题：中国未来的不停车收费系统应采用哪个无线电频率；中国未来的不停车收费系统是否需要统一的标准；如果需要统一标准，这个标准采用哪个体系，是否应自主制定等。

ETC使用频率的研究和确定

摆在课题组面前可选的无线电频率有3个：915兆赫、2.4吉赫、5.8吉赫。在中国，915兆赫这个频段已经被移动电话使用了，根据研究结果并综合考虑国内外情况，课题组否定了915兆赫这个频段，而从剩下的2.4吉赫和5.8吉赫频段中选择。

1997年，公路所与日方的几个公司达成了合作协议，联合测试和研究ETC技术。日方介绍，2.4吉赫这个频段是工业开放使用的频段，背景噪声很高，对于可靠性要求高的不停车收费并不合适，而5.8吉赫这个频段使用的用户不多，背景干净，有很高的传输速率，可以用较小尺寸的路侧天线实现窄波束。

但是，频段选择不仅由技术要素决定，还涉及国际和国内对频段使用的规定和应用成本。于是，课题组决定开展进一步测试和研究，同时将研究结果和建议提交给交通部和信息产业部。最后，通过原交通部与原信息产业部的沟通，明确了中国智能交通领域有关车辆自动识别（包括ETC）的无线电频段使用5.8吉赫。

关于技术和标准的研究

ETC使用频率确定后，课题组开始深入研究不停车收费中的一些关键技术问题，分析国内外现有的研发情况、标准制定情况及应用情况等，同时利用与国外合作的机会对国外设备进行测试，摸清既有设备的技术状况和潜力。课题组首先利用其承担国际标准化组织智能交通技术委员会（ISO/TC204）秘书处工作的便利条件，收集了TC204有关不停车收费的工作文件和标准草案，利用参加TC204各种工作的机会，了解清楚了各国参加标准工作的专家及其所在公司的情况。

课题组利用康比泰克公司Combitech的支持和授权，对其ETC产品进行了全面分析，包括硬件构成和性能、软件结构、与硬件结合的驱动软件细节等。由于该公司正在参与欧洲不停车收费标准的编制，课题组根据其提供的欧洲标准草案，按照微波物理层、数据链路层、应用层、电子收费应用接口的层次结构逐层研究、拆解，还原了整个不停车收费系统的技术体系，做到了心中有数。

通过对这些技术资料的分析，以及对国外产品的试验，特别是对欧洲产品的彻底解剖，课题组对不停车收费的技术体系和流派、各国技术标准、未来技术发展方向有了全面的了解和系统的认知，对各项关键技术的细节、软件的结构和要求有了基本掌握，为我国今后自主开发ETC系统打下了坚实的基础。

在课题组对欧、美、日的ETC技术和标准有了较深入的了解之后，是否研究和编制中国自己的标准就成了一个重要课题。课题组认真研究了各种意见，倾向意见是要有统一标准，否则一辆车需要安装多个车载机才能够在未来的高速公路网内行驶，这是不可想象的。但是，课题组又提出，是否可以实现不同标准的ETC设备互通，就像使用不同协议的计算机可以通过转换实现相互通信。课题组决定利用研究课题的机会，进行不停车收费设备的互通性和互换性试验。

虎门大桥互换性测试

一辆汽车前挡风玻璃上安装多个车载机

1999年7月在虎门大桥的ETC互换性试验

互换性测试是课题研究的重要内容，其目的是考察既有标准和系统是否能够很好地支持多个厂商的产品在同一个标准体系下可靠工作。

当时公路所的试验场还没有ETC测试车道，也没有测试设备，课题组考虑选择在条件合适的高速公路收费站测试。通过现场考察，课题组认为虎门大桥收费站和收费广场的条件较好，最终决定在虎门大桥收费站进行ETC互换性试验。

1999年7月，多个厂家ETC的互换性测试在虎门大桥进行，测试共使用6条收费车道，其中4条车道作为循环测试用，2条车道和收费岛作为工作人员和测试设备调试的工作场地。在课题研究中了解到，欧、美、日很多厂商已经根据欧洲发布的CEN预标准开发了产品，为了保证测试的客观性，课题组要求参加测试的厂商使用欧洲公布的预标准，测试原语和软件中的操作函数由课题组规定。

