智能运输系统概述(63张)课件

1、智能运输系统Intelligent Transport System目 录第11章 先进的公共交通系统第12章 先进的交通管理系统第13章 城市交通信号控制系统第14章 电子收费系统第15章 高速公路交通事件管理系统第16章 应急指挥调度系统第17章 智能车辆与自动驾驶系统第18章 交通需求管理第19章 智能运输系统标准化第20章 ITS评价第11章 先进的公共交通系统 概述11.1 智能化调度系统11.2 公交信号优先系统11.3 快速公交系统11.4智能化调度系统智能化调度系统智能化调度系统公交信号优先系统 小结11.511.1 概述先进的公共交通系统（Advanced Public Tr

2、ansportation System，简称APTS），是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、GPS、GIS等高新科技集成应用于公共交通系统，并通过建立公共交通智能化调度系统、信息服务系统、公交电子收费系统等，来吸引公交出行，缓解城市交通拥挤。APTS通过采集与处理动态交通信息和静态交通信息，以及通过多种媒体为出行者提供动态和静态公共交通信息，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。11.1 概述城市公共交通的地位：城市公共交通是国家综合运输网中的枢纽和节点，是城市客运交通体系的主体，是城市建设和发展的重要基础之一，是生产和生活必不可

3、少的社会公共设施，也是城市投资环境和社会生产的基本物质条件，同时又是展示城市精神文明，反映城市国民经济、社会发展水平和市民道德思想风貌的窗口。城市公共交通主要优点：运载量大、运送效率高、能源消耗低、相对污染少、 运输成本低 目标与特征APTS的研究现状：自20世纪80年代以来，许多国家公共交通部门开始应用先进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 “Advanced Public Transportation System，即APTS”项目。主要研究基于动态公共交通信息的实时调度

4、理论和实时信息发布理论，以及使用先进的电子、通信技术。11.1 概述11.1 概述日本APTS发展经历了3个阶段：20世纪70年代末开始应用公共汽车定位系统。80年代初开始应用公共交通运行管理系统，以及使用先进的电子、通信技术。进入90年代，东京都交通局开发了城市公共交通综合运输控制系统（CTCS)。氧化铁红欧洲通过实施公交优先政策，设立公交专用道，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效地缓解了城市交通压力。11.1 概述日本APTS发展经历了3个阶段：20世纪70年代末开始应用公共汽车定位系统。80年代初开始应用公共交通运行管理系统，

5、以及使用先进的电子、通信技术。进入90年代，东京都交通局开发了城市公共交通综合运输控制系统（CTCS)。与欧美等国家相比，我国的公共交通事业还比较落后。目前，我国已经在杭州、上海、北京等地安装了电子站牌，车载GPS定位设备，实现了车辆的实时跟踪、定位、公交车与调度室的双向通信，以及电子站牌上实时显示下班车位置信息等功能。这些系统使中国城市交通迈入了公交智能化时代。先进的公共交通系统的体系结构本章主要参考吉林大学杨兆升教授的著作城市智能公共交通系统理论与方法并结合国内外研究现状，将APTS的研究内容划分为以下几个方面：公交系统优化与设计；公交智能化调度系统；公交信息服务系统；公交信号优先系统；快

6、速公交系统（BRT0)；公交服务水平评价；11.1 概述第11章 先进的公共交通系统智能化调度系统智能化调度系统智能化调度系统公交信号优先系统 概述11.1 智能化调度系统11.2 公交信号优先系统11.3 快速公交系统11.4 小结11.511.2 智能化调度系统智能化调度系统的定义：公共交通智能化调度系统是在对公交车辆实时调度理论和方法研究的基础上，综合运用通信、信息、控制、计算机网络、GPS/GIS等现代高新技术，根据实时的客流信息、车辆位置信息、交通状态信息等，通过对公交车辆的实时监控、调度指挥，实现对公交车辆的智能化管理，从而使公交车辆运行有序、平稳、高效、协调，实现资源的合理配置，

7、提高公交企业的经济效益和社会效益。研究现状公交车辆调度是公交企业最基础、最重要的运营工作，包括公交线路的发车间隔和发车方式。目前，我国绝大部分城市还是采用传统的调度方法。模式为：首先根据客流调查基础数据、时间、季节等因素，凭借调度人员的经验，划定客流高峰、平峰和低峰期，在各个时间段内，采用定点发车的方法调度车辆。11.2 .1 研究现状11.2 .1 研究现状每天每辆车有一份小路单，车辆在始发站和终点站由调度人员人工签单，记录发车、到达、晚点、司乘人员、维修等数据。当天营运结束后，由统计员统计成大路单交给车队。中国一些大城市已经注意到城市公共交通智能化调度系统的重要性，开始逐步开发和实施类似系

