生活中的運輸發展：高速公路電子收費系統
100/12/07
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李威勳｜
成功大學交通管理科學系
王景弘｜
中華電信研究所
李肇浩｜
中華電信研究所
電子收費
電子收費系統（electronic toll collection, ETC）是一種自動收費方式，通常使用於高速公路或收費的橋梁、隧道，也常在市中心收費道路上使用，以減輕都會區交通路網的擁塞。
它的基本原理是，當車輛行經收費站時，透過車上單元（on board unit, OBU）與車道系統（road side unit, RSU），以短距離通訊技術（dedicated short-range communication, DSRC）方式互動，並自動從IC卡或預先設定的銀行帳戶扣款完成收費。
利用電子收費系統，使得配備OBU的車輛不需準備現金或回數票，就可以在極短的時間自動扣款完成收費，並以不停車的方式通過收費站，如此的服務就叫做電子收費（ETC）。
實施ETC，除了有節能減碳、省時、紓緩因人工收費導致的擁擠狀況、減少車輛輪胎與機械磨耗等優點外，還可帶動智慧型運輸系統（intelligent transportation system, ITS）相關產業的發展。根據高公局估計，透過ETC收費，從北到南約可節省45分鐘的行車時間，大幅舒緩交通擁擠狀況。
電子收費系統除了能夠提高車輛運行效率並縮短旅行時間外，還能夠運用「道路定價」的方法，把使用者所產生的外部成本內部化，對車輛產生的空氣汙染、噪音，以及因車輛過多而擁塞道路時所造成的成本收費。換句話說，即針對高速公路擁塞的程度與時段，設定不同的收費費率，以分散車流，改善尖峰時間的行車問題。
由於電子收費系統對於收費費率有簡單易行的變更彈性，且收費過程對於車流運行的影響程度較低，因此在未來能夠實施道路彈性定價。
根據高公局統計，國道高速公路計次電子收費系統自民國95年2月正式使用以來，現行的92條ETC收費車道通行量逐漸攀升。截至100年9月，OBU裝機數已經將近120萬輛，ETC交易資料超過8億筆，ETC的整體利用率約為43％。
據分析，國道一號（中山高）的ETC交通量較國道三號（福爾摩沙高）高約70％。至於在一星期中，周五的ETC交通量明顯增加，而周日的交通量與利用率都顯著降低，顯示ETC旅次具有通勤特性。
由於ETC具免停車繳費、節省行旅時間等優點，同時在北部地區因交通需求高、ETC使用率明顯高於其他地區的情況下，已達增設ETC車道的條件。因此樹林與泰山兩收費站先後於民國98與99年間，各增開了小車第二與第三電子收費車道來因應。
根據高公局對電子收費系統的建置規畫，ETC將以兩階段方式逐步推出。初期，採人工收費與電子收費車道（lane-based ETC, LB-ETC）並存的方式運作。在廣泛推行且民眾逐漸接受這項服務後，電子收費車道會逐步擴增。當市場達到成熟階段時，再依招商文件及契約規定把計次方式轉換為計程電子收費（distance-based ETC, DB-ETC），也就是「走多少、付多少」的匝道收費方式。
計程電子收費系統預計於民國101年12月底前建置完成，屆時現行的人工與電子收費車道並存的方式將走入歷史，轉為計程的全面電子收費服務。
組成與運作原理
電子收費系統是由多套子系統整合，協同運作以完成電子收費。系統的運作包含車輛偵測與車型辨識子系統（包含車速判斷）、扣款系統（紅外線或微波）、執法系統（包含照相機與攝影機執法模組），以及前端的車上單元（OBU），與後端的帳務資訊系統等。
配置OBU的車輛通過車道系統時，在極短的時間內，透過短距離通訊（DSRC）協定可完成電子收費卡片扣款。根據電子收費系統的規格，扣款模組必須在車行速度於每小時120公里時仍可正確完成扣款，而執法系統更必須在車行速度於每小時160公里時能正確地完成車型辨識與照相執法。另在車道通訊區域20公尺距離內，每筆交易的時間約在0.6秒內可完成。
然而在車輛高速通過電子收費車道這麼短的時間內，系統內的各個子系統又是如何協同運作完成扣款呢？
它的架構可簡述如下。當車輛通過車道系統（RSU）時，車型辨識模組的雷達偵測器會感應到車輛已進入收費區，架設在車道上方的車輛感知偵測器（TOM 2000）就以六道雷射波來偵測反射波的波形，以判斷車輛的車型（如小客貨車、大客貨車或聯結車），同時計算車輛的速度，並通知扣款模組、執法模組、錄影存證模組等開始動作，使各模組產生的資料有一個同步可以匹配的參考點。
扣款模組於接收雷達偵測器的訊號後，會發射喚醒通過車輛上OBU的訊號，使它從睡眠模式啟動為工作模式。OBU啟動後也會回覆訊息給RSU，告知OBU內置的編號與車型代碼（用來判斷扣款金額），扣款系統於收到OBU回覆的訊息後，會再送出包含扣款金鑰的扣款指令。OBU接收到指令後再傳送給卡片，由卡片比對金鑰正確無誤後執行扣款，扣除卡片內的儲值點數。扣款的結果再透過OBU回報給車道系統，同時OBU會發出聲響通知駕駛人扣款結果。
