（交通信息工程及控制专业论文）快速公交中无线局域网应用及到站时刻纠偏预报.pdf

摘要 摘要 随着城市经济的发展，城市交通问题f 1 趋严重，大力发展公共交通是解决 城市交通问题的根本途径。轨道交通具有容量大、运行速度快等优点，但轨道 交通成本高、建设周期长等因素限制了其在我国大城市中的广泛应用。常规公 交速度低、服务水平差，在发展中受到了阻碍。快速公交( b r t ) 运营特征接近轨 道交通，而成本远低于轨道交通，是当前国际工程界为解决城市交通问题而大 力推广的一种公共交通模式，它的出现为解决我国大城市交通问题带来了契机。 本文通过对比无线局域网和g s m 等蜂窝无线网络，分析研究无线局域网在 快速公交车地通信中的应用前景及架设方式，并运用v p n 等网络技术确保其安 全可靠性。 另一方面，b r t 系统由于行驶方式和路况的不同与轨道交通在运行时刻的精 确度上存在鸿沟。于是本文提出了于中央专用道内设置纠偏路段、通过控制车 辆变速行驶对快速公交车辆进行实时纠偏的设想，以期臻于轨道交通的停靠准 点率，同时切实减少由于优先信号出现而导致平面交叉口的交通延误的影响， 最终结合智能电子站牌技术实现快速公交到站时刻的精确预报。 关键词：快速公交，无线局域网，到站时刻，纠偏路段，智能电子站牌 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y , t h eu r b a nt r a f f i cp r o b l e mi sb e c o m i n gs e v e r e t h eu l t i m a t em e t h o dt os o l v i n gt h et r a f f i cp r o b l e mi sp u b l i ct r a f f i c r a i l w a yt r a n s i t h a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sg r e a tc a p a c i t ya n dr a p i ds p e e d ，b u ti ss t i l ll i m i t e db y t h ed i s a d v a n t a g e so fh i g l li n v e s ta n dl o n gc o n s t r u c t i n gp e r i o d t h ed e v e l o p m e n to f t h et r a d i t i o n a lb u sh a sb e i n gb a f f l e db e c a u s eo fi t ss l o ws p e e da n db a ds e r v i c e t h e t r a n s p o r t a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fb u sr i p i dt r a n s i t ( b r t ) i sc l o s et ot h er a i l w a yt r a n s i t , b u ti t sc o s ti sf a rb e l o wt h er a i l w a yt r a n s i t , 8 0i ti sp o p u l a r i z e dt os o l v et h et r a f f i c p r o b l e mb yt h en a t i o n a le n g i n e e r i n gf i e l d t h ea p p e a r a n c eo fb r tb r i n g sc h a n c et o s o l v i n gt h et r a f f i cp r o b l e mi nb i gc i t i e so fo u r c o u n t r y b yc o m p a r i n gw l a nw i t hc e l l u l a rn e t w a o r k s ，s u c hi l l sg s m ，t h ed i s s e r t a t i o n a i m st oa n a l y s et h ef o r e g r o u n do fa p p l i c a t i o na n dc o n s t r u c t i o no fw l a n ，w h i c hi s a p p l i e di n t hf i e l do fb r t a n d t oe n s u r et h es e c u r i t yw i t ht l a et e c h n o l o g yo fv p n o t h e r w i s e ，b e c a u s eo f t h ed i f f e r e n c eo fd r i v i n gc o n t r o lp a t t e r na n dr o a ds