8、统。11.2 .1 研究现状应用实例杭州市公交总公司在公交线路上安装了电子站牌，并在公交车上安装了定位设备实现了车辆的实时跟踪、定位、公交车与调度室的双向通信，使调度实现了计算机辅助管理，提高了车辆运行正点率和服务水平。北京市调度中心大楼工程已基本完工，示范线路已经安装了GPS接收设备。上海、大连、宁波等城市的部分线路上也安装有电子站牌，实现了智能化调度。公交智能化调度系统主要组成部分包括：11.2.2 系统构成公交调度中心公交调度中心主要由信息服务系统、地理信息系统、大屏幕显示系统、协调调度系统和紧急情况处理系统组成。信息服务系统负责向用户提供公交信息。地理信息系统接收定位数据，完成车辆信息

9、的地图映射。大屏幕显示系统主要是实时显示车辆运行状况。当出现紧急情况时，协调调度系统向分调度中心发出指令，合理调配车辆。系统组成如图11-1所示。11.2.2 系统构成图11-1 公交调度中心框图图图分调度中心分调度中心由车辆定位与调度系统、地理信息系统两部分组成。车辆定位系统负责完成本调度中心所辖车辆的定位与监控，与车辆间的双向通信，向车辆发送调度指令，向电子站牌发送数据等功能。地理信息系统与调度中心中地理信息系统功能相同，只是范围要小些。系统框图如11-2所示。11.2.2 系统构成11.2.2 系统构成图11-2 分调度中心系统框图11.2.2 系统构成车载移动站采用差分GPS定位技术，

10、车载专用终端机安装于移动的公交车辆上，可以在无人干预的情况下自动完成运动车辆的定位和定位信息的回传。必要时，可以向分调度中心提供短信息。如果需要可以口留出接口用于外接车载显示设备。如图11-3所示。图11-3 移动站框图11.2.2 系统构成电子站牌电子站牌负责接收和显示下班车到站信息和服务信息，由一套MODEM/电台、单片机、电子显示站牌组成，如图11-4所示。单片机的作用是接收信息，将其处理后送到电子站牌上显示。电子站牌除了显示车辆运行信息外，还可以显示其他信息，如日期、时间、气象预报等。图11-4电子站牌系统框图智能化调度方法是相对于传统调度方法而言的，二者的区别在于智能化调度方法是根据

11、实时客流信息和交通状态，在无人参与的情况下自动给出发车间隔和调度形式的一种全新的调度方法。而传统调度方法是调度人员根据公交线路客流到达规律，凭借经验确定发车间隔和发车形式的一种调度方法。智能化调度分为车辆调度形式、实时放车调度、紧急情况实时调度3个方面。11.2.3 智能化调度方法11.2.3 智能化调度方法车辆调度形式车辆调度形式是指营运调度措施计划中所采取的运输组织形式，基本上可有两种分类方法：（1）按车辆工作时间的长短与类型，分为正班车、加班车与夜班车；（2）按车辆运行与停站方式，可分为全程车、区间车、快车、定班车、跨线车等。UTMS子系统11.2.3 智能化调度方法实时放车调度实时放车

12、调度问题（Real-time Deadheading Problem，简称RTDP）是目前国际上调度理论方面研究的热点。它是指车辆空车从始发站出发，经过数个公交站点后，开始按站点次序依次停车的调度形式。放车调度形式的根本出发点就是减少停靠站点上候车乘客的等车时间，但放车调度形式延长了车辆所越过的站点上乘客的等车时间。因此，确定是否采取放车调度形式需要权衡利弊，这就需要建立实时放车调度模型的目标函数。11.2.3 智能化调度方法紧急情况实时调度当公交车在运营过程中遇到交通事故、重大事件等紧急情况时，会出现客流突然增加的情况，致使某班公交车出现拥挤而产生延误。如图11-5所示，第i辆公交车由于客流

13、突然增加造成初始延误。面对这种情况，可以采取以下几种调度方案：方案1：前车加大站点停靠时间法。这样不但可以解决后面站点乘客等车时间延长的问题，而且可以使整个车队运行趋于平稳。11.2.3 智能化调度方法方案2：前车减速方法。调度人员同样可以通知前几班车减速，这样也可以使后面站点乘客等车时间缩短，而且到达终点站时，间隔趋于平稳。方案3：后车加速方法。与方案2效果相同。方案4：后车缩短站点停车时间方法。与方案1效果相同。方案5：放车调度方法。如果紧急事件发生地点与始发站距离很近，可以临时调度一班空车，直接行驶到事件发生地点，缓解客流拥挤的情况。11.2.3 智能化调度方法图11-5 由于某站点客流

