林祥興夏曉敬馬威王月紅

引言

隨著城市經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，城市交通擁堵、環(huán)境污染等問題普遍存在，且日趨嚴重，成為制約城市可持續(xù)發(fā)展，影響城市人居環(huán)境的重要因素。調整交通結構，實現(xiàn)公交優(yōu)先，提高城市交通集約化程度是全社會的共識。為此，許多城市開辟了公交專用道，為公交優(yōu)先提供路權保障，收到了很好的效果。但是由于城市道路資源有限，難以兼顧公交與社會車輛的道路需求，且多數(shù)建成區(qū)路網(wǎng)格局已基本成型，具備開辟公交專用道條件的道路十分有限，公交專用道建設難以實施，根本無法聯(lián)片成網(wǎng)。如何破解困局，切實落實公交優(yōu)先政策，是社會普遍關注的熱點，也是本課題研究的重點。本文提出運用大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術，采取交通組織與信號協(xié)同、硬件在環(huán)仿真與策略評估、智能感知與信息誘導、智能聯(lián)網(wǎng)聯(lián)控等技術手段，實現(xiàn)在現(xiàn)有路網(wǎng)條件下公交路權的優(yōu)先，并在試點路段落地應用。最后提出城市公共交通系統(tǒng)的未來發(fā)展方向與展望。

公交優(yōu)先發(fā)展現(xiàn)狀與問題

隨著城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，交通供需矛盾已引起各級政府及有關部門的高度重視和廣泛關注。進入21世紀以來，國家有關部門先后印發(fā)了《關于優(yōu)先發(fā)展城市公共交通的意見》《城市公共交通“十三五”發(fā)展綱要》《城市公共汽車和電車客運管理規(guī)定》等一系列文件，為國內城市公共交通優(yōu)先發(fā)展戰(zhàn)略提供了政策支持，有力地推動了國內城市公交事業(yè)的發(fā)展[1]。國家統(tǒng)計局公布數(shù)據(jù)顯示，截至2016年底，全國擁有公共汽電車運營線路52789條，運營線路總長度98.12萬公里，其中公交專用車道9777.8公里，BRT線路3433.5公里，全年完成城市客運量1285.15億人[2]。城市公共交通在方便公眾出行、緩解交通擁堵、改善人類居住環(huán)境、促進城市可持續(xù)發(fā)展等方面發(fā)揮了重要作用。然而，從總體上看，目前我國的城市公共交通仍遠遠不能適應經(jīng)濟社會的發(fā)展和人民群眾的出行需求，總體發(fā)展水平呈現(xiàn)滯后的局面，城市公交系統(tǒng)還存在著以下幾個方面的不足。

1.公交服務水平不高，主體地位尚未明確

由于公交線路布設不足、公交服務水平低、公交在城市交通系統(tǒng)中的主體地位尚未明確等原因，目前全國每日僅約有2.5億人次選擇公交出行，多數(shù)城市的公交機動化出行分擔率不足40%。以廈門市為例，目前廈門市公交出行比例超過30%，在國內處于上等水平，但在公交運營速度、舒適度、便捷性、站點覆蓋率等方面仍存在不小的改進空間。

2．基礎設施建設滯后，管理信息化水平低

在我國部分一線城市中，公交基礎設施建設及信息化管理發(fā)展勢頭良好，公交專用道的使用情況及效能發(fā)揮保持穩(wěn)定。但在更多的二、三線中等城市中，公交專用道線網(wǎng)結構單一、有關部門執(zhí)法監(jiān)管力度不足、政府財政和政策扶持力量薄弱，導致公交基礎設施設備投資不足、損壞嚴重且得不到及時維護，這些問題給城市交通分析、狀態(tài)判斷、決策制定和精細化管理造成了困難。

3．公交優(yōu)先法律支持欠缺，配套制度體系不完善

政府部門雖然制定了一些政策性文件，如《建設部關于優(yōu)先發(fā)展城市公共交通的意見》《城市公共汽電車客運管理辦法》和《國務院關于城市優(yōu)先發(fā)展公共交通的指導意見》等，但是還沒有一部可以覆蓋城市公交優(yōu)先發(fā)展的系統(tǒng)性配套制度體系。同時，有關政策不夠細致深入，導致執(zhí)行者無法展開工作，不利于城市公交的健康發(fā)展。

問題研究與技術突破

針對城市公交智能化、信息化水平低、管理手段落后、線網(wǎng)布設不合理及服務水平低等特點，本文提出將多層次交通組織優(yōu)化、硬件在環(huán)仿真、交通狀態(tài)信息一體化感知與交互、智能公交出行信息服務等技術應用于城市公共交通系統(tǒng)，有效促進城市公共交通供給、需求、管理的有機統(tǒng)一。