i t u a t o n , b r ti sf a rb e l o wr a i l w a yt r a n s i ti nt h ed r i v ea c c u r a c y t h e nt h i sd i s s e r t a t i o nm a k e s a ni d e ao fs e t t i n gt i m e e r r o r - c o r r e c t i n gr o a ds e c t i o n si nt h eb u s - o n l yc e n t r a ll a n e st o m a k eb r tv e h i c l e sc o r r e c tt h ee l r o to fa r r i v a lt i m ei nr e a lt i m eb yc h a n g i n gs p e e d i n o r d e rt oc o m eu pt ot h er a t eo fp u n c t u a l i t y i tw i l la c t u a l l yc u td o w nt h ed e l a yi nt h e i n t e r s e c t i o nc a u s e db yt h ea p p e a r a n c eo fp r i o r i t ys i g n a l f i n a l l yt of u l f i lt h ea c c u r a t e f o r e c a s to fb r t sa r r i v a lt i m eo nt h ei n t e l l i g e n t i z e de l e c t r o n i cs t o pb o a r d k e yw o r d s ：b r t ；w l a n ；a r r i v a lt i m e ；t i m e - e r r o r - c o r r e c t i n g r o a ds e c t i o n s ； i n t e l l i g e n t i z e de l e c t r o n i cs t o pb o a r d i l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景 当前城市交通已成为中国城市可持续发展的制约因素，例如大城市交通建 设投入占g d p 的5 ，汽车燃油消耗2 0 1 0 年预计占石油消耗总量的4 3 ，大 城市大气污染物6 0 - - 一8 0 来自汽车尾气。因此。从国家能源、环境、土地空间 资源制约条件来看，发展高效、节能的公共交通方式是我国大城市必然的战略 选择。通过优先发展公共交通，建立科学合理的出行结构，才能实现城市与交 通可持续发展。 近几年来世界上许多城市正在逐步推广一种快速公共交通方式，称为快速 公共汽车运营系统，简称快速公交系统( b r t ( b u sr a p i dt r a n s i t ) ) 。从南美洲国家 发展起来的快速公交交通( b r t ) 系统正在开创城市公共交通大容量、低成本的新 时代，并且逐渐成为全球城市公共交通业的发展方向。联合国、世界银行、国 际能源机构以及公共交通国际联合会等国际组织与机构都把b r t 作为解决城市 公共交通问题的革命性方案，积极地向世界各大城市推荐。 b r t 起源于巴西的库里提巴市，是介于传统的轨道模式与公交模式之间的 “第三种方式”，其以常规公交为基础，以地面道路网为支撑，结合现代巴士技 术，吸取道交通优点，并获得一定时空优先权( 包括开设公交专用道和设置公交 信号优先) 和政策优先支持的一种新型城市公交系统，它既保持了常规公交的灵 活性、经济性和便利性，又具有城市轨道交通容量大、速度快的特点。b r t 以 其明显的优势赢得了世界许多城市的广泛认同。如今的b r t 系统已经遍布拉丁 美洲各大城市，如波哥达市、基多市、波多黎各市、圣保罗市等，在世界公共交 通界b r t 已形成了一股新的潮流。目前在世界公共交通界b r t 已形成了一股新 的潮流。b r t 项目具备下列主要特征： 1 有吸引力的、类似有轨电车的车辆： 无论是由有轨电车制造商制造的、还是由公交车制造商制造的车辆，其外 部或内部风格必须有吸引力，且配备大型车窗。 2 道路专用权： 以信号优先作为辅助手段。但要提高车速、扩大通行能力并吸引乘客，仅 第l 章绪论 有这些还不够。车道可以设在地下，高架或是立交。 3 有吸引力的基础设施： 这一项与车辆也许是b r t 区别于公交专用道的关键。如法国和美国的杰出 绿化，以及库里蒂巴市的高站台和筒状车站。 4 统一的收费系统： 可以借助免费区、车站内自动售票设施，甚至是车上售票系统。但独立式 的收费方式制约了公交与其它交通方式竞争所要求的高通行能力。 5 强大的品牌效应： 快速公交的市场开发必须采用与轨道交通市场开发类似的方式才能吸引乘 客以及投资。 6 短暂的停留时间： 结合信号优先和导向技术，上述各项致力于提高通行能力，使快速公交能 够与低级轻轨相媲美。