淺談公交應用中的車聯網技術

□ 文/范全放

淺談公交應用中的車聯網技術

□ 文/范全放

車聯網是物聯網技術在智能交通領域的應用,借助無線通信和GPS衛星導航技術,通過車載設備、呼叫中心、手機客戶端、PC客戶端等多種服務界面給車輛駕乘人員、車輛運營企業、政府監管部門提供導航、安全、信息、娛樂、監控等多種服務,而實現更智能、安全的駕駛。車聯網的核心技術包括物理感知，網絡互聯和智能處理，通過各類傳感器技術收集自身狀態和環境信息，然后通過通信技術將信息發送給附近車輛、路側設備或者數據中心等有需要的地方，并接受相關資訊服務。車聯網集傳感技術、通信技術、計算機技術、智能控制技術于一體，中控對車聯網技術的開發研究主要集中在通信技術與車輛定位技術的應用上。

車聯網中的通信包括人、車、路以及交通指揮中心之間的通信。人車通信可以通過語音、視頻、圖像和文字等交互手段實現，是人與車聯網之間的主要信息交互接口。車車通信是指車輛與臨近車輛之間的通信，車路通信是指車輛和路側基礎設施之間的通信，這兩種模式的通信方式類似，主要通過Wi-Fi、RFID和DSRC等技術實現。車與交通指揮中心的通信主要采用3G/4G等移動通信技術，某些應用場合還可以使用廣播技術。上述類別中，車路通信是目前車聯網技術關注的重點和熱點。Wi-Fi技術由于需要連接和認證的過程，建立通信的時間過長，不適合行車環境下的應用；基于RFID技術通信數據傳輸速率較小，且通信距離短；DSRC技術可以提供高速移動下大數據量雙向快速接入服務，是非常適合車聯網應用的通信技術，目前已得到廣泛的關注。

常用的車輛定位技術有GPS定位、“線圈/應答器”定位、光學信標定位等，其中以GPS定位技術應用范圍最廣，線圈/應答器定位技術和光學信標定位技術一般只用于公交車輛的定位。GPS可實現實時定位，并且定位精度可以達到5～10米左右，是現在的主流定位技術。在GPS定位的基礎上，采用AGPS、DGPS等校正技術，定位精度最高可以達到1米，可以滿足對車輛位置有精確要求如違章變道檢測等的交通服務應用。

城市污染、交通擁堵、人口過密、中心區過度膨脹，這些是目前我國大部分城市發展本身所暴露出的主要矛盾。近年來，世界各國開始認識到公共交通的優越性，把公交優先作為解決城市交通問題的重要手段。優先發展公共交通是實現國家能源戰略的必然要求，是實施國家環境保護基本國策的重要內容。實現城市公交系統更加科學和精細化管理，提升公交體系服務質量，完善公交信息服務等，也日益受到交通管理部門和公交運營公司的重視。

對于公交運營公司，需要對車輛日常行駛進行實時監控，確保行車安全，并在車輛出現故障時能及時獲得報警提醒以及當前車輛位置。公交運營公司需要對線路效益進行評估，需要根據不同線路、不同時段的載客率確定更加合理的公交線路以及發車密度。此外公交公司還需要獲知公交車輛實時位置信息以及路況信息，以便通知司機控制車輛之間的間距或者調整發車班次，也便于在特殊情況下變更線路。而對于公交出行者，需要更加準確的車輛到站信息，以減少等車時間，需要更加精確的車輛行駛時間，以合理安排出行時間，需要相對舒適的乘車空間，以減少乘車疲倦保障財物安全。

本文的研究目的是借助車聯網技術，收集公交車輛狀態信息、乘客數量信息以及當前車輛位置信息，并通過對車聯網數據的感知和處理，針對公交服務的兩大核心內容——公交信號優先和公交出行服務，提出可行的應用解決方案。通過評估車輛安全性、制定更加合理的公交線路及發車密度，并通過交通信號燈控制技術保障車輛的準點率，提升公交車到站準時性、到站信息的準確性和搭乘舒適性等。

中控DSRC技術特點

中控信息公司從2012年開始研發基于IEEE 802.11標準的DSRC通信技術，目前已研制出車載設備（OBU）和路側設備（RSU）通信樣機，見圖1。其中DCSR通信方案是基于現有802.11標準的無線設備進行軟件升級和開發實現，力求無連接快速響應、數據傳輸速率大、通信雙向性和兼容wifi等特點。