通过测试发现，由于开发初期没有统一的标准，不同厂商依据不同标准开发或生产的ETC设备是不能直接互换使用的。在按照课题组提供的测试原语和软件中的操作函数对设备驱动和协议进行改造后，只有部分厂商的产品可以互换使用，但仍然存在成功率不稳定的问题，由此可以看出：如果在开发时使用统一标准，不同厂商生产的产品互换和通用是没问题的，这也符合电子产品的一般规律；由于试验中的依照标准是欧洲刚发布的预标准，细节并不完善，虽然厂商都声称采用欧洲标准，但是第一轮测试时多数都不能互换，这说明要实现互换，标准必须对细节有明确的规定。

联合攻关项目完成 ETC自主研发开启新征程

截至1999年底，公路所的研究团队已分析了欧、美、日的ETC相关产品，并与这些国家的企业合作，开展了一系列测试和试验，这些工作对完成交通部联合攻关项目“网络环境下不停车收费系统研究”有很大帮助。在联合攻关项目的研究中，对ETC涉及的关键技术和标准问题进行了深入研究。

1999年底，研究工作基本结束，在原交通部科技司的主持下，课题参加单位在研究过程中还联合编制了《网络环境不停车收费系统行业联合攻关指导性意见》，该意见除了发给参加联合攻关示范工程的省市以外，还发给了部分正在开发ETC产品的中国厂商，这个指导性意见成为了中国不停车收费系统标准化工作的出发点。

自1996年10月在原交通部公路交通试验场进行ETC演示起，到1999年上半年，公路所的团队在交通部的支持下与国内研究机构和有关省市合作，在ETC领域开展了一系列工作。通过交通部联合攻关课题“网络环境下不停车收费系统研究”的相关工作，在两年多的时间里，团队在ETC涉及的关键技术和标准方面进行了深入研究，并利用新建的智能运输系统中心实验室进行了诸多软硬件开发和测试。

此时，中国ETC发展到了一个关键时刻，下一步，究竟是采用国外既有产品和系统，或是在采用国外硬件产品的基础上自己开发收费系统，还是制定中国自主标准、开发自主产品和系统，业内专家莫衷一是。其中，国内不少高速公路业主和部分专家建议直接采用国外的标准和产品。但是，我们课题组研究发现，使用国外产品及与国外合作会有种种制约，所以公路所ETC团队提出，应该制定中国自主标准、开发自主产品和系统，从长远考虑，这应该是正确的选择。

如果不掌握底层核心技术和系统技术，就毫无主动权，也无法开发适应我国管理和服务特点的ETC产品。除此之外，由于中国将建设数万公里的高速公路（当时原交通部提出的是建设3.5万公里的国道主干线），如果ETC产品基于国外开发，风险是不可想象的。

国家产业技术创新项目立项

在原交通部科技司的组织下，课题组从1999年4月开始编写《不停车收费系统技术开发和示范工程可行性研究报告》，经多次汇报和修改后，得到有关部门认可，6月按照要求编写了《不停车收费系统技术开发和示范工程项目建议书》，通过原交通部报送原国家经贸委。随后进行了反复的论证和修改，最终原国家经贸委同意将该项目列入1999年国家重点技术创新项目（国经贸技术〔1999〕598号）。

公路所在与国家签订项目合同时遇到了难题：按照原国家经贸委的规定，“国家技术创新项目计划”主要支持产业技术开发，承担单位必须有自己的产业投入，而且国家财政经费与产业开发贷款是配套的。为了促成并承担这一项目，公路所不仅成立了开发公司（即北京中交国通智能交通系统技术有限公司）,而且积极寻找企业合作伙伴。公路所在自有资金中安排开发资金，加上合作企业的投入，形成了基本开发资金，再由合作企业向银行贷款，达到了国家技术创新项目的要求。在各方的努力下，原国家经贸委正式下达了项目，项目名称为“高等级公路电子收费系统技术开发和产业化”。2000年6月，原交通部科技司组织了实施方案评审会并确定了技术路线。

由于有了1997年至1999年联合攻关项目的基础，以及对国外主要ETC厂商的设备进行测试的经验，国家技术创新项目“高等级公路电子收费系统技术开发和产业化”所设定的目标、计划，以及要进行的工作已经非常明确，当时与国家签订的项目任务书所列主要目标和内容包括：研究并确定适合中国公路电子收费业务的AVI技术和专用短程通信（DSRC）技术；进行产品核心技术的研究与开发等。

双片组合式ETC技术方案的确立

双片组合式ETC技术体制的提出和产品研制

国家技术创新项目正式启动后，首要工作是选择ETC系统架构和技术体制。基于前期研究和试验的经验，研发团队在讨论架构和技术体制时一致认为：电子收费系统不仅涉及到很多方面的技术问题，而且必须与中国复杂的管理问题相结合，某些时候适应具体国情和高速公路管理体系要比技术更重要。

