公交优先关键技术研究、应用与展望

林祥兴夏晓敬马威王月红

引言

随着城市经济社会的快速发展，城市交通拥堵、环境污染等问题普遍存在，且日趋严重，成为制约城市可持续发展，影响城市人居环境的重要因素。调整交通结构，实现公交优先，提高城市交通集约化程度是全社会的共识。为此，许多城市开辟了公交专用道，为公交优先提供路权保障，收到了很好的效果。但是由于城市道路资源有限，难以兼顾公交与社会车辆的道路需求，且多数建成区路网格局已基本成型，具备开辟公交专用道条件的道路十分有限，公交专用道建设难以实施，根本无法联片成网。如何破解困局，切实落实公交优先政策，是社会普遍关注的热点，也是本课题研究的重点。本文提出运用大数据、云计算、物联网等新兴技术，采取交通组织与信号协同、硬件在环仿真与策略评估、智能感知与信息诱导、智能联网联控等技术手段，实现在现有路网条件下公交路权的优先，并在试点路段落地应用。最后提出城市公共交通系统的未来发展方向与展望。

公交优先发展现状与问题

随着城镇化水平的不断提高，交通供需矛盾已引起各级政府及有关部门的高度重视和广泛关注。进入21世纪以来，国家有关部门先后印发了《关于优先发展城市公共交通的意见》《城市公共交通“十三五”发展纲要》《城市公共汽车和电车客运管理规定》等一系列文件，为国内城市公共交通优先发展战略提供了政策支持，有力地推动了国内城市公交事业的发展[1]。国家统计局公布数据显示，截至2016年底，全国拥有公共汽电车运营线路52789条，运营线路总长度98.12万公里，其中公交专用车道9777.8公里，BRT线路3433.5公里，全年完成城市客运量1285.15亿人[2]。城市公共交通在方便公众出行、缓解交通拥堵、改善人类居住环境、促进城市可持续发展等方面发挥了重要作用。然而，从总体上看，目前我国的城市公共交通仍远远不能适应经济社会的发展和人民群众的出行需求，总体发展水平呈现滞后的局面，城市公交系统还存在着以下几个方面的不足。

1.公交服务水平不高，主体地位尚未明确

由于公交线路布设不足、公交服务水平低、公交在城市交通系统中的主体地位尚未明确等原因，目前全国每日仅约有2.5亿人次选择公交出行，多数城市的公交机动化出行分担率不足40%。以厦门市为例，目前厦门市公交出行比例超过30%，在国内处于上等水平，但在公交运营速度、舒适度、便捷性、站点覆盖率等方面仍存在不小的改进空间。

2．基础设施建设滞后，管理信息化水平低

在我国部分一线城市中，公交基础设施建设及信息化管理发展势头良好，公交专用道的使用情况及效能发挥保持稳定。但在更多的二、三线中等城市中，公交专用道线网结构单一、有关部门执法监管力度不足、政府财政和政策扶持力量薄弱，导致公交基础设施设备投资不足、损坏严重且得不到及时维护，这些问题给城市交通分析、状态判断、决策制定和精细化管理造成了困难。

3．公交优先法律支持欠缺，配套制度体系不完善

政府部门虽然制定了一些政策性文件，如《建设部关于优先发展城市公共交通的意见》《城市公共汽电车客运管理办法》和《国务院关于城市优先发展公共交通的指导意见》等，但是还没有一部可以覆盖城市公交优先发展的系统性配套制度体系。同时，有关政策不够细致深入，导致执行者无法展开工作，不利于城市公交的健康发展。

问题研究与技术突破

针对城市公交智能化、信息化水平低、管理手段落后、线网布设不合理及服务水平低等特点，本文提出将多层次交通组织优化、硬件在环仿真、交通状态信息一体化感知与交互、智能公交出行信息服务等技术应用于城市公共交通系统，有效促进城市公共交通供给、需求、管理的有机统一。

1．多层次交通组织优化技术

对于国内城市现存的路网结构不合理、路网负荷度不均衡、主要路段、节点高峰期压力较大及机非混行现象严重等问题，利用视频图像采集与处理技术、RFID技术等手段，获取出行分布数据。从支撑协调控制及连续性诱导的角度出发，以提高路段通行效率、降低交通流混合性、提升道路综合功能为出发点，从交叉口、干线、区域多个层面进行多层次交通组织优化，以提高城市道路路网的承载能力。多层次交通组织优化技术体系如图1所示。

图1 多层次交通组织优化技术体系

2.硬件在环仿真技术

根据道路属性、道路条件、交通环境及交通状态，构建基于硬件在环仿真技术的联网仿真系统。该仿真技术主要用于测试、评估信号机的综合控制性能。基于硬件在环仿真技术的需求，直接使用信号机控制仿真交通环境，通过接口适配器，实现仿真软件与实体信号机之间的灯态信息、检测信息的双向转换传输等通信功能。硬件在环仿真的技术结构如图2所示。根据硬件在环仿真技术架构，研发公交优先硬件在环信号机性能测试系统，通过对不同的公交优先策略进行在环仿真，使用仿真软件输出的评价结果，对比不同控制策略的优劣，选出最适用于所研究环境状态的公交优先控制策略。

