三菱重工技報 Vol.50 No.4 (2013) 都市交通を支える技術特集

技 術 論 文15

全地球航法衛星システム（GNSS）技術を用いた自律型道路課金システムと実用性検証
System Evaluation Test of
GNSS (Global Navigation Satellite System) based Road Pricing System

日 浦 亮 太 *1

山 口 太 三 *2

Ryota Hiura

Taizo Yamaguchi

馬 渕 義 弘 *2

岡 崎 拓 馬 *2

Yoshihiro Mabuchi

Takuma Okazaki

宅 原 雅 人 *3

深 瀬 武 *4

Masato Iehara

Takeshi Fukase

自律型道路課金システムは，GNSS（Global Navigation Satellite System：全地球航法衛星システム）によって測位する位置情報をもとに，課金ポイントの通過や走行距離に応じた課金を行うシステムであり，渋滞による経済損失や環境負荷の軽減，道路のメンテナンス費用の回収など自動車交通の諸問題を解決する手段として期待されている。自律型道路課金システムの実用化に向けては，環境により増大する測位誤差や走行パターンによらず一貫・安定した課金が可能なことを証明し，ドライバーをはじめとするステークホルダーの信頼を得ることが必要である。我々はこれまで，デッドレコニング法やマップマッチング法による測位の高精度化により，課金信頼性の向上を図ってきた。今回さらに課金結果を表示・通知する位置・タイミングのばらつきを除去することで，ドライバーの視点からみた信頼性を向上させた。開発したシステムは，実用化を目指すシンガ
ポールの公道（高速道路，一般道路，市街地・郊外等）において大規模な走行テストを実施し，実用に足る信頼性と精度を確認した。

|1. はじめに渋滞の緩和や通行料の徴収を目的とした道路課金では，DSRC（Dedicated Short RangeCommunication，狭域無線通信）方式が広く用いられている。しかし，DSRC 方式では課金したい地点ごとに無線通信アンテナをはじめとする設備が必要であり，多地点でのきめ細かな課金や，混雑状況に応じた課金対象道路の頻繁な変更は苦手とするところである。
これに対し，GNSS（全地球航法衛星システム）技術を用いた自律型道路課金システムは走行距離に応じたきめ細かな課金や，その設定変更が容易にできる利点がある。このため，渋滞緩和のほか，燃料税に代わる道路維持管理費用の徴収手段としても注目を集めている。
実際，欧州ではドイツ(1)やスロバキア(2)などで自律型道路課金システムの導入が進んでいる。これらは道路維持管理費用の徴収を目的としたもので，大型車を対象に大まかな走行ルート・走行距離を把握・積算し，料金を事後的に徴収する。
一方，シンガポールでは，渋滞緩和のためこれまで行ってきた DSRC 方式の課金（ERP：
Electronic Road Pricing）を自律型道路課金システムに置き換えようという動きがある。その理由としては，路側に設置する設備の削減，課金地点周辺の不公平感の解消などが挙げられている。
この“渋滞課金”では，渋滞を緩和したい特定の道路・地域を対象とし，ドライバーに都度通知しながら課金を行うことが必要であり，欧州の先行事例に対して課金対象道路のきめ細かさ，課金*1 交通・輸送ドメイン 交通システム事業部 制御技術部 課長 技術士（情報工学部門）*2 交通・輸送ドメイン 交通システム事業部 制御技術部*4 MHI Engine System Asia マネージャ*3 技術統括本部 高砂研究所 主席 技術士（情報工学部門）

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額の正確さ，通知のリアルタイム性（表示位置の正確さ）などにおいてより厳しい条件を満たす必要がある。また，運用の維持のためには不正を防止するシステムについても，その精度と信頼性を確実なものとしておく必要がある。
当社は，シンガポールの現 ERP のシステム・サプライヤーとして，この世界的に類例のない高度な要求に対応した自律型道路課金システムを開発してきた(3) (4)。実用化に向け，2012 年にシンガポール現地においてシステム全体の機能及び信頼性を確かめる大規模な評価試験を実施した。本システム評価試験では課金精度（正しい金額を課金しているか），課金タイミング（課金ポイント周辺で地理的なばらつきがなく，ドライバーに対して課金結果を通知できるか），不正車両発見（車載器未搭載などの不正車両を発見できるか）の各項目に設定された性能指標に基づき網羅的な試験を実施した。

|2. 自律型道路課金システム概要
自律型道路課金システムは車両に搭載された車載器（OBU :On-Board Unit）が測位する位置情報をもとに，課金ポイントの通過や走行距離に応じた課金を行うシステムである。本システムは車載器に加え，図１のように情報を収集するセンターシステム（CCS :Central Computer System），不正車両を発見する監視システム（ES :Enforcement System），交通情報や位置情報を車載器と送受信するための路側アンテナ設備（RSU :Road Side Unit）の４つのサブシステムから構成されている。以降にシステムを構成するサブシステムの概要を記載する。