为做好该项目，公路所精心组织了研发团队，团队的主要人员来自ITS中心和交通工程室（设计院团队），随着项目的展开，参加单位扩展到电子、IC卡、系统集成、高速公路运营等众多单位。当时，研发团队分析了当下的问题：国外传统的单片式ETC技术多用于开放式收费系统，即每过一个收费站就在使用者账户内扣除固定的费用；除了在收费站的车道内使用ETC系统外，还有在开放式收费系统中建立自由流方式的ETC；如果单片式ETC设备在封闭式收费系统中使用，必须使OBU具有一定距离的读写功能，如果使用不具备读写功能的OBU，则对通信网络的可靠性、数据传输的实时性要求极高；中国高速公路建设还处于发展的初期阶段，不可能大量使用ETC；根据我国实际和相关标准，中国高速公路大部分采用封闭式人工收费，法规不完善，管理水平参差不齐，且中国车辆使用者不守法现象普遍，更不存在今天的信用管理等。

当时国内已有的ETC试验应用大多数是在大桥、机场高速等开放式收费站上，而当时第一个在封闭式收费高速公路上试验安装国外单片式ETC的系统却遇到了严重问题，该系统建设后无法正式开通，问题根源在于建设和维护水平较低，通信系统和后台系统故障率较高，在10多个收费站上总是轮流出现车道设备和通信故障，因此试验系统不敢开通应用。

研究团队认为，在当时的技术环境和管理水平下，全面提高高速公路机电系统的水平是一个长期的过程，因此除了研发技术外，应该更重视在当前中国高速公路管理和维护水平下如何提高ETC系统的可用性、可靠性和经济性。根据多家高速公路管理单位的试验情况和公路所团队的研究，特别是经与原广东省交通厅负责ETC设计团队沟通，国家技术创新项目团队一致认为，鉴于高速公路机电设备状况和管理水平，ETC车辆的相关信息（如入口地址、车型、行驶路段，以及其他与收费相关的信息等）应该以加密电子数据的方式随车走，再将封闭式高速公路收费费率表下发到每一个收费站。

由此，研究团队提出开发一种可以插入IC卡的OBU，将相关信息写入IC卡，这样在没有安装ETC设备的收费站或者ETC车道设备出现故障时就可以使用这个IC卡完成收费。同时研究团队还提出，使用当时刚推出不久的CPU卡，它存储容量较大、带有片上操作系统并能实现加密运算，而且可以将其设计成电子钱包来支持电子交易，这样就可以不借助通信系统而离线完成缴费。

在开发过程中，项目组和参加示范工程的高速公路运营单位讨论了CPU卡上的电子钱包使用标准的选择问题，经过争论最后确定使用中国人民银行制定的PBOC协议，这样ETC业务可以很方便地引入银行服务。研究团队与示范工程参加单位在具体工程方案设计中提出：在高速公路建设ETC的初期，可以在交通量大的主线收费站建设ETC车道并使用插上IC卡的双片式OBU不停车通过；而在交通量小的收费站可以暂时不建ETC车道，而是将OBU中的IC卡交给收费员在人工收费系统的IC卡读卡器上完成收费，至此适合中国国情的基于“两片式车载机（OBU）＋双界面CPU卡”的组合式电子不停车收费技术方案被完整地提出来了。

该方案摆脱了欧美和日本技术方案的束缚，并且从双界面IC卡、短程通信协议、电子钱包支付方式、后台管理方式等方面进行了技术创新和集成创新，由此形成了具有国际先进水平、融合停车和不停车收费系统、具有自主知识产权的全新ETC技术体系和工程化方案，这个方案和系统既满足国内当时应用需求和管理特点，又为将来网络的扩大和应用拓展打下了基础。

团队在公路所的公路交通试验场进行了大量试验，试验确定了设备和系统的技术参数，考核了协议，检验了各种交通检测器的适用性，以及ETC与人工收费组合运行时的流程和应用要求。在这些试验基础上，设备开发企业完成了产业化开发，最终在国际上首次实现了具有自主知识产权的组合式ETC核心设备和系统，并实现了产业化。

双片组合式ETC架构和技术要求写入技术要求

自1999年下半年起，为了配合交通部在全国进行的“拆除高速公路省内主线收费站”的工作，原交通部公路司组织《高速公路联网收费暂行技术要求》（以下简称《暂行技术要求》）制定工作。公路所向原交通部公路司建议要将ETC的有关内容列入，当时国内对ETC的技术选择有多种看法，因此在《暂行技术要求》编制工作开始时,对于如何编写相关条款出现了不同意见。所以，在编写《暂行技术要求》相关条款时采取了折中的办法，将有把握的技术尽量在文件中列入，而对于还没有完全研究透彻的技术就暂时不列入，对于通用的通信和计算技术尽量采用国家标准和国际标准。

