交通部署案例集/2014/日本电子收费系统

日本ETC车道

定性分析

模式描述

电子收费系统 (ETC) 是一个“最先进的技术”，车辆可以通过收费站而无需停车。为了运行此系统，必须在车辆内部安装车载设备，并在收费站设置天线。当车辆靠近收费站时，驾驶员必须将ETC卡（IC卡）插入车载设备以支付通行费。 用户可以在汽车经销商或汽车设备商店购买车载设备，ETC卡由信用卡公司或收费公路组织发行。 车载设备和ETC卡之间没有关联。这意味着驾驶员不仅可以在私家车中使用ETC服务，而且在安装了车载设备的租车中也可以使用。

当车辆驶入收费公路时，用户的资料（例如ID和时间）和车辆类型都会记录在车载设备和ETC卡中。然后，当车辆驶出收费公路时，收费站设备会接收驾驶员的入口信息。此外，该设备会自动计算行驶距离和费用。最后，该设备将此信息发送到车辆，信息将记录在ETC卡中。此时，这些信息会被加密以保护用户的安全。

第一个ETC服务于1987年在挪威开始，其他国家在1990年代紧随其后。相反，日本延迟了，直到2001年才开始这项服务。 起初，ETC车载设备的价格在2001年超过了300美元。这对许多驾驶员来说是推广ETC使用的一个障碍。然而，由于制造商和政府政策的努力，价格在2005年下降到了60美元。 当政府开始为ETC驾驶员提供折扣服务时，用户数量逐渐增加。 随着折扣服务的推出，ETC收费站的数量也随之增加。截至2014年，89%的用户使用ETC收费站。 这一举措有助于减少高速公路上的拥堵。

日本的ETC系统可以在日本所有高速公路上使用，即使道路管理不同。 与许多其他国家相比，日本的收费支付系统与他们不同，因为许多日本的收费公路采用“距离计费”。这种支付系统比“固定费率”需要更多的时间来计算费用，因此会导致收费站的拥堵加剧。这是造成交通拥堵的主要原因之一，高速公路所有拥堵中约有30%发生在收费站附近。日本的ETC服务应用于“距离计费”和“固定费率”，因此它很复杂，成为启动服务的障碍。

优势

ETC的优势如下：

1. 无需停车的支付服务

ETC系统有助于减少拥堵，因为驾驶员无需在收费站停车。 根据挪威的例子，ETC车道可以提供比传统硬币收费站快3倍的服务。 国土交通省公布了ETC系统在城际高速公路上的有效性结果。2000年ETC服务推出之前，收费站附近发生32.1%的拥堵。另一方面，2009年拥堵比例下降至0.1%。这表明ETC服务具有显著效果。 此外，他们可以专注于驾驶，因为他们不需要准备现金。驾驶员不太可能将目光从道路上移开，这将降低收费站发生事故的风险。

2. 环境保护

由于无需停车的服务，加速和减速的次数减少了。这有助于减少收费站附近车辆产生的噪音和燃油消耗。 根据国土交通省的数据，当85%的驾驶员使用ETC系统时，与过去（0%使用）相比，二氧化碳排放量可以减少210,000吨/年。

3. 为驾驶员提供便利

在ETC服务出现之前，对于驾驶员来说，驾驶左舵车很不方便，因为大多数传统的收费系统设备都设置在右侧。驾驶员需要在右侧取票并支付现金，这会大大增加时间。当驾驶员使用传统的收费系统支付费用时，他们每次都需要打开车窗。驾驶员对此操作感到不舒服，尤其是在雨天和寒冷/炎热的天气里。由于ETC系统，他们不需要执行这些操作。

4. 折扣服务

收费公路公司为ETC用户提供多种折扣服务。（例如“指定区域折扣”和“时间折扣”） 为了增加ETC用户的数量，折扣服务开始实施。通行费根据时间、日期、车辆类型和行驶距离的不同而不同。 与非ETC用户相比，除了减少在收费站的等待时间外，这种折扣服务也是有益的。 该系统也对收费公路公司有利，因为他们可以节省维护成本和人工费用。例如，截至2011年，ETC车辆的收费成本（日元/辆）约为非ETC车辆的四分之一，因此ETC服务的效果非常显著。

