交通部署案例集/2014/日本電子收費系統

日本ETC車道

定性分析

模式描述

電子收費系統 (ETC) 是一個“最先進的技術”，車輛可以透過收費站而無需停車。為了執行此係統，必須在車輛內部安裝車載裝置，並在收費站設定天線。當車輛靠近收費站時，駕駛員必須將ETC卡（IC卡）插入車載裝置以支付通行費。 使用者可以在汽車經銷商或汽車裝置商店購買車載裝置，ETC卡由信用卡公司或收費公路組織發行。 車載裝置和ETC卡之間沒有關聯。這意味著駕駛員不僅可以在私家車中使用ETC服務，而且在安裝了車載裝置的租車中也可以使用。

當車輛駛入收費公路時，使用者的資料（例如ID和時間）和車輛型別都會記錄在車載裝置和ETC卡中。然後，當車輛駛出收費公路時，收費站裝置會接收駕駛員的入口資訊。此外，該裝置會自動計算行駛距離和費用。最後，該裝置將此資訊傳送到車輛，資訊將記錄在ETC卡中。此時，這些資訊會被加密以保護使用者的安全。

第一個ETC服務於1987年在挪威開始，其他國家在1990年代緊隨其後。相反，日本延遲了，直到2001年才開始這項服務。 起初，ETC車載裝置的價格在2001年超過了300美元。這對許多駕駛員來說是推廣ETC使用的一個障礙。然而，由於製造商和政府政策的努力，價格在2005年下降到了60美元。 當政府開始為ETC駕駛員提供折扣服務時，使用者數量逐漸增加。 隨著折扣服務的推出，ETC收費站的數量也隨之增加。截至2014年，89%的使用者使用ETC收費站。 這一舉措有助於減少高速公路上的擁堵。

日本的ETC系統可以在日本所有高速公路上使用，即使道路管理不同。 與許多其他國家相比，日本的收費支付系統與他們不同，因為許多日本的收費公路採用“距離計費”。這種支付系統比“固定費率”需要更多的時間來計算費用，因此會導致收費站的擁堵加劇。這是造成交通擁堵的主要原因之一，高速公路所有擁堵中約有30%發生在收費站附近。日本的ETC服務應用於“距離計費”和“固定費率”，因此它很複雜，成為啟動服務的障礙。

優勢

ETC的優勢如下：

1. 無需停車的支付服務

ETC系統有助於減少擁堵，因為駕駛員無需在收費站停車。 根據挪威的例子，ETC車道可以提供比傳統硬幣收費站快3倍的服務。 國土交通省公佈了ETC系統在城際高速公路上的有效性結果。2000年ETC服務推出之前，收費站附近發生32.1%的擁堵。另一方面，2009年擁堵比例下降至0.1%。這表明ETC服務具有顯著效果。 此外，他們可以專注於駕駛，因為他們不需要準備現金。駕駛員不太可能將目光從道路上移開，這將降低收費站發生事故的風險。

2. 環境保護

由於無需停車的服務，加速和減速的次數減少了。這有助於減少收費站附近車輛產生的噪音和燃油消耗。 根據國土交通省的資料，當85%的駕駛員使用ETC系統時，與過去（0%使用）相比，二氧化碳排放量可以減少210,000噸/年。

3. 為駕駛員提供便利

在ETC服務出現之前，對於駕駛員來說，駕駛左舵車很不方便，因為大多數傳統的收費系統裝置都設定在右側。駕駛員需要在右側取票並支付現金，這會大大增加時間。當駕駛員使用傳統的收費系統支付費用時，他們每次都需要開啟車窗。駕駛員對此操作感到不舒服，尤其是在雨天和寒冷/炎熱的天氣裡。由於ETC系統，他們不需要執行這些操作。

4. 折扣服務

收費公路公司為ETC使用者提供多種折扣服務。（例如“指定區域折扣”和“時間折扣”） 為了增加ETC使用者的數量，折扣服務開始實施。通行費根據時間、日期、車輛型別和行駛距離的不同而不同。 與非ETC使用者相比，除了減少在收費站的等待時間外，這種折扣服務也是有益的。 該系統也對收費公路公司有利，因為他們可以節省維護成本和人工費用。例如，截至2011年，ETC車輛的收費成本（日元/輛）約為非ETC車輛的四分之一，因此ETC服務的效果非常顯著。

