中国智能公共交通系统框架与实施方案研究

1 引言
    据有关资料，我国目前的城市数量为666个，其中特大城市32个，大城市43个，中等城市192个，小城市400多个，城市化水平已经达到30%。在未来的十年内，随着小城镇建设的发展，将有1.5亿至两亿农村人口转移城市，城市人口将上升到6.3亿，城市化水平将接近50%。城市化进程的加快，必将造成城市居民出行量的逐年递增，预计到20140年城市居民的交通总量将达2500亿人次。然而，由于多种原因致使公交车辆运营速度由每小时12～14公里下降至4～10公里，新增的运力被运输效率下降抵消，公交承担运量不断减退，居民出行方式逐年由公交向自行车等个体交通方式转移，这无疑加剧了交通需求的不断增加与公共交通发展相对滞后的矛盾成为摆在我们面前的一项迫切任务。优先发展城市公共交通，改善公交服务水平，吸引更多乘客乘坐公交出行无疑是解决这一矛盾的途径。我国各级政府都非常重视公交事业的发展，对公交企业给予一定的财政补巾，鼓励运用*的科技手段改造传统的公交运营模式。通过优先发展公共交通来解决大、中城市目前普遍存在的交通拥挤、交通事故频繁和环境污染等问题已成为一种共识，它是实现城市可持续发展的一条必由之路。 
2 智能公共交通系统研究现状比较
    美国、日本、加拿大、英国、法国、韩国等国家都投入了较大的人力和物力从事智能公共交通系统研究大上处于地位，并已取得了显著的成果。自八十年代以来，许多国家公共*门开始应用*的信息与通信技术进行公交车辆定位、车辆监控、自动驾驶、计算机辅助调度及提供各种公共交通信息以提高公交服务水平。美国城市公共交通管理局（UMTA）已经启动了智能公共交通系统项目"Advanced Public Transportation Systems(APTS)"。经过现场试验，UMTA关于APTS的评价是："APTS可以显著提高公共交通服务水平，吸引更多乘客采用公交和合伙乘车的出行模式，从而带来了减少交通拥挤，空气污染和能源消耗等一系列社会效益"。根据1998年美国运输部的联邦公共交通管理局（FTA）出版的"APTS发展现状"，美国的APTS主要研究基于动态公共交通信息的实时调度理论和实时信息发布理论，以及使用*的电子、通讯技术提高公交效率和服务水平的实施技术。具体包括车队管理、出行者信息、电子收费和交通需求管理等几方面的研究。其中车队管理主要研究通信系统、地理信息系统、自动车辆定位系统、自动乘客计数、公交运营软件和交通信号优先。出行者信息主要研究出行前、在途信息服务系统和多种出行方式接驳信息服务系统。
    日本城市公共交通智能化的发展经历了3个阶段：70年代末开始应用公共汽车定位系统--公共汽车接近显示系统；80年代初开始应用公共交通运行管理系统，其中包括乘客自动统计，运行监视和运行控制；进入90年代，由于机动车数量的增长和严重交通拥挤的影响，要保持正常的行车速度是十分困难的，由此引起的公共交通的不便性和不可靠性导致乘客数量的急剧减少。东京都*开发了城市公共交通综合运输控制系统（CTCS），旨在改进公共汽车服务，重新赢得乘客。在CTCS中，公共交通运营管理系统是一个基本的框架，其目的是通过掌握运行情况以及乘客数据实现平稳的公共交通运营服务。它将运营中的公共汽车和控制室之间建立信息交换，并利用诱导和双向通讯的方法，将服务信息提供给公共汽车运营人员和驾驶人员，同时这些信息也通过进站汽车指示系统和公交与铁路接驳信息系统提供给乘客。公共交通综合管理系统包括累积运营数据、乘客计数、监视和控制公共汽车运营和乘客服务等功能，其中乘客服务功能中包括进站汽车指示、信息查询和公共交通与铁路接驳信息提示。公共交通综合管理系统的硬件包括公交主控中心、区域中心以及路边、车库和车载设备等。 
    欧洲许多国家同中国一样具有悠久的历，城市街道一般都比较狭窄。但是，它们通过实施公交优先政策，设立公交道，为公交车提供优先通行信号，布设智能公交监控与调度系统等措施，提高公交车辆运行速度和公交服务质量以吸引公众乘坐公交车出行，从而有效地缓解了城市交通压力，解决了城市交通问题，并取得了明显的社会经济效益，这些经验值得中国许多大中城市借鉴。 