上下车的底平面一致很重要，这点可通过低地板的公交 车或高站台来达到。 我国的许多城市也已经开始建设或积极筹划b r t ，如北京、昆明、成都、 沈阳、济南等。该系统是发展与改善城市公共交通系统的一种新型和高效的方 式，它的建设会给城市公共交通发展带来新的契机。 而上海市交通部门也开始规划了首条快速公交线( b r t ) ，北起铁路西站， 南至南站，全长1 5 k m ，目前正在进行建设方案的设计论证，有望2 0 0 9 年建成 投运。而中环线( 浦东段) 的b r t 也即将建设，它将穿过三林、张江、金桥三 大功能区，沿线均为人口较为稠密的区域。b r t 建设已然成为众望所归。 然而b r t 作为一个新生事物，各个环节还存在着许许多多的不足，其对轨 道交通模式的借鉴由于路况差别不同而不够理想，我国b r t 试行地区如杭州快 速公交一号线的群众反馈也是褒贬不一，在不少乘客心中甚至产生快速公交不 快速的感觉，在b r t 的建设中，为凸现其作用和发挥其效能需要对许多问题进 行深化研究和探讨。本课题将对b r t 信息化和智能化建设中的无线局域网通信 技术和b r t 车辆到站时刻预报两个方面进行分析研究。 1 2 国内外研究情况 1 2 1 国外研究情况 2 第l 章绪论 快速公交b r t 已成为全球公共交通业的发展方向。联合国、世界银行、国 际能源机构( 正a ) 以及公共交通国际联合会( u i t p ) 等国际组织与机构都把 b r t 作为解决城市公共交通问题的革命性方案，积极地向世界各大城市推荐。 开发商最先认识到发展城市公共交通的目标应当是快速、高效、节省费用 地使人流动起来，而不是使车流动起来，从拉丁美洲国家发展起来的b r t 系统 开创全球低成本、高质量的公共交通模式。 自1 9 7 4 年巴西库里蒂巴市建成第一条快速公交以来，各种类型的快速公交 在世界范围内得到广泛应用。在北美、欧洲以及澳大利亚等发达国家的城市， 虽然小汽车私人拥有率非常高，并已建有轨道交通系统，但根据各个城市的交 通需求、土地规划以及财政状况，快速公交仍有成功的推广，代表国家有美国 和巴西。 1 美国 1 9 3 7 年，美国芝加哥市首先提出建设b r t 的理念。2 0 世纪9 0 年代以来， 美国越来越多的城市建设了快速公交，给这些城市交通带来了积极效果。目前 美国规划建设b r t 的城市几乎遍布全国，己成为拥有b r t 城市最多的国家。其 中，最有代表的城市有匹兹堡市和洛杉矶市。 匹兹堡市现有3 条b r t 线：1 9 7 7 年运营的南线，设有9 个车站，部分路段 和轻轨合用路面，每天乘客量为1 5 0 0 人次；1 9 8 3 年运营的东线，设有6 个车站， 利用现有路面，每天乘客量2 8 6 0 人次，开通后公交车的运行时间降低了2 0 ； 2 0 0 0 年运营的西线，设有6 个车站，使用废弃铁路路面，每天乘客量为8 0 0 人 次。 洛杉矾2 0 世纪9 0 年代曾致力于发展地铁，但最终因为地铁造价太高而放 弃。为了缓解交通拥挤形势，该市采用b r t 技术，经过在两条交通走廊上的试 行，取得可喜成绩：威特威尔郡大道的乘客量增加了3 ，出行时间节约了2 9 ； 圣佛南多山万特乐大道的乘客量增加了2 6 ，出行时间节省了2 3 。按规划， 未来洛杉矶市将形成2 6 条快速公交线路组成的网络，以彻底改善交通面貌。 2 巴西 巴西在世界上拥有最完善的b r t 网络，代表城市是库里蒂巴，联合国评价 它所倡导并坚持推广的b r t 是当今世界最好、最实际的城市交通体系。 库罩蒂巴于1 9 7 4 年开始建设b r t ，至2 0 世纪0 8 年代木建成完善的快速公交网 络，使城市中7 5 的居民乘公共交通工具上下班。库罩蒂巴的快速公交线路按 第1 章绪论 功能分为快线、支线和区间线，车身颜色根据线路的服务层次来决定。红色的 快线是在中心城轴线上行驶，黄色的支线是在城外环线行驶，绿色的区间线是 运行在边远地区的线路，乘客换乘不同服务层次的公交线路不需要额外购票， 也就是城市任意两点公交出行采用单一票价制度。 幽1 - 1 巴西库里蒂巴b r t 库里蒂巴发展b r t 对促进城市紧凑发展起到了良好的作用，结合公共、商 业设施等土地利用政簧，到1 9 9 2 年约有4 0 0 多人口分布在由b r t 网络联系起来 的组团内，每年小汽车出行次数减少2 7 0 打次，每年燃油消耗量f 降2 7 0 月升。 浏此，库里蒂巴已成为巴西环境污染程度最低的城市，这完全归功于5 5 的公 共交通分担率。 此外，哥伦比亚、加拿大、法围、英国和澳大利亚等国家均有快速公交的 成功应用。 加拿大渥太华棚有北美最完整和使用率最高的b r t 专用道，渥太华采取的 是城市外围地区先行建设，城m 中间的密集地r 有计划地拆迁和预留的策略， 包括1 5 , 5 英单长的高速公路b r t 用道和7 5 英里长的地面道路b r t 专用道， 以及2 公单长的l 中心b r t 专用道，共有2 2 个乍站和沿线的停午换乘设施。 法国鲁昂的b r t 专用道还安装了光学甘航系统。