浅谈公交应用中的车联网技术

2016-03-02范全放

中国公共安全 2016年18期

□ 文/范全放

浅谈公交应用中的车联网技术

□ 文/范全放

车联网是物联网技术在智能交通领域的应用,借助无线通信和GPS卫星导航技术,通过车载设备、呼叫中心、手机客户端、PC客户端等多种服务界面给车辆驾乘人员、车辆运营企业、政府监管部门提供导航、安全、信息、娱乐、监控等多种服务,而实现更智能、安全的驾驶。车联网的核心技术包括物理感知，网络互联和智能处理，通过各类传感器技术收集自身状态和环境信息，然后通过通信技术将信息发送给附近车辆、路侧设备或者数据中心等有需要的地方，并接受相关资讯服务。车联网集传感技术、通信技术、计算机技术、智能控制技术于一体，中控对车联网技术的开发研究主要集中在通信技术与车辆定位技术的应用上。

车联网中的通信包括人、车、路以及交通指挥中心之间的通信。人车通信可以通过语音、视频、图像和文字等交互手段实现，是人与车联网之间的主要信息交互接口。车车通信是指车辆与临近车辆之间的通信，车路通信是指车辆和路侧基础设施之间的通信，这两种模式的通信方式类似，主要通过Wi-Fi、RFID和DSRC等技术实现。车与交通指挥中心的通信主要采用3G/4G等移动通信技术，某些应用场合还可以使用广播技术。上述类别中，车路通信是目前车联网技术关注的重点和热点。Wi-Fi技术由于需要连接和认证的过程，建立通信的时间过长，不适合行车环境下的应用；基于RFID技术通信数据传输速率较小，且通信距离短；DSRC技术可以提供高速移动下大数据量双向快速接入服务，是非常适合车联网应用的通信技术，目前已得到广泛的关注。

常用的车辆定位技术有GPS定位、“线圈/应答器”定位、光学信标定位等，其中以GPS定位技术应用范围最广，线圈/应答器定位技术和光学信标定位技术一般只用于公交车辆的定位。GPS可实现实时定位，并且定位精度可以达到5～10米左右，是现在的主流定位技术。在GPS定位的基础上，采用AGPS、DGPS等校正技术，定位精度最高可以达到1米，可以满足对车辆位置有精确要求如违章变道检测等的交通服务应用。

城市污染、交通拥堵、人口过密、中心区过度膨胀，这些是目前我国大部分城市发展本身所暴露出的主要矛盾。近年来，世界各国开始认识到公共交通的优越性，把公交优先作为解决城市交通问题的重要手段。优先发展公共交通是实现国家能源战略的必然要求，是实施国家环境保护基本国策的重要内容。实现城市公交系统更加科学和精细化管理，提升公交体系服务质量，完善公交信息服务等，也日益受到交通管理部门和公交运营公司的重视。

对于公交运营公司，需要对车辆日常行驶进行实时监控，确保行车安全，并在车辆出现故障时能及时获得报警提醒以及当前车辆位置。公交运营公司需要对线路效益进行评估，需要根据不同线路、不同时段的载客率确定更加合理的公交线路以及发车密度。此外公交公司还需要获知公交车辆实时位置信息以及路况信息，以便通知司机控制车辆之间的间距或者调整发车班次，也便于在特殊情况下变更线路。而对于公交出行者，需要更加准确的车辆到站信息，以减少等车时间，需要更加精确的车辆行驶时间，以合理安排出行时间，需要相对舒适的乘车空间，以减少乘车疲倦保障财物安全。

本文的研究目的是借助车联网技术，收集公交车辆状态信息、乘客数量信息以及当前车辆位置信息，并通过对车联网数据的感知和处理，针对公交服务的两大核心内容——公交信号优先和公交出行服务，提出可行的应用解决方案。通过评估车辆安全性、制定更加合理的公交线路及发车密度，并通过交通信号灯控制技术保障车辆的准点率，提升公交车到站准时性、到站信息的准确性和搭乘舒适性等。

中控DSRC技术特点

中控信息公司从2012年开始研发基于IEEE 802.11标准的DSRC通信技术，目前已研制出车载设备（OBU）和路侧设备（RSU）通信样机，见图1。其中DCSR通信方案是基于现有802.11标准的无线设备进行软件升级和开发实现，力求无连接快速响应、数据传输速率大、通信双向性和兼容wifi等特点。