    与欧美国家相比，我国的公共交通事业发展还比较落后。截止2000年，我国城市公交客车的总保有量为23万辆，比1997年增长6.7万辆，每千人拥有公交车0.7辆，距离发达国家每800人拥有一辆公交车的水平还有一定差距，而且公交智能化水平还较低，绝大部分是沿袭旧的运营体制。但是，近几年，由于科学技术的进步和政府对公交投入力度的加大，我国智能公共交通系统已初现端倪。比如：上海的地铁安装了自动检票系统，可实现乘客的自动计数，统计客流变化情况。还有一些城市正在着手实施公交"一卡通"，实现公交电子收费。杭州、上海、北京、大连等几座大城市已在部分公交线路上建成了公交车辆跟踪调度系统，并安装了电子站牌，车载GPS定位设备，实现了对车辆的实时跟踪和定位、公交车与调度室的双向通讯、以及电子站牌上实时显示下班车位置信息等功能。由于上述功能，使得调度过程有据可依，并实现了计算机辅助管理，节约了劳动力，减轻了劳动负担，同时，提高了车辆运行正步率和服务水平，吸引了大量客流。这些系统虽然使得中国迈入了公交智能化时代，但由于它们缺乏对许多基础理论的深入研究，一般没有将动态交通状态信息与车辆定位信息有效融合，而且某些系统的开发和研制又缺乏交通领域专家的直接参与，使目前的系统具有以下缺陷：①不是以公交线网优化为基础，致使调度效果欠佳；②大多数系统线路与线路间缺乏，未能实现网络上的整体协调调度；③缺少信息服务系统，使系统智能化程度大大降低；④由于站点间运行时间单纯由距离比车辆运行速度求得，没有*的算法作保证，致使在电子站牌上显示的下班车到达时间不准确。 
3 智能公共交通系统的构成
    智能公共交通系统是在对公交系统优化的基础上，运用系统工程理论将交通流诱导技术、差分GPS定位技术、GIS及地图匹配技术、公交运营优化与评价技术、计算机网络技术、数据库技术、通信技术、电子技术、智能卡技术等*技术科学集成，形成集智能化调度、公交电子收费、信息服务、网络通信于一体的*的公共交通管理系统。智能公共交通系统可以具体描述为：采用不定位系统（GPS）进行数据采集，结合公交出行调查，以地理信息系统（GIS）为操作平台，在对公交线网布局、线路公交方式配置、站点布置、发车间隔确定、票价的制定等进行优化和设计的基础上，实 现公交车辆的自动调度和指挥，保证车辆的准点运行，并使出行者能够通过电子站牌了解车辆的到达时刻，从而节约乘客的出行时间。同时，公交出行者可以通过媒体如：可变信息牌、信息台、、互联网等方便地获得公交信息（如：出行线路换乘点、票价、车型等），使更多出行者采用公交出行方式。zui后，对智能公交系统的社会效益、经济效益和服务水平进行评价。因此，可将智能公共交通系统分解为以下四个子系统：
    1）智能公共交通优化与设计子系统。该子系统是对公交线网布局、线路公交方式配置、站点布置、发车间隔确定、票价的制定等进行优化和设计，从规划方面提高公交服务水平。 
    2）智能公共交通调度子系统。该子系统由调度中心、车载设备、电子站牌等几部分组成，其主要功能是实现公交车辆的自动调度和指挥，保证车辆的准点运行，并使出行者能够通过电子站牌了解车辆的到达时刻，从而节约出行者的等车时间。
    3）智能公共交通信息服务子系统。该子系统通过媒体（如：可变信息牌、信息台、互联网等）将公交信息（如：出行线路、换乘点、票价、车型等）发布出去，使公交出行者可以方便地获得这些信息，从而吸引公交出行。
    4）智能公共交通评价子系统。该子系统通过建立一套科学的评价公交系统的指标体系对智能公交系统实施前后的经济效益、社会效益和服务水平等方面进行评价。
智能公共交通系统的组成如图1所示： 
    4 智能公共交通系统实施框架
    智能公共交通系统以调度系统为核心。智能公共交通调度系统实行公交调度中心、公调度中心和公交车队三级管理。公交调度中心与公调度中心之间用DDN专线相连，以满足二者快速准确交换信息的需要。公交调度中心主要实现车辆监控与大屏幕显示、公交运营管理、与分调度中心间协调调度车辆、公交信息采集与发布和公交线网规划与评价等功能。分调度中心负责所管辖的各线路营运车辆的调度及与附近的机场、火车站、港口相，相互传递静态信息（如发车时刻表）和动态信息（如：客流信息、到达时刻信息）等。公交车辆内安装有GPS接收设备和双向通讯设备，能够实现车辆自动定位，并将定位信息发送给分调度中心，使其能够实时监测车辆的运行状况，并向车辆发布加速、减速、越站、跨线、折返等指令。