14、突然增加造成延误的公交车运行图第11章 先进的公共交通系统智能化调度系统智能化调度系统智能化调度系统公交信号优先系统 概述11.1 智能化调度系统11.2 公交信号优先系统11.3 快速公交系统11.4 小结11.511.3 公交信号优先系统公交信号优先系统贯穿于公交车辆、公交车辆调度与管理系统、交通管理与控制系统，并与之有紧密的联系，通过在这几个模块之间进行信息交互，实现对公交车辆的优先信号控制。这几个子系统在以下组成元素之间实现信息通信和交互：11.3.1 公交信号优先系统组成公交车辆检测系统（bus detector system）：优先请求发生器（priority request ge

15、nerator，简称PRG）：优先请求服务器（priority request server，简称PRS）：通信系统（communication system）：交通信号控制器（traffic controller）：交通信号控制软件（traffic software）：公交优先管理系统：11.3.2 公交信号优先控制策略信号优先策略是指交通信号绿灯延长或比预定方案启动提前，以便某些特定车辆迅速通过交叉口。公共交通信号优先策略有其自己特定的内容。主要包括两个方面。1）被动优先控制策略；2）主动优先控制策略；11.3.2 公交信号优先控制策略1 被动优先控制策略被动优先控制策略的实施是根据公交线

16、路公交车辆的发车频率、行车速度等历史数据设计和协调路网内交叉口的信号配时，同时降低交叉口信号周期长度以减少公交车辆的停车和延误。主要包括以下几个方面：（1）网络化配时规划（2）信号周期调整（3）增加相位时间（4）相位分割（5）限制转弯11.3.2 公交信号优先控制策略2）主动优先控制策略相对于被动优先，主动优先控制策略具有更强的适应性。主动优先控制策略一般有以下几种控制形式：（1）绿灯延长（2）绿灯提前/红灯早断（3）相位插入（4）跳跃相位（5）相位倒转（6）专用相位11.3.3 基于优先权重的公交信号优先算法研究1）模型思想1）模型思想由于公交车辆的单车载客量明显大于社会车辆的单车载客量，为

17、了满足交叉口各进口方向的交通参与者交通需求，在模型中根据公交车辆当前的运行状态在信号配时中为公交车辆赋予一定的优先权重，以最小的车辆延误增大代价获得人均延误降低为目标对交叉口信号配时方案进行优化计算。2）条件假设利用先进的公交车辆信息检测系统，能够实时获取公11.3.3 基于优先权重的公交信号优先算法研究交车辆的运行状态信息、公交车辆路线信息、公交车辆乘客数以及车辆的时刻表信息，在交口上游设置公交车辆检测器，以提前告知公交车辆的到达，公交站点位置设置在交叉口出口处。3）模型构建（1）实时公交权重分配当检测到公交车辆接近交叉口时，公交信息检测系统开始获取公交车辆的运行状态，并为每一辆到达并即将停

18、车等待的公交车分配一定的权重：11.3.3 基于优先权重的公交信号优先算法研究（2）交叉口饱和度计算在传统的信号配时计算中，交叉口绿灯时间是按相位流量比进行分配的，这种方法可以确保各进口道方向具有相同的饱和度，但不利于公交车辆的通行。信号交叉口公交优先的最终目的是在于减少人的延误，为使系统的效益得到优化，因此交叉口相位绿信比的确定应由乘客流量比和机动车饱和度来共同决定。11.3.3 基于优先权重的公交信号优先算法研究 （11-3）11.3.3 基于优先权重的公交信号优先算法研究则则以乘客流量比为主的交叉口饱和度计算公式为：（11-5）（11-4）11.3.3 基于优先权重的公交信号优先算法研究

19、 -以乘客流量比为主的交叉口饱和度； -j相位关键车到乘客流量比； -j相位关键车道车流量比。（3）绿灯时间约束按乘客流量比计算出的绿灯时间可能出现绿灯信号时间过短或绿灯时间过长的现象。过短或过长的信号绿灯时间都对整个交叉口的运行不利，绿灯时间过短，不能保证车辆和行人安全通过交叉口；绿灯时间过长，交通参与者在红灯等待时失去耐心，出现违章通行的行为。因而必须对相位绿灯时间进行约束，以保证交叉口通行的安全。11.3.3 基于优先权重的公交信号优先算法研究红灯时间约束：（11-6） -j 相位d方向的允许最大红灯时间； -j 相位d方向的最大排队长度； - j相位d方向的车道数； - j 相位d方向

