ETC技术之后的我国智慧高速公路发展问题探讨
摘要：2019年我国高速公路大力推行ETC技术，促成其管理体制完善、基础设施升级、智能化水平提高，加快高速公路数字化、网络化和智能化进程，掀开智慧高速公路建设新篇章。但受限于技术、设备、标准、成本等问题，智慧高速公路建设还任重道远。未来要充分利用5G商用和智能汽车量产的契机，加快智慧高速公路试点工作，共同推进车联网技术演进。
2019年，我国政府大力推行高速公路ETC技术，促成高速公路管理水平、基础设施改造和车联网技术研发的大幅度提高，加快现有高速公路数字化、网络化和智能化进程，现已达到初级车路协同V2X技术水平，为未来向智慧高速公路平滑过渡奠定坚实基础。当前，ETC技术带来的便捷出行体验，正激发人们加快智慧高速公路建设的迫切愿望。总结ETC技术全面实施工作成效，评估升级改造后的高速基础设施能力，盘点当前交通科技研发状况，可为进一步推动我国智慧高速公路发展找准方向。
2019年，我国在14.3万公里的高速公路上，大力推动ETC技术，取消487个高速公路省界收费站，建成24588套ETC门架系统，改造48211条ETC车道，ETC累计用户达到2.04亿。高速公路的基础设施和管理水平实现质的突飞猛进，取得一系列令人惊喜的成绩。
（一）完善一体化管理体制和运营标准化体系
在大力实施ETC收费技术之后，全国高速公路实行一体化运营管理，各层级管理部门的统筹协同能力得到加强。目前我国已构建高效、协调的全国高速公路联网运营模式，在原有以省级运营管理为主的体制未发生根本改变情况下，交通运输部管控全国高速路网的引领示范作用得到充分发挥，跨省、跨区域高速公路省部协同管理机制正在完善。当前交通运输部正在组建收费公路全网运营服务主体，提供体制机制保障，加强部、省两级ETC平台的服务能力和水平。
为规范行业标准，提高一体化运营水平，2019年交通运输部对原有高速公路建设标准体系进行全面修订，重点增加包括运营监测、出行服务、应急处置、联网收费、车路协同等项目的运营版块。当前，正在大力加强这些版块的标准化体系建设，逐步制订公路信息化技术标准、自动驾驶公路设施技术规范、路网运行监测技术要求、运营车辆车路交互标准等一系列指导性文件[1]。此次高速公路标准化体系建设尤其强调规范接口层，实现全国一盘棋，有效解决原属地化管理造成的技术、机制障碍。如因原有设备不同、各地运营方式和通信系统不稳定，造成采集数据难以整合、传输、处理和共享，导致道路信息“碎片化”严重问题，都将得到彻底解决。
（二）基础设施得到全面升级改造
本次普及ETC技术推进我国高速公路基础设施全面升级，道路数据化监控网、通信传输网已初步建成。道路监控和数据采集方面，大量安装的ETC门架系统装有智能高清摄像头，可以轻松实现复杂场景下的车牌图像识别，使用华为软件定义摄像机能够实现车牌、车型特征抓拍率达到99%，车牌识别准确率达到95%。粗略统计，此次取消省界收费站，全国高速公路新增10万多台高清监控设备，极大扩展高速公路视频监控点位覆盖面。ETC门架系统中的RSU路侧单元也是重要的数据采集设备，可以获取海量的道路、车流动态数据。通信网络传输方面，数量庞大的ETC门架系统和尚存的收费站等智慧站点共同提高了高速公路通信网络覆盖面，在ETC门架系统和收费站系统的通信传输组网架构设计上，各省普遍采用主备双链路方案，实现数据传输的稳定和高效。同时积极改造高速公路收费专用通信传输网络，多采用具备波分复用功能和多业务承载能力的OTN光传送网[2]。还采用DSRC技术支持车路之间的无线通信，通过RSU天线和车载OBU电子标签进行通信，实现数据信息交互。
（三）具备初级智能化水平
本次ETC基础设施改造大量运用人工智能、边缘计算、云平台、大数据分析等先进科技，极大提高我国高速公路的智能化水平。虽然距离智慧公路尚远，但已具备初级智能管理能力，可以辅助人工决策指挥。各省大量安装的ETC门架系统具有边缘计算能力，智慧站点的路侧边缘计算单元能够支持费率计算、离线收费、车牌识别后验证等业务，其AI算力能够提供对运行车辆的实时视频训练分析能力，支持实时车辆收费稽查和车路协同V2X系统中的云-边协同架构技术。现有ETC技术还具有云计算、大数据分析能力，在后端构建高速公路联网收费云中心、大数据平台，能够支持数据接入、数据分析、数据共享、人工智能四层功能。
