智能交通运输系统工程

智能交通运输系统工程 课程作业 题目： 车路协同环境下 BRT 区间车速引导模型 学号： 1334543 姓名： 沈 杰 2013 年 12 月 27 日 一、 研究背景 现实背景 随着经济的发展，我国城市人口的数量，密度以及私家车数急剧增长，使 得城市客运量的骤增与城市公共交通系统载运能力不足的矛盾不断加剧，导致 城市交拥通挤日趋严重。拥堵和误点已经成为市民出行的首要困扰，严重影响 了人民的生活质量。大力优先发展人均占用时空资源最小的公共交通，已被社 会各界认为是缓解我国当前城市交通拥堵问题的有效途径之一。我国自上世纪 80 年代就已经提出了优先发展城市公交的政策,然而，公交车辆到站不准时、 等车时间长、进站秩序混乱、交叉口延误大等问题已极大程度地影响了公交的 吸引力，降低了公交资源利用率和公交使用者的出行效率，致使公交出行者对 城市公交系统满意度低。逐步拥堵的城市交通，逐步缩减的人均交通资源以及 逐步恶化的公共交通出行环境使得市民迫切需要一种安全，快捷，舒适的交通 解决方式，BRT 应运而生。 在过去的 10 年中, 我国的公交优先战略首先体现在大力发展轨道交通上, 而具有大运量，快速度等优点的轨道交通却由于建设周期时间长并且建设成本 大，只能在少数特大城市推广。与地铁和轻轨相比, BRT 具有单位距离内的造 价最低, 或者说单位运量下的造价最低的特点在近年来已引起各大城市的广泛 重视, 建立 BRT 快速公交系统已经成为我国许多城市首选的解决各种交通问题 的有效方法之一。 表 1.1 BRT 系统，轻轨以及地铁的多方面比较 交通方式 BRT 系统 轻轨 地铁 平均每公里造价（亿元人民币/ 千米） 0.50.7 1.52 56 平均车速（千米/ 时） 2030 3040 3040 旅客运输量（万人/ 时） 12 12 34 立项到开工时间（年） 1 23 35 立项到完工时间（年） 12 34 56 系统的灵活性 高 低 低 最低城市人口（万人） 75 100 200 BRT 是一种大运量,高速度的交通方式，通常也被称作“地面上的地铁系统” 。它是运用现代化的公交技术，通过开辟 BRT 专用道路，建造新式 BRT 车站， 使用改良车辆和创新的乘客管理模式，保持轨道交通的特性且具备常规公交灵 活性的便利快速并且达到轻轨服务水准的的一种城市公共交通系统。快速公交 系统是一种高品质、高效率、低能耗、低污染、低成本的公共交通形式，充分 体现了以人为本，构建和谐社会的发展理念。 通过建设快速公交系统（BRT），可以实现： 1、通过大运量，快速度的运载方式来缓解城市的交通拥挤。 2、相比轨道交通可以节省巨额的投资建设以及后期维护费用。 3、所使用的新型车辆车内宽敞，噪音振动减少，乘坐更为舒适；水平登车系 统方便了公交乘客的登乘，故可以提供舒适的乘车环境，并节约市民的出 行时间。 4、BRT 行驶信息的实时发布，可以让市民做到等车心中有数。 5、专用道和路口优先提高了车速，避免了拥堵时反复地加减速和停车，也能 有效地减少车辆的废气排放。提高了城市生活质量。 然而，由于 BRT 车辆需要有专门的行驶道路，无形中挤占了部分社会交通 资源，使得私家车主对 BRT 系统颇有抱怨。再加上在具体实施过程中，在交叉 口的延误以及在路段中行驶速度的随意性使得 BRT 的准点率一直不高，影响了 BRT 车辆吸引力。中国的公共交通目前已成为不可靠交通方式的代名词，BRT 必须要扭转公交车不能正点到达及运行速度低下的形象。因此，如何通过先进 的科学技术手段以及建立有效的线代管理方式来提高 BRT 车辆的准点率，减少 在交叉口的拥堵，从而提高 BRT 系统的吸引力是解决公共交通问题的重点，极 具现实意义。 理论和技术背景 BRT 车辆与相关技术 1 BRT 车辆：由于乘客流量极大，BRT 系统使用铰接式公交车（如图 1.2）来提高运量，同时能为乘客提供更舒适的乘坐体验。公交车的长度通 常为 18 米左右，其地板高度与车站站台相同。且通常在靠近快速公交系统 站台的一侧有三个门，以方便乘客快速上下车同时能节约在站台停靠时间。 2 乘客信息服务：通过可变情报板，在候车站台为乘客提供车辆行驶情况 预报，车辆班次预报，末班车信息等实时信息，在车上为乘客提供本车行 驶方向，车辆当前位置，距离下一站点时间预测等实时信息。 3 车外售检票系统：快速公交系统车站具备车外售检票系统及水平登乘。 