（交通信息工程及控制专业论文）先进的公共交通系统（APTS）实现方案.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 智能交通系统( i t s ，i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) 是目前国际交通运 输领域最受重视的研究方向，它是在较完善的道路设施基础上，将先进的电子 技术、信息技术、传感器技术和系统工程技术集成运用于地面交通管理所建立 的一种实时、准确、高效、大范围、全方位发挥作用的交通运输管理系统。它 是充分发挥现有交通基础设施的潜力，提高运输效率，保障交通安全，缓解交 通拥挤的最有力措施。 本文就是研究智能交通系统中一个非常重要的子系统，先进的公共交通系 统( a p t s ，a d v a n c e dp u b l i ct r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ) 中的公共汽车运输部分的 实现，论文通过研究目前国外的先进的公共交通系统技术的发展情况，总结出 一套符合中国国情的公共汽车运输的先进的公共交通系统技术的实现方案。 文中先介绍了智能交通系统技术的一些相关知识，然后通过比较国内外的 公交系统的发展情况以及国外对先进的公共交通系统技术的研究成果，提出了 自己的观点：建立一套适合中国公交现状的先进的公共交通系统技术。然后提 出了具体实现该技术的总体方案，即通过对公共汽车捷运技术( b r t ，b u s r a p i d t r a n s i t ) 和先进的公交管理系统( a b m ，a d v a n c e db u sm a n a g e m e ms y s t e m ) 的 实现来实现该技术。最后，给出了这两部分技术的具体实现方法。 关键词智能交通系统；先进的公共交通系统：公共汽车捷运技术：先进的公共 汽车管理系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 a b s t r a c t i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ( i t s ) i st h ed i r e c t i o nt h a tm o s tt a k e ni n t o a c c o u n ti nt h ei n t e r n a t i o n a l t r a n s p o r t a t i o nf i e l d ，i ti n t e g r a t e s a d v a n c e de l e c t r i c t e c h n i q u e ，i n f o r m a t i o nt e c h n i q u e ，s e n s o rt e c h n i q u ea n ds y s t e mt e c h n i q u ea n du s e t h e mo nt h eg r o u n dt r a f f i cm a n a g e m e n to nt h ef o u n d a t i o no fr a t h e rc o m p l e t e dr o a d i n s t a l l a t i o n s ，e s t a b l i s h e sak i n do fr e a l t i m e ，a c c u r a t e ，h i g h - e f f i c i e n t ，w i d e r a n g e d ， a l l d i r e c t i o n a lt r a f f i ca n dt r a n s p o r t a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m i t st h em o s te f f i c i e n t w a y t h a tc a nf u l f i l lt h ep o t e n t i a l i t yo ft h ec u r r e n tb a s i ct r a f f i ci n s t a l l a t i o n ，i m p r o v e t h e t r a n s p o r t a t i o ne f f i c i e n c y , i n s u r e t r a f f i cs a f e t y , a n dm i t i g a t ec r o w d e dt r a f f i c t h i s p a p e rs t u d i e s av e r yi m p o r t a n ts u b - s y s t e mo fi t s - - - a d v a n c e dp u b l i c t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ( a p t s ) ，t h i sp a p e re m p h a s i z e s o nt h e p a r t o fb u s t r a n s p o r t a t i o no ft h i ss u b s y s t e m t h ea u t