▲图1 中控开发的DSRC技术，车载单元（左）及路侧单元（右）

基于DSRC技术的车载和路侧设备在中控科技园的试验车道上进行了无线通信功能性验证和小规模的系统测试，表1给出了中控DSRC车载和路侧通信通信设备的无线通信测试结果。

表1 中控DSRC性能测试结果

上述性能指标结果表明，中控自主开发的DSRC技术可以较好地满足城市交通应用的快速接入通讯需求。下文讨论基于DSRC技术的中控车联网在公交信号优先和公交出行服务中的应用。

基于车联网技术的公交信号优先

交通拥塞和交通信号成为公交服务延误的主要原因并且因此而增加其运营成本。总体来说，信号优先权成为改进公交运营及服务质量的可靠方法。公交信号优先技术包括车辆检测定位技术、优先级策略以及交通信号控制器相位调整方式。

早期交通信号系统能力有限，导致简化的公交信号优先策略，例如，简单调整或延长绿相位。近来，随着ITS领域的进展在交通信号系统中产生对运输优先权新的支持能力包括智能公交，检测，通讯，控制硬件，优化算法和仿真模型。在更为先进的公交信号优先形式中，可以连续监视每辆接近路口的公交车并根据需要（例如，按照延误程度）赋予不同程度的优先权。对公交车的监视可通过自动车辆定位系统实现，这可以方便为针对诸如误点的特定公交车组实施优先策略。优先策略可以改变适合公交优先的车辆数以及优先程度，从而在降低公交延误，提高规律性和减少对其他交通的影响方面获得总经济效益。

公交优先权的方法

公交优先有很多不同方法，可以分为：基于路段的物理措施和基于路口的措施，以及二者综合的措施。基于路段的措施包括公交车道和公交车专用道。基于路口的措施有很多，例如避免公交车转向限制，或以技术导向的公交优先信号自适应控制。交通信号优先是城市地区公交优先措施的重要形式。许多信号优先权的策略可以归纳为被动优先，主动优先和综合优先方式。

被动优先是根据事先确定的车辆到达时间和地点估算设置信号灯配时，使车辆到达路口时恰为绿灯的方式，这种方式要求车辆到达时间固定，这只能在路况稳定，车速变化不大的路段进行实施。主动优先是车辆在即将达到路口时向路口信号控制器发出优先请求，然后信号控制器根据车辆延时情况给予信号优先的方式，这种方式对公交优先通行比较有利，但是对其他社会车辆的通行有一定影响。综合的信号优先例如使用公交车道与公交车优先排队的预备信号使公交车实现优先通过路口而又减少对其他车辆的影响。

自适应优先策略比较灵活，也需要更多的路口信息，比较常见的主要有两种。一种是基于整个路口的人均延时大小改变信号灯的周期等参数，减少人均等待时间。另一种是基于路段车队长度控制信号灯状态，保障路口整体交通通行效率。自适应优先既有利于公交优先的实施，也减少对社会车辆通行效率的影响，是目前公交优先策略的主要研究方向。

中控公交优先算法及实现

在一定的公交优先策略下，交通信号相位控制是实现公交优先的主要手段。公交优先信号相位控制方式有相位延展回调法、滚动水平线法、相位重排法、相位跳过法以及公交绿波带。选择合适的相位调整方式，可以减少对其它社会车辆通行效率的影响，有利于提高道路交通整体运行效率。

中控公交优先系统采用车路协同的公交优先算法。公交车通过车载DSRC模块与路侧单元直接进行协同通信，然后通过与路侧单元相连的路口信号控制机实现公交优先策略，并通过相位控制使信号灯快速响应公交车的优先通行要求。图2为在中控科技园进行的公交信号优先试验。

中控公交优先系统提出了一种实时自适应公交优先策略，在路口信号控制中，既考虑公交优先的问题，又兼顾了普通交通流的利益，并且对公交车辆也依据乘客数量以及班次运行表执行情况赋予不同的优先权。当引入中控公交优先系统后，假设公交车在车路协同中的时间-位置（通过GPS）是已知的，载客数也可通过DSRC通讯获得，如果载客数未知，那么也可包括一套预估算法来估算乘客数。通过这种方法，公交车被授予权重，并且在以下情况增减（1）一定的载客数（2）公交车延误程度。

