智能公共交通系统研究

智能公共交通系统研究

1 智能交通系统

1.1 智能交通系统的特点

1.2 智能交通系统的功能

1.3 国内外智能交通系统的发展趋势

2 现行公共交通系统

2.1 公交系统中存在的问题

2.2 智能公交系统的功能和服务

2.3 智能公交系统的关键技术及分析

3 基于无线传感器网络的智能公交系统可行性分析

交通拥挤和公路阻塞逐渐成为经济和社会发展中的全球性问题。自从20世纪80年代以来，以欧洲、美国和日本为代表的发达国家已经从依靠扩大路网规模来解决日益增长的交通需求，转移到采用高新技术来改造现有道路的运输体系及其管理方式，达到提高路网通行能力和服务质量、改善环保质量、提高能源利用率的目的。智能交通系统正式在这种条件下产生和发展起来的。交通传感网是智能交通系统的重要组成，因其美好的应用前景而受到学术界和工业界的高度关注。

经济的高速发展，城市化进展的日益加快，汽车普及率的逐年提高，交通出行的需求增加，导致城市交通拥挤、堵塞日益严重，交通事故频频发生，交通环境越来越恶化，机动车造成的能源短缺和环境污染也日益严重。结合我国都市人口密度大，土地资源高密度开发，资源与环境矛盾越来越突出的背景，单纯通过提高更多的道路交通基础设施用来满足日益增长的交通需求是不现实的。智能通系统是解决这一矛盾的有效途径。无线传感器网络作为一种新兴的检测技术，具有快速部署、自组织等特性，适合大范围、多信号的分布式检测，并可以将信息及时处理发布。将公共汽车上放置移动节点,站牌、路灯或指定建筑物上放置固定节点,通过移动节点采集公交车辆的实时信息通过无线传感器网络把信息传送给监控管理中心,实现对公交车辆跟踪定位、实时通信、传递交通信息等功能,该系统具有投资少、见效快等优势。

智能交通系统体现了“人-车-路-环境”的密切结合，从而极大提高交通的安全性、系统的工作效率、环境质量以及能源利用率。智能交通作为一种新型的交通理念和缓解交通工序矛盾的重要手段，在发达国家已被广为接受和实施。

1 智能交通系统

智能交通系统(Intelligent Transportation System, ITS)应用在城市交通中主要体现在微观的交通信息采集、交通控制和诱导等方面，通过提高对交通信息的有

效使用和管理来提高交通系统的效率，主要是由信息采集输入、策略控制、输出执行、各子系统间的数据传输与通信等子系统组成。

智能交通系统(ITS)是指在较完善的基础设施(包括道路、港口和机场等)之上，将先进的信息技术、通信技术、控制技术、传感技术和系统综合技术有效地集成，并应用于地面运输系统，从而建立起大范围发挥作用的实时、准确、高效的运输系统。智能交通系统最初是从系统的角度出发，综合考虑人、车、路和环境等因素的智能化管理，经过若干年的发展，智能交通的概念己经延伸到以下三个方面：

1)对整个交通运输系统规划、建设、管理、运行全过程的介入和支持；

2)对交通规划决策者、交通行业和企业管理者、出行者全方位的信息服务；

3)在有效提高系统决策效率和系统运行效益、改善交通系统安全性的同时，ITS也成为巨大的新兴产业。

1.1 智能交通系统的特点

智能交通系统是一个复杂而庞大的系统，它具备以下四方面的特征：

1)综合性：智能交通系统是由若干系统组成的综合系统，各个系统具有独立的功能，系统涉及多个管理和技术的领域；

2)协调性：智能交通系统各个子系统之间不是相对独立的，而是通过系统之间信息的共享和交流，达到协同工作的目的；

3)层次性：组成智能交通系统的各个子系统并不是对等的，而是位于不同层次并存在控制与被控制或者协调关系，并通过这种关系实现设计目的；

4)复杂性：由于组成元素之间联系密切，导致智能交通系统结构的复杂性，这种复杂性表现在技术上的复杂性、各个子系统之间协议和接口的复杂性上。1.2 智能交通系统的功能

智能交通系统是在传统的交通工程基础上发展起来的新型交通系统，是现代交通工程的发展方向。按照智能交通系统的开发目标，其功能不断地扩大和完善，形成了7个基本的子系统。下图所示的7个子系统相对独立地完成自己的所有任务，为整个系统的完整性提供了基本硬件支撑。

图1 智能交通系统功能模块

1)智能交通管理系统(Advanced Traffic Management System，ATMS)系统主要给交通管理者使用，它将对道路系统的交通状况、交通事故、气象状况和交通环境进行实时监视，并将实时处理和评价收集到的信息，以便对交通进行实时有效的控制，如信号灯管理、诱导信息发布、道路管制、事故处理与救援等

2)智能交通信息系统(Advanced Traffic Information System，ATIS)是为出行者提供准确实时的地铁、轻轨和公共汽车等公共交通的服务信息。系统的核心是通过电子出行指南来收集各种公共交通设施的静态和动态服务信息，并向出行者提供当前的公共交通和道路状况等，以帮助出行者选择出行方式、出行时间和出行路线。

3)智能公共交通系统(Advanced Public Transportation System，APTS)通过车辆卫星等定位技术掌握管辖路网内的公交车辆运行和分布信息，并在公交车站及时向乘客显示实时状况，同时经信息处理后提供车次选择、合理换乘、出行时间等咨询服务，大大方便公众的出行。

4)智能车辆控制系统(Advanced Vehicle Control System，AVTS)的目标是辅助驾驶员自动控制车辆行驶，它依靠传感器和信息显示系统，根据交通规则和处理方法的程序库，对于发生某种特殊事件能够及时做出反映，并控制车辆避免碰撞等事故发生。