h o rs u m m a r i z e sas e to fr a t h e ra d v a n c e d p l a nt h a tf i x e si nw i 也c u n _ ；e n tc h i n e s ec o n d i t i o n st h r o u g hi m r o d u e i n gt h ec u r r e n t d e v e l o p m e n t o f a p t sa b r o a d ；i tc a nf u l f i l lt h ea p t s t e c h n i q u e a tt h eb e g i n n i n go f t h i sp a p e r , t h ea u t h o ri n t r o d u c e ss o m e k n o w l e d g e a b o u t i t s ， i tm a k e st h er e a d e r sg e ta p r e l i m i n a r yi m p r e s s i o no ni t s ，a n dt h e np r e s e n th i so w n v i e w p o i n tt h r o u g hs t u d y i n gs o m e c o u n t r i e s o u t c o m eo i la p t sa n dc o m p a r i n ga p t s d e v e l o p m e n t i nc h i n a 、v i mi no t h e rc o u n t r i e s ：e s t a b l i s h i n gas e to f a p t st 1 1 a tf i x e si n w i 也c h i n e s ec u r r e n tt r a n s p o r t a t i o nc o n d i t i o n s t h e nt h ea u t h o rp r e s e n tap l a nt h a t c a nf u l f i l lt h i st e c h n i q u ea saw h o l e ，t h a ti s ，t of u l f i l lt h i st e c h n i q u e t h r o u g hf u l f i l l i n g b u s r a p i dt r a n s i t ( b r t ) a n d a d v a n c e db u s m a n a g e m e n ts y s t e m s ( a b m s ) a tl a s t ， t h ea u t h o rp r e s e n t sad e t a i l e dp l a nt h a tc a nf u l f i l lt h e s et w o t e c h n i q u e s k e y w o r d s i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ( i t s ) ：a d v a n c e d p u b l i c t r a n s p o r t a t i o n s y s t e m ( a p t s ) ；b u sr a p i dt r a n s i t ( b r t ) ：a d v a n c e d b u s m a n a g e m e n ts y s t e m ( a b m s ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章概论 1 1 智能交通系统的基本概念 目前，交通拥挤和交通事故是全球交通运输业所面临的共同问题。由于可 供修建道路的土地和空间有限，单靠新建道路的方法难以解决目前所面临的主 要交通问题。另一方面，交通需求的不断增长、交通系统的日趋复杂，使得仅 仅从车辆或道路单方面考虑，很难有效地解决交通拥阻问题。如何应用现代高 新技术，将车辆和道路联系起来系统地解决交通问题，成为智能交通系统的核 心思想。智能交通系统通过将先进的信息技术、通信技术、控制技术、传感器 技术和系统综合技术有效地集成应用于交通运输领域，从而使得交通运输业发 生了根本性的变化：运行功能智能化、效率最大化，进而使之成为世界同行业 研究开发与技术应用的热点。同时，智能交通领域不断深入的研究及其科技成 果的推广应用，也必将带动和推进交通信息化产业的巨大发展。 智能交通系统的目标是建立全方位、实时准确、高效的综合运输系统，做 到“保障安全、提高效率、改善环境、节约能源”。即在较完善的道路设施基础 上，将先进的交通理论与高新技术集成运用于道路交通运输的全过程，加强车、 路、人三者之间的联系，通过智能化地收集、分析交通数据，并反馈给系统的 操作者或驾驶员。系统操作员或驾驶员借助于处理后的交通信息，迅速做出反 应，改善交通状况。智能交通系统强调的是系统性、实时性、信息交流的交互 性以及服务的广泛性，与原来意义上的交通管理与工程有着本质的区别。 1 智能交通系统( i n t e i ii g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ) 从国际上智能交通系统的发展历史来看，各国普遍认为起步于6 0 7 0 年代的 交通管理计算机化就是智能交通系统的萌芽。