在中控公交优先系统中，每辆车是相同对待的。也就是他们都有同样的加权。从而，中控公交优先系统对具有更多“延误”的运动给予绿相位。在这里延误取决于需要这种运动的车辆数以及这些车辆的排队时间。在中控公交优先系统算法中，公交车也给予同样的权重，无论其有多少乘客或者是否晚点。而在另一方面，既然中控公交优先系统算法对每辆车赋予权重，那么对每辆公交车按照乘客数和晚点的程度给予不同的权重也就不难。

这样做的好处是：①只对延误的公交车提供优先，降低公交优先的车辆数以提高优先级，并降低对其他交通的影响；②极大的改善公交服务的规律化从而减少乘客等待时间。

▲图2 中控公交信号优先试验，信号灯（左），信号控制机（中）及路侧通信单元（右）

基于车联网技术的公交出行服务

公交服务水平是影响人们选择公交出行的主要因素。更加完善的出行服务有利于提高公交出行的吸引力，从而减少社会车辆的使用率，减轻道路交通压力。公交出行服务主要体现在公交覆盖性和乘车舒适性两方面。

公交覆盖性包括空间覆盖性、时间覆盖性、运力覆盖性以及信息覆盖性。更多的公交站点，更合理的线路选择使乘客走更少的路，到达更远的地方是空间覆盖性的体现，也是影响人们选择公交出行最重要的因素。适当提高发车密度，并通过车辆定位系统保证一定的车间时距可以提高出行时间选择的灵活性，减少等待时间。增加出行高峰时段运力，增加主干线路运力有利于提高出行者流动速度。出行信息覆盖性是公交出行服务最直观地体现。对于出行者而言，需要知道从出发地到目的地的公交线路选择，相应车辆到站的准确时间，旅途上所需的大致时间，以及班次实时空间分布，这些信息需要数据中心及时更正发布，也需要高效的公交信号优先技术来保障车辆到达的准点率。

乘车舒适性体现在车内环境、行车速度、班次可靠性这三方面。车厢拥挤会大大降低公交出行的吸引力，同时还会增加犯罪率。急停急行容易诱发交通事故，也导致部分人晕车，所以保障行车速度的均匀既有利于行车安全，又有利于挺高乘坐舒适性。班次可靠是公交出行者最主要的诉求，这需要公交中心的调配，需要公交优先系统的保障。

目前公交出行者关心的信息主要有可选择的公交线路有哪些、下个班次的当前位置、到达时间、拥挤程度等。公交站台指示牌和智能手机是这些信息比较好的发布手段。

在公交车和停靠站分别部署车载和路侧设备，并在公交线路沿线中继传送这种DSRC通讯。公交车与公交站台之间可以进行无线数据通信。例如，根据GPS虚拟线圈的功能，公交车会在进站前或离站后，计算和更新一系列数据，包括当前位置信息、到达各站时间，车内拥挤程度等，公交调度中心会汇集这些信息，计算并调整运行班次。

中控DSRC技术由于和标准WiFi设备兼容，安装在停靠站附近的路侧设备很容易和站台候车乘客的智能终端设备进行连接和交互，使其以最低成本获得大量信息，例如能够感知各车站的候车人群数量及目的地。候车者也可以通过智能终端获取公交线路实时运行情况，例如下一班次及后续班次的位置及到站时间，车内视频图像等。

公交车站除部署路侧DSRC设备外，还可以部署视频检测器感知候车人群。这些站点通过与停靠的公交车交换信息，更新本站候车乘客的相关信息，例如公交车可以从停靠站获得等待人数（候车区图像），搭乘需求等信息，通过车载设备传回调度中心。

公交出行者可以在公交车站通过智能终端的WiFi通信查询公交车班车及拥挤度信息，通过这种交互也使公交站的路侧设备获得特定线路的搭乘需求（人数，目的地）。随着泛在计算技术的发展，可佩戴智能终端将变得普及，人机交互也将更加智能。这些智能终端都具备GPS定位及WiFi通信功能，可以方便地与路侧设备进行通信和信息交换。图3为中控车联网智能公交站信息发布图例。