未来智慧公路建设的核心是支持车联网V2X技术，金溢科技刘咏平博士认为，ETC技术初步具备车路协同V2X技术低级功能，从ETC走向V2X，为向未来智慧高速公路平滑过渡奠定坚实基础[3]。ETC技术之后的高速公路发展主要面临以下问题。
（一）真正实施ETC自由流收费技术尚有难度
我国全部取消高速公路省界收费站，有效缓解重要节点拥堵问题，带给人们更为便捷的出行体验。但要全部取消收费站，达到真正ETC自由流收费水平，还需增设大量ETC门架系统。即将完工的杭绍甬智慧高速公路改造项目的自由流收费技术将实现按1公里距离自动结算费用，减少出入口拥堵，提高更加便利的出行。国家发改委、交通运输部联合印发的《加快推进高速公路电子不停车快捷收费应用服务实施方案》也提出：“到2025年，全国ETC用户数量将进一步提升，建成技术先进、制度完善、服务优质、运行稳定的高速公路电子不停车快捷收费体系。”可见我国的ETC技术还有很长的路要走。
要全部实行ETC收费通行，必须增设大量ETC门架系统，尚需追加巨额投资。交通运输部预计，到2020年底，全国汽车保有量将达到2亿辆，高速公路通车里程达到16万公里，估计将建收费站约7500个。按照每个收费站两进两出4个收费车道规划，需要建设3万条ETC车道，相应增设同等数量的ETC门架系统和传输通信网络。而这些设备造价昂贵，仅华为ETC门架系统一体化室外机柜一套造价达20万，可见代价之大。现有收费人员分流安排也是重要问题。本次全部取消487个省界收费站，交通运输部要求各省依法依规开展人员安置工作，已需安置9600余人[4]。若全面取消收费站，将面临近10万收费人员安置问题，其难度可想而知。
（二）核心技术线路选择有待确定
智慧高速公路建设的关键技术是实现车路协同V2X通信技术，目前全球存在DSRC专用短程通信技术和C-V2X基于蜂窝技术的车联网通信两大标准流派。前者经过多年的测试与验证，技术标准已经稳定，可行性得到验证，网络、芯片等产业链相对成熟。而后者能够提供更精确的信息交互，通信性能在可靠性和稳定性方面也明显优于DSRC，虽起步稍晚，没有完全成型，但技术推进迅速。当前，美国主推脱胎于WIFI的DSRC标准，中国主推基于电信领域的C-V2X标准，双方在欧洲市场博弈，难分高下。
从国家利益着眼，我国5G技术已经领先全球，将来极大可能发展5G+C-V2X车路协同技术，目前相关工作方案进展较快。2019年5月，腾讯公司发布《5G时代车路协同创新应用白皮书》；2019年7月，华为5G+C-V2X车载通信技术被评为全球新能源汽车创新技术；与此同时，中国5G推进组发布《LTE-V2X安全技术白皮书》，开始我国LTE-V2X商用系统实际部署。2020年1月，工信部部长苗圩表示：“在中国我们在道路的改造方面坚决的推行5G+LTE-V2X”[5]。但世界范围内的5G+C-V2X通信技术尚处于测试阶段，据中国5G推进组进程安排：2021年进行预商用测试，2022年正式迈入5G NR-V2X商用元年。可见5G+C-V2X技术测试任务没有完成，技术稳定性有待确定。我国的DSRC与LTE-V2X之争尚没有完全解决，一定程度上影响高速公路基础设施的改造进程。
（三）经费投入问题难以解决
目前我国ETC技术下的路—车的通信交互主要采用DSRC技术。未选先进的LTE-V2X技术，除了技术没有完全成型之外，更多是设备成本问题。要实现5G+C-V2X技术，除造价昂贵的ETC门架系统和通信传输网络之外，还要大量增加5G基站和RSU路侧单元。据测验，5G基站密度是4G的3倍，耗电量是4G的3.5倍，建设一个5G基站的成本约50?60万元，而5G核心网的造价则高达1000?3000万元；RSU路侧单元的密度也需每300百米左右一个，目前RSU路侧单元主要采用高通9150 C-V2X芯片，造价也十分昂贵；还有增设的大量智能高清摄像机和高端数据处理器，总造价实在难估。
从现有智慧高速公路建设实况来看，投资费用惊人。2019年开建的广西首条5G智慧高速公路-南宁沙井至吴圩公路，主线全长25.8公里，项目总投资估算达53.7亿元。浙江交通投资集团2019年在沪杭甬高速智慧化提升改造中，仅实施EPC工程、综合大数据平台、云控平台应用系统等36个子项目就投入1亿，准备新建的杭绍甬智慧高速公路复线项目主线新建段全长约149.5公里，总投资约729.9亿元。目前我国高速公路负债率太高，交通运输部《2018年全国收费公路统计公报》显示：2018年末，全国收费公路债务余额56913.6亿元，比上年末增加4070.1亿元，增长7.7%。此次各省取消省界收费站的基建投入已是十分巨大，实在没有财力再支持智慧高速公路的巨额投入。