1．多層次交通組織優(yōu)化技術

對于國內城市現(xiàn)存的路網(wǎng)結構不合理、路網(wǎng)負荷度不均衡、主要路段、節(jié)點高峰期壓力較大及機非混行現(xiàn)象嚴重等問題，利用視頻圖像采集與處理技術、RFID技術等手段，獲取出行分布數(shù)據(jù)。從支撐協(xié)調控制及連續(xù)性誘導的角度出發(fā)，以提高路段通行效率、降低交通流混合性、提升道路綜合功能為出發(fā)點，從交叉口、干線、區(qū)域多個層面進行多層次交通組織優(yōu)化，以提高城市道路路網(wǎng)的承載能力。多層次交通組織優(yōu)化技術體系如圖1所示。

圖1 多層次交通組織優(yōu)化技術體系

2.硬件在環(huán)仿真技術

根據(jù)道路屬性、道路條件、交通環(huán)境及交通狀態(tài)，構建基于硬件在環(huán)仿真技術的聯(lián)網(wǎng)仿真系統(tǒng)。該仿真技術主要用于測試、評估信號機的綜合控制性能?；谟布诃h(huán)仿真技術的需求，直接使用信號機控制仿真交通環(huán)境，通過接口適配器，實現(xiàn)仿真軟件與實體信號機之間的燈態(tài)信息、檢測信息的雙向轉換傳輸?shù)韧ㄐ殴δ?。硬件在環(huán)仿真的技術結構如圖2所示。根據(jù)硬件在環(huán)仿真技術架構，研發(fā)公交優(yōu)先硬件在環(huán)信號機性能測試系統(tǒng)，通過對不同的公交優(yōu)先策略進行在環(huán)仿真，使用仿真軟件輸出的評價結果，對比不同控制策略的優(yōu)劣，選出最適用于所研究環(huán)境狀態(tài)的公交優(yōu)先控制策略。

圖2 硬件在環(huán)仿真技術結構圖

3．交通狀態(tài)信息一體化感知與交互技術

城市路網(wǎng)綜合交通狀態(tài)信息一體化感知與交互技術主要可分為基于多源傳感器的交通參數(shù)采集一體化感知技術和綜合交通信息融合與處理技術兩部分內容，對于這兩部分的研究可依據(jù)圖3所示的思路進行。

為實現(xiàn)交通參數(shù)一體化感知，需從數(shù)據(jù)采集源入手，分析由數(shù)據(jù)獲取參數(shù)的基本特點，進而根據(jù)各類檢測器的具體分布，合理匹配數(shù)據(jù)源，從而得到最佳數(shù)據(jù)集成的數(shù)據(jù)源分配方案。在此前提下，解決如何在現(xiàn)有信息源可靠性的前提下實現(xiàn)多信息數(shù)據(jù)的集成問題，最終為綜合交通參數(shù)一體化采集裝置服務。

圖3 交通狀態(tài)信息一體化感知與交互技術研究架構

城市綜合交通信息融合與信息處理技術主要針對基于多源傳感器的交通參數(shù)采集一體化感知技術輸出的數(shù)據(jù)，對其處理后的數(shù)據(jù)采用動態(tài)貝葉斯理論進行特征級融合，基于卡爾曼濾波法進行短時交通流量預測，并結合多類支持向量機、動態(tài)閾值法研究交通狀態(tài)研判，結合元胞自動機評估出交通擁擠影響范圍，從而實現(xiàn)用戶所需路段交通信息的輸出。

4．智能公交出行信息服務技術

基于手機平臺、無線網(wǎng)絡、地理信息系統(tǒng)（GIS）、北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)或全球定位系統(tǒng)（GPS）等各種技術，搭建手機應用APP。通過手機APP，可以為公眾提供出行、換乘、誘導信息，幫助出行者實現(xiàn)規(guī)劃出行和路徑選擇，避免交通擁堵，節(jié)約出行成本，實現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展。手機終端APP的互動信息服務模塊主要包括電子地圖顯示模塊、站點查詢模塊、線路查詢模塊、公交換乘模塊、移動電子站牌模塊、信息發(fā)布模塊、定制化服務模塊和信息反饋模塊等。