这样可以实现快速上下车，平均每个乘客上车时间为 0.7 秒。而现状常规 公交，每位乘客的上车时间需要 25 秒。 BRT 车速诱导的核心理论 动态车速诱导理论 对于公共交通优先，具体体现在空间优先和时间优先两个方面。在空间优 先上，主要通过公交专用道和公交专用进口道来实现。至于时间优先方面，自 上世纪 60 年代以来，研究的重点主要在公交信号优先控制理论，具体可以分为 被动优先，主动优先以及实时优先三种方式。无论采用哪种信号优先方式，总 会对社会车辆的通行造成很大的影响，造成优先一辆公交车却堵死一片社会车 辆的现象。总之，公交信号优先牵涉的领域广，难以平衡个方面的利益，难以 实现交叉口通行效益的最大化，这使得传统的公交信号优先控制理论难以得到 有效的推广应用。另一方面，随着信息采集技术，车辆定位技术以及通信技术 的进步，特别是车路协同系统的快速发展，为公共交通提出了新的发展机遇， 那就是应用动态车速诱导系统来减少交叉口的冲突，提高公交车辆的准点率， 从而增强公交车辆的吸引力，起到优化城市交通的作用。动态车速诱导系统是 通过处理实时采集的交通信息，得到能最大满足某一要求的实时优化车速，并 通信传输至车载显示终端，提示驾驶员以最佳的速度行驶。将动态车速诱导系 统引入 BRT 车速控制领域，通过对 BRT 驾驶员进行实时的优化车速提示，来实 现 BRT 车辆有序进站，出站，绿波通过交叉口以及准点到达下一站。不仅能减 少交叉口的冲突，提高 BRT 准点率，还能减少因不断停车启动造成的过多的废 气排放，具有很强的现实意义。该方法是从 BRT 车辆自身出发，核心是通过计 算和发布优化速度，实现 BRT 车辆主动适应交叉口信号等状态。与统的公交优 先信号控制理论相比，该方法在实现 BRT 车辆绿波通过交叉口的同时还照顾到 了其他社会车辆的通行权，利于实现交叉口通行效益的最大化，必将为公交优 先技术开辟一片新领域。 2、 研究目的 通过建立车路协同环境下的车速引导模型来对 BRT 车辆进行车速引导，实 现有效减少 BRT 车辆在交叉口的停车次数、延误和降低油耗的目标，从而提高 BRT 系统的运营效率，增强 BRT 的吸引力，最终实现城市交通的优化。 三、 理论意义和实际研究价值 实现本研究的预期目标，具有以下实际应用价值与理论意义： 1、充分利用 BRT 系统的特点（站台售票，水平等车，乘客站台计数，信息发布， 专用车道等）通过动态车速引导策略实现 BRT 车辆进站完成停靠，并启动出站 后“绿波”通过交叉口。能够有效减少 BRT 车辆在交叉口的停车次数、延误和 降低油耗等，提高 BRT 系统的运营效率，增强 BRT 的吸引力，最终实现城市交 通的优化。 2、本研究以现有的车速引导理论为依据，以如何实现 BRT 车辆绿波通过交叉为 研究目的，以一种新颖的角度探索公交优先技术的新方法，填补了 BRT 系统研 究中无实时车速引导的空白。同时本研究提出的区间车速引导的概念具有很强 的工程实践性，具有一定的现实意义。 四、 国内外研究现状和发展动态 车路系统系统发展概况 车路协同系统(cooperative vehicleinfrastructure system，CVIS) （如图 2.1）是基于无线通信、传感探测等技术获取车辆和道路信息，通过车 车、车路通信进行交互和共享，实现车辆和基础设施之间智能协同与配合，达 到优化利用系统资源、提高道路交通安全、缓解交通拥堵的目标。 近年来，电子信息和无线通信技术的迅速发展与应用，推动了 CVIS 的发展。 其作为 ITS 的重要子系统也备受国内外科研人员关注，是世界交通发达国家的 研究、发展与应用热点。 美国 美国车路协同系统(vehicle infrastructure integration，VII)是由美国 联邦公路局、AASHTO、各州运输部、汽车工业联盟、ITS American 等组成的 特殊联合机构，通过信息与通信技术实现汽车与道路设施的集成 并以道路设施 为基础，于 2005 年推出可以实施的产品。各州采用统一的实施模式，采用 Probe Vehicle(试验车)获取实时交通数据信息，支持动态的路径规划与诱导， 提高安全和效率 。VII 计划主要包括智能车辆先导(IVI)计划、车辆安全通信 (VSC)计划、增强型数字地图(EDmap)计划等。最近，美国又将 VII 更名为 IntelliDrive6。IntelliDrive 为美国道路交通提供了更好的安全和效率， 它通过开发和集成各种车载和路侧设备以及通信技术，使得驾驶者在驾驶中能 够作出更好和更安全的决策。