場景

在安裝ETC之前，大多數收費系統都是人工的。駕駛員必須在收費站停車，用現金支付通行費。這需要很長時間，因為收費員需要檢查費用，有時還需要進行貨幣交換。 因此，傳統的收費系統嚴重依賴收費員。當交通流量很大時，需要很多收費車道；然而，這會增加收費公路公司的建設成本和人工費用。 在某些地區，收費員需要步行穿過收費站，因此存在發生交通事故的風險。

為了收取兩種型別的通行費，“距離變化費”和“固定費”，日本引入了幾種收費方式。1980 年，磁卡方法取代了打孔卡方法。旅行資訊記錄在車票上的磁條上，這種車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”系統。這是一種預付費卡，只能在高速公路上使用，根據購買價格的金額新增溢價。該卡支援無現金使用，與現金收費過程相比，可以節省時間。1989 年，在入口處安裝了自動售票機。這可以降低人員成本和透過收費站的時間。1995 年，信用卡結算系統開始使用。該系統可以提高處理速度，擴大支付方式。^[10] 但是，這些措施並沒有顯著減少擁堵數量並提高收費效率。很明顯，傳統的收費站系統存在侷限性，對系統改造的需求日益增加。這就是 ETC 系統誕生的契機。

發明

車載裝置

與傳統的收費系統相比，採用了一些新技術來提供自動和無現金交易。^[3] 例如，ETC 卡（IC 卡）、車載裝置、ETC 安全和專用短程通訊 (DSRC)^[10]，即車載裝置與天線之間在 5.8GHZ 的無線通訊以及國際標準。^[11] 這些技術可以提供先進的流程，並且此流程在日本各地以及兩種型別的收費系統（與傳統的收費系統相同）中都可行，因此需要這些技術的可靠性。^[10] 這些技術由不同的組織維護。^[3] ETC 卡由信用卡公司或高速公路運營機構發行。車載裝置和 DSRC 由製造商製造，但高速公路公司維護 DSRC。ETC 資訊由道路系統增強組織（2014 年 9 月起現名為 ITS-TEA）進行安全保障，該組織由建設省授權。該組織獨立於車載裝置公司、ETC 卡公司和高速公路公司。^[4] ETC 系統基於多個組織之間的密切合作。這種新的 ETC 系統並沒有完全取代傳統的收費系統，因為有些司機仍然使用非 ETC 收費站以現金支付通行費。儘管 ETC 收費站的數量有所增加，但 ETC 系統和非 ETC 系統目前並存。

早期市場開發

ETC 的理念始於智慧交通系統 (ITS) 的普遍理念。ITS 專案是透過行業、大學和政府之間的合作開發的，旨在利用先進技術減少交通事故和交通擁堵。1996 年 7 月，政府制定了“智慧交通系統 (ITS) 綜合計劃”，並確立了 9 個領域。“1. 推進導航系統，2. 電子收費系統，3. 安全駕駛輔助，4. 交通管理最佳化，5. 道路管理效率提升，6. 公共交通支援，7. 商用車運營效率提升，8. 行人支援，9. 應急車輛運營支援”。^[12] 除了 ETC，汽車導航系統和車輛資訊和通訊系統 (VICS) 的技術也得到了積極的研究。這些技術在日本被認為是成功的例子。^[13]