澳大利旺布早斯奉1 05 英 罩长的b r t 线路每天的乘客量为6 儿人次，儿乍站还获得建筑设计奖，车站附 第1 市绪论 近的联合开发项目提高了附近居住用地的价值。澳大利亚阿德莱德的装有自动 导航系统的b r t 专用道拥有3 个主要车站，每天的乘客量为2 万人次，在高峰 时段，该专用道用作快速公交专用。在非高峰时段，普通公共汽车也可使用。 1 2 2 国内应用现状 巴西库里蒂巴、哥伦比亚的波哥大、印度尼西亚的雅加达和苏腊巴亚、孟 加拉国的达卡、巴西圣保罗、印度的班加罗尔、澳大利亚的悉尼、加拿大的渥 太华以及墨西哥域等等，世界各地越来越多的城h 加入到b r t 的行列。近年来， 我国各大城市也积极开展了快速公交研究、规划、实施等方面的工作。昆明早 在1 9 9 4 年就与苏黎世开始了城市公共交通优先系统的规划和建设，市区初步形 成“井”字形公交优先道网络骨架；0 3 年北京启动快速公交规划研究的序幕， 0 5 年1 2 月南中轴全线投入运营：0 5 年杭州市快速公交b 1 线的规划和建设启动， 0 6 年投入试运营；0 5 年济南j f 式启动第一条快速公交的规划建设，0 6 年正式开 始建设。同时，国内还举行很多研讨会，就快速公交在中国发展的各个方面进 行了探讨。以下对我国两条最先建成的b r t 线路做一介绍：北京南中轴快速公 交1 号线和杭州快速公变b 1 线。 1 北京南中轴快速公交1 号线 卣中轴快速公交1 号线于2 0 0 5 年1 2 月3 0 日开通，是我国第一条快速公交 线路。南起德茂庄，北生前门，全长1 6 公里，途经、三、四、五环，共设1 7 站，平均站距9 4 0 米，并在前门站实现与地铁环线的接驳。 v 一一0 i 渤 一- j 、 圉i 2 北京南中轴b r t l 号线 翻 第l 章绪论 该线为沿线近2 0 万居民提供便利出行，有效地改善了南中轴的交通环境， 为南城的经济发展提供了有力的交通支持，在推广“公交优先 理念、积累运 营经验等方面起到重要作用。其设计体现了“群众优先、以人为本、和谐交通 的理念： 专用的路权：近1 4 公里的路段采用全时段、全封闭的中央专用道，交叉口 处设有感应式信号优先装置，以保障运营速度、准点率和安全性。 先进的车辆：1 8 米长的左开门、低底板铰接式客车，最高载客人数可达1 8 0 人；配有全球卫星定位终端设备和先进的通信设备；宽敞明亮的车内空间、完 善的空调设施、先进的乘客信息发布设备、体贴的轮椅空间和儿童座椅为乘客 提供了舒适的乘坐环境；车辆达到欧i 排放标准。 设施齐备的车站：封闭式设计，设有护栏和宽大的顶棚；设置售检票系统， 乘客在站台买票后进入候车区；站台大都为长6 0 米、宽5 米的中央岛式站台， 为快速公交车辆停靠与乘客候车提供足够空间；站台与快速公交车辆底板平齐， 实现乘客水平乘降；设置专门的残疾人进出站坡道、盲道和广播报站系统；简 单易懂的线路图和自助式查询机使乘客方便获取相关信息；为减少乘客步行距 离，实现设计运营速度，为乘客提供了完善的过街设施，实现了人车分流的设 计目标。 先进的管理调度系统：车站视频监控装置、车载g p s 卫星定位装置使调度 中心能实时获得运营信息，及时对运营计划进行调整，更好的满足乘客出行需 求。 2 杭州快速公交b l 线 杭州快速公交b l 线于2 0 0 6 年4 月2 投入试运营，是我国第二条快速公交线 路。该线东西贯穿杭州市中部，全长约2 8 公里。西端黄龙公交站，距西湖北线 景区2 公里，是通往城西的主要交通换乘点；东端公交站位于国家级经济技术 开发区和大学城所在地。杭州快速公交b l 线的开通，为我国其它城市发展资源 节约型和环境友好型的城市交通系统做出了典范。 杭卅i 快速公交建设有许多值得其它城市学习的亮点：政府采用土地转让金 的固定比例用于整个快速公交项目的土建和车辆购置，是财政上落实公交优先 的具体保障：采用快速公交引导城市发展，特别是发展快速公交连接新城( 城市 边缘的大学城和经济技术开发区) 和中心城的通勤交通；采用的快速公交车辆在 引进国外关键技术的基础上，结合国内实际生产出了符合我国国情的车辆，为 6 第1 章绪论 杭州和其它城市发展快速公交提供了备选车型：在运营管理机构安排、车站设 计、售票系统及智能公交等许多方面都有其独特的一面。 罔卜3 杭州快速公交b 1 线专用道 在b r t 车地通信方面，时下包括我国北京南中轴、杭州一号线等b r t 系统 的无线通信大多采用g s m 第三代蜂窝结构移动无线技术，但与g s m 相比，无 线局域网w l a n 具有便于传输i p 数据、信号区切换速度快等优势，结合v p n 技术更使网络安全得以有力保证。w l a n 技术发展至今已是一项街知巷闻的成 熟技术，其i e e e 8 0 2 1 1 9 技术获得巨大成功，其传输速度高达5 4 m b i t s ，加之其 扩展简单，维护方便等特性。已浑受用户喜爱如今无线局域网技术正朝着传 输速度能轻易突破1 0 0 m b i t s 的i e e e 8 0 21 l n 标准在前行。