（安全技术及工程专业论文）城市公交乘客信息系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo u ru r b a n i z a t i o n t h ec o n t r a d i c t i o n so ft r a n s p o r t a t i o n e m e r g eg r a d u a l l y , e s p e c i a l l yi ns o m em e t r o p o l i t a nc i t i e s t h em a i nc o n t r a d i c t i o n i st h a tt h ec o n s t r u c t i o no fu r b a nt r a n s p o r t a t i o ni n f r a s t r u c t u r ec a nn o tm e e tt h e i n c r e a s en e e dc a u s e db yt h eu r b a n t r a n s p o r t a t i o n t op r o m o t e t h e p u b l i c t r a n s p o r t a t i o ni st h em a i nw a yt os o l v et h i sp r o b l e m a tp r e s e n t ，t h et r a n s i ts h a r i n gr a t ei sv e r yl o wd u et ot h el o w l e v e lo fs e r v i c e a n dt h el i m i t e da c c e s st or e l a t e di n f o r m a t i o n t h e 】a c ko fi n f o r m a t i o n1 e a d st ot h e l o s so fp a s s e n g e rv o l u m e t h e r e f o r e ，i ti sa b s o l u t e l yi m p o r t a n tt oi m p r o v et h e t r a n s i ti n f o r m a t i o ns y s t e mt oe n h a n c ei t ss h a r i n gr a t e sa n du p g r a d et h es e r v i c eo f t h ew h o l et r a f f i cs y s t e m t h et h e s i sc o n s t r u c t saf r a m ef o rt h et r a n s i tp a s s e n g e ri n f o r m a t i o ns y s t e m a n dp u t st h ee m p h a s i so nt h et r a n s i ts t o p s e l e c t r o n i ci n f o r m a t i o nb o a r ds y s t e m a n di n q u i r ys y s t e mo nt r a n s i tr o u t e sc o m b i n e dw i t ht h er e s u l t so fc h e n g d u s t r a n s i tt r i pc h a r a c t e r i s t i c ss u r v e y t h ef o r m e ri st op r o v i d et h ee x a c ti n f o r m a t i o n f o rt h ep a s s e n g e r sw h i l et h el a t t e ra i m sa to f f e r i n gp r o p e rt r a n s i tr o u t e sa n d t r a n s f e ri n f o r m a t i o n a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so ft h et w os y s t e m s ，ap o s s i b l e p l a ni sp u tf o r w a r di nt h i st h e s i st ol a yaf o u n d a t i o nt ot h ef u t u r em a n i p u l a t i o n t h e r ei sa l s oam o d e lb u i l tf o rc a l c u l a t i n gt h et i m et h a tt h eb u sp u l l si na n dt h e c h o i c eo ft h eb e s tt r a n s i tr o u t e ，i no r d e rt og i v ep a s s e n g e r st h em o s ta c c u r a t et i m e s c h e d u l