政策在誕生階段的作用

ETC 系統誕生的原因是建設省和高速公路公司的政策。為了推廣這個新系統，他們決定對所有高速公路使用互作業系統。^[4] 截至 2000 年，日本約有 8,000 公里的收費公路。這個數字表明，佔全國公路總里程的 4.8%^[3]，每天有超過 900 萬輛車使用該網路。^[11] 每輛車的平均收費約為 15 美元，最高收費超過 1,000 美元。收費運營商數量為 47 個，收費系統因收費運營商而異。^[4] 一些組織使用“距離收費”，而另一些則採用“固定收費”；但是，該部沒有改變收費系統來啟動 ETC 服務。此外，他們規定對所有高速公路使用相同的 ETC 系統，新的 ETC 系統被設計為與傳統的收費系統共存。為了保護使用者的安全，設立了專門的安全機構。該機構負責儲存 ETC 卡和車載裝置資料。與“政府 1998 年至 2002 年的五年公路改善和管理計劃”一起，政府決定為 ETC 系統的開發投入 2100 億日元（約合 21 億美元）。由於該部的領導，ETC 系統的開發在短時間內迅速推進。為了防止車載裝置銷售的壟斷，12 家車載裝置公司參與了測試執行。^[3] 這些政策促進了 ETC 系統在日本全國的發展。

1994 年，建設省和高速公路公司開始對 ETC 系統進行研究開發。1997 年，他們在小田原厚木道路的小田原收費站開始了測試執行，以評估 ETC 車道對交通執行的安全性和可靠性。2001 年 3 月，ETC 服務在千葉和沖繩地區開始。最後，2001 年 11 月，ETC 服務在日本全國開始。^[14] 然而，由於缺乏對服務的瞭解、ETC 裝置價格高昂以及開始 ETC 服務的手續繁瑣，在誕生階段使用者數量較少。^[15] ETC 車道的數量也很少，ETC 車道是透過更換非 ETC 使用者使用的普通車道來建造的。這導致非 ETC 車輛容量的減少。當交通流量很大時，ETC 使用者無法順暢地使用 ETC 車道，因為來自普通車道的擁堵蔓延到了主車道。ETC 使用者也捲入了這種擁堵，因此儘管 ETC 服務已經開始，但擁堵問題仍然存在。^[5] 為了推廣 ETC 服務，開始採取了一些措施進行調查（例如，降低通行費和車載裝置價格、擴充套件 ETC 車道、宣傳）。^[15]

模式的增長

為了增加 ETC 使用者數量，該部宣佈了以下計劃；^[16]

1. 價格政策

為了增加使用者數量，政府開始實施 ETC 使用的價格政策。由於引入了 ETC 系統，靈活的折扣系統成為可能，因此費率根據時區、日期和車輛型別而異。2004 年 11 月，ETC 在午夜（凌晨 0 點至 4 點）的折扣服務開始實施。然後在 2005 年 1 月，折扣服務的時區擴充套件到晚上 22 點至凌晨 6 點，同時還開始實施通勤折扣服務。2009 年 3 月，推出了最高價格為 1,000 日元（約合 10 美元）的戲劇性折扣服務。^[7] 隨著折扣服務的推出，現有的服務被廢除。在 ETC 服務之前，預付費卡系統“高速公路卡系統”在高速公路使用者中很流行；然而，自 2006 年 4 月起，這項服務已停止，以促進 ETC 的使用。^[17]

2.租賃系統

關於車載裝置，2001 年的價格高達 30,000 日元（300 美元）。^[7] 為了降低使用者的初始成本，車載裝置的租賃系統開始實施^[16]，政府自 2003 年 5 月起提供補貼，以降低價格，每輛車減免 5,000 日元（50 美元）。^[17] 最終，成本在 2004 年下降到約 10,000 日元（100 美元）^[7]，使用者可以用少量資金開始使用 ETC 服務。

3.摩托車的 ETC 服務

雖然最初只有汽車駕駛員可以使用 ETC 服務，但這項服務已擴充套件到摩托車使用者。^[16]

4.一站式服務

使用者可以在一個地方完成 ETC 流程，從獲取 ETC 卡到安裝車載裝置。這項服務在高速公路的服務區、汽車裝置商店和商業設施中提供。^[16]

5.支付服務的擴充套件

使用者可以選擇預付費或後付費支付方式。^[16]

6.增加 ETC 專用車道

由於 ETC 使用者比例的增加，ETC 專用車道的數量也隨之增加。^[16] 2004 年 5 月，高速公路公司完成了 895 個 ETC 收費站的建設，佔日本收費站總數的 90% 以上。^[14] 他們還在收費站前方安裝了警示天線，以提醒駕駛員有關 ETC 卡插入錯誤和過期的情況。^[16] 他們還開始建設“智慧立交橋”，只允許 ETC 車輛使用進出。^[7]

