智慧公交系統(tǒng)構(gòu)建研究*

□ 杜勝品,皮文浩,黃 輝

(武漢科技大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，湖北 武漢 430065)

當(dāng)前，中國城市化進(jìn)程及交通強(qiáng)國戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，使我國城市公共交通取得了飛速發(fā)展。常規(guī)公交作為城市公共交通的主體，汽電車的運營數(shù)量、運營線路長度、公交專用車道里程、客運量規(guī)模等逐年遞增，截至2020年，全國公交汽電車運營數(shù)70.44萬輛，較上年末增長1.6%，運營線路總長度148.21萬公里，較上一年增長10.9%，公交專用車道16551.6公里，較上年末增長10.7%，客運量442.36億人次[1]。伴隨著物聯(lián)網(wǎng)、北斗衛(wèi)星、無線通訊、GIS等新技術(shù)的發(fā)展，智能公交應(yīng)運而生。智能公交提高了公交的運行效率，使公交出行更加便捷可靠，但也衍生了新的問題，如智能公交不能融入整個城市交通發(fā)展規(guī)劃、對公交數(shù)據(jù)僅停留在采集和處理階段等。

隨后，國內(nèi)提出了“智慧交通”理念，即“高效、安全、環(huán)保、舒適、文明”的智慧交通體系[2]。其中，智慧公交系統(tǒng)作為智慧交通體系的重要組成部分，國內(nèi)學(xué)者對此進(jìn)行了研究，范丹陽等把智慧公交系統(tǒng)總體架構(gòu)分為感知層、傳輸層、支撐層、應(yīng)用層、表現(xiàn)層[3]。劉好德等采用要素分類法，建立了涵蓋4大服務(wù)領(lǐng)域、20項用戶服務(wù)、52項子服務(wù)的新一代APTS用戶服務(wù)體系[4]。歐洲在20世紀(jì)90年代就開始推進(jìn)城市公交系統(tǒng)創(chuàng)新發(fā)展，連續(xù)推進(jìn)歐洲未來公交系統(tǒng)、智能創(chuàng)新集成公交系統(tǒng)和第二代歐洲未來公交系統(tǒng)等項目[5-7]，不斷更新智能公交體系。

智慧公交系統(tǒng)通過最新的信息采集技術(shù)獲取公交數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)挖掘?qū)粩?shù)據(jù)進(jìn)行分析，合理地調(diào)度公交車輛，優(yōu)化公交線網(wǎng)，為乘客提供個性化服務(wù)，提高公交系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量，吸引更多出行者選擇公交出行，不僅可以緩解城市交通壓力，還能減少環(huán)境污染和交通事故，有助于實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)和構(gòu)建資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會；并且智慧公交系統(tǒng)建立一體化管理系統(tǒng)，還能為管理者提供最優(yōu)的管理方案，極大提高公交系統(tǒng)的運輸效率和經(jīng)濟(jì)效益，而且還能提升人民群眾生活品質(zhì)和提高政府基本公共服務(wù)水平。因此，發(fā)展建設(shè)智慧公交系統(tǒng)勢在必行。

1 智慧公交系統(tǒng)的功能需求分析

公交系統(tǒng)不僅要為乘客提供安全、舒適、文明的乘車環(huán)境、實時信息服務(wù)，還應(yīng)該能夠進(jìn)行個性化出行定制，提高公交出行的吸引力，同時為管理者提供方便，保障公交系統(tǒng)高效運輸，為社會環(huán)保做出貢獻(xiàn)。研究表明[8-10]我國城市公交系統(tǒng)仍然存在不足，不能很好地滿足乘客、管理者的需求，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

①缺乏對公交系統(tǒng)的全面、及時的信息采集，如交通狀況、車輛運行速度和駕駛員的操作等；

②乘客在公交站臺候車時不能獲取到準(zhǔn)確、有效的公交信息，不便于那些不趕時間的乘客找到最舒適的公交線路；

③公交線路固定，缺乏需求響應(yīng)公交線路；

④公交車專用道路權(quán)不能得到保證，社會車輛違規(guī)占用公交專用道的現(xiàn)象較嚴(yán)重；

⑤公交智能調(diào)度車輛方法單一，沒有實質(zhì)提高公交系統(tǒng)運行效率；

⑥公交線網(wǎng)較固定，對于一些需要改善的線網(wǎng)不能及時優(yōu)化；

⑦公交應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)不完善，在處理突發(fā)事件和大客流事件時不夠及時有效，基本沒有處理公共衛(wèi)生安全事件的能力。