▲圖1 中控開發的DSRC技術，車載單元（左）及路側單元（右）

基于DSRC技術的車載和路側設備在中控科技園的試驗車道上進行了無線通信功能性驗證和小規模的系統測試，表1給出了中控DSRC車載和路側通信通信設備的無線通信測試結果。

表1 中控DSRC性能測試結果

上述性能指標結果表明，中控自主開發的DSRC技術可以較好地滿足城市交通應用的快速接入通訊需求。下文討論基于DSRC技術的中控車聯網在公交信號優先和公交出行服務中的應用。

基于車聯網技術的公交信號優先

交通擁塞和交通信號成為公交服務延誤的主要原因并且因此而增加其運營成本。總體來說，信號優先權成為改進公交運營及服務質量的可靠方法。公交信號優先技術包括車輛檢測定位技術、優先級策略以及交通信號控制器相位調整方式。

早期交通信號系統能力有限，導致簡化的公交信號優先策略，例如，簡單調整或延長綠相位。近來，隨著ITS領域的進展在交通信號系統中產生對運輸優先權新的支持能力包括智能公交，檢測，通訊，控制硬件，優化算法和仿真模型。在更為先進的公交信號優先形式中，可以連續監視每輛接近路口的公交車并根據需要（例如，按照延誤程度）賦予不同程度的優先權。對公交車的監視可通過自動車輛定位系統實現，這可以方便為針對諸如誤點的特定公交車組實施優先策略。優先策略可以改變適合公交優先的車輛數以及優先程度，從而在降低公交延誤，提高規律性和減少對其他交通的影響方面獲得總經濟效益。

公交優先權的方法

公交優先有很多不同方法，可以分為：基于路段的物理措施和基于路口的措施，以及二者綜合的措施。基于路段的措施包括公交車道和公交車專用道。基于路口的措施有很多，例如避免公交車轉向限制，或以技術導向的公交優先信號自適應控制。交通信號優先是城市地區公交優先措施的重要形式。許多信號優先權的策略可以歸納為被動優先，主動優先和綜合優先方式。

被動優先是根據事先確定的車輛到達時間和地點估算設置信號燈配時，使車輛到達路口時恰為綠燈的方式，這種方式要求車輛到達時間固定，這只能在路況穩定，車速變化不大的路段進行實施。主動優先是車輛在即將達到路口時向路口信號控制器發出優先請求，然后信號控制器根據車輛延時情況給予信號優先的方式，這種方式對公交優先通行比較有利，但是對其他社會車輛的通行有一定影響。綜合的信號優先例如使用公交車道與公交車優先排隊的預備信號使公交車實現優先通過路口而又減少對其他車輛的影響。

自適應優先策略比較靈活，也需要更多的路口信息，比較常見的主要有兩種。一種是基于整個路口的人均延時大小改變信號燈的周期等參數，減少人均等待時間。另一種是基于路段車隊長度控制信號燈狀態，保障路口整體交通通行效率。自適應優先既有利于公交優先的實施，也減少對社會車輛通行效率的影響，是目前公交優先策略的主要研究方向。

中控公交優先算法及實現

在一定的公交優先策略下，交通信號相位控制是實現公交優先的主要手段。公交優先信號相位控制方式有相位延展回調法、滾動水平線法、相位重排法、相位跳過法以及公交綠波帶。選擇合適的相位調整方式，可以減少對其它社會車輛通行效率的影響，有利于提高道路交通整體運行效率。

中控公交優先系統采用車路協同的公交優先算法。公交車通過車載DSRC模塊與路側單元直接進行協同通信，然后通過與路側單元相連的路口信號控制機實現公交優先策略，并通過相位控制使信號燈快速響應公交車的優先通行要求。圖2為在中控科技園進行的公交信號優先試驗。

中控公交優先系統提出了一種實時自適應公交優先策略，在路口信號控制中，既考慮公交優先的問題，又兼顧了普通交通流的利益，并且對公交車輛也依據乘客數量以及班次運行表執行情況賦予不同的優先權。當引入中控公交優先系統后，假設公交車在車路協同中的時間-位置（通過GPS）是已知的，載客數也可通過DSRC通訊獲得，如果載客數未知，那么也可包括一套預估算法來估算乘客數。通過這種方法，公交車被授予權重，并且在以下情況增減（1）一定的載客數（2）公交車延誤程度。