图2 硬件在环仿真技术结构图

3．交通状态信息一体化感知与交互技术

城市路网综合交通状态信息一体化感知与交互技术主要可分为基于多源传感器的交通参数采集一体化感知技术和综合交通信息融合与处理技术两部分内容，对于这两部分的研究可依据图3所示的思路进行。

为实现交通参数一体化感知，需从数据采集源入手，分析由数据获取参数的基本特点，进而根据各类检测器的具体分布，合理匹配数据源，从而得到最佳数据集成的数据源分配方案。在此前提下，解决如何在现有信息源可靠性的前提下实现多信息数据的集成问题，最终为综合交通参数一体化采集装置服务。

图3 交通状态信息一体化感知与交互技术研究架构

城市综合交通信息融合与信息处理技术主要针对基于多源传感器的交通参数采集一体化感知技术输出的数据，对其处理后的数据采用动态贝叶斯理论进行特征级融合，基于卡尔曼滤波法进行短时交通流量预测，并结合多类支持向量机、动态阈值法研究交通状态研判，结合元胞自动机评估出交通拥挤影响范围，从而实现用户所需路段交通信息的输出。

4．智能公交出行信息服务技术

基于手机平台、无线网络、地理信息系统（GIS）、北斗卫星导航系统或全球定位系统（GPS）等各种技术，搭建手机应用APP。通过手机APP，可以为公众提供出行、换乘、诱导信息，帮助出行者实现规划出行和路径选择，避免交通拥堵，节约出行成本，实现城市的可持续发展。手机终端APP的互动信息服务模块主要包括电子地图显示模块、站点查询模块、线路查询模块、公交换乘模块、移动电子站牌模块、信息发布模块、定制化服务模块和信息反馈模块等。

解决方案与示范应用

对公交优先关键技术的研究成果在厦门市进行示范应用。

厦门市是东南沿海重要的中心城市，随着经济和社会的快速发展，其机动车保有量迅速增长，截至2018年4月底，厦门市机动车保有量已超过150万辆。自2003年以来，厦门市道路建设里程年均增速为8%，而机动车保有量呈年均25%的增长速度，人们对城市交通的需求与日俱增，厦门交通“三难”（行车难、行路难、停车难）问题日益凸显，孤立的业务系统以及大量的信息孤岛已不能适应城市交通快速发展的需要，给厦门城市交通运行、管理、服务带来巨大的压力。

厦门市交通拥堵的主要特征为通勤时间主要干路严重拥堵，部分路网节点局部拥堵，处于拥堵初级阶段。交通拥堵时段及范围更集中，且未成常态化状态。通过分析可知，造成厦门岛内交通拥堵的主要原因为私家车增长速度过快，岛内的道路建设有限，导致岛内交通供给与需求失衡。需要根据岛内各片区的特点，制定合理的交通发展引导政策，调整交通出行结构，交通信息化水平及城市交通发展水平有待进一步提高。通过研究可知，本文所提出的四种关键技术恰好适用于厦门市，因而最终选取厦门市作为研究成果的应用城市进行研究。

从交叉口、干线、区域各个不同的角度确定厦门市不同干线协调控制目标、交叉口协调关联度，并采用硬件在环技术，对协调控制算法的效果进行测试与评估。通过交通状态信息一体化感知与交互技术的综合运用，实现各系统间的数据、功能互联互通，对城市公交优先的发展起到了显著的推动作用。主要解决方案及效果如下：

1.多层次交通组织优化技术应用

结合厦门市示范区域的具体情况及问题，从路网、路段、交叉口多个层面，对湖滨南路-莲前东路试点工程、长安路-鹭江道试点工程，以及仙岳路（含仙岳路）以南、成功大道以西、以北（含成功大道）、鹭江道（湖滨西路）围合的城市区域的交通组织问题进行分析，并提出优化方案。

2.硬件在环仿真技术应用

对西门子、海信、汉世通的三款信号机进行硬件在环仿真实验，结果表明，三款信号机均可通过协议通信及硬件电压检测提取信号机灯态信息。研发出多对一硬件连接适配器，实现了VISSIM仿真软件与信号机之间的通信，使得虚拟公交检测器能够触发信号机公交优先策略，仿真软件的虚拟交通流能够接收到信号机公交优先策略的控制，保证硬件在环仿真的正确运行[3]。通过各个模块之间的通信连接，研发出信号机与VISSIM仿真软件的联网仿真系统。