场景

在安装ETC之前，大多数收费系统都是人工的。驾驶员必须在收费站停车，用现金支付通行费。这需要很长时间，因为收费员需要检查费用，有时还需要进行货币交换。 因此，传统的收费系统严重依赖收费员。当交通流量很大时，需要很多收费车道；然而，这会增加收费公路公司的建设成本和人工费用。 在某些地区，收费员需要步行穿过收费站，因此存在发生交通事故的风险。

为了收取两种类型的通行费，“距离变化费”和“固定费”，日本引入了几种收费方式。1980 年，磁卡方法取代了打孔卡方法。旅行信息记录在车票上的磁条上，这种车票至今仍在日本的高速公路上使用。1987 年，推出了“高速公路卡”系统。这是一种预付费卡，只能在高速公路上使用，根据购买价格的金额添加溢价。该卡支持无现金使用，与现金收费过程相比，可以节省时间。1989 年，在入口处安装了自动售票机。这可以降低人员成本和通过收费站的时间。1995 年，信用卡结算系统开始使用。该系统可以提高处理速度，扩大支付方式。^[10] 但是，这些措施并没有显着减少拥堵数量并提高收费效率。很明显，传统的收费站系统存在局限性，对系统改造的需求日益增加。这就是 ETC 系统诞生的契机。

发明

车载设备

与传统的收费系统相比，采用了一些新技术来提供自动和无现金交易。^[3] 例如，ETC 卡（IC 卡）、车载设备、ETC 安全和专用短程通信 (DSRC)^[10]，即车载设备与天线之间在 5.8GHZ 的无线通信以及国际标准。^[11] 这些技术可以提供先进的流程，并且此流程在日本各地以及两种类型的收费系统（与传统的收费系统相同）中都可行，因此需要这些技术的可靠性。^[10] 这些技术由不同的组织维护。^[3] ETC 卡由信用卡公司或高速公路运营机构发行。车载设备和 DSRC 由制造商制造，但高速公路公司维护 DSRC。ETC 信息由道路系统增强组织（2014 年 9 月起现名为 ITS-TEA）进行安全保障，该组织由建设省授权。该组织独立于车载设备公司、ETC 卡公司和高速公路公司。^[4] ETC 系统基于多个组织之间的密切合作。这种新的 ETC 系统并没有完全取代传统的收费系统，因为有些司机仍然使用非 ETC 收费站以现金支付通行费。尽管 ETC 收费站的数量有所增加，但 ETC 系统和非 ETC 系统目前并存。

早期市场开发

ETC 的理念始于智能交通系统 (ITS) 的普遍理念。ITS 项目是通过行业、大学和政府之间的合作开发的，旨在利用先进技术减少交通事故和交通拥堵。1996 年 7 月，政府制定了“智能交通系统 (ITS) 综合计划”，并确立了 9 个领域。“1. 推进导航系统，2. 电子收费系统，3. 安全驾驶辅助，4. 交通管理优化，5. 道路管理效率提升，6. 公共交通支持，7. 商用车运营效率提升，8. 行人支持，9. 应急车辆运营支持”。^[12] 除了 ETC，汽车导航系统和车辆信息和通信系统 (VICS) 的技术也得到了积极的研究。这些技术在日本被认为是成功的例子。^[13]

政策在诞生阶段的作用

ETC 系统诞生的原因是建设省和高速公路公司的政策。为了推广这个新系统，他们决定对所有高速公路使用互操作系统。^[4] 截至 2000 年，日本约有 8,000 公里的收费公路。这个数字表明，占全国公路总里程的 4.8%^[3]，每天有超过 900 万辆车使用该网络。^[11] 每辆车的平均收费约为 15 美元，最高收费超过 1,000 美元。收费运营商数量为 47 个，收费系统因收费运营商而异。^[4] 一些组织使用“距离收费”，而另一些则采用“固定收费”；但是，该部没有改变收费系统来启动 ETC 服务。此外，他们规定对所有高速公路使用相同的 ETC 系统，新的 ETC 系统被设计为与传统的收费系统共存。为了保护用户的安全，设立了专门的安全机构。该机构负责保存 ETC 卡和车载设备数据。与“政府 1998 年至 2002 年的五年公路改善和管理计划”一起，政府决定为 ETC 系统的开发投入 2100 亿日元（约合 21 亿美元）。由于该部的领导，ETC 系统的开发在短时间内迅速推进。为了防止车载设备销售的垄断，12 家车载设备公司参与了测试运行。^[3] 这些政策促进了 ETC 系统在日本全国的发展。

