公交巴士自動靠站裝置研究

王衛軍，劉唐志

（1.重慶交通大學土木建筑學院，重慶　400074；2.重慶交通大學交通運輸學院，重慶　400074）

公交巴士自動靠站裝置研究

王衛軍1，劉唐志2

（1.重慶交通大學土木建筑學院，重慶400074；2.重慶交通大學交通運輸學院，重慶400074）

當前公共交通發展中遇到了一些突出問題，降低了公共交通的吸引力，人、車、路、環境之間的矛盾越來越突出。為了改善公共交通的乘車環境、提高公共交通服務質量、增加公共交通的吸引力、緩解城市交通擁堵，文中針對目前公交巴士車輛進站秩序混亂、準點率低、亂停靠等現狀，提出了由路線軌跡導航和精確定點停車兩大系統組合而成的公交巴士自動靠站裝置，通過對公交巴士行駛路徑的精確規定改善公交巴士的進站秩序和停靠秩序，通過精確定點停車技術提高乘客的上車效率和車輛的運行效率。

公共交通；公交巴士；靠站裝置；磁導航；定點停車；自動駕駛

隨著中國城鎮化建設步伐的加快，人口分布向大中城市聚集，小汽車保有量急速增長，城市交通擁堵加劇，給市民的正常生活帶來極大不便。公交出行理應為居民出行帶來諸多便利，但當前的公交巴士系統存在諸多問題（如發車時間間隔長、行駛速度慢、準點率差、進站秩序混亂等），嚴重降低了其作為公共交通本該對乘客具有的吸引力，致使其在城市居民出行方式中的比重急劇下降，部分大城市的公交巴士出行比重已低于20％，遠低于發達國家的水平。因此，急需提高公交巴士行駛的智能化，進而提高公交巴士運行效率和服務質量。

1　自動靠站裝置的組成和功能

公交巴士靠站裝置是實現車輛到站后自動行駛并精確定點停靠的設備，主要分為路線軌跡導航系統和精確定點停車系統，兩大系統各有其特定的功能，相互緊密合作，共同控制著公交巴士車輛的靠站（見圖1）。

圖1　公交巴士靠站裝置的組成

1.1軌跡導航系統

路線軌跡導航系統主要負責公交巴士行駛軌跡的控制，使公交巴士在規定的范圍內嚴格沿著固定的軌跡行駛，避免其與其他車輛發生路線沖突，提高公交巴士的進站效率。

路線軌跡導航系統的主要功能是實現車輛的橫向控制，通過車載傳感器檢測地面發射器發出的信號并經過車載CPU處理，判斷車輛的行駛狀態，再根據一定的控制模型計算出合理的控制量來控制車輛。車載檢測系統還對車輛控制系統的信號執行情況進行實時檢測，發生調整過大或過小的現象時，還需對信號進行重新檢測處理，使車輛能自動行駛在指定的路線軌跡上。圖2為該系統控制框架。

圖2　軌跡導航系統的控制框架

目前，慣性導航系統、視覺導航系統、磁導航系統、激光導航系統及超聲波導航系統等的技術比較成熟，其中，磁導航系統具有測量精度高、重復性好、可靠性和魯棒性高等優點，同時磁釘一旦埋設好后，維護費用非常低，不易損壞，使用壽命長，受天氣影響程度小。故軌跡導航系統采用磁導航。

1.1.1磁釘

磁釘是安裝在路上并能發射磁場的物體，是整個軌跡導航系統中的信號發射源。為了研究磁釘磁場的分布特性，選用圓柱形磁釘進行建模分析（見圖3）。沿磁釘軸線磁場強度B可用下式計算：

式中：Br為剩磁（k Gs）；d為與磁釘上表面的距離（cm）；l為磁釘長度（cm）；r為磁釘半徑（cm）。

圖3　磁釘模型（單位：cm）

1.1.2磁尺

磁尺由多個磁阻傳感器組成，通過檢測磁釘發出的磁場強度來控制公交巴士的行駛方向。如圖4所示，磁尺總長為100 cm；中間分布著13個磁阻傳感器，每個傳感器間隔5 cm；兩頭分別布設2個磁阻傳感器，間隔10 cm。由于公交巴士在實際運行過程中橫向位移不會過大，100 cm的磁尺長度基本滿足車輛控制的需求。

圖4　磁尺的布置（單位：cm）

1.2精確定點停車系統

精確定點停車系統的主要功能是通過站臺與公交巴士車輛之間的信息交流，確定車輛的行駛狀態，使公交巴士能快速、準確地停靠在公交站臺為其提供的指定區域，避免公交巴士到站后不按規則“見縫插針”停靠的現象；使每輛公交巴士都有自己固定的停靠位子，方便乘客在固定地點候車，減少公交站臺候車人群因公交巴士亂停亂放所引起的不必要的流動現象，使乘客的上下車更方便、安全、高效、快捷，減少乘客上下車的時間損失。該系統主要由車載設備、車站設備等組成。