3.交通状态信息一体化感知与交互技术应用

基于交通状态信息一体化感知与交互技术，可对线圈、视频、射频识别、浮动车及地磁等地基型与车基型交通信息进行一体化采集、融合校验与集成，实现海量、多源、异构信息的多维采集与处理。全天候交通状态判别准确率大于等于90%，特征指标获取周期小于等于5min，交通流量或速度短时预测精度大于等于85%；溢流等过饱和状态识别时间小于等于2 min、误判率小于等于10%。

通过上述三种技术的综合应用，最终在一定程度上提高了公交出行信息服务水平，通过手机APP的使用，提升了厦门市交通智能化管控水平，提高公众出行满意度，并对我国其他类似城市的交通管理产生了一定的示范效应。

发展方向与未来展望

1.无人驾驶

无人驾驶将是未来改善城市交通安全，解决城市交通拥堵的关键技术。无人驾驶及汽车网联技术可实现车-路-云的有机协同，无人驾驶车辆通过自身的通讯系统，将车辆运行数据发送至云平台控制中心。控制中心集中分析、处理区域内所有车辆的运行数据，为车辆规划行驶线路，实现整个交通系统的效率最优。无人驾驶汽车在实现大范围应用后，可通过行驶路径优化、规范化行驶、车队行驶等方式有效缓解交通拥堵，同时还能促进节能减排，减少交通污染，推动城市可持续发展。

对公共交通系统而言，随着无人驾驶技术的发展，人们对汽车所有权的关注程度将逐渐降低。当无人驾驶汽车能够高效、便捷地满足消费者的需求时，消费者购买的将不再是汽车本身，而是“出行服务”，汽车共享将大规模普及，汽车将更多地成为“无人驾驶出租车”或“无人驾驶公交车”。此时，汽车的利用率将会大大提高，而全社会拥有的汽车数量将有所下降。由无人驾驶车队组成的公共交通系统将拥有更高的服务水平和运行效率，以及更低的价格。

另一方面，随着无人驾驶的普及，驾驶员的大脑、眼睛和双手得到了解放，汽车可以成为家和办公室以外的第三空间，人们能够在无人驾驶汽车上工作、学习、休闲和娱乐。人们能够接受的通勤距离更长，大大节约了全社会的时间成本，从而进一步提升了无人驾驶公交系统的服务水平。

2．车路协同

车路协同系统基于无线通信、传感器等技术，构建车-路-云信息互联互通，实现车辆与路侧设施之间的智能协同与配合，达到改善道路交通安全、缓解交通拥堵的目的。车路协同具有广泛的应用场景，可应用于信号控制、高速公路管理、运输管理、事故处理、应急管理、不停车收费、出行信息服务、交通信息管理、安全预警、施工预警、道路交通状况提示、匝道控制、专用通道管理、气象服务、营运车辆管理、多式联运、碰撞预警及辅助驾驶等众多领域。

对公共交通系统而言，可建立公交车、路侧设施与其他车辆之间的通信，为公交优先控制提供更加精细化的数据获取手段，可进行公交运行状态与交叉口信号配时的双向优化，实现交叉口信号单点控制和考虑交叉口群绿波协调的公交优先信号优化[4]，从而提升公交优先水平。同时，当路侧设施检测到车辆接近公交站台时，可由路侧设施向车辆发送前方公交车到站提醒、前方公交车离站提醒等，提升交通安全水平。

3．智轨公交

智能轨道快运列车（ART）是新研发的兼具传统地面公交与轨道交通优点的新型公共交通工具。智轨列车的行驶不依赖有形的铁轨，而是基于独创的“虚拟轨道跟随控制”技术，采用智能驾驶技术，利用传感器使车辆准确行驶在“虚拟轨道”上。对厦门市等中等城市而言，有轨电车及地铁建设周期长、投资大，而新型的智轨公交能够弥补轨道交通的这些缺点，一条运营线路的建设周期仅为一年，基础设施建设成本较之有轨电车大大降低，供电方式更为灵活，同时兼具轨道交通无污染、绿色环保的优势。此外，智轨公交可柔性编组，根据客流量需求调节容量，满足中等城市的中运量需求，大大提升城市公交系统的运行效率。

智轨公交可以解决中等城市不宜发展大容量公共交通方式的痛点，既大大提升了传统地面公交的运力，又具备低成本、无污染的优点，提升城市公共交通系统服务水平，是未来大中城市公共交通颇具前景的发展方向。

结论

如何通过科学手段提高城市公交优先发展水平是目前交通领域研究的热点，本文通过将各种先进技术整合应用于城市公交优先系统，可以在一定程度上提升城市公交的管理和服务水平。但是由于政府投入及各个城市的独特交通环境，在具体应用实施时还有很多因素有待考虑。对于未来的城市公共交通发展而言，找到一条适用于大多数城市的通用方法是未来智能交通发展的重点。对于这一点来说，利用无人驾驶、车路协同或智轨公交技术可能是未来城市公共交通发展的一条可行之路。