解決方案與示范應用

對公交優(yōu)先關鍵技術的研究成果在廈門市進行示范應用。

廈門市是東南沿海重要的中心城市，隨著經(jīng)濟和社會的快速發(fā)展，其機動車保有量迅速增長，截至2018年4月底，廈門市機動車保有量已超過150萬輛。自2003年以來，廈門市道路建設里程年均增速為8%，而機動車保有量呈年均25%的增長速度，人們對城市交通的需求與日俱增，廈門交通“三難”（行車難、行路難、停車難）問題日益凸顯，孤立的業(yè)務系統(tǒng)以及大量的信息孤島已不能適應城市交通快速發(fā)展的需要，給廈門城市交通運行、管理、服務帶來巨大的壓力。

廈門市交通擁堵的主要特征為通勤時間主要干路嚴重擁堵，部分路網(wǎng)節(jié)點局部擁堵，處于擁堵初級階段。交通擁堵時段及范圍更集中，且未成常態(tài)化狀態(tài)。通過分析可知，造成廈門島內交通擁堵的主要原因為私家車增長速度過快，島內的道路建設有限，導致島內交通供給與需求失衡。需要根據(jù)島內各片區(qū)的特點，制定合理的交通發(fā)展引導政策，調整交通出行結構，交通信息化水平及城市交通發(fā)展水平有待進一步提高。通過研究可知，本文所提出的四種關鍵技術恰好適用于廈門市，因而最終選取廈門市作為研究成果的應用城市進行研究。

從交叉口、干線、區(qū)域各個不同的角度確定廈門市不同干線協(xié)調控制目標、交叉口協(xié)調關聯(lián)度，并采用硬件在環(huán)技術，對協(xié)調控制算法的效果進行測試與評估。通過交通狀態(tài)信息一體化感知與交互技術的綜合運用，實現(xiàn)各系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)、功能互聯(lián)互通，對城市公交優(yōu)先的發(fā)展起到了顯著的推動作用。主要解決方案及效果如下：

1.多層次交通組織優(yōu)化技術應用

結合廈門市示范區(qū)域的具體情況及問題，從路網(wǎng)、路段、交叉口多個層面，對湖濱南路-蓮前東路試點工程、長安路-鷺江道試點工程，以及仙岳路（含仙岳路）以南、成功大道以西、以北（含成功大道）、鷺江道（湖濱西路）圍合的城市區(qū)域的交通組織問題進行分析，并提出優(yōu)化方案。

2.硬件在環(huán)仿真技術應用

對西門子、海信、漢世通的三款信號機進行硬件在環(huán)仿真實驗，結果表明，三款信號機均可通過協(xié)議通信及硬件電壓檢測提取信號機燈態(tài)信息。研發(fā)出多對一硬件連接適配器，實現(xiàn)了VISSIM仿真軟件與信號機之間的通信，使得虛擬公交檢測器能夠觸發(fā)信號機公交優(yōu)先策略，仿真軟件的虛擬交通流能夠接收到信號機公交優(yōu)先策略的控制，保證硬件在環(huán)仿真的正確運行[3]。通過各個模塊之間的通信連接，研發(fā)出信號機與VISSIM仿真軟件的聯(lián)網(wǎng)仿真系統(tǒng)。

3.交通狀態(tài)信息一體化感知與交互技術應用

基于交通狀態(tài)信息一體化感知與交互技術，可對線圈、視頻、射頻識別、浮動車及地磁等地基型與車基型交通信息進行一體化采集、融合校驗與集成，實現(xiàn)海量、多源、異構信息的多維采集與處理。全天候交通狀態(tài)判別準確率大于等于90%，特征指標獲取周期小于等于5min，交通流量或速度短時預測精度大于等于85%；溢流等過飽和狀態(tài)識別時間小于等于2 min、誤判率小于等于10%。

通過上述三種技術的綜合應用，最終在一定程度上提高了公交出行信息服務水平，通過手機APP的使用，提升了廈門市交通智能化管控水平，提高公眾出行滿意度，并對我國其他類似城市的交通管理產(chǎn)生了一定的示范效應。

發(fā)展方向與未來展望

1.無人駕駛

無人駕駛將是未來改善城市交通安全，解決城市交通擁堵的關鍵技術。無人駕駛及汽車網(wǎng)聯(lián)技術可實現(xiàn)車-路-云的有機協(xié)同，無人駕駛車輛通過自身的通訊系統(tǒng)，將車輛運行數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺控制中心?？刂浦行募蟹治觥⑻幚韰^(qū)域內所有車輛的運行數(shù)據(jù)，為車輛規(guī)劃行駛線路，實現(xiàn)整個交通系統(tǒng)的效率最優(yōu)。無人駕駛汽車在實現(xiàn)大范圍應用后，可通過行駛路徑優(yōu)化、規(guī)范化行駛、車隊行駛等方式有效緩解交通擁堵，同時還能促進節(jié)能減排，減少交通污染，推動城市可持續(xù)發(fā)展。