（1）車載設備。車載系統包括公交巴士超速防護子系統、公交巴士自動控制子系統、公交巴士自動監控子系統，紅外傳感器系統等。公交巴士超速防護子系統具有防止公交巴士在停車過程中速度過快、零速度檢測和車門控制等功能，保證公交巴士在安全速度下運行，使其在符合停靠速度的條件下穩定順暢地靠站。公交巴士自動控制子系統能接受并處理紅外傳感器傳遞過來的信號，并能代替司機智能化地控制車輪的轉速和旋轉角度，使公交巴士能以穩定的速度精確地停靠在指定區域；乘客上車完畢后，該子系統又能以一定的加速度使車輛平穩地駛離停靠站。公交巴士自動監控子系統主要監督車輛的運行狀態和具體操作指令的執行情況，保證整個系統的穩定性；對車輛的行駛安全性進行監控并快速反應，可直接對制動裝置下達緊急制動指令，同時實現車輛與地面總控制中心的信息交流。紅外傳感器主要負責紅外信號的檢測，把光信號轉換成有用的電信號，并同步傳輸給巴士自動控制子系統。該裝置采用TSL256x紅外光強傳感器，該傳感器在紅外檢測方面應用非常廣泛，可自動輸出一個二進制的光強值。

（2）車站設備。主要是紅外線發射裝置。該裝置采用XN830S350紅外激光發射器作為信號發射器，其波長λ=830 nm。因為需要精確定點停車，用車輪的轉角作為公交巴士停靠控制量，所以紅外線發射裝置的安裝位置需經過嚴格計算和實際測量，其安裝見圖5。

圖5　紅外發射裝置安裝示意圖（單位：m）

2　自動靠站裝置的控制策略

2.1公交巴士行駛軌跡控制

公交巴士行駛軌跡控制取決于磁釘的安裝軌跡和磁尺的檢測控制。以港灣式公交停靠站為例，想讓公交巴士安全、高效地按照指定路線進站并到達指定位置，磁釘的布設需考慮到港灣式停靠站的長度、凹口的寬度、公交巴士的尺寸、公交巴士的轉彎特性、磁阻傳感器的測量性能等因素。同時由于磁釘發射的磁場具有一定范圍，其鋪設深度及之間的距離需經過嚴格測算。根據美國加利福尼亞州圣萊安德羅市第14號大街的磁釘安裝規范，其合理間距是50 cm，現實演示結果顯示，此時公交巴士的行駛狀態良好，符合設計者的精度要求。故這里也暫采用50 cm的磁釘設計間隔，深度為5 cm。布設方式見圖6。

磁尺則安裝在公交巴士底盤中心位置，與磁釘鋪設軌跡垂直。公交巴士在磁釘軌道上方的行駛狀態主要分為3種情況（見圖7）。在情況一狀態下，磁尺上編號為a的磁阻檢測器檢測出的磁場強度最強，由此可推斷公交巴士向右側偏離了磁釘軌道，汽車方向盤應向左打，使車輛恢復到正常行駛軌道。在情況二時，編號為c的磁阻傳感器在磁釘的正上方，其測量值最大，而c正好在車輛的中心，在這種行駛狀態下方向盤不需任何操作，只需使車輛按原來狀態行駛。在情況三狀態下，磁阻傳感器e測量出的磁場強度最大，說明該磁阻傳感器在磁釘的上方，由此斷定車輛向左側偏離了行駛軌跡，方向盤應向右打，確保公交巴士在既定軌跡上行駛。

圖6　磁釘布設軌跡

圖7　路線軌跡導航原理示意圖

根據磁尺設計規格，對磁尺上的磁阻傳感器從小到大標號，左起第一個磁阻傳感器標號為1，向右開始遞增，最右邊磁阻傳感器的標號為17，由式（2）可計算出車輛的偏移距離，進而給出具體控制參數。

式中：L為公交巴士的偏移距離（cm），L為負時向左偏，L為正時向右偏；N為檢測值最大的磁阻傳感器標號。

2.2公交巴士精確定點停車控制

紅外輔助定距的定點停車裝置是一款功能齊備、精確度高、性能穩定性強的停車控制設備，其控制流程見圖8。

圖8　紅外輔助定距定點停車系統的控制流程

利用數學方法，參照車輪模型，通過式（3）可計算出公交巴士車輪在抵消系統反應時間后所轉的實際角度。

式中：λ為車輪實際所需旋轉的角度（°）；M為系統反應時間內公交巴士前進的距離（cm），M=100vt； v為當前公交巴士的行駛速度（m/s）；t為控制系統反應時間（s）；L為車輪的外直徑（cm）。

2.3整個裝置的控制

公交巴士靠站裝置由路線軌跡導航系統和精確定點停車系統組成，路線軌跡導航主要負責車輛行駛路線的控制，精確定點停車系統控制著車輛的停靠和起動，它們之間相互緊密合作共同控制著公交巴士的自動靠站。整個裝置的控制見圖9。

圖9　公交巴士靠站裝置的控制框架

3　結語

公共交通的發展是解決目前城市交通擁堵的關鍵。公交巴士的智能化是公共交通發展趨勢之一。公交巴士靠站裝置的運用，可有效解決當前公交乘車過程中的一些突出問題，使公交巴士的運行和管理更高效、更人性化，提高公共交通的吸引力。

該文從公交巴士停靠裝置的整體功能框架出發，對該裝置實現靠站功能的技術和理論進行研究，主要成果如下：1）把磁釘導航技術運用到公交巴士軌跡導航中，使公交巴士沿著固定路線軌跡運行，可減少公交巴士對混合交通流的影響，提高道路的整體通行能力。2）將紅外激光技術運用到公交巴士的定點停車中，提出了紅外線輔助定距定點停車裝置的系統框架、設置方法及工作流程。

需要指出的是，公交巴士靠站裝置功能的實現是以各系統的信息傳輸、融合、處理為基礎的，這是今后有待進一步研究的一個方向，同時這種靠站裝置的運用是否會對現有交通環境產生影響及其大小還有待進一步研究。

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