当车辆在行驶过程中遇到交通阻塞、交通事故、或者在车内发生抢劫、火灾、乘客纠纷、故障、拥挤等紧急情况时，司乘人员可通过车载设备上的相应按键向分调度中心发出路阻、事故、故障、拥挤、纠纷、救助等短信息，分调度中心接收到信息后有为时与公交调度中心取得，并与紧急救援中心、交通管理与控制中心相配合完成事故处理、人员救助、疏散交通等任务。同时，依据当前的客流信息、交通流量、占有率等数据合理调度车辆。公交车辆内还可没有电子收费、乘客计数、电子公告板等装置，实现乘车服务的自动化和信息化，也便于公交公司统计客流情况，为线网规划与行车时刻表的编制提供可靠数据。另外，公交调度中心还能够根据交通管理与控制中心提供的实时交通数据，信号配时方案，预测车辆在站点间的行程时间，并将相关信息显示在电子站牌上。 
    智能公共交通信息服务子系统则通过多种媒体向出行者提供出行前和在途公共交通信息。乘客可通过安装在车内的电子收费装置使用IC卡付费。根据上面对智能公共交通系统的介绍，本文构造了智能公共交通系统的实施框架。
    5 关键理论与技术问题及解决方案
    为使上面构造的智能公共交通系统得以有效实施，需着重解决如下关键理论与技术问题：
    1）数据采集与处理技术。实施智能公共交通系统需要用到大量静态和动态交通数据，静态数据如：公交站点间距，居民出行O-D量，居民收入水平等。动态数据如：卫星定位系统（GPS）定位数据、客流量、动态交通数据、站点间行程时间数据、公交车发车间隔等等。我们需要借助*的数据融合技术将这些数据有效融合，由于涉及到的数据源多、数据量巨大，因而这项技术也是上*的智能运输系统研究的难点问题。
    2）智能公共交通优化理论与方法。主要是在地理信息系统操作平台上，结合城市总体规划和城市交通规划，利用已有的城市交通调查数据和补充调查的公交出行数据，分别对不同的公交方式在不同价格水平下和不同的居民收入水平下的居民出行需求进行预测。在此基础上，对公交线网、线路公交方式配置、站点布置、发车间隔确定、票价等进行优化，并对城市公交线网、站点、发车间隔进行设计，从规划方面提高公交服务水平。由于公交线网结构复杂，所以建立的优化模型中变量数目多，并且多数公交优化问题可归结为NP-hard-问题，利用传统的优化方法（如：数学规划方法）很难求解。而近年来出现的模拟生物进化的遗传算法、蚂蚁算法对于求解此类问题具有得天独厚的优势，可以利用这些方法救 解公共交通优化问题。
    3）智能公共交通调度系统理论与技术。由于GPS定位技术已基本成熟，差分定位精度可以保斑点在5m以内，*可以满足智能公共交通对定位精度的要求，而且随着电子技术和通信技术的发展，公交车辆与分调度中心双向通信的可靠性也是可以保证的。要解决的关键问题就是如何进行区间车、快车、跨线车、紧急情况车辆的实时调度。此问题实质上是一个模式识别问题。一定的交通状态（由客流量、车辆运行状况、交通流量、紧急事件等因素组成）对应一种特定的调度方案（一种模式）。我们可以通过交通调查和专家问卷的方法找出当前交通状态和调度方案。
    4）智能公共交通信息服务实现方法。在智能公共交通信息服务子系统中，zui难解决的就是如何向出行者动态地提供出行前和在途公交路径诱导信息。这实际上是研究智能公共交通系统与 *的出行者信息系统（ATIS）的信息共享与接口问题。我们需要建立大型的网络数据库和快速的查询系统，并设计基于人工智能的路径选反正算法以保证查询时间短、结果准确。
    5）智能公共交通评价方法。由于智能公共交通系统在我国还没有大范围实施，所积累的原始数据较少，因而很难对其实施后的效果作定量评价。我们可以采取计算机模拟的方法对比智能公共交通系统实施前后乘客平均等车时间、车内时间，以及车辆准点率的变化情况，从而从定量的角度作了科学评价。
    6 结论
    智能公共交通系统在中国大中城市得以广泛实施是历史发展的必然。本文在综述国内外智能公共交通系统研究现状的基础上，分析了我国目前实施的智能公共交通系统存在的不足，并结合中国国情提出了中国智能公共交通系统的构成和实施框架，强调指出了智能公共交通调度系统的重要作用并对其进行了详细的描述。文章zui后列举了实施智能公共交通系统所必须解决的关键理论与实施技术问题，并给出了解决方案。