對公共交通系統(tǒng)而言，隨著無人駕駛技術的發(fā)展，人們對汽車所有權的關注程度將逐漸降低。當無人駕駛汽車能夠高效、便捷地滿足消費者的需求時，消費者購買的將不再是汽車本身，而是“出行服務”，汽車共享將大規(guī)模普及，汽車將更多地成為“無人駕駛出租車”或“無人駕駛公交車”。此時，汽車的利用率將會大大提高，而全社會擁有的汽車數(shù)量將有所下降。由無人駕駛車隊組成的公共交通系統(tǒng)將擁有更高的服務水平和運行效率，以及更低的價格。

另一方面，隨著無人駕駛的普及，駕駛員的大腦、眼睛和雙手得到了解放，汽車可以成為家和辦公室以外的第三空間，人們能夠在無人駕駛汽車上工作、學習、休閑和娛樂。人們能夠接受的通勤距離更長，大大節(jié)約了全社會的時間成本，從而進一步提升了無人駕駛公交系統(tǒng)的服務水平。

2．車路協(xié)同

車路協(xié)同系統(tǒng)基于無線通信、傳感器等技術，構建車-路-云信息互聯(lián)互通，實現(xiàn)車輛與路側設施之間的智能協(xié)同與配合，達到改善道路交通安全、緩解交通擁堵的目的。車路協(xié)同具有廣泛的應用場景，可應用于信號控制、高速公路管理、運輸管理、事故處理、應急管理、不停車收費、出行信息服務、交通信息管理、安全預警、施工預警、道路交通狀況提示、匝道控制、專用通道管理、氣象服務、營運車輛管理、多式聯(lián)運、碰撞預警及輔助駕駛等眾多領域。

對公共交通系統(tǒng)而言，可建立公交車、路側設施與其他車輛之間的通信，為公交優(yōu)先控制提供更加精細化的數(shù)據(jù)獲取手段，可進行公交運行狀態(tài)與交叉口信號配時的雙向優(yōu)化，實現(xiàn)交叉口信號單點控制和考慮交叉口群綠波協(xié)調的公交優(yōu)先信號優(yōu)化[4]，從而提升公交優(yōu)先水平。同時，當路側設施檢測到車輛接近公交站臺時，可由路側設施向車輛發(fā)送前方公交車到站提醒、前方公交車離站提醒等，提升交通安全水平。

3．智軌公交

智能軌道快運列車（ART）是新研發(fā)的兼具傳統(tǒng)地面公交與軌道交通優(yōu)點的新型公共交通工具。智軌列車的行駛不依賴有形的鐵軌，而是基于獨創(chuàng)的“虛擬軌道跟隨控制”技術，采用智能駕駛技術，利用傳感器使車輛準確行駛在“虛擬軌道”上。對廈門市等中等城市而言，有軌電車及地鐵建設周期長、投資大，而新型的智軌公交能夠彌補軌道交通的這些缺點，一條運營線路的建設周期僅為一年，基礎設施建設成本較之有軌電車大大降低，供電方式更為靈活，同時兼具軌道交通無污染、綠色環(huán)保的優(yōu)勢。此外，智軌公交可柔性編組，根據(jù)客流量需求調節(jié)容量，滿足中等城市的中運量需求，大大提升城市公交系統(tǒng)的運行效率。

智軌公交可以解決中等城市不宜發(fā)展大容量公共交通方式的痛點，既大大提升了傳統(tǒng)地面公交的運力，又具備低成本、無污染的優(yōu)點，提升城市公共交通系統(tǒng)服務水平，是未來大中城市公共交通頗具前景的發(fā)展方向。

結論

如何通過科學手段提高城市公交優(yōu)先發(fā)展水平是目前交通領域研究的熱點，本文通過將各種先進技術整合應用于城市公交優(yōu)先系統(tǒng)，可以在一定程度上提升城市公交的管理和服務水平。但是由于政府投入及各個城市的獨特交通環(huán)境，在具體應用實施時還有很多因素有待考慮。對于未來的城市公共交通發(fā)展而言，找到一條適用于大多數(shù)城市的通用方法是未來智能交通發(fā)展的重點。對于這一點來說，利用無人駕駛、車路協(xié)同或智軌公交技術可能是未來城市公共交通發(fā)展的一條可行之路。