当其与自动车辆安全系统结合应用时，如果驾驶 员不能或没有及时做出响应，车辆则会自动响应并进行操作，这样可明显增强 安全预防，减轻碰撞损失。同时，运输系统管理者、车辆运营商、出行者都能 得到所需的信息，为机动性、效率、运输成本、安全做出动态决策，实现人员 和货物的高效移动。 日本 日本政府、企业以及研究机构正在积极推动日本 ITS 进入新的发展阶段， 即遵循 ITS 的系统集成理念，融合现有系统如“车辆信息和通信系统”(VICS)、 “不停车自动电子收费系统”(ETC)、 “先进辅助巡航道路系统”(ACAHS)以及 “信息与通信技术”(ICT)等，实现 ITS-Integrated Infrastructure，即 “Smartway”计划7。Smartway 计划由政府与民间 23 家知名企业共同发起， 用于促进土地、基础设施、运输和旅游、先进安全汽车(advanced safety vehicle，ASV)的发展。Smartway 发展重点在整合日本各项 ITS 的功能及建立 车上单元的共同平台，使道路与车辆能藉由 ITS 咨询的双向传输而成为 Smarttway 与 Smartcar，以减少交通事故和缓解交通拥堵，并最终普及全日 本。2007 年已初步完成在 Tokyo Metropolitan Expresaway 部分公路的试验计 划，自 2009 年起于日本 3 大都会区进行试验。 欧盟 欧盟的 eSafety 计划8由 ERTICO 最先提出，2003 年 9 月得到欧盟委员会 的认可并列入欧盟计划。主要内容是：充分利用先进的信息与通信技术 (information and communication technology，ICT)，加快安全系统的研发与 集成应用，为道路交通提供全面的安全解决方案。除自主式的车载安全装置外， 还需考虑车一路协调合作方式，即通过车一车以及车一路通信技术获取道路环 境信息，从而更有效地评估潜在危险并优化车载安全系统的功能。欧盟在其第 6 框架计划(FP6)中，准备启动 77 项与 eSafety 相关的研究开发项目，与之相 配套，欧盟委员会还推荐了 28 项行动计划，可归纳为 3 类：社会公共基础设施 建设(包括道路交通基础设施及体系架构、电信基础设施等)；车辆预防与保护 系统(包括车载智能终端系统、事故前安全辅助驾驶系统、事故中车内人员保护 系统、事故后紧急救援系统等)；以及事故原因分析、人为因素(human factor) 研究、成本效益分析等。eSafety 重点研究安全问题，更加重视体系框架和标 准、交通通信标准化、综合运输协同等技术的研究，并推动综合交通运输系统 与安全技术的实用化。 中国 根据我国交通运输发展战略需求，以改善道路安全与提高交通效率为重点， 兼顾节能、环保，通过一系列关键技术攻关，建立车路智能协同系统，实现车 路协同控制，改善交通安全，提高通行效率。通过提高通行效率，提高单位能 耗的运输效率，在满足交通运输需求的条件下，达到节能、环保的目的。我国 自 2000 年起就对国外车路协同先进技术进行了跟踪，并遵循以公路基础设施为 核心的车路协同理念，开展了一系列关键技术的研究工作，包括国家科技攻关 专题“智能公路技术跟踪” 、国家 863 课题“智能道路系统信息结构及环境感 知与重构技术研究”9， “基于车路协同的道路智能标志与感知技术研究”10、 “基于移动中继技术的车辆通信网络的研究”11、 “基于车路协同的下一代道 路交叉口交通控制技术探索研究”12、交通部西部科技项目“新型公路磁诱 导安全辅助系统开发及示范应用”等，形成了包括智能公路磁诱导、车辆自动 保持车道控制、交叉口交通控制、安全辅助驾驶等一系列拥有自主知识产权的 成套技术成果，并于 2007 年在北京召开的第 14 届世界智能交通大会上，在交 通部公路交通试验场，向全球展示了中国在智能车路方面的研究成果。 综上所述，车路协同技术在国内外都是近几年才发展起来的新型技术，其 对缓解交通拥堵以及改善交通安全有很大的帮助，因此得到了世界各国广泛的 关注。本研究定位在车路协同系统的环境下，符合智能交通未来发展的趋势， 同时对车路协同系统这一领域的探索有一定的促进作用。 车路协同环境下车速引导理论研究概况 目前，国内外研究学者针对车路协同环境下的车速引导问题正处于起步阶段。 