ei n f o r m a t i o na n dt h eb e s tt r i pp l a n a tl a s t ，ab r i e fc o n c l u s i o ni sm a d ef o rt h er e s e a r c ho ft h et h e s i sa sw e l la st h e e x p e c t a t i o n sf o rt h ef u r t h e rs t u d y k e yw o r d s ：p a s s e n g e ri n f o r m a t i o ns y s t e m ；t r i pr o u t e sf o rp u b l i ct r a n s p o r t p a s s e n g e r s ；e l e c t r o n i ci n f o r m a t i o nb o a r d ；i n t e l l i g e n tp u b l i ct r a n s p o r t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景 第1 章绪论 当今，世界已进入城市化时期，人口的都市化和郊区化现象越来越广泛。 交通机动化进程不断加快，汽车已成为人们出行中不可缺少的交通工具，随 之而来的一系列交通问题将日趋严重。尽管与发达国家相比，我国的机动车 拥有量相对较低，但许多城市尤其是大城市的交通问题已相当严重。城市交 通发展落后于人口和社会经济的发展，己成为阻碍城市发展的关键因素，由 此带来了一系列不良影响：道路车辆拥挤，交通事故频发，交通环境不断恶 化。据有关资料，我国目前的城市数量为6 6 6 个，其中特大城市3 2 个，大城 市4 3 个，中等城市1 9 2 个，小城市4 0 0 多个，城市化水平已经达到3 0 。 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5 0 。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2 0 1 4 年城市居民的交通总 量将达2 5 0 0 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 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、私家车等个体交通方式 转移，这无疑加剧了交通需求不断增加与公共交通发展相对滞后的矛盾，解 决这一矛盾成为摆在我们面前的一项迫切任务。1 9 9 5 年1 1 月8 日到1 0 日， 在北京由建设部、财政部、中国人民银行、世界银行和亚洲开发银行联合举 办的“中国城市交通发展战略”中已明确了交通运输的目的是实现人和物的 移动，而不是车辆的移动。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首选途径。 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。从当 前的情况来看，要大力发展公交，吸引更多的人选择公交作为出行方式，一 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 方面要保证公交优先，提高公交的运行速度；另一方面就是要做好公共交通 信息系统建设，方便居民获取所需的出行信息，合理选择出行路径。 1 2 先进的公共交通系统概述 1 2 1i t s 概述 国际上自八十年代后期，提出了智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t s y s t e m ) 的概念，其基本出发点便是利用当代高新技术：电子、信息、通信、 计算机、g p s 、g i s 等，提高交通系统中的人( 交通参与者：乘客和管理者) 、 交通设施( 道路等) 和交通工具( 车辆等) 之间的有机联系，从而最佳地利 用交通系统的“时空”资源，降低运输成本，提高运输效率。 目前国际上的i t s 研究形成了美国、日本和欧洲三大阵营，它们的研究 体系稍有不同，但大体一致。其中，美国的i t s 研究开发体系最为完善，已 受到国际i t s 研究领域的广泛认可。其研究分类和各自的研究内容如表1 1 所示陪”。 表1 - 1 智能交通研究分类及研究内容 研究类别主要研究内容 先进的交通管理系统( 1 ) 城市区域的中央化交通信号控制系统； ( a t m s a d v a n c e dt r a f f i e( 2 ) 高速公路管理系统；( 3 ) 交通事故管理系统： m a n a g e m e n ts y s t e m ) ( 4 ) 电子收费及交通管理系统。 先进的出行者信息系统 ( 1 ) 出行者信息系统：( 2 ) 车载路径诱导系统： ( a t l s - - a d v a n c e dt r a v e l e r ( 3 ) 停车场停车引导系统； i n f o r m a t i o ns y s t e m ) ( 4 ) 数字地图数据库。 