1994 年，建设省和高速公路公司开始对 ETC 系统进行研究开发。1997 年，他们在小田原厚木道路的小田原收费站开始了测试运行，以评估 ETC 车道对交通运行的安全性和可靠性。2001 年 3 月，ETC 服务在千叶和冲绳地区开始。最后，2001 年 11 月，ETC 服务在日本全国开始。^[14] 然而，由于缺乏对服务的了解、ETC 设备价格高昂以及开始 ETC 服务的手续繁琐，在诞生阶段用户数量较少。^[15] ETC 车道的数量也很少，ETC 车道是通过更换非 ETC 用户使用的普通车道来建造的。这导致非 ETC 车辆容量的减少。当交通流量很大时，ETC 用户无法顺畅地使用 ETC 车道，因为来自普通车道的拥堵蔓延到了主车道。ETC 用户也卷入了这种拥堵，因此尽管 ETC 服务已经开始，但拥堵问题仍然存在。^[5] 为了推广 ETC 服务，开始采取了一些措施进行调查（例如，降低通行费和车载设备价格、扩展 ETC 车道、宣传）。^[15]

模式的增长

为了增加 ETC 用户数量，该部宣布了以下计划；^[16]

1. 价格政策

为了增加用户数量，政府开始实施 ETC 使用的价格政策。由于引入了 ETC 系统，灵活的折扣系统成为可能，因此费率根据时区、日期和车辆类型而异。2004 年 11 月，ETC 在午夜（凌晨 0 点至 4 点）的折扣服务开始实施。然后在 2005 年 1 月，折扣服务的时区扩展到晚上 22 点至凌晨 6 点，同时还开始实施通勤折扣服务。2009 年 3 月，推出了最高价格为 1,000 日元（约合 10 美元）的戏剧性折扣服务。^[7] 随着折扣服务的推出，现有的服务被废除。在 ETC 服务之前，预付费卡系统“高速公路卡系统”在高速公路用户中很流行；然而，自 2006 年 4 月起，这项服务已停止，以促进 ETC 的使用。^[17]

2.租赁系统

关于车载设备，2001 年的价格高达 30,000 日元（300 美元）。^[7] 为了降低用户的初始成本，车载设备的租赁系统开始实施^[16]，政府自 2003 年 5 月起提供补贴，以降低价格，每辆车减免 5,000 日元（50 美元）。^[17] 最终，成本在 2004 年下降到约 10,000 日元（100 美元）^[7]，用户可以用少量资金开始使用 ETC 服务。

3.摩托车的 ETC 服务

虽然最初只有汽车驾驶员可以使用 ETC 服务，但这项服务已扩展到摩托车用户。^[16]

4.一站式服务

用户可以在一个地方完成 ETC 流程，从获取 ETC 卡到安装车载设备。这项服务在高速公路的服务区、汽车设备商店和商业设施中提供。^[16]

5.支付服务的扩展

用户可以选择预付费或后付费支付方式。^[16]

6.增加 ETC 专用车道

由于 ETC 用户比例的增加，ETC 专用车道的数量也随之增加。^[16] 2004 年 5 月，高速公路公司完成了 895 个 ETC 收费站的建设，占日本收费站总数的 90% 以上。^[14] 他们还在收费站前方安装了警示天线，以提醒驾驶员有关 ETC 卡插入错误和过期的情况。^[16] 他们还开始建设“智能立交桥”，只允许 ETC 车辆使用进出。^[7]