Abu-Lebdeh 和 Chen 将 VII 系统下的动态车速引导运用在信号控制的交通网络 中，以弥补协调控制带来的绿灯时间浪费，并建立了动态交叉口信号与动态车 流速度的关系模型作为动态车速引导算法，最后用 VISSIM 对其进行仿真，验 证了车速引导在降低交通延误、停车次数等指标中所起到的作用。Mohammad Nekoui 等分别通过不同的数学模型，解析道路交通安全问题，提出利用车路协 同环境下车速诱导的方式可有效缓解不同种情况下车辆的紧急避让及防撞问题。 同济大学范宇杰研究了 VII 环境下的对公交车辆的实时车速引导，提出了单车 引导模型和车队引导模型。东南大学王宝杰等人将车速引导理论引入到了 BRT 系统，提出了基于 Kalman 滤波行程时间预测的 BRT 车速诱导，通过利用 Kalman 绿波模型预测 BRT 车辆的行程时间，分四种情况建立 BRT 车辆的车速 引导模型。 由目前国内外研究现状可以看出，以往的研究中所得到的引导车速往往是一 个确切的值（如 30.4km/h)。但在实际驾驶过程中，这对于驾驶员来说是极为不 现实的，实用性欠佳。因此本文综合考虑 BRT 车辆的运营特性，提出区间车速 引导模型，即对车辆进行车速引导时，不再是得到一个确切的值，而是得到一 个可行的区间。当驾驶员以此区间内的任意车速行驶时，均可绿波通过信号交 叉口，有效避免了 BRT 车辆在交叉口停车等待绿灯现象的发生，同时能大幅降 低 BRT 车辆的延误和平均停车次数。 5、 研究内容 本研究主要包括四部分的内容：模型建立、实地调研、代码编写和实例仿 真。模型建立主要为建立 BRT 区间车速引导模型。代码编写主要基于引导模型 来进行相关引导程序的开发。而实例仿真主要验证该模型的有效性。具体研究 内容如下： 模型建立 与社会车辆不同，BRT 车辆有专门的行驶道路和固定的发车间隔，同时水 平登乘系统和站台售票系统的应用也固定化了 BRT 车辆的人均登车时间。这些 都使得针对 BRT 车辆的车速引导更为容易实现。本文综合考虑 BRT 车辆的运 行特点和驾驶员的驾驶特性，建立 BRT 站点停靠时间预测模型和路段行驶时间 预测模型，并在此基础上建立了 BRT 区间车速引导模型来实现对 BRT 车辆的 车速引导。 BRT区间车速引导模型是在以BRT站点停靠时间预测模型和BRT路段行驶时 间预测模型为基础，结合前方交叉口信号灯状况来对BRT车辆的引导车速区间 来进行推算。其中，BRT站点停靠时间预测模型和BRT 路段行驶时间模型分别 对BRT 车辆的靠站时间和从车站驶出到交叉口这一路段行驶时间进行预测。 实地调研 本研究拟对常州BRT2号线进行实地调研，获取相关数据，为后续的实例仿 真做准备。 代码编写 基于引导模型，利用 VB 来进行相关程序的编写，为实例仿真奠定基础。 实例仿真 利用 VISSIM-COM 二次开发技术，对 BRT 区间车速引导模型进行验证。 6、 研究创新点 本研究的主要创新点在于： 1. 将车速引导理论引入 BRT 系统 2. 提出区间车速引导方法。本研究综合考虑 BRT 车辆的运营特性，提出区 间车速引导模型，即对车辆进行车速引导时，不再是得到一个确切的值，而是 得到一个可行的区间。当驾驶员以此区间内的任意车速行驶时，均可绿波通过 信号交叉口，有效避免了 BRT 车辆在交叉口停车等待绿灯现象的发生，同时能 大幅降低 BRT 车辆的延误和平均停车次数。 7、 技术路线 人均上 车时间 人均下 车时间 站台与 交叉口 距离 站台停靠 时间预测 模型 区间车速引导 模型 下客数 上客数 前方信号 灯情况 路段行驶 时间预测 模型 平均加 速度 最大限 速 最小限 速 依据模型 进行 V B 编程 仿真验证 八、 预期研究成果 车路协同环境下 BRT 区间车速引导模型 9、 参考文献 1 Ronald JB,et al An Overview of Transit Signal Priority. ITS America, 2002 7:2-9. 2 Abu-Lebdeh, Ghassan. Exploring the potential benefits of IntelliDrive-enabled dynamic speed control in signalized networks. TRB 89th Annual Meeting, Washington, D.C., 2010 3 陈军.公交信号优先控制及其在 BRT