先进的公共交通系统 ( 1 ) 车队管理系统；( 2 ) 乘客出行信息系统； ( a p t s a d v a n c e dp u b l i c ( 3 ) 电子支付系统；( 4 ) 公交优先系统； t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m )( 5 ) 运输需求管理系统。 ( 1 ) 出行者的安全与保护： ( 2 ) 紧急情况管理系统； 先进的乡村运输系统 ( 3 ) 旅游和出行者信息服务系统； ( a r t s a d v a n c e dr u r a l ( 4 ) 基础设施的运营和保养： t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m )( 5 ) 商业车辆运营； ( 6 ) 车队运营与管理系统； ( 7 ) 公共性的出行者服务系统。 商业车辆运营 ( 1 ) 商业车辆的电子通关系统； ( c v o - - - c o m m e r c i a lv e h i c l e( 2 ) 车载安全监控系统： o p e r a t i o n ) ( 3 ) 路边安全检查的自动化系统； 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( 4 ) 商业车队管理系统； ( 5 ) 商业车辆的行政管理程序； ( 6 ) 危险品的应急响应系统。 ( 1 ) 防碰撞系统；( 2 ) 智能化行车控制系统； 先进的车辆控制和安全系统 ( 3 ) 驾驶员视野加强系统； ( a v c s s - - a d v a n c e dv e h i c l e ( 4 ) 车辆防抱死系统a b s ： ( 5 ) 驾驶员安全监控系统； c o n t r o l & s a f e t ys y s t e m ) ( 6 ) 车辆安全监控系统； ( 7 ) 车载路线诱导系统；( 8 ) 协作驾驶。 a h s 伺= 种研究理念： ( a ) 基于车辆智能化的匿名驾驶系统； ( b ) 基于公路基础设施智能化的公路控制自动驾驶； 自动公路系统 ( c ) 前两者的综合。 ( a h s a u t o m a t e dh i g h w a y 日本在这方面的研究最为先进内容有： s y s t e m )( 1 ) 公路与车辆车辆与车辆之间的通信系统： ( 2 ) 事故检测与警告： ( 3 ) 用视频雷达的车辆问距控制； ( 4 ) 最大速度控制；( 5 ) 自动停车控制。 1 2 2 先进的公共交通系统 在诸多的i t s 实用系统中，先进的公共交通系统( 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 ，以下简称a p t s ) 就是极其重要的子系统。它是在公 交网络分配、公交调度等关键基础理论研究的前提下，利用系统工程的理论 和方法，将现代通信、信息、电子、控制、计算机网络、g p s 、g i s 等高新 科技集成利用于公共交通系统，并通过建立公共交通智能化调度系统、公共 交通信息系统、公共交通电子收费系统等，实现公共交通调度、运营、管理 的信息化、现代化和智能化“。1 ，为出行者提供更加安全、舒适、便捷的公共 交通服务，从而吸引公交出行，缓解城市交通压力，创造更大的社会和经济 效益。 作为i t s 研究的项重要内容，a p t s 主要以出行者和公交车辆为服务 对象。对于出行者而言，a p t s 通过采集与处理动态交通信息( 例如：客流 量、交通流量、车辆位置、紧急事件的地点等) 和静态交通信息( 例如：交 通法规、道路管制措施等) ，通过多种方式为出行者提供动态和静态公共交通 信息( 例如：发车时刻表、换乘路线、出行最佳路径等) ，从而达到规划出行、 最优路线选择、避免交通拥挤、节约出行时间的目的。对于公交车辆而言， a p t s 主要实现对其动态监控、实时调度、科学管理等功能，从而达到提高 公交服务水平的目的”，。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 3 公共交通乘客信息系统简介 1 3 1 公共交通乘客信息系统概述 公共交通乘客信息系统是先进的公共交通系统中的重要组成部分。乘客 信息系统是为乘客在出行前或出行中提供多种交通方式信息的综合交通信息 系统。乘客信息系统中以提供公交信息为主的部分称为公交乘客信息系统。 按照提供服务的空间环境不同，乘客信息系统分为出行前乘客信息系统 和出行中信息系统。出行前乘客信息包括线路信息、票价信息等，这些信息 可支持乘客做出初步的出行计划。1 。在出行过程中需要为乘客提供实时的交 通信息，包括公共交通车辆到站的时空信息、车辆拥挤程度等。 1 3 2 国外研究动态 发达国家将乘客信息系统作为智能公共交通系统的一项重要内容进行研 究。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，并取得了显著成果。 ( 1 ) 美国发展概况 美国城市公共交通管理局( u m t a ) 已经启动了智能公共交通系统项目 “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 ( a p t s ) ”。