在中控公交優先系統中，每輛車是相同對待的。也就是他們都有同樣的加權。從而，中控公交優先系統對具有更多“延誤”的運動給予綠相位。在這里延誤取決于需要這種運動的車輛數以及這些車輛的排隊時間。在中控公交優先系統算法中，公交車也給予同樣的權重，無論其有多少乘客或者是否晚點。而在另一方面，既然中控公交優先系統算法對每輛車賦予權重，那么對每輛公交車按照乘客數和晚點的程度給予不同的權重也就不難。

這樣做的好處是：①只對延誤的公交車提供優先，降低公交優先的車輛數以提高優先級，并降低對其他交通的影響；②極大的改善公交服務的規律化從而減少乘客等待時間。

▲圖2 中控公交信號優先試驗，信號燈（左），信號控制機（中）及路側通信單元（右）

基于車聯網技術的公交出行服務

公交服務水平是影響人們選擇公交出行的主要因素。更加完善的出行服務有利于提高公交出行的吸引力，從而減少社會車輛的使用率，減輕道路交通壓力。公交出行服務主要體現在公交覆蓋性和乘車舒適性兩方面。

公交覆蓋性包括空間覆蓋性、時間覆蓋性、運力覆蓋性以及信息覆蓋性。更多的公交站點，更合理的線路選擇使乘客走更少的路，到達更遠的地方是空間覆蓋性的體現，也是影響人們選擇公交出行最重要的因素。適當提高發車密度，并通過車輛定位系統保證一定的車間時距可以提高出行時間選擇的靈活性，減少等待時間。增加出行高峰時段運力，增加主干線路運力有利于提高出行者流動速度。出行信息覆蓋性是公交出行服務最直觀地體現。對于出行者而言，需要知道從出發地到目的地的公交線路選擇，相應車輛到站的準確時間，旅途上所需的大致時間，以及班次實時空間分布，這些信息需要數據中心及時更正發布，也需要高效的公交信號優先技術來保障車輛到達的準點率。

乘車舒適性體現在車內環境、行車速度、班次可靠性這三方面。車廂擁擠會大大降低公交出行的吸引力，同時還會增加犯罪率。急停急行容易誘發交通事故，也導致部分人暈車，所以保障行車速度的均勻既有利于行車安全，又有利于挺高乘坐舒適性。班次可靠是公交出行者最主要的訴求，這需要公交中心的調配，需要公交優先系統的保障。

目前公交出行者關心的信息主要有可選擇的公交線路有哪些、下個班次的當前位置、到達時間、擁擠程度等。公交站臺指示牌和智能手機是這些信息比較好的發布手段。

在公交車和停靠站分別部署車載和路側設備，并在公交線路沿線中繼傳送這種DSRC通訊。公交車與公交站臺之間可以進行無線數據通信。例如，根據GPS虛擬線圈的功能，公交車會在進站前或離站后，計算和更新一系列數據，包括當前位置信息、到達各站時間，車內擁擠程度等，公交調度中心會匯集這些信息，計算并調整運行班次。

中控DSRC技術由于和標準WiFi設備兼容，安裝在停靠站附近的路側設備很容易和站臺候車乘客的智能終端設備進行連接和交互，使其以最低成本獲得大量信息，例如能夠感知各車站的候車人群數量及目的地。候車者也可以通過智能終端獲取公交線路實時運行情況，例如下一班次及后續班次的位置及到站時間，車內視頻圖像等。

公交車站除部署路側DSRC設備外，還可以部署視頻檢測器感知候車人群。這些站點通過與停靠的公交車交換信息，更新本站候車乘客的相關信息，例如公交車可以從停靠站獲得等待人數（候車區圖像），搭乘需求等信息，通過車載設備傳回調度中心。

公交出行者可以在公交車站通過智能終端的WiFi通信查詢公交車班車及擁擠度信息，通過這種交互也使公交站的路側設備獲得特定線路的搭乘需求（人數，目的地）。隨著泛在計算技術的發展，可佩戴智能終端將變得普及，人機交互也將更加智能。這些智能終端都具備GPS定位及WiFi通信功能，可以方便地與路側設備進行通信和信息交換。圖3為中控車聯網智能公交站信息發布圖例。

▲圖3 公交信息發布

結束語

隨著無線通信技術的不斷發展，以DSRC為代表的車聯網技術在公交服務中有著廣泛的應用需求和巨大的發展前景。DSRC與Wi-Fi、4G等技術互為補充，除了本文提到的一些應用之外，這些技術未來還將為交通出行者和管理者創造更多的應用機會和價值，為改善城市交通狀況做出重要貢獻。

作者單位：浙江浙大中控信息技術有限公司