随着社会的发展和技术的进步， 交通管理和交通工程逐步发展成智能交通系统，但是智能交通系统与原来意义 上的交通管理和交通工程有着本质的区别，智能交通系统强调的是系统性、信 息交流的交互性以及服务的广泛性，其核心技术是电子技术、信息技术、通信 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 技术、交通工程和系统工程。 智能交通系统是在较完善的道路设施基础上，将先进的电子技术、信息技术、 传感器技术和系统工程技术集成运用于地面交通管理所建立的一种实时、准确、 高效、大范围、全方位发挥作用的交通运输管理系统。它是充分发挥现有交通 基础设施的潜力，提高运输效率，保障交通安全，缓解交通拥挤的有力措施。 目前国内外对智能交通系统的理解不尽相同，但不论从何角度出发，有一 点是共同的：智能交通系统是用各种高新技术，特别是电子信息技术来提高交 通效率，增加交通安全性和改善环境保护的经济、技术系统。 2 智能交通系统的主要功能 “智能交通系统”实质上就是利用高新技术对传统的运输系统进行改造而形 成的一种信息化、智能化、社会化的新型运输系统。它能使交通基础设施发挥 出最大的效能，提高服务质量；同时使社会能够高效地使用交通设施和能源， 从而获锝巨大的社会经济效益。它不但能解决交通的拥堵，而且对交通安全、 交通事故的处理与救援、客货运输管理、道路收费系统等方面都会产生巨大的 影响。智能交通系统的功能主要表现在： 顺畅功能：增加交通的机动性，提高运营效率：提高道路网的通行能力，提 高设施效率；调控交通需求。 安全功能：提高交通的安全水平，降低事故的可能性避免事故；减轻事故 的损害程度；防止事故后灾难的扩大。 环境功能：减轻堵塞；低公害化，降低汽车运输对环境的影响。 3 智能交通系统研究的普遍领域 根据i s o 的i s o t c 2 0 4 标准，将智能交通系统的服务领域为七个方面： 先进的交通信息服务系统 这个系统是建立在完善的信息网络基础上的，交通参与者通过装备在道路 上、车上、换乘站上、停车场上以及气象中心的传感器和传输设备，可以向交 通信息中心提供各地的实时交通信息；该系统得到这些信息并通过处理后，实 时向交通参与者提供道路交通信息、公共交通信息、换乘信息、交通气象信息、 停车场信息以及与出行相关的其他信息；出行者根据这些信息确定自己的出行 方式、选择路线。更进一步，当车上装备了自动定位和导航系统时，该系统可 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 以帮助驾驶员自动选择行驶路线。 随着信息网络技术的发展，科学家们已经提出将该系统建立在因特网上， 并采用多媒体技术，这将使先进的交通信息服务系统的服务功能大大加强，汽 车将成为移动的信息中心和办公室。 先进的交通管理系统 这个系统有一部分与先进的交通信息服务系统共用信息采集、处理和传输 系统，但是先进的交通管理系统主要是给交通管理者使用的，它将对道路系统 中的交通状况、交通事故、气象状况和交通环境进行实时的监视，根据收集到 的信息，对交通进行控制，如：信号灯、发布诱导信息、道路管制、事故处理 与救援等。 先进的公共交通系统 这个系统的主要目的是改善公共交通的效率( 包括：公共汽车、地铁、轻 轨交通、城郊铁路和城市间的长途公共汽车) ，使公交系统实现安全便捷、经济、 运量大的目标。 先进的车辆控制系统 。 这个系统目前还处于研究试验阶段，从当前的发展看，可以分为两个层次： 一是车辆辅助安全驾驶系统，该系统有以下几个部分：车载传感器( 微波雷达、 激光雷达、摄像机、其他形式的传感器等) 、车载计算机和控制执行机构等，行 驶中的车辆通过车载的传感器测定出与前车、周围车辆以及与道路设施的距离 和其他情况，车载计算机进行处理，对驾驶员提出警告，在紧急情况下，强制 车辆制动。二是自动驾驶系统，装备了这种系统的汽车也称为智能汽车，它在 行驶中可以做到自动导向，自动检测和回避障碍物，在智能公路上，能够在较 高的速度下自动保持与前车的距离。必须指出的是，智能汽车在智能公路上使 用才能发挥出全部功能，如果在普通公路上使用，它仅仅是辆装备了辅助安 全驾驶系统的汽车。 货运管理系统 这里的货运管理系统是指以高速道路网和信息管理系统为基础，利用物流 理论进行管理的智能化的物流管理系统。综合利用卫星定位、地理信息系统、 物流信息及网络技术有效组织货物运输，提高货运效率。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 电子收费系统 道路收取通行费，是道路建设资金回收的重要渠道之一，但是随着交通量 的增加，收费站开始成为道路上新的瓶颈。电子收费系统就是为解决这个问题 而开发的，使用者在市场购买车载的电子收费装置，经政府指定的部门加装安 全模块后即可安装在自己的车上，然后向高速公路公司或银行预交一笔通行费， 领到一张内部装有芯片的通行卡( 即i c 卡) ，将其安装在自己汽车的指定位置， 这样当汽车通过收费站的不停车收费车道时，该车道上安装的读取设备与车上 的卡进行相互通信，自动在预交账户上将本次通行费扣除。 不停车收费系统是目前世界上最先进的路桥收费方式。通过安装在车辆挡 风玻璃上的车载器与在收费站e t c 车道上的微波天线之间的微波专用短程通 讯，利用计算机联网技术与银行进行后台结算处理，从而达到车辆通过路桥收 费站不需停车而能交纳路桥费的目的，且所交纳的费用经过后台处理后清分给 相关的收益业主。