20、的车辆到达率； -车辆平均长度； -高峰时间修正系数。绿灯时间约束：11.3.3 基于优先权重的公交信号优先算法研究（11-7）- - j相位 d方向的最短行人过街时间； - j相位 d方向的人行横道宽度； -行人平均步速。相位最短绿灯时间：（11-8）（11-10）（11-9）C -交叉口信号周期时长； -j相位最长红灯时间； -j相位最短绿灯长度；11.3.3 基于优先权重的公交信号优先算法研究-（4）周期时长优化公交优先信号控制必须满足优先相位获得的效益不小于非优先相位的效益，而延误是最为常用的衡量这一效益的指标，同时考虑公交车辆当前状态与公交时刻表的偏移值，构造指标函数PI。（11-1

21、1）（11-12）（11-13）11.3.3 基于优先权重的公交信号优先算法研究-交叉口车辆平均延误与人均延误差；-交叉口车辆平均延误；-交叉口人均延误；-交叉口总延误，采用D.B.Wbster延误计算类型；-j相位交通流量；（11-14）11.3.3 基于优先权重的公交信号优先算法研究-车均延误与人均延误差指标权重；-公交时刻表偏移值权重；-公交运行与时刻表偏移值；-D.B.Wbster周期计算公式的最小和最长信号周期长度。，4）模型验证假定公交车辆的平均乘客数为30人，小轿车的平均载客数为1.5人，交叉口车辆的平均载客数为2人，对一个由主干道和次干道相交的十字型交叉口为例进行模拟验证，交叉

22、口采用两相位信号控制形式，右转车辆不受限制，黄灯为3s，交叉口清除时间，即全红时间为2s，信号总损失时间为10s，车辆停车时平均占用车道长度6m。交叉口各向流量及车道数如表11-1。11.3.3 基于优先权重的公交信号优先算法研究采用MATLAB 7对基于优先权重的公交信号优先算法进行优化求解，固定配时方案采用Webster信号配时计算公式进行计算求解。配时方案验证对比结果见表11-2。表11-1 模拟交叉口的交通特性相位第一相位第二相位社会车辆到达率（PCU/H）800250公交车辆到达率（辆/小时）206饱和流量（PCU/H）15001200进口车道数32流量比0.530.21乘客流量比0

23、.600.23允许最大排队长度（m）25015011.3.3 基于优先权重的公交信号优先算法研究表11-2 两种配时方法优化效果比较配时方法周期（s）绿灯时长（s）车均延误（s）人均延误（s）第一相位第二相位Webster算法8058222824.7优先权重算法48321615.712.3主要原因是由于允许排队长度的限制，信号周期缩短可以减少公交车辆在信号控制计算结果表明，基于优先权重的优先算法所得的信号配时周期时长远小于固定配时方案，交叉口的红灯等待时间，同时增加公交车辆在绿灯相位通过交叉口的概率。11.4 快速公交系统快速公交系统（Bus Rapid Transit，简称BRT）是一种介于

24、快速轨道交通（Rapid Rail Transit，简称RRT）与常规公交（Normal Bus Transit，简称NBT）之间的新型公共客运系统，其投资及运营成本比轨道交通低，而运营效果接近于轨道交通。它是利用现代化公交技术配合智能运输和运营管理，开辟公交专用道和建造新式公交车站，实现轨道交通式运营服务，达到轻轨服务水准的一种独特的城市客运系统。第11章 先进的公共交通系统智能化调度系统智能化调度系统 概述11.1 智能化调度系统11.2 公交信号优先系统11.3 快速公交系统11.4 小结11.511.4.1 BRT的优势快速公交城主要有以下几个方面的优势：（1）快速接近于轨道交通（2）

25、高容与轨道交通相近（3）舒适与轨道交通相似（4）节省远胜于轨道交通完整的BRT系统应当由四部分元素组成，包括专用车道、专用车辆、专用车站和智能信息系统。这四部分元素相互独立，同时又相互联系，有机地组合在一起，才能发挥出BRT的最佳效益。专用的公交车道是确保BRT快速、畅通运行的基本保证。从定义来看，BRT是一种拥有相对独立的物理设施、交通运行空间和信号控制的交通方式。11.4.2 BRT系统结构（1）专用车道（2）专用车辆研制专用的公交车辆，使其具有钳接式大容量、多车门、两边开门、低底板、乘坐舒适和智能型等特点，并可使用清洁能源，这是BRT的重要组成部分。BRT车辆一般应采用低底板、色彩鲜艳并