经过现场试验，u m t a 关 于a p t s 的评价是：“a p t s 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，从而带来了交通拥挤与空气污染减少和能 源消耗降低等一系列社会效益”。根据1 9 9 8 年美国运输部的联邦公共交通管 理局( f t a ) 出版的a p t s 发展现状，美国的a p t s 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，以及使用先进的电子、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。 美国发展乘客信息系统的一个最重要的目的是通过为出行者提供准确、 及时的信息服务，吸引更多的出行者使用公共交通，从而促进公共交通的发 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 展。在发达国家，研究、开发和建设乘客信息系统的费用大部分由其政府承 担，发达国家公交企业是系统的使用者和受益者，美国乘客信息系统的特点 主要为”“1 ： ( 1 ) 着力于提供更为快捷、方便的电话咨询服务：这要求电话咨询时有 较高的效率，否则人们会因为等待时间过长而放弃电话咨询。 ( 2 ) 触摸屏在“出行前”和“出行中”得到了广泛的应用。触摸屏技术 具有信息量大、交互性好等特点，在美国乘客信息系统中得到了广泛的应用。 在1 9 9 6 年，美国加州洛杉矶地区便装有7 8 部触摸屏，使用的效果良好。其 触摸屏提供的交通信息包括：线路、票价、班次和旅程时间、调整公路交通 信息等静态或实时信息。除此之外，洛杉矶地区的触摸屏还被用作在发生突 发事件时传递信息的重要手段。 ( 3 ) 与车辆自动定位技术相结合的路边车内电子显示设备，为出行中 的提供动态的实时信息服务在没有使用电子站牌以前，美国公交企业采用在 各重要站点张帖公交线路班次表的办法，使乘客确定出行或等车时间。这一 方法的不足之处是不能反映线路上的突发事件。在使用与车辆自动定位技术 相结合的路边车内电子显示设备以后，可以做到实时的预测车辆的到站、离 站时间，提高服务的可靠性，增强公交方式的出行吸引力。 ( 4 ) 与网络相结合，是乘客信息系统的重要发展方向。网络技术的发展 使得越来越多的人使用i n t e r n e t ，在i n t e m e t 上提供和发布交通信息己成为乘 客信息系统发展的重要方向，一些基于w e b 的新公交信息查询系统，可以提 供比常规方式更为方便、快捷的服务，而且查询费用低廉。 表1 2 为美国乘客可能获得信息的方式： 表1 - 2 美国乘客获取交通信息的方式 出行时段获得信息的方式 有线电视、无线广播、个人计算机、个人设备、电话、触摸屏、交通地 出行前 图等； 出行中个人通讯设备、无线广播、电子显示设备、可变情报板、触摸屏等 ( 2 ) 日本发展概况 日本城市公共交通智能化的发展经历了3 个阶段：7 0 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：8 0 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9 0 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 少。东京都交通局开发了城市公共交通综合运输控制系统( c t c s ) ，旨在改进 公共汽车服务，重新赢得乘客。 在c t c s 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精确平稳的公共交通运营服务。它在运营中 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与乘客服务等功能， 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。 近几年，欧洲发达国家也加大了对乘客信息系统的建设，英国、意大利、 芬兰等国家的公交乘客信息系统都取得较好的效果。 1 3 3 国内研究动态 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 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。 目前我国的城市公交乘客信息系统的发展还处于一个相对落后的水平， 广大乘客可以获得信息的方式很少，公交信息的完整性和准确性得不到保证， 而且还没有专门的机构负责信息的发布和管理，我国公交乘客信息系统的现 状特点如下： ( 1 ) 乘客可以获得的公交信息很少，而且方式主要是常规手段。我国乘 客一般获得公交信息的方式局限于电话、交通图、向熟人问讯等常规方式。 乘客可以获得的公交信息很少，除去线路、站点等基本信息以外，车辆运行 过程中的时空信息基本上没有。 ( 2 ) 乘客出行中获得信息困难，除去在杭州、上海等少数几个城市，乘 客可以通过分布在城市中的若干电子站牌获得一些公交车辆的运行信息以 处，在其它城市“出行中”的乘客无法获得任何实时信息。而且杭州、上海 等地已建的信息系统在信息的准确性和及时性上也还需要进一步加强。除此 以外在我国其他的一些城市中，特别是中小城市的公交站台上没有实用的城 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 市交通图。