在现有的车道上安装电子不停车收费系统，可以使车道的通 行能力提高3 5 倍。 紧急救援系统 紧急救援系统是一个特殊的系统，它的基础是先进的交通管理系统、先进 的交通信息服务系统和有关的救援机构和设施，通过先进的交通管理系统和先 进的交通信息服务系统将交通监控中心与职业的救援机构联成有机的整体，为 道路使用者提供车辆故障现场紧急处置、拖车、现场救护、排除事故车辆等服 务。 本文所讨论的内容是智能交通系统中先进的公共交通系统的实现方案。 1 2 发达国家的先进的公共交通系统技术 先进的公共交通系统技术是智能交通系统中一个重要的组成部分，也是各 国对智能交通系统技术开发的重点。但先进的公共交通系统技术有着很强的国 界特征，不同国家对先进的公共交通系统技术所实现功能的要求也不同，美国 将公共交通系统称为“公共交通运营系统”，日本将先进的公共交通系统称为“公 共交通援助系统”。下面就是美国和日本对先进的公共交通系统技术的研究情 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 况： 1 美国 美国将先进的公共交通系统技术称为“公共交通运营系统”。该系统用以提 高公共交通的可靠性、安全性及其生产效率，使公共交通对潜在的用户更具有 吸引力。主要实现交通标志占先权( 高乘载率车辆专用车道的设置) 、车辆定位 和跟踪、语音和数据传输等功能。该系统将公共交通管理部门同驾驶员直接联 结起来，进行实时调度和行驶路线的调整，帮助运输部门增加客运率，降低运 营成本，提高运输效益。该系统有4 个子系统： 公共运输管理系统； 途中换乘信息系统； 满足个人需求的非定线公共交通系统； 出行安全系统。 2 日本 在日本，先进的公共交通系统技术被称为“公共交通援助系统”。即通过提 供公共交通运行状况等措施来提高公共交通的运营效率。其主要服务对象为公 共交通使用者、运输企业，包括4 个服务功能： 先进的交通流控制系统； 交通事故通报系统。 公共交通信息提供系统； 公共交通运行援助系统。 从上面的说明我们可以看出，不同国家对公共交通系统研究的侧重点有着 明显得区别。美国对公共交通系统的研究主要是针对乘客，如何让乘客满意是 他们追求的首要目标，而日本追求的是整个系统的自动化程度，高效率是他们 的目标。因此，我们不能照抄照搬发达国家的模式，只有根据我们的实际情况， 研究出符合我国国情的公共交通系统，才是可行的。 1 3 中国公交现状及先进的公共交通系统技术的侧重点 截止2 0 0 0 年，我国城市公交客车的总保有量为2 3 万辆，比1 9 9 7 年增长6 7 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 万辆，每千人拥有公交车0 7 辆，距离发达国家每8 0 0 人拥有一辆公交车的水平 还有定差距。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。 与此同时，由于多种原因致使公交车辆运营速度由每小时1 2 1 4 公里下降至 4 1 0 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，这无疑加剧了交通的拥挤程 度。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：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g p s 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1 2 1 。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， 提高了车辆运行正点率和服务水平，吸引了大量客流。 虽然目前的公交系统改造使中国迈入了公交智能化时代，但由于缺乏对许 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： 未能以公交线网优化为基础，致使调度效果欠佳； 大多数系统线路与线路间缺乏联系，未能实现网络上的整体协调调度： 缺少信息服务系统，使系统智能化程度大大降低； 由于站点间运行时间单纯由距离比车辆运行速度求得，缺少先进的算法作保 证，致使在电子站牌上显示的下班车到达时间不准确。 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 贴，鼓励运用先进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。 在这里需要说明一个问题，公共交通运输有以下三种常用方式：城市轨道 交通运输( 主要指地铁和轻轨) 、公共汽车运输( 主要指大巴、中巴及有轨电车) 和第三类公共交通运输( 主要是指私营巴士和出租车) 。这三种公共交通运输方 式相互依存，缺一不可，同时，它们各有其优缺点，相互补充。第三类公共交 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 通运输系统具有乘车方式便捷、不受线路影响、速度较快等优点，但其载客量 较小，费用较高，而且运营有着明显的不确定性( 运营时间、线路、费用等) 。 