成熟階段的開發

交通標誌牌

雖然大多數駕駛員使用 ETC 服務，但並非所有收費站都有 ETC 車道。仍然有一些普通車道，駕駛員可以在收費站用現金支付通行費，還有一些車道是“ETC/普通車道共用車道”，供 ETC 使用者和非 ETC 使用者使用。^[2] 駕駛員在高速行駛時很難找到 ETC 車道，因此高速公路運營商安裝了交通標誌牌，引導駕駛員進入 ETC 車道。^[2] 在成熟階段，啟蒙活動對於減少問題至關重要，因此需要進行宣傳工作，告訴駕駛員如何正確使用 ETC 服務。例如，如果駕駛員在進入高速公路時沒有駛入 ETC 車道，他們將無法享受 ETC 折扣服務。駕駛員必須在駛入 ETC 車道之前正確插入 ETC 卡。駕駛員必須以低於 20 公里/小時的速度駛入 ETC 車道。^[2] 國土交通省計劃啟動新的專案“ETC2.0”。該專案不僅提供收費服務，還利用 ETC 裝置結合其他技術服務，提供駕駛輔助服務（例如，交通擁堵和災害資訊提供、利用路線資訊進行運營管理以及停車場私人服務）。^[18]

定量分析

日本 ETC 資料來自國土交通省官方網站。資料顯示了 ETC 車輛數量（日/輛）以及日本高速公路上 ETC 使用率。日期範圍為 2001 年至 2014 年（ETC 車輛：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 使用已經進入成熟階段。ETC 系統的使用者最初相對較少，但自 2003 年以來數量急劇增加，ETC 使用率在 2009 年超過 80%。儘管數量在波動，但使用者和使用率從那時起略有上升。截至 2014 年 9 月，ETC 使用數量為 7,072,000（日/輛），ETC 使用率為 89.6%。

階段	時期
誕生階段	2001 - 2003
成長階段	2003 - 2009
成熟階段	2009 年至今

資料注意事項

儘管這些資料涵蓋了高速公路上 ETC 使用的全國資訊，但仍有一些資料被省略。自 2010 年 6 月起，約 20% 的高速公路成為免費公路，以振興區域經濟（該政策於 2011 年 6 月結束）。^[19] 此外，自 2011 年 6 月起，由於 2011 年 3 月 11 日發生的東北大地震，東北地區的幾條高速公路也成為免費公路。^[20] 這些路段的資料被排除在外。^[8]

方程式

ETC 車輛數量

ETC 使用率

S 曲線用於識別誕生、成長和成熟階段。在本分析中，使用普通最小二乘迴歸模型來估計以下三引數邏輯函式

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

其中
S(t) 是狀態指標（ETC 車輛數量和 ETC 使用率）
t 是時間（ETC 車輛：2001 年 4 月至 2014 年 9 月，ETC 使用率：2001 年 12 月至 2014 年 9 月）
t0 是拐點時間（K 的一半）
K 是飽和狀態水平
b 是係數

以下方程式用於估計係數 (b) 和拐點 (t0)；

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

其中
a 是狀態（ETC 車輛數量和 ETC 使用率）

迴歸分析結果如下；

擬合引數	ETC 車輛數量	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）

迴歸結果	ETC 車輛數量	ETC 使用率
多重 R	0.91231	0.98055
R 平方	0.83231	0.96147
調整後的 R 平方	0.83125	0.96121
標準誤	1.00424	0.49835
觀測值	160	153

如圖所示，觀察資料都很好地遵循了 S 曲線的軌跡。然而，在 2004 年至 2008 年之間，觀察資料和預測的 S 曲線資料之間存在一些差異，這處於增長階段。如定性部分（模式的增長）所述，假設價格政策、通行費折扣服務和車載裝置降價會顯著影響使用者數量的增加，因為政府決定自 2004 年起開始實施 ETC 駕駛員的折扣服務，並且車載裝置價格也下降到 2004 年價格的大約 30%。這些政策連同其他幾項政策，將成為人們使用 ETC 服務的激勵因素。