现今我国的b r t 处 于起步阶段公交专用道常会遭受其他车辆抢占，交义口信号优先控制也不完 善，快速的调度反馈成为必需，所以本课题针对无线局域网在b r t 巾的应用设 计，旨在使b r t 成为真正的高效节能的绿色交通工具。 而另一方面，公交站牌也在向智能化发展，智能电子站牌的使用越来越多， 已成趋势，其有助r 向乘客提供动态变通信息。到站时刻预报发布在轨道交通 中应用已久，如上海轨道交通电子站牌上都设置了最近2 至3 班轻轨或地铁的 到站时刻倒数，效果显著。而尽管在t 海等我同大中城市虽已零星出现具有到 站时刻预报装置的电子站牌，但由于路况的复杂性帛1 年辆手动拧制的随机性导 致其在公交系统上难以保证显示的精确度。本文将此作为研究重点，以期将其 应用于b r t 从而提升乘客获知的车况信息量和准确度。利十乘客山行选掸，合 第1 章绪论 理分流，优化整体出行效率。此外，其也是人性化的体现。 1 3 研究目的及意义 1 3 1 研究目的 本课题提出了在b r t 信息采集传输方面采用w l a n 无线局域网技术并对 b r t 车辆根据运行时刻表进行实时纠偏以将较为精确的到站时刻进行预测计算 并在车载及地面电子站牌进行显示旨在为完善b r t 这一强大而高效新生事物 提供有利尝试和建议。 采用无线局域网技术能提升b r t 的通信效率，作为车地通信强有力的枢纽 便于控制中心更好地接受车辆定位、乘客数、车辆正常或故障等车况信息，并 将道路情况等交通信息提供给b r t 车辆以进行合理地调度控制。 由于b r t 采用了轨道交通的设计理念，轨道交通中由来已久的列车运行时 刻表白然也成了b r t 的研究方向之一，但是b r t 作为公交又与轨道交通存在着 明显的不同，比如车辆驾驶方式、交叉口信号控制和乘客出入站。 轨道交通由于存在专门的铁轨，驾驶员只需控制车速，甚至无人驾驶也将 开始大行其道。而b r t 尽管有专用道，但以目前的科技实力，车辆还完全需驾 驶员操控，而这导致的结果是在不考虑交通信号的情况下，b r t 车辆离起点越 远越无法保证车辆的准点( 不考虑偶尔的动态守恒) 。 尽管存在信号优先，但区区几秒的绿灯提前和延时对于假如随机发车的 b r t 来说在交叉口遇到绿灯相位的概率甚至可能不足一半，不足以确保b r t 始 终畅行无阻。由于交通状况的随机性，b r t 依然可能出现延误( 信号周期往往 是分钟级的) 。 另一方面，轨道交通中列车到站和发车是定时的，而公交车辆上下客人数 决定b r t 停靠时间的长短，司机在确定乘客上下车完毕后应人为判定发车。 这些同轨道交通的差异性导致b r t 如果要如列车那样按运行时刻表准时运 行就必须通过调度调节车速。然而，b r t 车辆的设计车速应是兼顾运行效率和 安全性的最优车速，过分随意改变( 尤其是加速) 易造成安全隐患( 时下b r t 专用道与其他车道普遍只采用黄线分隔，安全性自然不如轨道) 。于是笔者的想 法是通过设置最大安全车速和最小行驶车速来对b r t 车辆进行车速纠偏，以期 在到达停靠站时顺利满足时刻表时刻。 第1 章绪论 1 3 2 研究意义 相对于普遍使用的g s m 蜂窝无线通信技术，w l a n 具有便于传输i p 数据、 信号区切换速度快、合理处理网络竞争、透明性强等优势，对提升b r t 通信效 率具有积极作用。强大的通信网络对b r t 的信息采集、调度控制，故障检测等 具有重要价值。对配合后序的车速纠偏检测和车况信息发布也是极为有利。 车辆在进行纠偏之后应用g p s 卫星定位信息辅助g i s 地理信息系统平台结 合公交信号优先的计算将公交车辆到达时刻通过w l a n 传输在车载显示器及地 面电子站牌上进行实时更新发布，令乘客尤其是地面等车的乘客了解较为精确 的车辆到站时刻、车上乘客数等实时车况信息，以后甚至可以出现专门网站提 供b r t 实时信息，乘客可以通过手机获知各线路车况，使部分乘客能在各种出 行线路间进行选择，具有使乘客选择性分流的效果，减少乘客等车时间，提升 出行效率，同时从心理上降低乘客等车烦躁度，是一种人性化的导乘方式。 另外，纠偏等使b r t 车辆到达平面交叉口的时间点处于可控的状态。不论 是绿灯前启还是绿灯延长甚至相位插入，对其他社会车辆的顺利通行都可能产 生或大或小的威胁，这种对信号周期的破坏可能导致饱和度高的进口道发生堵 塞甚至瘫痪。在可行的情况下，尽量使b r t 在非优先信号申请的绿灯时间到达 交叉口，能使b r t 在保证快速的前提下将其对交叉口的影响降到最小。这就是 本文b r t 纠偏的另一个重要意义。 实时纠偏的好处也在于将偏差在每两个停靠站问进行消除，不造成以后的 纠偏负担，保证b r t 车辆始终在一个适度的速度范围内行驶，不对乘客造成心 理负担甚至身体不适。 同时，b r t 这一先进科技想象力结晶所具有的意义自然也是本课题的意义 所在。 1 交通信息化智能化建设中的意义 世界各先进国家都在进行将交通向智能化和信息化的方向发展的研究建 设，我国作为一个交通拥挤和空气污染比较严重的国家自然也把信息化智能化 交通作为焦点，b r t 作为公交的一个飞跃对信息化智能化的要求势必更为严格， 本文的目的就是对b r t 的信息和智能化中的两个部分进行研究。 