而城市轨道交通运输的优点是载客量大、占用地面资源小、速度快，其缺点是 修建周期较长、修建费用较高、行驶线路受限等。公共汽车运输的优点是行驶 线路覆盖面积广阔、乘车费用较低。而且主要的缺点就是速度较慢。要建立有 中国特色的公共交通系统，首先要确定在当前时期采取何种公共交通运输方式 作为城市公共交通系统的主体。由于第三类公共交通运输方式的运营的不确定 性，这里就没有讨论它。而在公共汽车运输方式和城市轨道运输方式中，我选 择了公共汽车运输方式作为目前公共交通系统的研究方向，而非目前十分热门 的城市轨道交通运输方式，主要原因如下： 轨道交通的发展历史远早于城市公交。以英国为代表的西方国家早在工业 革命时期就开始了城市轨道交通的建设，到了2 0 世纪初，伦敦、巴黎、莫斯科、 纽约等发达城市已经建成了比较完整的城市轨道交通网。后来，随着西方国家 汽车工业的蓬勃发展，城市轨道交通逐渐被冷落了。2 0 世纪7 0 年代初爆发的石 油危机，促使西方国家重新检讨其城市的发展策略，认识到作为一种历史积淀 的城市轨道交通所具有的潜在价值，由此开始对城市轨道交通网进行系统的现 代化改造，使其重新焕发了青春。从某种意义上讲，西方国家的城市轨道交通 也是对城市资源的一种再利用。 事实上，即使是发达国家的城市，要修建一个完善的城市轨道交通网也是 很困难的。上世纪初，伦敦、巴黎、莫斯科、纽约等发达城市，在城市的扩张 过程中都建造了各自的地铁网，但那时修建成本是较低的，作为发展中国家， 我们既没有西方国家的这段历史，也没有类似的城市积淀，因此我们不可能也 没必要去重复他们的过去。另外，城市轨道交通平均每公里3 亿元综合的造价 对于大多数城市来讲，也仍然是难于承受的。国内外经验表明，一个城市的轨 道交通，必须形成交通网络才能发挥其作用，但要真正建成这样的网络，除了 资金问题外，时间上至少还需要1 5 2 0 年，而这段时期恰恰正是城市结构和交 通模式转变的关键时期。我们应该珍惜我们已有的一切，创造性地运用我们所 掌握的知识，把各种城市资源的潜力充分发掘出来，更有效率地建设我们的城 市。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 简而言之，与公共汽车运输系统相比，城市轨道交通系统有着十分明显的 优势，但是，对于类似中国这样的不发达国家而言，其高昂的造价和漫长的修 建时间是个瓶颈，而公共汽车运输系统就是解决这个瓶颈问题的有效手段，通 过对现有公共汽车运输系统的改造，初步缓解城市交通问题，同时，在有条件 的情况下，再通过修建城市轨道交通系统进一步优化城市交通构成，从而实现 比较完善的城市交通网络，这就是文中一直强调的有中国特色的先进的公共交 通系统技术。 由此可见，本论文所讨论的先进的公共交通系统技术，已经将目标集中在 公共汽车运输系统身上，在后面的内容中，如无特殊说明，公共交通技术即指 公共汽车运输。 1 4 先进的公共交通系统技术实现框架 先进的公共交通系统技术的构成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g p s 定位技术、g i s 及地图匹配技术、公交 图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、 智能卡技术等先进技术科学集成，形成集智能化调度、公交电子收费、信息服 务、网络通信于一体的先进的公共交通管理系统。先进的公共交通系统技术可 以具体描述为：采用全球定位系统( g p s ) 进行数据采集，结合公交出行调查， 以地理信息系统( g i s ) 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、电话、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。 为此，整个先进的公共交通系统技术可以分为两个子系统：公共汽车捷运 技术( b r t ) 子系统和先进的公共汽车管理系统( a b m s ) 子系统。下面给出先 进的公共交通系统技术实现的总体框架如图1 1 所示，而其具体实现方案图1 2 所示，其中各部分的具体实现将在后面的章节中作详细的阐述。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 壁巫受堕塑巫口 闰 图卜1 先进的公共交通系统总体框架 一车辆监控系统 一 j儿1l廷营管理系统一 一公交管理系统 f _ _ f|。、嗣驯引驯别型 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 行人港 图1 - 2 先进的公共交通系统实现方案 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 1 5 本论文的研究内容及意义 有关资料表明 2 1 ，1 9 9 6 年全国城市机动车保有量为8 8 4 5 万辆，比1 9 7 7 年 增长近9 倍，年均增长3 3 8 ，全国城市自行车超过1 8 亿辆，占全国总量的 4 0 ，城镇每百户拥有率达1 9 8 辆。道路建设虽突飞猛进，从1 9 8 0 年至1 9 9 4 年，全国城市道路总长从2 9 5 万公里增至1 1 1 万公里，年平均增长率为9 9 ， 人均道路面积从2 8 m 2 增至6 6 m 2 。道路面积增长率为年均1 1 6 ，这样的速度 仍然赶不上车辆的增长速度。