2000年7月以后，技术研究和产业开发取得了明显进展，在《暂行技术要求》的一般规定、实施细则和附录中均对双片组合式ETC进行了规定，特别是在实施细则的“收费方式”条款中对双片组合式ETC的工作方式、安全性、使用双界面IC卡等均做出了规定。

2000年9月，原交通部正式以部文件的方式发布了《高速公路联网收费暂行技术要求》（交公路发〔2000〕463号），并规定自2000年10月1日起施行。可以说，这是中国以政府文件和行业标准的方式正式规定了ETC的技术方案和要求，至此，中国自主研发的双片组合式ETC得到了政府和行业的认可。

《高速公路联网收费暂行技术要求》发布

自主研发ETC在广东落地并推动国家标准制定

ETC示范工程在广东开通

虽然广东高速公路各运营公司建设ETC的积极性很高，但由于是一路一公司，各家使用的设备和体系完全不同。原广东省交通厅在1999年就认识到这种状况会为今后ETC的路网应用带来问题，因此请公路所参加该省公路ETC的规划和论证。我们首先说服原交通厅领导进行广东全省高速公路ETC的规划，要使用统一的标准和流程，要采购具有自主知识产权的设备和系统。此时，原交通部与原国家经贸委正在筹备ETC的国家技术创新项目，经过与省交通厅商量将广东省纳入了该项目的示范工程。

广东全省高速公路ETC在规划和设计过程中经历了多次争论和方案设计变动，最终，在各方面的努力下，原广东省交通厅和原广东省经贸委确定使用在国家技术创新项目中研发的组合式联网收费技术方案和产品并组织示范工程，待示范工程取得经验后在全省推广建设。

之后，原广东省交通厅和原经贸委组织有关单位开始按照双片组合式ETC方案进行系统设计，为了慎重起见，2000年公路所配合广东省有关单位在京珠高速公路粤境南段（曲江至翁城段）组织示范工程，经过规定的基本建设程序后于2001年3月开始建设。2001年7月，京珠南高速公路组合式收费系统示范工程完成并开通。经过半年多的应用检验，证明具有自主知识产权的双界面IC卡的双片组合式ETC稳定可靠，可以满足中国高速公路封闭式收费系统的要求。

京珠南高速公路组合式收费系统示范工程完成并开通

国家技术创新项目最早提供给广东的双片式ETC产品

2002年6月28日，广东省召开了公路“联网收费一卡通”实施方案评审会，评审通过了实施方案并建议尽快上报省政府批准。不久后，广东省政府批准了这个实施方案，同时还批准成立广东联合电子收费股份有限公司专门负责ETC的建设和运营。

这次建设从2002年12月正式开始实施，2004年12月广东省建成开通了当时国内规模最大的联网不停车收费系统，在广东省2400多公里的所有收费站点均可以使用双界面CPU卡，实现非现金的刷卡付费，在160多条ETC车道上，安装了不停车收费OBU的用户可以使用不停车收费系统。这是中国首次在省域范围内大规模建设高速公路ETC和非现金支付收费系统，该项目的建设成功为我国后来大规模建设ETC和系统联网提供了宝贵经验。

推动国家ETC标准制定

原交通部在2000年发布的《高速公路联网收费暂行技术要求》虽然对ETC的技术有了大致的规定，但并不细致，随着国家技术创新项目和示范工程的进展，需要对有关技术要求进行修订和补充。2002年，公路所正式向原交通部和原国家标准化管理委员会提出制定国家不停车收费系统标准的建议。经过几轮论证，国家标准化管理委员会对制定不停车收费系统系列标准给予了大力支持，不仅在ETC设备系列核心标准即专用短程通信方面立项支持，而且在ETC基础技术和应用方面也给予了大力支持，在2002年至2003年期间批准了电子收费方面的数据结构及属性寻址、服务原语、交易模型、应用接口框架等方面的国家标准制定。

中国自主知识产权的行业标准从1999年起步，国家ETC标准制定于2002年正式起步，这既是产业和应用需求推动的。又是艰苦而深入的研究和创新支撑的，在随后的3年时间里，ETC标准的制定经历了多次修改和各种磨练，最终形成了达到国际先进水平、体系化、有产业支持、符合工程应用要求、具有自主知识产权的中国ETC标准。