智慧公交系統(tǒng)要解決公交現(xiàn)狀的諸多問題，還要進(jìn)一步全方位地滿足使用者出行、管理者運營管理的需求，同時吸引乘客，緩解交通問題，為社會可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)，必須具備以下功能：

①交通信息采集。通過車載和智慧公交路側(cè)設(shè)施等采集交通信息，不僅能應(yīng)用到企業(yè)管理和乘客的信息服務(wù)，還能用于智慧交通各子系統(tǒng)。

②實時精準(zhǔn)信息服務(wù)。通過手機(jī)和智慧公交站牌對公交信息(如到站時間、車內(nèi)擁擠度)進(jìn)行發(fā)布，便于乘客根據(jù)到站時間和擁擠度選擇出發(fā)時間和公交班次，提高乘客候車體驗感和公交車輛舒適度。

③個性化出行。乘客通過智慧公交站牌、手機(jī)等進(jìn)行人機(jī)交互，預(yù)約出行信息，智慧公交系統(tǒng)提供給乘客更優(yōu)的出行線路。

④公交專用道管控。對公交專用道進(jìn)行全程全天候監(jiān)控，對違規(guī)占用公交車專用道車輛進(jìn)行抓拍，保證公交車在公交專用道上暢通行駛。

⑤智慧調(diào)度。通過實時采集的客流信息、車輛位置信息、交通運行狀態(tài)等，對公交車輛進(jìn)行實時監(jiān)控、調(diào)度指揮，為公交企業(yè)的運行提供智慧化管理，從而使公交車輛高效、平穩(wěn)運行，提高企業(yè)運營效益和公交系統(tǒng)的服務(wù)水平。

⑥線網(wǎng)優(yōu)化。綜合考慮出行者、運營者、管理者對公交系統(tǒng)的需求，對公交線網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化，使公交系統(tǒng)平穩(wěn)高效運行，提高公交車的吸引力、承載力、運營效率和服務(wù)水平。

⑦應(yīng)急響應(yīng)。在發(fā)生交通事故時，對現(xiàn)場信息快速有效整合和分析，并運用制定好的應(yīng)急預(yù)案，結(jié)合實際情況，迅速做出公交突發(fā)事件的指揮調(diào)度，實現(xiàn)科學(xué)決策和高效處置。在遇到公共衛(wèi)生事件時，推出定制公交服務(wù)，最大程度減少疫情交叉感染，滿足通勤需求。實時監(jiān)測客流，發(fā)現(xiàn)異常情況快速高效疏散大客流，保障交通系統(tǒng)平穩(wěn)運行。

2 智慧公交系統(tǒng)的總體設(shè)計

智慧公交系統(tǒng)的最終目標(biāo)是建立乘客、運營、社會多方共贏的可持續(xù)發(fā)展的系統(tǒng)，從本質(zhì)上提高城市公交系統(tǒng)社會效益、運行效率和服務(wù)水平。城市智慧公交系統(tǒng)的基本框架設(shè)計擬包括三個層次：系統(tǒng)層、子系統(tǒng)層和功能層，其中系統(tǒng)層分為智慧公交車輛、智慧路側(cè)設(shè)施和智慧云中心三個子系統(tǒng)，形成的智慧公交系統(tǒng)的總體構(gòu)成如圖1所示。

圖1 智慧公交系統(tǒng)組成

2.1 智慧公交車輛

智慧公交車輛集自動報站、自動收費、自動乘客計數(shù)、報警、車內(nèi)監(jiān)控、車況信息采集、輔助安全駕駛、智慧調(diào)度、應(yīng)急響應(yīng)和提供娛樂節(jié)目等功能于一體，分為采集系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、服務(wù)系統(tǒng)和聯(lián)動系統(tǒng)，可采用最先進(jìn)的新能源車輛，是智慧公交系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)。

2.1.1 采集系統(tǒng)