（四）光伏高速公路技术实施较难
随着新能源汽车大量上场，未来智慧高速公路还需具备能源供应能力。目前，光伏高速公路技术是建设高速能源网的主要选择，许多国家都开展此项技术实验。2016年12月，世界上第一条太阳能公路在法国西北部图鲁夫尔欧佩尔什镇正式投入使用，道路长1公里，宽2.8米，造价500万欧元。2017年12月，中国首条光伏高速公路在济南投入运营，光伏路面铺设长度1080米，造价3000元每平方米。目前，这两处光伏高速公路实验项目都宣告失败。法国智慧公路路面发生大面积裂缝和破损，三年发电总量不足15万千瓦时，投资收益不到预期的三分之一。济南光伏高速公路建成不久就出现面板破损、裂痕、变形、进水等质量问题，还遭人为盗窃、破坏，如今仅剩下不到10米。有鉴于此，未来智慧高速公路将实行多样化能源供应模式。杭绍甬智慧高速公路近期目标是通过太阳能发电、路面光伏发电，插电式充电桩电量补充多种方式，为电动汽车车提供充电服务，但尚未建成，真实效果有待检验。
（五）智慧高速公路试点工作力度还要加大
2018年国务院发布《关于加快推进新一代国家交通控制网和智慧公路试点的通知》，批准开展北京、福建、广东、河北、浙江、江苏等9个试点省市。目前已经基本完成任务，建成一批精品工程。沪杭甬高速绍兴试验路段率先完成升级改造，基本实现基础设施数字化、数据处理智能化、车路感知协同化、出行服务精准化、客货运输绿色化等“五化”目标，初步达到智慧化运营水平。2019年9月19日，湖南湘江新区100公里智慧高速公路正式开始启用，其中3.6公里双向高速公路模拟测试环境，全部覆盖5G和LTE-V2X通信网络。2019年9月13日，我国首次高速公路实际交通环境下的智能网联汽车道路测试在上海举行。2019年12月30日，延崇高速公路北京段智慧工程交工验收，未来将支持自动驾驶。这些试点工作为后续智慧高速公路的升级改造、相关技术标准的修订和未来商业运营积累了经验。
但我国智慧高速公路建设尚处于初级阶段，正建智慧高速公路测验示范区数量远远不能满足测试需要。新建成的开放式智慧公路还没完全运营，没能完美展现示范功能，相关技术标准不能成型。一般来说，完成无人驾驶技术的标准化建设，至少需要完成1000亿公里的测试任务，目前我国道路测试总里程不到400万公里，距离合格尚远。下一步，工信部将联合交通运输部加快全国车联网先导区建设，推进车联网在典型地区、典型场景大规模试验和商用部署，创新探索运营模式与商业模式，逐步形成可推广、可复制的建设与发展模式。同时还将进一步优化完善《智能网联汽车道路测试管理规范》，在更复杂环境下、更大范围开展道路测试工作，更好地支撑和服务我国智能网联汽车技术及智慧高速公路建设。
我国政府大力推行ETC技术，加强全国高速公路管理体制和标准化体系建设，促成道路监控、通信、电力等基础设施的升级改造，为我国高速公路数字化、网络化和智能化建设做出重要贡献。但现阶段我国智慧高速公路尚处于初级阶段，还需面临技术、标准、设备、成本等诸多困难。未来我国政府将集中力量实现真正的ETC自由流收费技术，主动迎接5G商用和智能汽车量产的契机，促进三者融合共通发展，加快智慧高速公路试点和无人驾驶技术测试工作，为最终实现智能汽车普及和大批量建成智慧高速公路提供宝贵经验。
参考文献
[1] 汪林.智慧公路发展思考[C].第十六届中国（国际）城市智能交通论坛,2019.
[2] 吴舒曼.福建省高速公司ETC门架系统通信组网架构[J].中国交通信息化,2019(11）:99-100.
[3] 刘咏平.从ETC到V2X，智能路侧基础设施助力自动驾驶[C]. 中国电动汽车百人会第六届年度论坛，2019.
[4] 谢艺观.交通部：年底前具备全面取消高速省界收费站条件[N].经济日报,2019-12-13（6）.
[5] 苗圩. 新能源汽车长期向好的发展态势没有改变[C].中国电动汽车百人会第六届年度论坛，2020.
（原文刊载于2020年第4期《中国交通信息化》）