5)智能商用车辆系统(Commercial Vehicle Operations，CVO)是包括重型载货车自动称重以及出租车等在内的商用车辆更安全、经济、迅速的运输的管理体系。

6)电子收费系统(Electronic Toll Collection，ETC)在高速公路收费站、停车场或车站收费站实现电子自动收费。

7)应急管理系统(Emergency Management System，EMS)是一个特殊的系统，它的基础是ATIS\ATMS和有关救援机构及设施。它通过ATIS和ATMS将交通监控中心与救援机构联成有机整体，为道路使用者提供车辆故障现场紧急处置、拖车、现场救护和排除事故车辆等服务。

1.3 国内外智能交通系统的发展趋势

美国、日本和欧洲在研究和应用智能交通系统上起步较早,并取得了良好的成效。日本的ITS市场在2007年超过了2万亿日元(约合1328亿元人民币)。日本ITS 的发展模式可以概括为:自下而上,单点功能突破,再进行系统整合。美国ITS的研究通过ITS America支持的项目提出全国统一的体系框架。欧洲ITS的发展模式是先统一标准,再进行系统整合。由于欧盟作为一个多国家的组织所具有的特殊性,

它的ITS发展重点落在标准的制定,促进标准化和一体化发展上。

国内智能交通发展起步较晚,除部分较大的城市外其他城市还处于人工或孤立路口控制的管理方式。根据我国经济、交通运输特点以及智能交通的发展战略部署,我国将采用分层次、有重点地对智能交通的核心内容进行研究。目前,北京市的智能交通发展主要围绕2008年奥运会开展的,在坚持对智能交通基础以及关键技术研究的基础上,以交通管理系统、公共交通系统以及公众角度出发的交通综合服务系统的建设为主。

2 现行公共交通系统

我国城市交通面临的一个重要问题是车辆数目同有限的道路空间资源的矛盾，在人口众多的城市中公共交通也是人们日常出行中的首要选择。大力发展智能公交系统(APTS，即智能公共交通系统的简称)是改善我国都市交通运营情况的一个切实有效的途径。

2.1 公交系统中存在的问题

根据我国目前智能交通系统的整个发展情况，智能公交系统还处于研究规划阶段。在日常线路运行中，经常出现道路通行受阻、运行车辆发生故障等情况，这些临时发生的、影响运行的因素在行车时刻表的制定中是很难意料和解决的，导致公交车辆的行车速度下降、行车间隔不均衡，增大了运营调度的难度，调度人员无法实时了解运营车辆情况，难以及时有效地采取调度措施。另一方面，乘客也无法了解所要乘坐的公交车的达到时间等信息，盲目地在站台进行等候，不能合理地分配出行时间和选择其他路线或运输工具，影响日常的工作生活。2.2 智能公交系统的功能和服务

ITS对公交智能化的功能提出了以下几个功能要求：

1)运用车载数据采集技术实现对运营车辆的监视；

2)运用有效策略使晚点车辆恢复正常运营；

3)运用当前的操作数据及其他数据来源编制运营管理计划；

4)要求应答系统为乘客提供个人出行服务；

5)提供安全协调监控与紧急救援服务系统的接口；

6)综合运用历史数据及其他因素规定司售人员的活动；

7)编制运营车辆的维修计划并为修理人员进行工作分配；

8)可实现车内收费或路边收费；

9)为乘客提供车辆运营消息及可达车辆信息。

2.3 智能公交系统的关键技术及分析

智能交通系统中关于车辆的自动定位，早期是利用在道路沿线间隔一定距离设置无线信号杆的定位方式，目前普遍采用的使用全球定位系统(Global Position System, GPS)的定位方式。使用GPS技术定位，定位精度较高，但是要求移动终端安装GPS接收机，并且每个终端要具备一定的计算处理功能，同时需要部署多个基站，建设和使用GPS的费用都较高，不适合公交系统的广泛使用。在公交系统中使用GPS定位机制其扩展性比较差，该机制是基于中心调控、全局处理的，某段城市道路等的改建迫使其频繁的更新电子地图和相关基础施舍的配置。在大都市使用GPS来定位的方案本身存在着无法避免的缺陷：城市的高层建筑以及阴雨天气的遮挡会带来较大的影响。

对智能公交系统设计要求：

1)构建、使用、维护该系统的成本较低；

2)定位精度要较高；

3)为了保证乘客和监控中心及时准确地获得公交车位置等信息，需要频繁定位，因此定位算法要简单；

4)可扩展性好，能适应城市道路改建和公交车的替换、更新。

3 基于无线传感器网络的智能公交系统可行性分析

无线传感器网络是由大量密集分布的资源有限的传感器节点组成，各节点通过无线协作完成检测任务。无线传感器网络技术是一种新兴的检测技术，它集了传感技术，无线通信技术和网络技术于一体，具有快速部署、自组织等特性。

构建基于无线传感器网络的智能公交系统是一种经济实用的方法。首先，无线传感器结构简单、成本低廉，可以大量部署在每辆公交车内，利用无线传感器网络技术构建智能公交系统，其成本比使用GPS和一些基于雷达技术的定位监控系统低。其次，无线传感器网络是通过无线电波传送信息，因而不容易受到时间、天气和高层建筑物等因素的影响，在夜晚、大雾大雨等能见度非常低的环境下，发挥出无线传感器的优势。再次，无线传感器网络是一个自组织的网络，对于城市道路的改建，只要修改相关站点传感器的配置，不需要改变全局的配置。因此使用无线传感器网络具有良好的扩展性，操作维护方便，而且传感器节点具有一定的数据处理能力，对于检测范围内的某些瞬时动态信息可以本地处理，减少了交通调度中心的处理任务。