采集系統(tǒng)主要采集乘客的出行數(shù)據(jù)、車內(nèi)信息、車況信息等。通過IC卡、NFC及二維碼等收集乘客的出行時間、出行距離、斷面客流等數(shù)據(jù)；通過車內(nèi)視頻監(jiān)控記錄乘客的乘車行為及體貌特征；運營車輛的即時速度、油耗和里程數(shù)等數(shù)據(jù)可以作為優(yōu)化公交線路的基礎(chǔ)。

2.1.2 安全系統(tǒng)

安全系統(tǒng)主要輔助司機(jī)駕駛，提高駕駛安全性，保障車內(nèi)乘客安全，具有報警、違規(guī)抓拍等功能。車輛上安裝防疲勞ADAS、DSM、AEB系統(tǒng)、360后視鏡、主動預(yù)警防偏離等輔助自動駕駛系統(tǒng)，減輕司機(jī)駕駛疲勞；當(dāng)車輛遇到特殊狀況如劫匪、乘客突發(fā)疾病和交通事故等時，車輛啟動報警系統(tǒng)，并將信息傳遞至智慧應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)，及時解決突發(fā)情況。

2.1.3 服務(wù)系統(tǒng)

服務(wù)系統(tǒng)為乘客提供服務(wù)，具有自動報站、為乘客提供娛樂節(jié)目等功能。當(dāng)公交車載GPS感應(yīng)到提前設(shè)定好的位置時，公交車輛觸發(fā)語音播報功能，并將到站信息發(fā)送到車內(nèi)顯示屏、智慧公交電子站牌及智慧云中心；車內(nèi)顯示器可以為乘客提供娛樂視頻，豐富乘客出行體驗。

2.1.4 聯(lián)動系統(tǒng)

聯(lián)動系統(tǒng)是與智慧公交站牌聯(lián)動，通過智慧公交站牌反饋的該公交線路乘客的目的地及站臺等信息在車輛LED顯示器上顯示并提供語音提示，供駕駛員參考，可以減少頻繁啟動停車造成的能源消耗及環(huán)境污染，還可以增加乘客的舒適度和公交運行效率。

2.2 智慧路側(cè)設(shè)施

智慧路側(cè)設(shè)施由車站交互系統(tǒng)和公交優(yōu)先管控系統(tǒng)組成，與智慧公交車輛和智慧云中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，為乘客提供更好的出行服務(wù)和保障智慧公交車輛路權(quán)。

2.2.1 車站交互系統(tǒng)

車站交互系統(tǒng)主要是智慧公交站牌，而智慧公交站牌集計算機(jī)技術(shù)、電子通訊技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)、GPS、監(jiān)控調(diào)度技術(shù)、電子地圖與現(xiàn)代控制技術(shù)于一體。智慧公交站牌不僅顯示該站公交線路上每臺運營車輛的實時位置、擁擠狀況、達(dá)到時間、改道信息等，還提供日期、天氣、新聞等，為乘客提供有效的車輛信息，提高乘客出行舒適度。同時，在智慧公交站牌上加入可交互式的觸屏系統(tǒng)，乘客可以輸入自己的目的車站，這使得公交系統(tǒng)智慧云中心可以知道每個站點的乘車需求，及時調(diào)度車輛，減少擁堵，提高服務(wù)質(zhì)量，并且公交系統(tǒng)智慧云中心還可以根據(jù)乘客輸入的目的地，提供更優(yōu)的出行路線供乘客選擇。

2.2.2 公交優(yōu)先管控系統(tǒng)

公交優(yōu)先管控系統(tǒng)包括智慧公交專用道管控系統(tǒng)、公交信號優(yōu)先系統(tǒng)和信息發(fā)布系統(tǒng)[11]。在道路上設(shè)置公交專用道并對公交專用道進(jìn)行全程全天候監(jiān)控，對違規(guī)占用公交車專用道車輛進(jìn)行抓拍，優(yōu)先給公交車相位，并通過信息發(fā)布系統(tǒng)將公交專用道啟用情況提前告知駕駛員，保證公交車高效暢通行駛。

