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user: 2. 高速公路收费技术发展历程 自高速公路引入国内，我国高速公路建设突飞猛进，加之社会经济持续发展与科学技术不断进步，我国高速公路收费系统经历了从功能单一到功能多样，从机械手动到人工智能的过程。收费方式从单一的人工收费逐步发展到半自动收费、计重收费、联网收费、电子收费等。 2.1. 人工收费和半自动收费 在我国高速公路发展初期，由于当时的社会经济和计算机技术不是很发达，高速公路收费方式多为人工收费和半自动收费。我国大量研究人员对这两种收费方式进行了研究，发现各地区结合当地的特点配以适合的收费制式与收费方式。1994年，王菁 [ 1 ] 充分地比较了人工收费和半自动收费方式，最终得出全封闭、半自动收费系统更加适合当时高速公路的发展建设状况。到了2002年，权可进、王兴国 [ 2 ] 提出了逐步取消人工收费，加强半自动收费的观点，主张采用自动收发卡机来解决通行IC卡易丢失的问题，加上配置不停车收费设备，以此来为更好地实现联网收费作准备。孙金海 [ 3 ] 分析了半自动收费的各种形式，提出了IC卡式的半自动收费方式将在我国发挥重要作用且存在很长一段时间的观点。王武功 [ 4 ] 于2003年设计了一种新的收费系统，入口处不需要配置收费人员，利用发卡机进行发卡，而出口处的收费人员只需根据卡中显示需要支付的费用进行收费与找零。这种收费系统大大减少了人员配置以及人员的劳动强度，并且对消除高速公路通行费流失的问题有很大帮助。 人工收费需要耗费大量人力，效率低下，且随着高速公路建设不断向前发展，汽车保有量逐年攀升，这种方式越来越阻碍高速公路的通行效率，最终退出历史舞台。半自动收费属于一种过渡收费方式，在我国存在了很长时间，并和其他收费方式共同服务于高速公路收费系统。 2.2. 联网收费和电子收费 21世纪初期，中国的高速公路的建设突飞猛进。互联网的普及和计算机技术的不断成熟，人民生活逐渐转变。人均汽车保有量逐年提升，推动了高速公路的建设发展，从而一条条独立路线逐步连接成网。汽车数量的急剧增长，促使了ETC收费技术的发展，与之相关的技术应运而生。随着ETC收费技术不断发展，在实际的初步应用中，发现了一些问题，如通行费计算不精准、收费车道设备配置不合理、收费系统仍需优化等，研究人员提出了各种模型与解决办法，从而使ETC收费系统更加完善。 对于通行费的计算，2001年，马啸来 [ 5 ] 提出一种标识站法来解决路段二义性的问题，并设计了数据清分算法来结算路网收费情况，更有利于高速公路建设连接成网之后面临的费用清算问题。但对于路网变化拆除人工标识站形成多个环路时，这个方法已经不能满足精确计算通行费的作用。刘学寨 [ 6 ] 于2008年提出了用最短路径法来解决精确计算和拆分通行费的问题，并引入了车牌识别技术判断车辆的行驶路径来作为收费依据。最短路径法不用对路径进行辨别，认为道路使用者一定按最短路径行驶，不太符合实际，具有很大的局限性。但如果同时引进车牌识别技术对车辆路径进行判断，就会大大提高通行费计算的准确性。对于具体的收费技术，何海军 [ 7 ] 开发设计了关于非接触式IC卡以及IC卡自动收发机的部分系统，对当时高速公路的缴费作弊现象提供了很好的解决办法，推动了高速公路收费技术的进一步发展。2004年，郇鹏、张仲义 [ 8 ] 将射频识别技术的不停车收费系统应用于高速公路收费。IC卡可以有效防止车辆逃费现象，但也会出现IC卡丢失的现象，射频识别技术可以有效避免丢失问题并且提高了车辆通过收费站的时间，但需要在车辆上装载设备，两者各有利弊。但IC卡、射频识别技术都是利用互联网使得整个高速路网更加系统化、智能化。 针对收费车道配置不合理的问题，2005年，潘红 [ 9 ] 利用计算机仿真的方法建立了在ETC与MTC同时存在高速公路收费系统情况下的一种收费站模型，提高各类车道的使用率，但对于多于双向四车道的收费站口还需进一步探讨。刘海涛 [ 10 ] 根据排队论建立了一种优化模型，此模型是以高速公路收费系统延误时间最小为目标，得到车道的类型和数量的最佳配置。而宋丽晓 [ 11 ] 则是基于排队论和遗传算法对车道进行优化设计，以收费系统总费用损失最小为原则，得到收费车道优化配置模型。MTC与ETC车道两者共同服务高速公路的收费系统，既满足了车辆通行的目的，又为日后发展ETC技术提供了大量的分析数据。 在21世纪初期，联网收费和ETC技术处于试用阶段。对于整个收费系统的优化，黄正全、张其善 [ 12 ] 在2003年研发了一种融合式的自动收费系统，该系统是在我国不具备大规模实行ETC技术的情况下研发的，具有较好的兼容性和拓展性，并为随后发展ETC技术提供了接口功能。