可以看出，我国乘客在出行中无论是“静态线路信息”还是“动 态实时信息”都很难获得。 ( 3 ) 缺乏专门的交通信息发布管理机构和规章制度，乘客获得的信息准 确性得不到保证。目前，我国大多数城市对于交通信息的发布还主要由公交 公司来完成，但是由于缺乏监督和服务意识的不到位，许多公交信息往往不 能得到及时发布，给乘客出行带来了不小的麻烦。因此，随着城市交通信息 服务需求的增长，从事交通信息服务的人员和企业数量的增加，需要有专门 的管理机构和制度保证为乘客提供及时、准确的公共交通信息。 ( 4 ) 我国公交乘客信息系统还处于起步阶段，查询信息单一且缺乏合理 性。在我国一些城市中出现了基于网络或者电话业务的公交信息服务系统， 但总体还是处于一个较低的层次。这些信息系统还属于一种静态的公交信息 查询系统，仅仅只能根据公交线网为乘客提供线路和换乘信息，还不能做到 根据实时的道路交通情况为乘客的出行自动生成优化的出行计划或方案。“。 在国家十五计划城市智能交通示范项目中把实现公交管理智能化定为关 键任务，并将广州、北京、珠海、深圳、青岛、上海等城市定为试点城市。 以此为契机，我国的部分大城市加快了公交智能化的步伐，在上海、杭州、 成都等城市就新上了公交电子站牌系统。但是从总体上看，现有系统功能还 相当局限，许多功能没有实现或者存在较大误差，从上海等城市运用的实际 效果看，乘客的认可度比较低，还需要进一步提升系统服务水平。 我国不仅在系统应用上相对落后，在相关基础理论研究领域也还比较匮 乏。公交乘客信息系统涉及到公交乘客出行路径优化和车辆到站时间预测等 基础算法研究，但是国内目前在相关领域的研究还比较少。从目前的来看， 国内的研究主要集中于行车最短路方面的研究，其研究对象是基于城市道路 网，而公交乘客出行路径是基于公交线网的研究，二者有所不同，算法也不 能等同。对于车辆到站时间预测研究，虽然也有部分相关文献提出了预测模 型，但是这些算法并没有很明确的实现方法，许多参数难以获取，导致了实 际的预测过程不具有可操作性。因此，在乘客信息系统的建设过程中，还应 加大基础理论的研究，以此作为信息系统建设的保障。 由上所述，我国公交乘客信息系统总体上处于较低的水平。较低的发展 水平既是发展的困难，也是发展的机遇。我们应将发展公交乘客信息系统作 为一个提高公交效率，增强公交吸引力的重要手段。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1 4 研究的目的及意义 随着我国经济建设的快速发展及人们生活水平的不断提高，人们对交通 的需求将会越来越大。交通建设需要大量的土地、物资、能源、财力和人力 条件，因此，发展城市交通需要相当多资源作后盾。很明显，我国人多地少， 资源贫乏，城市人口集中，经济尚不发达，尤其是西部地区。既不能发展小 汽车交通，也难以像日本那样大力发展城市快速轨道交通。而且我国入世后， 汽车的价格不断下降，人均小汽车的拥有量在近年快速增长。这些因素都给 我国城市交通管理不断带来新的压力。若不采取有效对策，我国城市交通现 有的堵车、低效、环境污染等问题必然会进一步恶化。解决城市交通问题的 关键是要引导人们在出行时尽量使用公共交通工具，比如公共汽车、地铁等。 要达到这一目的，就必须要提高公交服务质量，让出行人真正感觉到公共交 通工具方便、省钱、可靠甚至快捷等优点。所以说，解决城市交通问题的关 键是要改进公交服务质量，引尽可能多的出行者使用公共交通工具，这一点 在国际上已达成共识。 公共交通应该是乘客出行的主要代步工具，但是在现今道路拥挤的状况 下，居民选择出行的方式发生了变化，形成以自行车为主，公交车为辅，出 租车为次的基本交通结构。在不愿乘坐公交车的人群中，有相当一部分人主 要是因为堵车、运行不准点、车速低、候车时间长等不得不舍弃乘坐方便实 惠的公交车，而改换其他交通工具。还有一部分人则是因为信息的问题。现 代社会人们在交通方面重视硬件建设的同时也对软件建设提出了更高的要 求。在硬件方面，道路越来越宽，使出行越来越便捷。公共汽车越来越多， 给人们出行带来了更多的选择空间。可在软件方面如出行时的路径选择及其 它信息的查询上却仍然停留在最原始的阶段。不知道从某地到某地该如何乘 车，在哪里转车，有时等车时间过长，有时发现等来的车人太多等等原因。 我们必须能很好地解决这些问题并提供更好的服务，才能给公交以更大的吸 引力。 因此，本文对公交乘客信息系统开展研究，力求构建一个功能完整、信 息全面的服务系统，真正让乘客在出行过程中不会再有信息的盲区，使公交 的服务水平能够上一个新的台阶。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章公交乘客信息系统框架结构研究 公交乘客信息系统功能的实现需要众多技术的支持以及其他系统的协 助、配合。严格的说，公交乘客信息系统与智能公交管理系统是不可分割的， 只有在对公交管理实行全面优化的基础上，才能够为乘客提供相对准确的公 交信息。由于本文研究的侧重点主要在于乘客信息系统，所以不对智能公交 管理系统做单独的研究，但是信息系统的构建会出现二者相关联的部分，同 时部分功能的实现也需要在一定的公交管理手段的基础之上。 