智慧公交系统构建研究*

□ 杜胜品,皮文浩,黄 辉

(武汉科技大学 汽车与交通工程学院，湖北 武汉 430065)

当前，中国城市化进程及交通强国战略的不断推进，使我国城市公共交通取得了飞速发展。常规公交作为城市公共交通的主体，汽电车的运营数量、运营线路长度、公交专用车道里程、客运量规模等逐年递增，截至2020年，全国公交汽电车运营数70.44万辆，较上年末增长1.6%，运营线路总长度148.21万公里，较上一年增长10.9%，公交专用车道16551.6公里，较上年末增长10.7%，客运量442.36亿人次[1]。伴随着物联网、北斗卫星、无线通讯、GIS等新技术的发展，智能公交应运而生。智能公交提高了公交的运行效率，使公交出行更加便捷可靠，但也衍生了新的问题，如智能公交不能融入整个城市交通发展规划、对公交数据仅停留在采集和处理阶段等。

随后，国内提出了“智慧交通”理念，即“高效、安全、环保、舒适、文明”的智慧交通体系[2]。其中，智慧公交系统作为智慧交通体系的重要组成部分，国内学者对此进行了研究，范丹阳等把智慧公交系统总体架构分为感知层、传输层、支撑层、应用层、表现层[3]。刘好德等采用要素分类法，建立了涵盖4大服务领域、20项用户服务、52项子服务的新一代APTS用户服务体系[4]。欧洲在20世纪90年代就开始推进城市公交系统创新发展，连续推进欧洲未来公交系统、智能创新集成公交系统和第二代欧洲未来公交系统等项目[5-7]，不断更新智能公交体系。

智慧公交系统通过最新的信息采集技术获取公交数据，通过大数据挖掘对公交数据进行分析，合理地调度公交车辆，优化公交线网，为乘客提供个性化服务，提高公交系统服务质量，吸引更多出行者选择公交出行，不仅可以缓解城市交通压力，还能减少环境污染和交通事故，有助于实现“碳达峰、碳中和”目标和构建资源节约型、环境友好型社会；并且智慧公交系统建立一体化管理系统，还能为管理者提供最优的管理方案，极大提高公交系统的运输效率和经济效益，而且还能提升人民群众生活品质和提高政府基本公共服务水平。因此，发展建设智慧公交系统势在必行。

1 智慧公交系统的功能需求分析

公交系统不仅要为乘客提供安全、舒适、文明的乘车环境、实时信息服务，还应该能够进行个性化出行定制，提高公交出行的吸引力，同时为管理者提供方便，保障公交系统高效运输，为社会环保做出贡献。研究表明[8-10]我国城市公交系统仍然存在不足，不能很好地满足乘客、管理者的需求，具体表现在以下几个方面：

①缺乏对公交系统的全面、及时的信息采集，如交通状况、车辆运行速度和驾驶员的操作等；

②乘客在公交站台候车时不能获取到准确、有效的公交信息，不便于那些不赶时间的乘客找到最舒适的公交线路；

③公交线路固定，缺乏需求响应公交线路；

④公交车专用道路权不能得到保证，社会车辆违规占用公交专用道的现象较严重；

⑤公交智能调度车辆方法单一，没有实质提高公交系统运行效率；

⑥公交线网较固定，对于一些需要改善的线网不能及时优化；

⑦公交应急响应系统不完善，在处理突发事件和大客流事件时不够及时有效，基本没有处理公共卫生安全事件的能力。

智慧公交系统要解决公交现状的诸多问题，还要进一步全方位地满足使用者出行、管理者运营管理的需求，同时吸引乘客，缓解交通问题，为社会可持续发展做出贡献，必须具备以下功能：

①交通信息采集。通过车载和智慧公交路侧设施等采集交通信息，不仅能应用到企业管理和乘客的信息服务，还能用于智慧交通各子系统。

②实时精准信息服务。通过手机和智慧公交站牌对公交信息(如到站时间、车内拥挤度)进行发布，便于乘客根据到站时间和拥挤度选择出发时间和公交班次，提高乘客候车体验感和公交车辆舒适度。

③个性化出行。乘客通过智慧公交站牌、手机等进行人机交互，预约出行信息，智慧公交系统提供给乘客更优的出行线路。

④公交专用道管控。对公交专用道进行全程全天候监控，对违规占用公交车专用道车辆进行抓拍，保证公交车在公交专用道上畅通行驶。

⑤智慧调度。通过实时采集的客流信息、车辆位置信息、交通运行状态等，对公交车辆进行实时监控、调度指挥，为公交企业的运行提供智慧化管理，从而使公交车辆高效、平稳运行，提高企业运营效益和公交系统的服务水平。