錄影系統與執法系統於接收到車輛通過的訊號時，會各自反應。執法系統以紅外線閃光燈與照相機向車輛的車頭照相，取得車牌影像後送給車牌辨識系統以辨識車牌號碼；錄影存證模組也把車輛通過電子收費車道的影像錄影存檔，以供後續備查之用。當各個子系統都完成動作後，再把資料送交主控模組（main control unit, MCU）。
主控模組負責整合每個動作，把每一輛車通過車道系統的資料包含扣款資料、執法資料與車型辨識資料整合成一筆，產出交易紀錄檔提供後台帳務系統進行後續的資料處理。
上述所說明的是正常狀況下的電子收費流程，但當例外發生時，RSU系統必須能正確地反應。可能的狀況包含：未接收到OBU回報訊息（可能是未裝OBU誤闖車道，或是OBU電池電力不足）、OBU未放置卡片（包含卡片讀取錯誤）、卡片餘額不足、扣款金鑰驗證錯誤、OBU無回應扣款指令、實際車型與OBU登錄的車型不符等。這些例外狀況都會被MCU的整合匹配模組檢查出來，並寫入交易紀錄檔中。紀錄檔可連結影像執法系統進行車牌辨識，並把辨識結果提供後端帳務系統做追補繳通行費與執法的依據。
短距離通訊技術的應用
除了電子收費外，短距離通訊技術也可以應用到智慧型運輸系統的許多領域，例如車輛門禁管理、停車場管理系統、通關自動化系統、危險車輛管理與動態地磅等。各種應用系統的原理跟電子收費系統大同小異，都是透過車上單元與車道系統的互動，整合一些周邊裝置並與後台管理系統連線，以完成各種應用。
以停車場管理系統為例，除了短距離通訊設備之外，系統還須整合出入口閘門開關、燈號控制、即時停車位看板顯示等周邊裝置，並且停車管理系統的後台也須提供停車費計算、車位配置、顯示看板資訊、車位預約等功能。
當車輛進入停車場時，可透過OBU與RSU的互動，由RSU通知入口閘門開啟柵欄，讓車輛可以進入停車場，後台系統的即時車位配置模組透過RSU發送指派車位訊息到車輛的OBU上。當車輛離場時，也可透過OBU與出口RSU的互動，由停車費計算模組算出停車費用，並透過RSU下達OBU扣款指令後，命令出口閘門開啟柵欄放行。
未來的發展趨勢
日前國內的電子收費系統也開辦了免裝機通行電子收費車道的方案，使用者只要預先登錄車牌號碼，並預先儲值一筆通行費，就可以免裝OBU通行電子收費車道。
這方案的原理是，執法系統先對車牌取像，並以車牌辨識技術取得通行車輛的車牌號碼，然後從這車輛的預儲費中扣除該筆通行費。如此一來，是不是就可以用車牌辨識方式取代短距離通訊技術的電子收費系統呢？
可惜的是，以目前的資訊技術而言，執法系統車牌自動辨識的成功率仍遠低於短距離通訊技術的扣款系統，以致須以大量的人工輔助判別，但由於人工也可能會有疏忽，因此至今車牌自動辨識加上人工輔助判別的成功率尚不及短距離通訊技術的扣款系統。因此除非高速公路局對系統自動收費成功率的標準降低（目前要求的標準是99.98%），否則在短期內期望用車牌辨識系統完全取代電子收費系統的可行性仍不高。
隨著電腦與無線通訊技術與日俱進，電子收費技術漸趨成熟，ETC技術發展已由單車道自由流技術進展至多車道自由流技術，也逐漸由以短距離通訊技術為基礎的電子收費系統，演進到以行動通訊長距離通訊為基礎的開放式電子收費技術。
依據目前ETC市場發展現況，開放式電子收費系統大部分是利用車輛定位技術來輔助電子收費，而車輛定位技術又以採用GPS衛星定位為主要技術來源。
相較於以短距離通訊技術為基礎的電子收費系統，開放式的電子收費系統具有許多優點：整合資通訊發展，可容易地與車輛資通訊系統及ITS應用系統整合；車道系統相對簡單，成本較短距離通訊技術的系統更為低廉；無通訊區的限制；收費區設定簡單且移植容易，從計次收費方式轉換到計程收費，比以短距離通訊技術為基礎的電子收費系統來得容易。
由上述討論可知，採用車輛定位技術的電子收費技術很適合未來按里程的收費方式，然而採用車輛定位技術的電子收費系統又是如何運作的呢？配置定位裝置與行動通訊裝置的車機（也可以是智慧型手機、導航機或資通訊車機），在安裝電子收費的程式後，可以搖身一變成為ETC的OBU。
使用者在上路時開啟車上機後，車上機會自動向後台註冊，並且更新收費區資料。在接近收費區域時，車上機先以語音通知用路人即將進入收費區，同時透過行動網路通知後端，取得相關的電子收費帳戶資料；後端並把登錄的車牌號碼傳送到前端的執法與影像辨識系統，以期提高車牌影像辨識的成功率。
當車輛進入扣款區後，車機記錄扣款區的行車軌跡，以提供進入扣款區的佐證資料，並且回報後端；後端系統驗證登錄的車機資訊無誤後，從預儲的帳戶中扣除通行費用。後端接著回報OBU扣款結果與帳戶餘額，並利用OBU以語音告知車主扣款狀態。
在離開扣款區前，尚有一道執法檢查的程序，即執法系統對車輛取像，經由車牌影像自動辨識後把資料回送後端系統，後端系統根據收到的資料執行帳務清算、資料匹配、違規處理等動作，釐清哪些車輛通過收費區有正常的扣款，哪些是未扣款，並以影像執法證據進行後續的補繳程序。
將來，電子收費的車上單元結合了定位技術與行動通訊的功能，將與車輛資通訊系統車機整合，除提供既有的電子收費功能之外，更可進一步整合基礎建設、通訊技術與車輛資通訊系統後台服務功能，提供行車環境多功能的服務，如安全與保全的功能、適地性服務、行車導航、旅行資訊、道路資訊、行動商務、多媒體娛樂服務、車內系統診斷、商車車隊管理等服務。