表1 1 显示了信号优先、车辆导航、电子售票等智能技术对b r t 系统带来 9 第1 章绪论 的变革和巨大作用，使b r t 这一先进公交系统在安全可靠性、方便舒适度等方 面得到很大的提升，对乘客具有极大的吸引力。 表1 11 1 r s 在b r t 系统中的应用 i t s 技术 作用 主动条件优先减少路口延误 b r t 信号优先 实时优先提高运行可靠性 交通冲突警告 提高行驶安全性 车辆智能控制路段驾驶导航 乘客舒适性 停靠精确定位 车内自动售票加快乘客上下车速度 电子售票系统 站内自动售票提高乘客上下车方便性 车辆跟踪强化管理的 先进运营管理车辆智能调度实时性、准确性和灵活性 驾驶危险状态警报提高运营效率 车上、车站乘客信息发布 提高乘客满意度 乘客信息系统 基于个人通讯设备信息发布增加公交吸引力 其他乘客自动计数便于调控 2 节能环保合理资源配置的意义 公共交通建设十分符合如今倡导的可持续发展观，发展公共交通具有缓解 交通压力、避免交通堵塞、减少空气污染、节约能源、提升总体出行效率等作 用，而b r t 是其中翘楚，完善b r t 的研究自然是为了进一步提升交通服务质量， 营造一个轻松舒适的出行环境。 3 示范尝试的意义 b r t 的提出是一个极具创意和意义的构想，发展b r t 是城市公共交通发展 的必然趋势，但作为一个新生事物，许多方面有待改进，各种尝试、设想都能 成为后来者的经验，本文中对b r t 的通信技术和公交信号优先下的到站时刻预 l o 第l 章绪论 测同样如此，希望在对改善b r t 有所助益的同时能抛砖引玉。 1 4 研究内容及技术路线 研究内容分为两个方面：一是研究如何提升b r t 无线车地通信的效率；二 是如何令b r t 车辆如轨道交通那样做到精确准点，并将b r t 对交叉口其他车流 的干扰降至最低。对此，本文分别提出采用无线局域网代替g s m 蜂窝网络以及 通过在中央专用道内设置纠偏路段供b r t 车辆通过变速纠正车辆实际位置以符 合时刻表的建议。 文中第2 章通过和g s m 的比较对w l a n 的性能进行详细的分析介绍，通 过功能、结构、网络利用率、移动切换性等细述w l a n 系统之所以更适合b r t 车地通信的原因，并且对w l a n 的网络安全进行系统分析，并针对性的推荐采 用v p n 技术予以保障。 另一方面，第3 章将对b r t 车辆到达车站时的准点误差进行分析。b r t 系 统比之普通公交在准点率方面有长足进步，但比之轨道交通依然存在较大差距， 这是由于路况和驾驶手段等的不同所造成的。同时交叉口情况错综复杂，b r t 车辆将遇到轨道交通一般不会遇到的与社会车辆甚至与其他b r t 间的互扰。本 文对平面交叉口的信号优先方式等进行了研究分析。另外，b r t 停靠后的启动 等均由驾驶员控制，以乘客是否上下车完毕为决定因素，同时由于专用道和停 靠站的设计原因各停靠b r t 间也可能产生阻挡，其中的时间偏差也将被计入纠 偏量。 同时第3 章还对本文所述的b r t 系统给出了模型选择，即确定采用中央专 用道结合左侧开门b r t 车辆，并且仅采用绿灯前启、绿灯延长以及相位插入3 种信号优先模式。此外还研究了b r t 右转的处理方法。 第4 章对b r t 的时间纠偏进行了分析研究。尽管有诸多因素的影响，但作 为“轨道交通之公交形态”的b r t 需通过各种手段予以弥补。而应用w l a n 系统进行实时通信以及采用感应线圈检测b r t 车辆，将车辆位置、车速等数据 同运行时刻表进行比对，将时间误差换算成纠偏车速告知驾驶员，令其在设置 的纠偏路段中通过加速或减速的方式进行时间纠偏，使b r t 车辆做到在尽量少 的对交叉口其他交通流产生延误影响的情况下实现无阻通行。 第5 章则对智能电子站牌进行了介绍。站牌通过w l a n 系统将各b r t 车况 第l 章绪论 位置信息采用数字方式实时显示，告知候车乘客，令乘客们做到心中有数，并 有充足的时间对出行线路进行选择。b r t 车辆若出现状况，乘客们也能第一时 间得知，从而处变不惊。同时也方便乘客进行线路选择。 表l - 2 快速公交b r t 同轻轨及地铁的经济技术比较 快速公交b r t 轻轨地铁 投资额( r m b k m )0 3 加5 亿元1 5 2 亿元5 6 亿元 乘客数l 砣万人几l 2 万人h3 q 万人瓜 平均速度 2 5 4 0k m h3 k m h3 0 - 4 0k m h 立项到开工时闻1 年2 刁年3 5 年 立项到完工时间l 2 年3 4 年5 6 年 灵活性高低 低 最低城市人口7 5 万1 0 0 万2 0 0 万 上图为b r t 同轻轨和地铁的经济及技术指标比对，易见b r t 的经济性及建 造的便利性上远高于轨道交通，而性能方面并无太多落后，与轻轨更是在伯仲 之间，含有明显的替代关系。但轨道交通在可控性和规范性上比公交方式要高 得多，专用的铁轨、稳定的车速、精确的停靠及启动时间，这些都是目前的公 交系统存在差距的地方。而这些就正是作者以此为题的初衷。 