⑥线网优化。综合考虑出行者、运营者、管理者对公交系统的需求，对公交线网进行优化，使公交系统平稳高效运行，提高公交车的吸引力、承载力、运营效率和服务水平。

⑦应急响应。在发生交通事故时，对现场信息快速有效整合和分析，并运用制定好的应急预案，结合实际情况，迅速做出公交突发事件的指挥调度，实现科学决策和高效处置。在遇到公共卫生事件时，推出定制公交服务，最大程度减少疫情交叉感染，满足通勤需求。实时监测客流，发现异常情况快速高效疏散大客流，保障交通系统平稳运行。

2 智慧公交系统的总体设计

智慧公交系统的最终目标是建立乘客、运营、社会多方共赢的可持续发展的系统，从本质上提高城市公交系统社会效益、运行效率和服务水平。城市智慧公交系统的基本框架设计拟包括三个层次：系统层、子系统层和功能层，其中系统层分为智慧公交车辆、智慧路侧设施和智慧云中心三个子系统，形成的智慧公交系统的总体构成如图1所示。

图1 智慧公交系统组成

2.1 智慧公交车辆

智慧公交车辆集自动报站、自动收费、自动乘客计数、报警、车内监控、车况信息采集、辅助安全驾驶、智慧调度、应急响应和提供娱乐节目等功能于一体，分为采集系统、安全系统、服务系统和联动系统，可采用最先进的新能源车辆，是智慧公交系统运行的基础。

2.1.1 采集系统

采集系统主要采集乘客的出行数据、车内信息、车况信息等。通过IC卡、NFC及二维码等收集乘客的出行时间、出行距离、断面客流等数据；通过车内视频监控记录乘客的乘车行为及体貌特征；运营车辆的即时速度、油耗和里程数等数据可以作为优化公交线路的基础。

2.1.2 安全系统

安全系统主要辅助司机驾驶，提高驾驶安全性，保障车内乘客安全，具有报警、违规抓拍等功能。车辆上安装防疲劳ADAS、DSM、AEB系统、360后视镜、主动预警防偏离等辅助自动驾驶系统，减轻司机驾驶疲劳；当车辆遇到特殊状况如劫匪、乘客突发疾病和交通事故等时，车辆启动报警系统，并将信息传递至智慧应急响应系统，及时解决突发情况。

2.1.3 服务系统

服务系统为乘客提供服务，具有自动报站、为乘客提供娱乐节目等功能。当公交车载GPS感应到提前设定好的位置时，公交车辆触发语音播报功能，并将到站信息发送到车内显示屏、智慧公交电子站牌及智慧云中心；车内显示器可以为乘客提供娱乐视频，丰富乘客出行体验。

2.1.4 联动系统

联动系统是与智慧公交站牌联动，通过智慧公交站牌反馈的该公交线路乘客的目的地及站台等信息在车辆LED显示器上显示并提供语音提示，供驾驶员参考，可以减少频繁启动停车造成的能源消耗及环境污染，还可以增加乘客的舒适度和公交运行效率。

2.2 智慧路侧设施

智慧路侧设施由车站交互系统和公交优先管控系统组成，与智慧公交车辆和智慧云中心进行数据交换，为乘客提供更好的出行服务和保障智慧公交车辆路权。

2.2.1 车站交互系统

车站交互系统主要是智慧公交站牌，而智慧公交站牌集计算机技术、电子通讯技术、视频监控技术、GPS、监控调度技术、电子地图与现代控制技术于一体。智慧公交站牌不仅显示该站公交线路上每台运营车辆的实时位置、拥挤状况、达到时间、改道信息等，还提供日期、天气、新闻等，为乘客提供有效的车辆信息，提高乘客出行舒适度。同时，在智慧公交站牌上加入可交互式的触屏系统，乘客可以输入自己的目的车站，这使得公交系统智慧云中心可以知道每个站点的乘车需求，及时调度车辆，减少拥堵，提高服务质量，并且公交系统智慧云中心还可以根据乘客输入的目的地，提供更优的出行路线供乘客选择。

2.2.2 公交优先管控系统

公交优先管控系统包括智慧公交专用道管控系统、公交信号优先系统和信息发布系统[11]。在道路上设置公交专用道并对公交专用道进行全程全天候监控，对违规占用公交车专用道车辆进行抓拍，优先给公交车相位，并通过信息发布系统将公交专用道启用情况提前告知驾驶员，保证公交车高效畅通行驶。