而随着我国城市化进程的推进( 1 9 9 9 年己接近 3 0 ) ，大中城市居民出行次数会逐年递增，预计到2 0 1 0 年城市居民的交通总 量将达2 5 0 0 亿人次。同时，由于多种原因致使公交车辆运营速度由每小时1 2 1 4 公里下降至5 1 0 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 通的拥挤程度。如何解决城市居民出行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。解决这一问题的核心是提高 人的运输效率，实现人的移动，而不是车辆的移动。优先发展城市公共交通， 提高公交服务水平，吸引更多乘客乘坐公交出行，减少私人交通出行量，这无 疑是解决这一矛盾的首选途径。 公共汽车运输公交系统中的重要组成部分，也是城市赖以生存的重要基础 设施之一。它作为城市动态大系统中一个重要组成部分，是城市整体发展中不 可缺少的物质条件和基础产业，也是联系社会生产、流通和人民生活的纽带。 公共汽车运输具有运载量大、运送效率高、能源消耗低、相对污染少、运输成 本低等项优点。因此，要解决大、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，应特别重视发展城市公共汽车运输。它已经被世界各 国公认为解决大中城市交通问题的主要策略之一，是城市交通可持续发展的必 由之路。但是，目前与发达国家相比，我国各大中城市的公交系统服务水平较 低，主要表现在车辆到、发时间不确定，信息化服务基本上是空白，调度方式 比较原始落后。因而，集g p s 卫星定位、通讯控制、计算机网络、智能化运营 管理于一体的智能公共汽车运输系统必将大大改善公交管理水平，吸引更多潜 在客流，提高公交系统经济效益，减少政府财政补贴。由于采用公交出行的居 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 民增加，相对减少了其它车辆出行，这势必会缓解城市交通压力，减少环境污 染，降低交通事故发生率，改善交通环境，带来巨大的社会效益。本项目旨在 解决公交系统存在的上述问题，为智能公共汽车运输系统的实施提供理论基础 和技术准备，使城市的公共汽车运输管理达到国际先进水平。同时，由于它也 是国际上智能运输系统正在研究的前沿课题之一。所以，本论文的研究不仅具 有重要的学术价值，而且具有非常突出的现实意义和应用前景。本论文的主要 研究内容如下： 第一章简要的介绍智能交通系统技术的基本概念，提出了本论文的研究内容 先进的公共交通系统，阐述了先进的公共交通系统的基本概念，提出了作 者根据国外相关研究并结合中国国情所设计的符合中国使用的公共交通系统实 现的基本框架。 第二章介绍了实现先进的公共交通系统的重要组成部分：公共汽车捷运技术， 并阐述了如何实现该技术。 。 第三章介绍了实现先进的公共交通系统的重要组成部分：先进的公交管理调度 系统。并阐述了实现该技术的总体方案。 第四章介绍了作者在本论文中主要完成的工作，即乘客信息查询系统的实现。 第五章介绍了作者在本论文中主要完成的工作，即g i s 电子地图的研制。 总结对论文进行了总结，提出了一些改进意见及下一步的发展方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 第二章公共汽车捷运技术部分的实现 2 1 公共汽车捷运技术的基本概念 现有的城市公交系统，尽管造价与运营成本低廉，但受现行技术路线、政 策导向的限制，城市公交在道路与公交站点建设、公交车辆的设计制造、通信 调度管理、城市土地利用等各个方面都是零敲碎打、各自为政；所有这些因素 综合在一起，导致城市公交失去了对公众的吸引力。如何在保持低造价与运营 成本的前提下，发展出一种新颖的城市公共交通系统呢? 由此，诞生了公共汽车 捷运技术的设计思想。 公共汽车捷运技术源于巴西，发展于美国，其核心思想主要体现在系统的 集成方面。根据系统论原理，任何系统都不是系统各个要素的简单叠加，系统 整体性能大于其内部各要素性能之和；因此，所谓先进与否，并非由系统个别 要素决定，而是由系统的集成性能决定的。低廉而适用的常规技术通过有创意 的发现和有效的系统集成，同样可以释放出巨大的整体能量。构成公共汽车捷 运技术系统的核心技术，就每一个单项丽言，都是低廉的常规技术，如公交车 专用路、公交车辆、公交站点、乘客与车辆调度管理等等，但是，通过系统的 创造性集成，就会产生质的飞跃。公共汽车捷运技术系统集成的核心思想可概 括如下： 为了使公共汽车捷运技术发挥效能，必须和城市道路交通同步规划，形成完 善的公共汽车捷运技术城市交通网。 常规而低廉的技术通过创造性的系统集成，同样可以释放出巨大的能量。如 轨道交通的思路用于公交车、航空枢纽网中的“轮辐策略”用于城市公交的网 络布局、c i s ( c o r p o r a t i o ni d e n t i t ys y s t e m 企业形象识别系统) 用于公共汽车捷 运技术系统的形象整合等。 坚持经济适用的原则，创造性地利用现有城市结构及硬件，节约成本、降低 造价，使已有城市资源的效益最大化。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 2 公共汽车捷运技术实现的总体框架 总结巴西和美国在公共汽车捷运技术方面的实践经验，本文提出了实现公 共汽车捷运技术的四个要素：公共汽车车载系统、车站系统、道路系统和信号 优先系统。