总的来说，本论文的目的便是旨在令b r t 这一“轨道模式的公交系统”更 加接近轨道交通的性能，在趋于a t o 无人驾驶效果的同时，降低驾驶员的操作 复杂度和强度，并且减少平面交叉口优先信号的使用，将b r t 对其他交通流的 影响降至最低。 1 2 第2 章w l a n 在b r t 中的应用 第2 章w l a n 在b r t 中的应用 近十年来，无线通信是世界上发展最迅速的技术之一，从空间技术到移动 电话，体现出了无线通信技术的成熟。 无线局域网( 、1 。a n ) 作为脱胎于局域网的新兴无线通信方式，已开始大 行其道，随着其传输速度的一再提增，w l a n 越来越受到各行各业的欢迎，将 其应用于b r t 车地通信系统并分析其是否最优也成了自然而然的想法。以下先 对其采用的标准进行简要介绍。 2 1w l a n 标准 无线局域网主要采用无线电磁波射频作为传输介质，主要使用2 4g h z 和 5 g h z 两个免费的i s m 段。w l a n 采用的标准是i e e e 8 0 2 1 1 系列。1 9 9 0 年7 月， i e e e 8 0 2 委员会接受了n c r 公司“c s m a c d 无线媒体标准扩充的提案，成 立了i e e e 8 0 2 1 1 w l a n 工作委员会，该委员会负责制定w l a n 物理层及媒体访 问控韦j j ( m a c ) 协议的标准，并于1 9 9 7 年6 月公布了该标准。这个标准是第一代 w l a n 标准之一。 1 i e e e 8 0 2 1 1 b i e e e 8 0 2 1 l b 标准的w l a n 带宽最高可达1 1m b i t s ，比i e e e 8 0 2 1 1 标准的 快5 倍，扩大了w l a n 的应用领域。可以根据实际情况采用5 5 、2 和lm b i t s 带宽，实际的工作速度在5m b i t s 左右，与普通的1 0 b a s e - t 规格有线l a n 几乎 是处于同一水平。i e e e8 0 2 1 l b 使用的是开放的2 4g b 频段，不需要申请就可 使用。既可作为对有线网络的补充，也可独立组网，从而使网络用户摆脱网线 的束缚，实现真正意义上的移动应用。 2 i e e e 8 0 2 1 l g 2 0 0 4 年1 1 月，美国i e e e 批准了一项新技术8 0 2 1 l g 。该技术可以提升家庭、 公司和公共场所的无线互联网接入速度，使无线网络传输速率达5 4 m b i t s 比现 在通用的8 0 2 1 i b 快出5 倍，8 0 2 1 i b 标准和8 0 2 1 l g 标准都在2 4g h z 频率范围 内，二者是兼容的。 3 i e e e 8 0 2 1 l n 1 2 第2 章w l a n 在b r t 中的应用 该最新标准可同时工作在2 4 g h z 和5 g h z ，数据传输速度可以轻松突破 1 0 0 m b p s ，网络覆盖范围也将扩大，该标准正在讨论之中，目前市面上已经有相 关的网络设备，可能在将来要大行其道。 2 2w l a n 在b r t 中的应用优势分析 在轨道交通无线通信中，作为w l a n 最主要竞争对手，g s m r ( g l o b a l s y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s f o rr a i l w a y s ) 大行其道。近年来，许多欧洲 国家在铁路系统中纷纷采用g s m r 无线通信方式，以适应铁路系统对列车不断 提速、铁路通信系统安全性不断提高、业务不断多样化的需求，并取得了巨大 成功。同时，中国铁道部也于2 0 0 0 年底确定将o s m r 作为我国铁路通信系统 未来发展的方向。 鉴于b r t 是采用轨道交通模式的公交系统，自然易令人想到，是否g s m - r 也同样适合b r t 系统? 是否对于b r t ，g s m 是最好的无线通信方式? 笔者的回 答是：g s m 是适合b r t 系统的，但w l a n 较g s m 更具有优势。以下为w l a n 同g s m 网络在各项性能进行比较后的结论。 2 2 1w l a n 与g s m 的比较 在无线领域中蜂窝网络和w l a n 竞争着数据通信巨大的市场。蜂窝网络基 于全球移动通信( o s m ) 标准，它已经从第一代的模拟移动电话系统发展到第二 代和第三代全数字化具有高性能和大容量的系统。w l a n 则早已在数据传输领 域中生根，起源于无所不在的局域网( l a n ) ，基于以太网的结构，采用互联网协 议( i p ) 传输数据包。 它们的结构和操作不同，但都满足了数据包到文件、音频、视频流的传输 需要。以下对两者的特点进行比较，说明之所以w l a n 更适合b r t 系统的原因。 1 功能比较 g r m r 的蜂窝结构将移动无线网络设计成传输连续的数据流。两个用户问 建立电路连接后，即使没有实质信息传送也会连续进行音频、视频的数据交换， 这是种浪费，空闲时段和信道可以移作他用。