2 1 基础理论及技术支持 公共交通乘客信息系统主要是通过计算机网络、触摸屏、电话、电子显 示牌等输入输出设备，为乘客提供全方位的信息服务，保证乘客在出行的全 过程中都能及时查询到所需的各种出行信息，避免出现信息的盲区。因此， 在系统的构建过程中，需要计算机、通信、电子、g i s 、g p s 等各种高新技 术进行技术支持，而g i s 和g p s 是其中的核心技术。 2 1 1g i s 概述 2 1 1 1g i s 系统介绍 g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 即地理信息系统，是一种利用计 算机对有关地理、空间位置的数据信息进行存储、处理、查询和显示的计算 机支持系统。g i s 的发展始于2 0 世纪6 0 年代，是计算机同步发展的结果。 今天的地理信息系统集成了计算机数据库技术和计算机图形辅助设计软件， 在图象处理上比上述两类软件更加全面。即地理信息系统所处理的事物对象 具有空间地理特征，也具有统计信息特征。可以说，地理信息系统将空间信 息数字化，并使这些信息可视化，通过功能强大的软件，使空间分析直观简 明，数据管理便捷高效“”“1 。 2 1 1 2g i s 系统特点 同一般的信息系统相比，地理信息系统具有以下特点： ( 1 ) 地理信息系统在分析和处理问题中使用了空间数据和属性数据，并 通过数据库管理系统将两者联系在一起共同管理、分析和应用，从而提供了 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 认识地理现象的一种新的思维方法；而管理信息系统则只有属性数据库的管 理，即使存贮了图形，也往往以文件形式等机械方式存贮，而不能进行有关 空间数据的操作，如空间查询、检索、相邻分析等，更无法进行复杂的空间 分析。 ( 2 ) 地理信息系统强调空间分析，通过利用空间分析模型来分析空问数 据，地理信息系统的成功应用依赖于空间分析模型的研究和设计。 ( 3 ) 地理信息系统的成功应用不仅取决于技术体系，而且依靠一定的组 织体系。虽然信息技术对地理信息系统的发展起着重要的作用，但是实践证 明，人的因素在地理信息系统的发展过程中具有越来越重要的影响作用，地 理信息系统许多的应用问题已经超出技术领域的范畴。 2 1 1 2 引入g i s 系统的必要性 通过地理信息系统的普及和应用，其强大的功能将成为交通信息管理的 必备工具，成为科学管理和决策的依据。基于公路数据库基础上的交通地理 信息系统g i s t 的研究是公路建设管理现代化的基础。它不仅能够适应各种 层次管理部门随时了解已有公路现状的需求，同时还能够通过强大的空间分 析能力和丰富的图表显示，实现公路管理的电子化。 公交乘客信息系统所集成的信息大部分同空间地理位置密切相关，例如 公交线路走向、公交车的位置等。各项关键技术的决策过程也大多同空间地 理位置密切相关。例如对于公交线路的优化布设问题，就需要考虑道路网布 局、相邻线路走向、人口分布等等与空间位置密切相关的信息。在常规手段 支持下，规划者很难综合、定量地考虑各个空间因素的影响，需要引入一种 能够支持空间分析决策的技术。 g i s 技术的发展注重于对空问决策的支持，g i s 的空间分析与决策功能 是其区别于其它信息系统的重要特征。在这种情况下，在公交基础信息系统 中引入g i s 成为一种必然。而且g i s 技术在我国城市相关领域的应用，为 g i s 技术在公共交通系统中的应用提供了较好的数据基础。在我国相当一部 分大城市中，为加强城市管理工作的需要，g i s 技术在城市部门都有一些或 深或浅的应用。而且g i s 技术在我国城市市政管理部门也有一些成功的应用。 例如深圳市利用g i s 技术开发的道路维护信息系统，在城市道路管理工作中 得到应用，并且取得较好的成果。在公交基础信息系统中采用g i s ，为利用 城市规划、市政管理等部门的基础设施资料提供了技术上的可行性。 发达国家广泛应用g i s 技术于公共交通的规划与管理之中。洛杉矶都市 交通委员会研究建立了企业级的公交g i s 系统，服务于交通规划、运营计划、 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 运营管理以及效益评价。加拿大a l b e r t a 的c a l g a r y 市也在建立企业级的g i s 系统。1 9 9 6 年美联邦公共交通管理局还专门发布了适用于公共交通的地理 信息系统国家规范，通过规范公交g i s 数据，以推动g i s 技术在公共交通 中的应用。 从国内的发展需求和国外的发展趋势，可以看出，需要尽快研究适合我 国的基于g i s 的公交基础信息系统。 2 1 2g p s 概述 2 1 2 1 系统介绍 g p s 它的英文全称是“n a v i g a t i o ns a t e l l i t et i m i n ga n dr a n g i n g g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ”，其意为“卫星测时测距导航全球定位系统”，缩写 为n a v s t a r g p s ，简称g p s 系统，它是具有在海、陆、空进行全方位实时 三维导航与定位能力的新一代卫星系统“”。 g p s 全球卫星定位导航系统，开始时只用于军事目的，现在也广泛应用 于商业和科学研究上。