図１ システム構成図

2.1 OBU（On-Board Unit）
OBU は車両に搭載され，測位結果をもとに単体で課金処理を行う。また，課金結果や車両位置等の情報を CCS に送信する。GNSS 信号の変化によらず安定した課金を実現するため，OBUに加速度センサ/ジャイロスコープを搭載し，これらセンサ情報を GNSS による位置情報に加味し演算することで測位精度を高める技術（デッドレコニング技術）を採用した。こうして得られた位置情報をマップマッチング（位置情報を電子道路データに紐づける技術）し，走行経路や課金ポイントの通過を地図上で判定し課金を行う。さらに，数秒先までの車両の位置を予測することでこれらの処理に要する時間を補い，課金ポイントの通過をタイムラグなくユーザに通知できるようにした。

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2.2 CCS（Central Computer System）
CCS は各サブシステムと情報の送受信を行うセンターシステムである。OBU との間で課金結果の受信や課金テーブルの配信などを行う。ES からは監視情報を受信し，不正情報を集約する。
RSU からは OBU との通信結果に基づいた車両情報などを収集する。収集した情報をもとに作成された交通情報を OBU に配信することで空いている道路への誘導等を行い，快適な運転を支援する。

2.3 ES（Enforcement System）
ES には図１に示す通り２パターン存在しており，１つは RES（Roadside Enforcement System）と呼ばれる道路上に固定された監視システム，もう一方は MES（Mobile Enforcement System）と呼ばれる，車両又は路肩に監視用の機器を設置する簡易的な監視システムである。いずれもナンバープレート読み取り機能と DSRC による OBU との通信機能を有し，これらの情報を照らし合わせることで OBU 非搭載等の違反を判断する。

2.4 RSU（Road Side Unit）
RSU（Road Side Unit）は道路脇に設置される通信機器であり，通行する車両・OBU に対して，交通情報や位置補強信号の送信を行う。位置補強信号は，GNSS による測位精度が低くなる高層ビルエリアや，位置情報だけからの判別が難しい分岐路などで，位置や道路の情報を OBU に提供するものである。また RSU は OBU からの交通情報の収集にも用いられる。

|3. システム評価試験
本システムが実際の運用に耐えうる機能・精度及び信頼性を有することを確かめるため，2012 年にシンガポール現地にて７か月間に及ぶ大規模なシステム評価試験を実施した。

3.1 システム機能テスト
本テストは自律型道路課金システムが渋滞課金の機能要求を満たすことを証明するためのテストであり，シンガポール国内の限定エリア（車線幅：３車線，数百メートルに及ぶ試験用道路を使用）において実施された（図２）。本テストでは課金，不正監視，バックエンドシステムに対して次の様々な条件を想定し，５か月に及ぶ機能試験を行った。
・ 全車種への適合（乗用車，二輪車，重量車，二階建てバスなど）
・ 100 パターン以上の走行パターンと走行速度組合せ試験
・ 課金ポイントにおける“OBU 表示器への課金結果表示”及び“CCS への結果送信”のリアル
タイム性評価・ 夜間走行試験（昼間走行と同レベルのシステム性能を実現）
総計として 300 以上のシナリオの走行試験を実施し，実運用に耐えられるシステムであることを証明した。

図２ システム機能テストの様子

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3.2 システム信頼性評価テスト
システム機能テストに引き続き，システムの信頼性を評価するためシンガポールの公道を使用して２か月間のテストを実施した。
不正車両防止機能については，貨物・乗用を含む交通量の多い道路に ES を設置して試験を行った。通常の交通流に OBU を搭載した車両を混在させて不正検知・判別の信頼性を定量評価した。
測位精度・課金信頼性については，高層ビル群や高架道路，トンネルなど，GNSS の受信環境・交通流の変化の下での信頼性を確認するため，公道から複数の試験エリアを抽出して走行試験を行った。次章でその詳細と結果を述べる。

|4. システム性能評価
4.1 テスト環境及び性能評価手法(1) テストコース
様々な道路交通条件をカバーするため，表１に示す５つのテスト地域が選定された。OBU を搭載したテスト車両は他の一般車両に混在して走行し，走行速度・走行レーンなど実運用時と同様のリアルな走行状況で測位・課金の精度を評価した。
表１ テスト環境概要
環境

トンネル

高層ビル群

高架高速道路下特徴

・GNSS 信号が受信できないトンネル内
・トンネルの出口直後に課金ポイントを設定

・高層ビルにより GNSS 信号が反射され，測位誤差が発生
・ラッシュアワーの渋滞により，車両の発進，停止が頻繁に発生

・平行に走行する高架高速道路と高架下の一般道の区別が必要
・課金ポイントを高架高速道路上と高架下一般道の両方に設定

・GNSS 信号の受信感度良好
郊外

・幅の広い道路，狭い道路が混在・道路が入り組んでいる

高速道路

・GNSS 信号の受信感度が最も良好
・高速運転をしている状態でも課金を正確に行う必要がある(2) 評価地点と評価方法
信頼性・精度として，①正しい金額がドライバーに提示され，課金されたか，②またその表示は課金ポイントの近傍で行われたか，の２つの面から評価された。