其总体规划如图2 一l 所示： 艄罔阐隅罔圈罔 图2 - 1 公共汽车捷运技术实现的总体框架 2 3 公共汽车捷运技术的具体实现 从上面公共汽车捷运技术的总体框架可以得出，要实现公共汽车捷运技术 需要从以下几个方面入手：道路设施，信号优先技术，站点设计和车载系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 其中道路设施改造和信号优先技术是研究的重点。在本节就将对这四方面进行 研究并给出具体的实现方案。 2 3 1 道路设施改造的实现方案 所谓道路系统改造就是指设立公共汽车专用道。设立公共汽车专用道的目 的是将公共汽车和其他非公共汽车在空间上加以分开，以提高公共汽车的行驶 速度。讨论到这个问题，就不得不说明“专用路权”这个概念。 “专用路权”这个概念是在城市轨道交通中提出的，它是城市轨道交通能 够实现快速运行的一个重要的因素。城市轨道交通系统就是因为拥有了“专用 路权”轨道空间，从而避免了其它车辆对轨道交通的干扰，才实现了快速 运行。但城市轨道交通也为此付出了高昂的代价( 地下、高架、地面三种不同 形式的轨道交通工程概算比例大致为4 5 1 2 ；单位：￥亿元k m ) 。 与轨道交通不同的是，公共汽车捷运技术系统获得专用路权的方法主要来 自政府的政策导向层面，这种政策导向的依据来源于一种对城市交通的新认识， 即：城市客运交通的主要目的是实现人的移动，而不是车辆的移动，由于在单 位路面上，公交车比其它车辆运送了更多的人员，根据公平通行的原则，公交 车理应获得道路通行的优先权。为了保证公交车获得这种优先权，城市道路以 及土地资源需要重新分配。公共汽车捷运技术获得专用路权就是通过划定公交 专用道实现的。 公交专用道就是指是公交车辆就有专有路权的道路设计方法。公共汽车专 用道有许多不同的设计形式和运行模式。在城市中，公共汽车专用道可以是全 天运行的，也可以是在高峰时段运行的。由于城市公共汽车线路一般集中在市 中心地区，公共汽车专用道也主要建在市中心地区。常用的公共汽车专用道有 四种：公共汽车街、沿街公共汽车专用道、街中间公共汽车专用道、逆向公共 汽车专用道。具体使用何种公共汽车专用道要根据该路段的公共汽车流量来确 定i “。见表2 1 ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 类型最低高峰小时单最低高峰小时单说明 向公共汽车流量向公共汽车乘客 ( 辆)量( 人) 公共汽车街 8 0 1 0 03 2 0 0 4 0 0 0位于商业繁华 地段 沿街公共汽车专 3 0 一4 01 2 0 0 1 6 0 0除了公共汽车 用道专用道以外，一 个方向至少要 有2 条混合流车 道 街中间公共汽车 6 0 9 02 4 0 0 3 6 0 0除了公共汽车 专用道专用道以外，一 个方向至少要 有2 条混合流车 道 逆向公共汽车专 4 0 一4 01 6 0 0 2 4 0 0除了公共汽车 用道 专用道以外，一 个方向至少要 有2 条混合流车 道 表2 1 公共汽车专用道的公共汽车流量要求 在商业繁华和公共汽车流量特另q 大的街道，将整个街道变成公共汽车街，除 了公共汽车和行人以外，小汽车禁止入内。这种方法可以改善街道环境，增加 公共汽车使用，有利于居民出行。当然，要开辟这种公共汽车街的前提是必须 有足够的公共汽车流量，同时要制订小汽车改道计划和加强执法使得公共汽车 街真正成为公共汽车行驶的地方。 沿街公共汽车专用道主要有两种形式。第一种形式是将现有停车道变成公共 汽车专用道。第二种形式是将现有混合流车道变成公共汽车专用道。将现有停 车道变成公共汽车专用道不利于小汽车停车和商用车辆送货，对沿街的商家有 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 直接影响。要减少这种负面影响，就要灵活地在个别商业集中地段允许部分商 用车辆送货。当然，这些商用车辆送完货必须立即离开专用道以免影响公共汽 车的行驶速度。将现有混合流车道变成公共汽车专用道必须要确保该专用道上 公共汽车的乘客量大于原来混合流车道的载客量，同时要确保专用道以外的剩 余单向车道数大于或等于两条，以保证小汽车的换线和相互超车。在经常塞车 的交叉路口，要禁止小汽车右转弯以保证公共汽车通行不受干扰。现有街道的 宽度和公共汽车专用道的长度、街道重新划线和拓宽的可能、小汽车改道的可 能、专用道上行驶的公共汽车和在交叉口的小汽车右转弯之间的冲突以及附近 的土地利用等均需要十分认真的评估。 街中间公共汽车专用道因为设在较宽街道的中间，受行人在交叉口步行和 其他车流的干扰较少，因此比沿街公共汽车专用道的行驶速度要快。街中间公 共汽车专用道因为没有步行道供上下车之用，必须要在街中间建立行人岛作为 车站以确保安全。同时要采取必要的措施保证行人安全地穿越马路。要禁止小 汽车左转弯，或在交通信号灯控制上使得左转弯车辆和在公共汽车专用道上行 驶的公共汽车分开。 逆向公共汽车专用道一般设在市中心区的单向街道上。公共汽车行驶方向 和小汽车行驶方向正好相反。公共汽车专用道的方向要符合主要公共汽车线路 的运行方向，这样可以避免单向街通常带来的公共汽车绕道问题。在特定商业 集中地段，有时也允许商用车辆使用专用道迅速送货。逆向公共汽车专用道要 求有较高的公共汽车流量，使得小汽车使用者能直接看到逆向行驶的公共汽车。 