2008年，田珏 [ 13 ] 设计了一种旨在服务于高速公路联网收费系统的路网模型，该模型分析了各省的联网收费系统，基于公路各元素之间的拓扑关系建立起了一种路网模型，使得整个路网更加符合高速公路发展的需求。2009年，王艳平 [ 14 ] 对组合式电子收费系统进行了深入研究，提出了要考虑ETC系统与建成的MTC系统之间的有机结合的观点，并且建立了一种组合式电子收费技术模型来完成缴费，更加完善了高速公路的收费系统。 2.3. 计重收费 计重收费主要是针对货车而言，从按车型收费转变为计重收费，有效地避免了超重超限运输问题。但这种收费方式发展初期有很多弊端，驾驶员利用政策或设备的漏洞达到逃费的目的，而车辆计重的过程，又增加了车辆通过收费站的时间，造成堵塞，从而降低了高速公路的通行能力。故大量学者研究各种理论模型和方法，在兼顾高速公路收益的同时，保证高速公路的通行效率。 2004年，马暕 [ 15 ] 等人建立了非线性“两部定价”理论模型，为了加强超限超重运输管理，设计了一种货车计重收费方案，为发展计重收费提供了理论基础。次年，康元春 [ 16 ] 就山西煤炭超限运输问题，提出了两种货车计重收费的建议方案，并建立了测算模型，合理地增加了对超限超重车辆的通行费。2007年，齐兰 [ 17 ] 设计了一套动态称重的信号仿真源以及其输出通道，可以构出造各种称体机械装置，为之后计重收费系统提供了技术支持。陈辛、李静等人 [ 18 ] 建立了带时间窗的最小费用路径的数学模型，并开发了相应的路径优化系统。该系统具有良好的扩展性，进一步完善了计重收费系统。张祎 [ 19 ] 就各种逃费形式从管理层面提出了有针对性的建议与对策，对实施计重收费并出现类似逃费形式的车辆的省份具有良好的借鉴意义。2009年，王晓宇 [ 20 ] 综合各种模型与理论，对限内和超限的收费模型进行了优化，为制定计重收费的标准提供了依据。苑翠峰 [ 21 ] 提出用双台面称台计重，增加车辆有效检测时间的方法，以此来减少收费逃费现象。万灿军、李长云 [ 22 ] 在联网收费的基础上，提出了计重收费通行费计算及拆分算法。2010年，曾祥平 [ 23 ] 等深入研究了动态计重收费设备的关键技术参数，为我国行业标准的制定提供理论基础。廖鹏 [ 24 ] 在2012年提出动态称重系统与收费系统相结合的观点，提升ETC识别率，减少称重时间，从而提高车辆通行效率。上述可以看出，计重收费一方面可以通过政策和条文进行管理约束，同时也可以通过硬件设备提供技术支持，从而实现称重收费目的。从高速公路收费技术上说，动态称重技术是计重收费的发展方向，保证收益的前提下减少了车辆延误。 2.4. 各种收费方式比较 上述收费方式可从收费对象、等待延误、投资成本、运营成本四个方面进行比较(如下表1)。 Table 1 Comparison of various charging method 收费方式 比较方面 收费对象 等待延误 投资成本 运营成本 人工收费 客车、货车 高 低 高 半自动收费 客车、货车 较低 较高 较高 电子联网收费 客车、货车 低 高 低 计重收费 货车 高 较低 较高 表1. 各种收费方式的比较 人工收费前期投资成本低，遇突发事件可以机动地处理，但所需人力多，且劳动强度大，设备维修周期短。人工对车辆进行收费，出错率高，车辆逃费现象屡屡出现。这种收费方式出现在高速公路建设初期，全国车辆保有量以及道路负荷并不高，但随着科技与经济不断发展，人工收费已经不适合整个高速公路的发展，很快被淘汰。半自动收费是一种过渡的收费方式，一种从人工向自动转变的过渡模式。半人工半自动收费方式在我国占很长时间，由设备对车进行识别，人工进行收费。既没有人工收费所需劳动力多，也不需要过高的投资成本。相对人工收费来说，可以很大提高收费效率，很适合当时中国的经济技术发展状况。随着国家愈来愈重视对高速公路的建设，逐步形成了全国高速公路网，国家的联网电子收费应运而生。互联网的运用使整个收费系统成为一个整体，查询更加方便。ETC技术的迅速发展，极大地提高了高速公路收费技术的自动化，同时减缓了车辆拥堵状况，减少了因人工产生的失误。后续只需对设备进行定时维修，极大减少劳动强度。整个收费系统向系统化、自动化发展。计重收费主要是针对货车而言，整个过程需要互联网、讯通装备、称重设备的加入，货车的收费需要对经过车辆进行称重，称重过程中耗费时间的累积又加深了车辆的拥堵，降低了高速公路的通行效率。所以后续为了解决这个问题，提出了动态收费，提高车辆通行效率。 上述收费方式各有利弊，但不同时期就有不同的侧重点。在互联网蓬勃发展的时代，电子联网收费必将持续发展，而经济的增长使得人民生活的需求不断发生转变，故经济与科技水平的逐步提高推动着收费方式的不断变化与更新。