其具有全能性( 海洋、陆地、航空和航天) 、全球性、 全天候、连续性、和实时性的导航、定位及定时功能。能为各类用户提供精 密的三维位置、三维速度，并给出精确的卫星时间基准。因此被认为是当前 定位导航设备中最重要的发展。g p s 是迄今为止最好的导航定位系统。随着 全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓， 目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。 g p s ( g l o b m p o s i t i o n i n gs y s t e m ) 是以卫星为基础的无线电导航定位系 统，属于美国第二代卫星导航系统，它是美国继阿波罗登月飞船和航天飞机 以后第三大航天工程。g p s 由2 1 颗工作卫星和3 颗备用卫星组成整个系统， 6 个轨道平面的每个平面上分布4 颗卫星，这样的配置使同时出现在地平线 以上的卫星数目随时间和地点而异，最少为4 颗，最多可达1 1 颗，如图2 1 所示。如今，它已成为当今世界上最实用，也是应用最广泛的全球精密导航、 指挥和调度系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 图2 1 g p s 系统卫星分布 2 1 2 2g p s 系统特点 在实际应用中g p s 系统具有如下一些特点： ( 1 ) 全球地面连续覆盖。由于g p s 卫星数目较多且分布合理，所以在 地球上任何地点均可连续同步地观测到至少4 颗卫星，从而保障了全球、全 天候连续实时导航与定位需要。 ( 2 ) 功能多、精度高。g p s 可为各类用户连续地提供高精度的三维位 置、三维速度和时间信息。 ( 3 ) 实时定位速度快。目前g p s 接收机的一次定位和测速工作在一秒 甚至更少的时间内便可完成，这对高动态用户来讲尤其重要。 ( 4 ) 抗干扰性能好、保密性强。由于g p s 系统采用了伪码扩频技术， 因而g p s 卫星所发送的信号具有良好的抗干扰性和保密性。 2 1 2 3g p s 系统在交通领域的典型应用 目前，由于g p s 系统所具有的特殊功能，其在交通行业中得到了广泛的 应用。出租车、租车服务、物流配送等行业利用g p s 技术对车辆进行跟踪、 调度管理，合理分布车辆，以最快的速度响应用户的乘车或送货请求，降低 能源消耗，节省运行成本。g p s 在车辆导航方面发挥了重要的作用，在城市 中建立数字化交通电台，实时发布城市交通信息，车载设备通过g p s 进行精 确定位，结合电子地图以及实时的交通状况，自动匹配最优路径，并实行车 辆的自主导航。民航运输通过g p s 接收设备，使驾驶员着陆时能准确对准 跑道，同时还能使飞机紧凑排列，提高机场利用率，引导飞机安全进离场。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 2 1 3g i s 和g p s 在乘客信息系统中的融合 在公交乘客信息系统中，要为乘客提供公交线路、车辆到站时间等基本 信息，这就需要将g i s 和g p s 技术在信息系统中进行融合，实现对公交线网 进行数字化处理和对运行中的公交车辆进行准确定位，明确车辆与车站之间 的位置关系。在实际应用过程中，可以通过以下几个过程进行： ( 1 ) 基于g i s 系统建立可显示的数字电子公交线网图。在这一过程中 应对公交线网进行数字化和矢量化处理：一是对纸质线网图扫描后，再通过 c o r e l d r a w 、s t r e a m l i n ei l l u s t r a t o r 等矢量化软件行进矢量化处理；二是直接用 各种矢量化绘图软件进行绘制。 ( 2 ) 建立公交线网数据库。公交线网数据库是对数字电子地图中的实体 信息与坐标信息进行管理，实现对数据的录入、输出和修改，保证数据的有 效性。 ( 3 ) 对g i s 和g p s 系统中的坐标进行相互转换。由于g p s 接收机收 到的汽车的定位数据是经纬度坐标，经纬度坐标是一种球面坐标，而数字电 子地图是显示在近似平面的计算机屏幕上的，所以在处理g p s 数据时首先 要进行地图投影变换。 ( 4 ) 利用g i s 对g p s 收到的定位数据进行地图匹配。由于矢量化数字 电子地图的道路对象的地理位置是相对精确的，利用数字电子地图的地理数 据对得到的汽车定位数据进行配准纠正，相对地提高当前定位数据的精度。 通过汽车的g p s 接收到的定位信息与数字电子地图上矢量化的路段相近匹 配，寻找当前行驶的道路，并将汽车当前的g p s 定位点投影道路上。这样 既保证了不会因为定位误差使汽车定位点偏离汽车当前行驶的道路，而且通 过投影使汽车定位数据仅残留定位误差在汽车前进方向上的径向分量，从而 提高汽车的定位精度。 2 2 公共交通乘客信息系统功能要求 公共交通乘客信息系统是为乘客在出行前或出行中提供公交线路、公交 换乘、票价、车辆到站时间及所处空间位置、车辆拥挤程度等实时信息的系 统。系统要覆盖乘客出行的全过程，这就要求系统在设计时需要提供多元化 的查询手段和尽可能详尽、准确的信息。因此，公共交通系统是多个子系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 的集合，各子系统在功能上相对独立，但是物理结构上可以进行整合。 