设计中要注意将公共汽车专用道和逆向混合流车道清楚地分开以防止撞车，同 时使得行人警惕逆向而来的公共汽车。因此，在公共汽车专用道标志、执法、 教育和交通管理方面要详细地规划和设计。 在以上四种公共汽车专用道中，到底哪一种比较适合特定城市和特定地区 要进行具体的方案比较和可行性研究。一般来说，开辟公共汽车专用道尽量不 要占用现有的混合流车道，否则有可能加剧现有的交通拥挤程度。如果必须占 用现有混合流车道的话，建议按照以下的公式来确保占用后专用道上公共汽车 的乘客量大于或等于占用后剩余混合流车道上的平均单向单车道载客量【4 】： q b = 【q a ( n 一1 ) 】+ z 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 其中： q b ：每小时公共汽车流量； q 。：每小时小汽车流量： n ：现有单向车道数； z ：小汽车乘载率和公共汽车乘载率的比例，通常c 值在0 0 2 到0 1 之间： 事实上，中国许多大城市已经开始设立公共汽车专用道，例如北京市、上 海市。为了使公共汽车专用道发挥更好的效能，必须注意解决以下几个问题： 一定要尽量将机动车流和非机动车流在空间上分开。混合车流是影响公共汽 车行驶速度的主要原因之一； 如果受用地限制无法设立公共汽车专用道，可以考虑在内城高架道路上先设 立公共汽车专用道； 在无法设立公共汽车专用道的地段，可以进行交叉口改造，使得公共汽车优 先通过。例如，交叉口的右转弯车道可以变成所谓的车流跳跃道( q u e u e j u m p e r ) ，使得公共汽车超过前面的车流，在下一次绿灯时通过交叉口： 公共汽车专用道的顺利运行必须要有严格的交通管理措施保证。路标如何设 置，公共汽车线路如何调整，小汽车车流和公共汽车车流的冲突解决，具体执 法过程和机制等等，都必须仔细地规划和执行： 公共汽车专用道技术必须和交通系统管理技术密切配合才能成功。例如，交 通信号灯可以单独提供公共汽车时相，使得公共汽车优先通过交叉口。 总的来说，公共汽车专用道方案是可行的，但必须指出的是，单独的公共 汽车专用道很少成功，应当兼顾到商用车辆送货、公共汽车相互超车等要求方 能成功。这样要求有较大的街道空间，在新城市比较容易做到，在老城市则比 较困难。 2 3 2 信号优先技术的实现方案 所谓信号优先技术就是指在信号交叉口让公交车辆优先通行，以保证其调度 运行的准时性。确保公交车辆整体顺畅的方法。 1 公共汽车信号优先技术的分类 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 9 页 有两类公共汽车信号优先技术：被动式和主动式。而公共汽车信号优先技术通 常指的就是主动式公共汽车信号优先技术。 主动式公共汽车信号优先技术是应用智能交通系统技术来提高公共汽车运 行速度，使得公共汽车更加准时和提高其运行效率。主要的方法是对交叉口的 晚点公共汽车在红灯时提前给予绿灯，同时对正在交叉口内行驶的晚点公共汽 车延长绿灯时间使其有足够的时间来通过交叉口。 被动式公共汽车信号优先技术就是将道路的交通信号灯按照平均公共汽车 行驶速度( 而不是平均私人汽车行驶速度) 来进行同步配时，从而有利于公共 汽车较快速地在道路上行驶： 2 公共汽车信号优先技术的实现步骤 公共汽车信号优先技术的关键是要确保公共汽车和交叉口信号机之间有无 线通讯。信号优先过程包括四个阶段： 确定公共汽车位置 确定公共汽车到达的地点，以确定交叉口是否要进行信号优先。这一功能 也提供位置数据给公共汽车上的处理器以确定汽车是否晚点。 公共汽车向交叉口的信号机提出信号优先请求 由公共汽车上的处理器来执行，对汽车到达预定点后是否要提供信号优先 做出决定。决定的因素包括目前公共汽车所在的位置、公共汽车行驶的方向、 公共汽车是否晚点以及汽车上的乘客数等。 交叉口的信号机同意公共汽车提出的信号优先请求 是否给予信号优先取决许多因素，例如，一天里的时间，手工强行使信号 灯变绿的可能性，当地的交通状况，信号机的状况，这一过程一般在交叉口执 行。 实施信号优先 信号优先的两种主要方式：第一种方式是为接近红灯的公共汽车提前提供绿 灯：第二种方式是为已经进入绿灯区的公共汽车提供绿灯时间延长，使得公共 汽车能顺利地通过交叉口。根据公共汽车和前方交叉口的相对位置，通过信号 机调整信号时相，使得信号灯提前变绿灯，或延长绿灯时间，以便公共汽车能 够顺利地通过前方的交叉口。如果公共汽车到达时正好碰到绿灯，或者公共汽 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 车没有晚点，那么信号时相保持不变。一般来说，对于提前和准时的公共汽车 不必提供信号优先。换言之，信号优先只提供给晚点的公共汽车。公共汽车前 方的交通信号机通过提供信号优先，使得晚点的公共汽车提高速度变得准点。 交通控制中心和公共汽车调度中心随时通过计算机图像显视器对照实时的公共 汽车运行状况和预定的公共汽车时刻表来确定误差。 3 信号优先技术实现方案及所用设备 在公共汽车上安装有固定频率的专用信号发射器，路上设置相应频率的信 号检测器，检测器与交通信号控制机相连。当公共汽车接近交叉口时，向检测 器发出信号，检测器即把信号传给控制机，控制机指令信号灯由红灯改为绿灯， 或继续延长绿灯时间。公交停靠站设在交叉口上游一方时，可把检测器设在停 靠站附近，当公共汽车离站时就可通知信号灯放绿灯，以保证公共汽车优先通 过交叉口。该技