智慧公交專用道管控系統(tǒng)就是通過固定式電子警察配合智慧公交車載電子警察對違規(guī)車輛進(jìn)行抓拍，保證智慧公交車輛的路權(quán)。

公交信號優(yōu)先系統(tǒng)采用被動優(yōu)先控制和主動優(yōu)先控制協(xié)調(diào)對公交車輛進(jìn)行控制。在公交車輛發(fā)車頻率高、交通量小和乘客出行需求穩(wěn)定的線路，采取被動優(yōu)先控制。在常規(guī)路段可以通過實時上傳公交車輛位置和速度，結(jié)合道路交通運行狀況和交叉口信號控制方案，實現(xiàn)公交信號主動優(yōu)先與自適應(yīng)綠波協(xié)調(diào)控制。

信息發(fā)布系統(tǒng)是用來提前告知駕駛員公交專用道是否啟用，使駕駛員更好地選擇行車路線。在發(fā)生突發(fā)情況時，臨時啟用LED顯示屏還能更新最新路況信息，為救援車輛開通綠色通道。

2.3 智慧云中心

智慧云中心對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、存儲和分析，實現(xiàn)智慧調(diào)度、線網(wǎng)優(yōu)化和應(yīng)急管理，使智慧公交系統(tǒng)高效平穩(wěn)運行。

2.3.1 公交數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)

公交數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)是各類公交數(shù)據(jù)的接口，用來收集、存儲、分析公交車運營數(shù)據(jù)、公交車管理數(shù)據(jù)、客流數(shù)據(jù)、站點數(shù)據(jù)、公交線網(wǎng)數(shù)據(jù)、道路交通運行狀態(tài)數(shù)據(jù)等，滿足智慧公交系統(tǒng)日常運行需求。公交數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)是智慧云中心的“大腦”，通過對公交數(shù)據(jù)的挖掘，使智慧云中心的其他系統(tǒng)高效運行。

2.3.2 智慧調(diào)度系統(tǒng)

智慧調(diào)度系統(tǒng)包括靜態(tài)調(diào)度和動態(tài)調(diào)度。靜態(tài)調(diào)度是公交企業(yè)以客流規(guī)律、線路運行條件、公交企業(yè)運輸能力以及公交企業(yè)的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益為指標(biāo)形成的公交時刻表。為了適應(yīng)公交線路上客流的實時變化，對公交線路各站點實時客流進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，結(jié)合線路歷史客流情況，實現(xiàn)區(qū)間車、大站快車和全程車的合理動態(tài)調(diào)度，形成了固定線路的動態(tài)調(diào)度。進(jìn)一步根據(jù)乘客預(yù)約的起訖點和車輛位置，計算最短路徑作為公交運營成本，再根據(jù)乘客出發(fā)時間、等車時間和乘車時間計算乘客出行成本，平衡公交運營成本和乘客出行成本以達(dá)到總成本最小，進(jìn)行靈活線路動態(tài)調(diào)度，提高乘客舒適度的同時，滿足乘客直達(dá)需求，減少乘客換乘次數(shù)和公交公司運營成本。智慧調(diào)度系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 智慧調(diào)度系統(tǒng)

2.3.3 線網(wǎng)優(yōu)化系統(tǒng)

通過大數(shù)據(jù)平臺的人口、職住、出行特征等數(shù)據(jù)，依托交通模型，對客流需求、可達(dá)性、運行速度、滿載率、高平峰運力匹配等進(jìn)行分析，自動識別需優(yōu)化線路，采用調(diào)控策略庫中的線網(wǎng)優(yōu)化方法，對線網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化并對優(yōu)化后的效果進(jìn)行評估分析，構(gòu)建“分析指標(biāo)-線網(wǎng)優(yōu)化-動態(tài)評估”的動態(tài)閉環(huán)公交線網(wǎng)優(yōu)化新模式，優(yōu)化公交資源調(diào)配[12]。線網(wǎng)優(yōu)化系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 線網(wǎng)優(yōu)化系統(tǒng)

2.3.4 應(yīng)急管理系統(tǒng)