2 2 1 系统组成 公交乘客信息系统涉及到多个子系统的融合，从不同的角度出发可以有 不同的划分方式。 2 2 1 1 从空问位置划分 按照公交乘客信息系统提供服务的空间环境不同可以分为以下四种：出 行前公交乘客信息系统、路边的公交乘客信息系统、车上公交乘客信息系统 和综合公交乘客信息系统。 ( 1 ) 出行前公交信息系统 在乘客出行前为其提供准确和及时的信息，使乘客可以根据这些信息进 行决策，选择出行时间和出行路线。主要查询手段为：计算机网络、家庭电 话和移动电话。 ( 2 ) 车站路边的公交信息系统 通过电子信号、闭路电视等媒介为公交出行乘客提供信息，包括实时车 辆到离信息，也包括传统的静态服务信息。车站路边信息服务主要是通过电 子站牌实时接收调度中心发来的各个车辆的位置信息，并动态地显示离本站 最近的车辆行驶的进程及到站所需要的时间。 ( 3 ) 车上公交乘客信息系统 在车上，通过视觉与听觉多种媒介为乘客提供相关的信息。其发展趋势 为：车上公交信息系统与车站路边乘客信息系统相结合；车上公交信 息系统与车辆自运定位系统相结舍。车内信息服务主要是车内电子显示板， 能动态地显示车辆的位置信息、到站所需要的时间、还能显示车辆换乘信息。 方便乘客到站换乘。 ( 4 ) 综合公交乘客信息系统 综合公交乘客信息系统是以上几种方式的综合运用。它的特点是集合一 个或多个服务系统的实时或静态数据，并通过多种方式收集、合并、校正和 传递这些信息。 2 2 1 2 从系统功能上划分 在前面已经谈到，公交乘客信息系统的主要功能就是提供公交线路、公 交换乘、票价、车辆到站时| 日j 及所处空间位置、车辆拥挤程度等实时信息的 查询，每个功能的实现都需要相对独立的系统来提供技术支持，因此也可以 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 将整个信息系统分为：公交线路及换乘查询子系统、公交票价查询系统、公 交运行情况查询系统三个部分。 ( 1 ) 公交路径查询系统 公交乘客出行路径信息，是乘客选用公交方式出行所需要的最基本的资 料。因此，为乘客提供相应的优质信息服务显得尤为重要，这是反映公交服 务水平的最直接的衡量标准。公交线路及换乘查询系统主要是利用g i s 技术， 对城市公交的所有线路经停站的信息进行查询，同时结合最短路径理论为乘 客提供优化后的最佳换乘方案。系统为乘客提供多种查询方式，如计算机网 络、触摸屏、语音电话及静态公交线网图等，这样保证了绝大多数人群在出 行前和出行的过程中都能采用不同的方法获取到所需要的相关信息。 ( 2 ) 公交票价查询系统 公交票价查询系统主要是为乘客提供公交两站点之间的票价及售票方式 等方面的信息。系统结构相对简单，主要采用数据库技术，但是应注意对数 据的及时更新。系统的使用主要针对采用按乘车距离收取不等车费的多票制 公交线路，而对于采用一票制的公交线路则可以在公交站台和公交车辆的显 著位置注明收费标准即可。票价查询系统的查询方式与公交线路及换乘查询 的方式大致相同，因此在查询终端的设计时，可以把二者进行融合。 ( 3 ) 公交运行情况查询系统 公交运行情况指的是公交车辆到站时问及所处空间位置、车辆拥挤程度 等实时信息，信息的时效性强，需要随时更新，滚动发布。公交运行情况查 询系统的系统构造相对复杂，主要采用g i s 和g p s 技术相结合来实现对车辆 定位和到站距离、时间的确定。信息的服务对象主要为正在站台候车的乘客， 因此，信息查询地点也主要为路边和公交车站台，在信息发布的方式上以可 视面较大的电子显示牌为主，这样能够让所有的候车乘客都能够随时了解相 关信息。 2 2 2 公交乘客信息系统模块 本文设计的城市公共交通乘客信息系统由三个功能模块组成： ( 1 ) 交通信息中心t i c ( t r a 伍ci n f o r m a t i o nc e n t e r ) ：为交通数据的 收集、处理、预测、能对公交车辆实施精确定位并提供交互式路径、换乘以 及车辆到站信息查询，同时负责和其它信息中心交换信息。 ( 2 ) 通信系统c s ( c o n m u n i c a t i o ns y s t e m ) ：负责t i c 和查询终端间 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 的高效、实时的通信。 ( 3 ) 查询终端：实现乘客信息查询的输入输出设备，负责将乘客的查 询要求发送给t i c ，在查询结果出来后，再反馈给乘客。 图2 2 为乘客信息系统各模块相互关系： 毋凰 信息中 电子站牌触摸屏 图2 - 2 乘客信息系统各模块相互关系 2 2 2 1 交通信息中心 t i c 需要及时获取各种道路交通信息，并结合数据库中的公交线网情况， 为乘客提供优化的出行及换乘信息。因此，t i c 通过g p s 卫星定位系统、环 行检测器、路口摄像机、数据采集车辆收集交通数据，同时交通警察和其它 交通信息提供者将提供关于交通事故、阻塞、施工等定性信息。t i c 将收集 到的数据进行处理，换算成参数，结合基础资料，通过数学模型计算出当前 情况下乘客出行的最佳路径；同时将获得的交通流量和车道占有率信息转换 为路段行程时间数据，并和数据采集车辆采集到