成熟阶段的开发

交通标志牌

虽然大多数驾驶员使用 ETC 服务，但并非所有收费站都有 ETC 车道。仍然有一些普通车道，驾驶员可以在收费站用现金支付通行费，还有一些车道是“ETC/普通车道共用车道”，供 ETC 用户和非 ETC 用户使用。^[2] 驾驶员在高速行驶时很难找到 ETC 车道，因此高速公路运营商安装了交通标志牌，引导驾驶员进入 ETC 车道。^[2] 在成熟阶段，启蒙活动对于减少问题至关重要，因此需要进行宣传工作，告诉驾驶员如何正确使用 ETC 服务。例如，如果驾驶员在进入高速公路时没有驶入 ETC 车道，他们将无法享受 ETC 折扣服务。驾驶员必须在驶入 ETC 车道之前正确插入 ETC 卡。驾驶员必须以低于 20 公里/小时的速度驶入 ETC 车道。^[2] 国土交通省计划启动新的项目“ETC2.0”。该项目不仅提供收费服务，还利用 ETC 设备结合其他技术服务，提供驾驶辅助服务（例如，交通拥堵和灾害信息提供、利用路线信息进行运营管理以及停车场私人服务）。^[18]

定量分析

日本 ETC 数据来自国土交通省官方网站。数据显示了 ETC 车辆数量（日/辆）以及日本高速公路上 ETC 使用率。日期范围为 2001 年至 2014 年（ETC 车辆：2001 年 4 月至 2014 年 9 月，ETC 使用率：2001 年 12 月至 2014 年 9 月）。^[8] 可以看到，ETC 使用已经进入成熟阶段。ETC 系统的用户最初相对较少，但自 2003 年以来数量急剧增加，ETC 使用率在 2009 年超过 80%。尽管数量在波动，但用户和使用率从那时起略有上升。截至 2014 年 9 月，ETC 使用数量为 7,072,000（日/辆），ETC 使用率为 89.6%。

阶段	时期
诞生阶段	2001 - 2003
成长阶段	2003 - 2009
成熟阶段	2009 年至今

数据注意事项

尽管这些数据涵盖了高速公路上 ETC 使用的全国信息，但仍有一些数据被省略。自 2010 年 6 月起，约 20% 的高速公路成为免费公路，以振兴区域经济（该政策于 2011 年 6 月结束）。^[19] 此外，自 2011 年 6 月起，由于 2011 年 3 月 11 日发生的东北大地震，东北地区的几条高速公路也成为免费公路。^[20] 这些路段的数据被排除在外。^[8]

方程式

ETC 车辆数量

ETC 使用率

S 曲线用于识别诞生、成长和成熟阶段。在本分析中，使用普通最小二乘回归模型来估计以下三参数逻辑函数

S(t) = K/[1+exp(-b(t-to)]

其中
S(t) 是状态指标（ETC 车辆数量和 ETC 使用率）
t 是时间（ETC 车辆：2001 年 4 月至 2014 年 9 月，ETC 使用率：2001 年 12 月至 2014 年 9 月）
t0 是拐点时间（K 的一半）
K 是饱和状态水平
b 是系数

以下方程式用于估计系数 (b) 和拐点 (t0)；

Y = LN(a/(K - a))

其中
a 是状态（ETC 车辆数量和 ETC 使用率）

回归分析结果如下；

拟合参数	ETC 车辆数量	ETC 使用率
K	7,610,000	90.1
b	0.00159	0.00185
t_o	39416.4（2007 年 11 月）	38908.3（2006 年 7 月）

回归结果	ETC 车辆数量	ETC 使用率
多重 R	0.91231	0.98055
R 平方	0.83231	0.96147
调整后的 R 平方	0.83125	0.96121
标准误	1.00424	0.49835
观测值	160	153

如图所示，观察数据都很好地遵循了 S 曲线的轨迹。然而，在 2004 年至 2008 年之间，观察数据和预测的 S 曲线数据之间存在一些差异，这处于增长阶段。如定性部分（模式的增长）所述，假设价格政策、通行费折扣服务和车载设备降价会显著影响用户数量的增加，因为政府决定自 2004 年起开始实施 ETC 驾驶员的折扣服务，并且车载设备价格也下降到 2004 年价格的大约 30%。这些政策连同其他几项政策，将成为人们使用 ETC 服务的激励因素。