三菱重工技報 Vol.50 No.4 (2013)19図３-1)に示す通り，課金ポイントを中心に±2.5m，±7.5m，±12.5m 位置の路側に目印（反射材）を設置，テスト車両には図３-2)のように課金結果を表示する表示器とビデオカメラ，時計を左後部座席に設置した。車両１台ごとに位置補強信号受信対応/非対応の２台の OBU を同時に評価することで，RSU による位置補強の効果を検証した。ビデオカメラは表示器と窓外の景色（前述の目印）が同時に撮影できるように配置し，表示器に現れた内容と位置が画像から読み取れるようにした。この評価のためのポイントはテスト地域（走行所要時間 15 分～30 分）ごとに４～７カ所設置され，10 台の車両を用いてテスト地域ごとに５日間，合計 25 日間の走行を行った。延べ走行回数は約 10000 回，評価地点数は約 50000 カ所となった。

図３ システム性能評価の際の試験環境

4.2 評価結果(1) 郊外郊外の一般道路での試験結果を図４に表す。本グラフは課金結果が OBU の表示器に現れた位置と，課金ポイントの距離の分布を表している。郊外では課金ポイントから±2.5m 以内で表示器に正確な課金額を表示した割合は約 45％である。ほぼすべてのケースで，±12.5m 以内で表示でき，DSRC 方式と遜色ない精度で課金・表示できることを確認した。
(2) 高速道路
高速道路では課金ポイントをおよそ時速 100km/h という高速で通過するが，図５で示すように課金位置のばらつきは，郊外一般道と同等の結果となった。これは車両の将来位置を推測し先回りで課金計算を行い各種の計算処理に要する時間を補うことで，走行速度に影響されることなく正確な位置でドライバーへの結果通知ができていることを示している。

図４ 課金結果表示時の車両位置と課金ポイントとの差の分布（郊外）

図５ 課金結果表示時の車両位置と課金ポイントとの差の分布（高速道路）

三菱重工技報 Vol.50 No.4 (2013)20(3) 高層ビル群
高層ビル群における評価結果（位置補強信号を使用しない条件）は図６に示す通りであり，郊外・高速道路の結果に比べ，課金ポイントから離れた地点で表示された割合が高い。これは高層ビルによって GNSS の信号の反射や隠れが発生したため位置精度が低下した影響である。しかしおおむね±12.5m の範囲で課金・表示することができた。課金額はマップマッチングの効果により一貫した結果が得られた。

図６ 課金結果表示時の車両位置と課金ポイントとの差の分布（高層ビル群）|5. まとめ
GNSS をベースとした自律型道路課金システムのシンガポール ERP への適用は大きなチャレンジである。シンガポール ERP は DSRC 方式により 10 年以上の運用実績があり，その安定した動作から当地の生活の一部として完全に溶け込んでいる。
新システムはこの信頼性やドライバーにとっての分かりやすさを維持しつつ，新たに課金設定の柔軟性やきめ細かさを実現していくことが求められる。また世界的にも高名な高層ビル街，狭あいな路地が張り巡らされた市街地に対応しなければならない点も難易度を高くしている。
これまで開発してきた自律型道路課金システムについて，このような高い要求のもと，実際の交通環境での大規模な試験を完遂し信頼性を証明した。このことは，欧州先行例のような特殊・補完的な課金手段ではなく，渋滞解消や道路維持コストの公平な利用者負担といった世界的な問題を解決する決め手として，この方式が利用できる段階に達したことを示したといえる。
今後の実用化・運用開始に向けては，環境による GNSS の信号劣化に対応した課金ポイントやRSU の配置設計，現行 ERP システムからの移行計画，個人情報保護をはじめとする国民の懸念事項に対する説明と理解促進が必要となる。
当社は上述の課題に対して現行 ERP のシステム・プロバイダーとしての強みと，自律型道路課金システムについて新たに蓄積した知見をもとに現地関係機関と連携して解決を図り，アジアを先導する都市国家シンガポールの更なる発展に寄与していく。また同時に，異なる事情を持つ地域に向けたカスタマイズやシステムの低コスト化を進め，適用先地域の拡大にも努めていく。

参考文献(1) Toll Collect 社 HP
http://www.toll-collect.de/(2) Sky Toll 社 HP
http://www.skytoll.sk/index-en.html(3) 馬渕義弘ほか，(2011) Development of GNSS/CN-based Smart Client for Road Charging System. In
Proceedings 18th World Congress on ITS, Orland. Mitsubishi Heavy Industries, Ltd.
(4) 馬渕義弘ほか，(2012) New GNSS/CN based road pricing system. In Proceedings 19th World Congresson ITS, Vienna. Mitsubishi Heavy Industries, Ltd.