應(yīng)急管理系統(tǒng)在三方面發(fā)揮作用，第一方面是通過對道路上的事件進(jìn)行監(jiān)測監(jiān)控和人工報警發(fā)現(xiàn)交通異常現(xiàn)象，對現(xiàn)場信息進(jìn)行快速有效的整合和分析，判斷交通突發(fā)事件發(fā)生類別，并運用制定好的應(yīng)急預(yù)案，結(jié)合實際情況，迅速做出公交突發(fā)事件的指揮調(diào)度，實現(xiàn)科學(xué)決策和高效處置，最后對應(yīng)急事件進(jìn)行總結(jié)，優(yōu)化應(yīng)急預(yù)案[13]。第二方面是在發(fā)生公共衛(wèi)生安全事件時，通過健康碼、車輛消毒碼和乘車碼等掃碼乘車，保障公共安全環(huán)境及乘客的軌跡追蹤，并開通公交線路，避開疫情區(qū)域，為乘客出行、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供有力保障。第三方面是在遇到重大活動、節(jié)假日、景區(qū)等時，對客流進(jìn)行監(jiān)測，分析區(qū)域周邊運力情況，與智慧交通中其他系統(tǒng)如地鐵、出租車、網(wǎng)約車等協(xié)同疏解大客流。

4 智慧公交系統(tǒng)的實施路徑

智慧公交系統(tǒng)的實現(xiàn)，需要在現(xiàn)有公交系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，從以下五個路徑實施。

①政策保障。政府要確保發(fā)展智慧公交系統(tǒng)戰(zhàn)略地位，實質(zhì)有效推動公交優(yōu)先戰(zhàn)略法制保障和公交優(yōu)先管控等，對應(yīng)急管理系統(tǒng)優(yōu)先資源傾斜，為智慧公交系統(tǒng)順利發(fā)展提供保障。

②合作共享。加大互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)和公交企業(yè)合作?；ヂ?lián)網(wǎng)企業(yè)從管理、決策、運營等角度創(chuàng)新數(shù)據(jù)采集模式，再將更先進(jìn)的技術(shù)和算法在公交市場中加以實踐和應(yīng)用，同時利用實踐中得到的數(shù)據(jù)檢驗、提高互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)技術(shù)方法。

③理論創(chuàng)新。高校、科研機(jī)構(gòu)和規(guī)劃院等加強(qiáng)智慧調(diào)度、動態(tài)線網(wǎng)優(yōu)化、應(yīng)急響應(yīng)和公交優(yōu)先等方面的理論研究。在智慧調(diào)度方面，不斷優(yōu)化靜態(tài)調(diào)度模型，不斷創(chuàng)新動態(tài)調(diào)度理論方法。在動態(tài)線網(wǎng)優(yōu)化方面，豐富選取指標(biāo)和調(diào)控策略庫，完善動態(tài)閉環(huán)公交線網(wǎng)優(yōu)化模式。在應(yīng)急響應(yīng)方面，完善應(yīng)急處理機(jī)制，創(chuàng)新智慧公交系統(tǒng)解決公共衛(wèi)生事件的方法，優(yōu)化智慧公交系統(tǒng)與其他交通方式協(xié)同疏解大客流模式。在公交優(yōu)先理論方面，不斷創(chuàng)新公交專用道和公交專用路等相關(guān)理論。通過智慧公交系統(tǒng)的理論方法創(chuàng)新，為智慧公交系統(tǒng)建設(shè)提供更好的理論支持。

④加快建設(shè)。開發(fā)智慧公交系統(tǒng)設(shè)施，加快智慧路側(cè)設(shè)施建設(shè)，其中包括加大智慧公交車輛比例，對于公交站點進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，加快公交專用道建設(shè)，完善公交優(yōu)先管控系統(tǒng)，為智慧公交系統(tǒng)運營提供基礎(chǔ)。

⑤運營管理。公交企業(yè)需要學(xué)以致用，技術(shù)共享，將新的管理理念、技術(shù)用于智慧公交系統(tǒng)，并出臺相關(guān)管理辦法，讓智慧公交系統(tǒng)運營有章可循。

5 結(jié)束語

智慧公交系統(tǒng)是城市智慧交通的重要組成部分。智慧公交系統(tǒng)的不斷優(yōu)化和改進(jìn)，有助于實現(xiàn)“碳中和、碳達(dá)峰”的目標(biāo)。本文以智慧交通為理念，立足于公交系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀和功能需求，設(shè)計了智慧公交系統(tǒng)的總體框架及系統(tǒng)各組成部分的功能，為城市發(fā)展智慧公交系統(tǒng)提供了理論支持，智慧公交系統(tǒng)實施路徑的提出使智慧公交系統(tǒng)的建設(shè)發(fā)展可行，為城市交通問題提供了解決方案。