为应对数据传输市场不断增长的 这种需求，连续数据流拆解成离散数据包序列的分组数据传输已成为新的发展 方向。而无线局域网( w l a n ) 本身就设计成以i p 数据包来传输i p 数据，采用u d p 第2 章w l a n 在b r t 中的应用 ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l ，用户数据报协议) 不保证数据包以正确的顺序适时达到， 而适用于视频，音频等对延迟要求很高，但对偶尔的丢包并不敏感的应用程序。 两者还有一点重大区别。g s m 基于固定电话网，以单个电路为单元分配能 力。每个电话用户有1 对专线接到本地交换机，交换机利用电话号建立电路互 连。在交换机问路由呼叫时，只能享用有限数量的长距离连接。但只要愿意付 费，用户就可以长期占用电路。b r t 车辆到基站的无线电路和基站到控制中心 的固定电话线路数量都是有限的，若遭到上述长期占线，可能对数据传输造成 隐患。 而w l a n 采用以太网方式，所有用户共享1 个电路。它比单个蜂窝电路有 更高的能力，当然，在公用时也会产生竞争，如数据包发生冲突，双方会在暂 短而不相同的随机延迟后再次传输。每一方最终会得到全部传输数据，额外增 加的延迟时间才几毫秒，完全可以忽略。 总之，电路交换系统没有附加的延时，但用户可能被拒绝服务；而以太网 这样的竞争系统，总能保证得到服务，但可能产生一些附加的延时。 2 网络结构 g s m r 设计了基站或接入点，是一个大功率的中心站，为周围大量信号较 弱的移动用户提供服务。w l a n 通常与此相反，沿线路设置许多接入点，保证 了信号的覆盖。通常一个区段只有数百次的访问，只会涉及为数不多的用户。 g s m 不是按沿线路运用设计，没有交换机这样的标准设各。在通信中， 要求没有不可接收的通信间隙，信号频繁切换也很困难，造成切换时间过长。 而w l a n 非常适合线状布局，根据信号强弱接入点和移动无线终端均衡设 置，频繁切换方便迅速。 g s m r 控制的用户数受系统电路数量限制，不易提高运输能力。采用 w l a n 增加用户使用虽然有一些延迟，但相对完全没有通信连接，延迟还在容 许的范围之内。 3 移动性和切换性 对于g s m r ，如果算上电路重新连接的时间，接入点间的切换时间将持续 2s 或更长。实际上，蜂窝系统网络的切换时间往往要1 0s 以上。 8 0 2 1 1 系列标准的w l a n 包括了介质访问的命令，无线设备的配置可在不 到5 0m s 完成高速切换，且该时间在9 0 的情况下都能得到保证。只要适当地 1 4 第2 章w l a n 在b r t 中的应用 安排好接入点，实际的切换不超过ls ，基本是可以忽略不计的。 因此，w l a n 就成了当前移动性和切换性最好的网络选择。 4 网络利用能力 考虑到设备故障时仍能为用户提供很高的利用率，每个网络都应建成足够 冗余的结构。蜂窝结构的网络在边缘或建筑等障碍隐蔽处的覆盖并不好，这对 数据传输特别是公交调度控制的应用是不能接受的。 d c s ( 数据通信系统) 客户基站的配置将这种问题减少到最低程度，但还不 能完全消除所有信号衰减和急剧下降的情况。电路概念由于没有数据保证纠错 的机制，处于不利地位。 f e c ( 前向纠错) 技术虽然强大，但有局限性，它占用了传输能力。当信噪比 下降到一定程度时，f e c 技术的方案失效，产生更多的误码，过多的误码会使 数据包的完整性失效。 如此低的信噪比在移动无线环境是很普通的。使用蜂窝网络时必须执行另 外的查错方法，采用一些重传协议，设法控制影响完整性的突发数据丢失。 而w l a n 具有内建的重传协议，与碰撞处理机制一样，对于应用是透明的。 所以对b r t 系统来说，w l a n 是可利用性的最好选择。 5 透明性 设计d c s 的关键因素是应用的透明性。透明意味着网络不需要知道使用它 的应用的相关问题，这样d c s 不需要跟踪b r t 车辆的位置及其当前运营状态。 反之也是这样，应用系统不需要知道d c s 网络的运转状态，也不需要知道信息 的路由。所有的应用只需符合i e e e 8 0 2 3 的接口要求。在适应透明性上w l a n 是理想的。 g s m r 系统不太适合透明性要求。虽然它在切换中为移动无线与基站之间 分配了新电路，又接入分组交换机，但不可能在无缝切换方式的这个过程中完 全不涉及到移动无线( 公交车辆) 的位置和目标。因为其本身切换过程太慢，有必 要为预期的应用事先指派电路。管理无线电路分配的道旁设备也要负责这一过 程，它将以一种非标准的专用方式来处理切换，并要求网络掌握每次网上通信 公交车辆的位置、方向和目的地。这再次说明w l a n 是优秀的。 根据以上点对点的比较结果得出了一个全面的结论：相对于g s m r 蜂窝网 络，w l a n 更能满足b r t 的通信要求。 1 5 第2 章w l a n 在b r t 中的应用 2 2 2w l a n 的其他优点 图2 - 1b r t 中w l a n 基本构成 除上述提及的各点外，w l a n 还具有一些其他通信方式无法比拟的优点。 1 安装便捷 采用w l