26、统一的公交车辆，以方便乘客上、下车，并与普通公交车辆相区别。通常还应采用大型铰接车以提高系统的运输能力，降低运营成本。当然，车辆最好能采用排污低的清洁车辆。11.4.2 BRT系统结构（3）专用车站特别建造的轨道交通式的BRT车站，具有检售票、等候车、上下客、行车信息发布等功能，也是BRT不可缺少的组成部分。开放式站台能配合公交专用道或公交专用路的设站地点，提供乘客所需要候车的空间，不采取进出的管制。封闭式站台的设计考虑了以下因素：对车站进出进行管制，设置收费设施，以节省收费时间；配合车辆停站定位，引导站台上乘客在车门位置候车，提高上下车效率。11.4.2 BRT系统结构（4）智能信息系统布设

27、各种形式的公交线路，为乘客提供多种方向和不同路径的快速直达和换乘方便的乘车条件，最大限度地吸引乘客。这是决定BRT成败的关键组成部分。BRT运营保障体系包括运营组织机构和运营保障设施。运营组织机构包括目前规划及实施的管理机构、运营期的管理以及运营机构。运营保障设施一般包括智能化的交通管理手段。11.4.2 BRT系统结构11.4.3 BRT规划设计BRT规划设计主要包括以下几个方面的内容（1）综合规划BRT通道网络（2）规划城市BRT专用道（3）规划设计BRT车站（4）选择BRT专用车辆本节介绍几种典型的BRT信号优先算法1）基于发车频率的BRT信号优先算法 模型构建：本书对基于发车频率的信号

28、优先控制算法提出如下的条件假设。在检测系统方面，在交叉口上游设置公交车的“check-in”检测器，以提前告知系统公交车辆的到达，并在停车线设置“check-out”检测器（如图11-6所示）。11.4.4 BRT信号优化算法图11-6 基于发车频率控制逻辑的交叉口简单布设示意图11.4.4 BRT信号优化算法分别从交通状态估计、驶离时间估计、到达时间估计、优先触发机制、策略优选和指标函数等5个方面进行建模。2）基于交叉口资源整合的BRT信号优先算法交叉口的资源可以相互制约和转化，从交叉口时空组合优化的角度出发，将进口道进行时间与空间的分配，即车道功能划分与绿灯时间分配组合在一起进行优化，降低

29、公交车车辆车均延误，同时减小对社会车流的影响。（1）模型构建交叉口饱和度的计算11.4.4 BRT信号优化算法如图11-7所示交叉口，公交专用道在道路最内侧，公交车为直行方向，社会车流中的关键相位为直行车流和左转车流。11.4.4 BRT信号优化算法图11-7 车道布置与相位设计11.4.4 BRT信号优化算法故信号交叉口下车流i的饱和度为：（11-32）式中： i=1或2，代表直行车流的情况车流i的流量车流i的有效绿信比车流i单车道饱和流量车流i分配的车道数有效绿灯时间（11-33）优化模型优化模型设左转车流有效绿灯时间取在某车道功能划分方案下，满足饱和度约束的最小绿灯时间。考虑通过给予公交

30、车辆和社会车辆车均延误以不同权重来实现公交优先，同时协调公交车辆和社会车辆的关系，并以进口道人的总延误最小时间为优化目标，建立模型如下：11.4.4 BRT信号优化算法（11-34）（11-35）式中： 公交车车均延误加权系数 社会车辆车均延误加权系数 1 的公交车平均载客数 1 的社会车辆平均载客数 公交车车均延误 社会车辆车均延误11.4.4 BRT信号优化算法11.4.4 BRT信号优化算法对于公式（11-19）有：（11-36）模型验证分直行车流量大于左转车流量和分直行车流量小于左转车流量两种情况对单点交叉口进行讨论，取公交车流量为500（PCU/H），公交车辆的平均乘客数为30人，小

31、轿车的平均载客数为1.5人。其余参数如表11-3所示：11.4.4 BRT信号优化算法表11-3 参数选择情况条件左转流量（PCU/H）直行流量（PCU/H）总车道数最大允许饱和度左转车流饱和度（PCU/H）直行车流饱和度（PCU/H）周期（S）1120060040.8515001200120260080040.8515001200120常规方法中利用等饱和度分配绿灯时间；此处按 并利用公式（11-33）、（11-34）、（11-45）来计算，计算结果如表11-4所示：11.4.4 BRT信号优化算法表11-4 常规方法与优化模型计算结果对比对比方法直行车道数直行绿灯时间/s左转车道数左转绿灯时间/s延误时间/s公交车辆社会车辆常规方法条件12362574259条件22482293078优化模型条件12