智慧公交专用道管控系统就是通过固定式电子警察配合智慧公交车载电子警察对违规车辆进行抓拍，保证智慧公交车辆的路权。

公交信号优先系统采用被动优先控制和主动优先控制协调对公交车辆进行控制。在公交车辆发车频率高、交通量小和乘客出行需求稳定的线路，采取被动优先控制。在常规路段可以通过实时上传公交车辆位置和速度，结合道路交通运行状况和交叉口信号控制方案，实现公交信号主动优先与自适应绿波协调控制。

信息发布系统是用来提前告知驾驶员公交专用道是否启用，使驾驶员更好地选择行车路线。在发生突发情况时，临时启用LED显示屏还能更新最新路况信息，为救援车辆开通绿色通道。

2.3 智慧云中心

智慧云中心对采集的数据进行收集、存储和分析，实现智慧调度、线网优化和应急管理，使智慧公交系统高效平稳运行。

2.3.1 公交数据服务系统

公交数据服务系统是各类公交数据的接口，用来收集、存储、分析公交车运营数据、公交车管理数据、客流数据、站点数据、公交线网数据、道路交通运行状态数据等，满足智慧公交系统日常运行需求。公交数据服务系统是智慧云中心的“大脑”，通过对公交数据的挖掘，使智慧云中心的其他系统高效运行。

2.3.2 智慧调度系统

智慧调度系统包括静态调度和动态调度。静态调度是公交企业以客流规律、线路运行条件、公交企业运输能力以及公交企业的社会效益、经济效益为指标形成的公交时刻表。为了适应公交线路上客流的实时变化，对公交线路各站点实时客流进行动态监测，结合线路历史客流情况，实现区间车、大站快车和全程车的合理动态调度，形成了固定线路的动态调度。进一步根据乘客预约的起讫点和车辆位置，计算最短路径作为公交运营成本，再根据乘客出发时间、等车时间和乘车时间计算乘客出行成本，平衡公交运营成本和乘客出行成本以达到总成本最小，进行灵活线路动态调度，提高乘客舒适度的同时，满足乘客直达需求，减少乘客换乘次数和公交公司运营成本。智慧调度系统如图2所示。

图2 智慧调度系统

2.3.3 线网优化系统

通过大数据平台的人口、职住、出行特征等数据，依托交通模型，对客流需求、可达性、运行速度、满载率、高平峰运力匹配等进行分析，自动识别需优化线路，采用调控策略库中的线网优化方法，对线网进行优化并对优化后的效果进行评估分析，构建“分析指标-线网优化-动态评估”的动态闭环公交线网优化新模式，优化公交资源调配[12]。线网优化系统如图3所示。

图3 线网优化系统

2.3.4 应急管理系统

应急管理系统在三方面发挥作用，第一方面是通过对道路上的事件进行监测监控和人工报警发现交通异常现象，对现场信息进行快速有效的整合和分析，判断交通突发事件发生类别，并运用制定好的应急预案，结合实际情况，迅速做出公交突发事件的指挥调度，实现科学决策和高效处置，最后对应急事件进行总结，优化应急预案[13]。第二方面是在发生公共卫生安全事件时，通过健康码、车辆消毒码和乘车码等扫码乘车，保障公共安全环境及乘客的轨迹追踪，并开通公交线路，避开疫情区域，为乘客出行、社会经济发展提供有力保障。第三方面是在遇到重大活动、节假日、景区等时，对客流进行监测，分析区域周边运力情况，与智慧交通中其他系统如地铁、出租车、网约车等协同疏解大客流。

4 智慧公交系统的实施路径

智慧公交系统的实现，需要在现有公交系统的基础上，从以下五个路径实施。

①政策保障。政府要确保发展智慧公交系统战略地位，实质有效推动公交优先战略法制保障和公交优先管控等，对应急管理系统优先资源倾斜，为智慧公交系统顺利发展提供保障。

②合作共享。加大互联网企业和公交企业合作。互联网企业从管理、决策、运营等角度创新数据采集模式，再将更先进的技术和算法在公交市场中加以实践和应用，同时利用实践中得到的数据检验、提高互联网企业技术方法。

③理论创新。高校、科研机构和规划院等加强智慧调度、动态线网优化、应急响应和公交优先等方面的理论研究。在智慧调度方面，不断优化静态调度模型，不断创新动态调度理论方法。在动态线网优化方面，丰富选取指标和调控策略库，完善动态闭环公交线网优化模式。在应急响应方面，完善应急处理机制，创新智慧公交系统解决公共卫生事件的方法，优化智慧公交系统与其他交通方式协同疏解大客流模式。在公交优先理论方面，不断创新公交专用道和公交专用路等相关理论。通过智慧公交系统的理论方法创新，为智慧公交系统建设提供更好的理论支持。

④加快建设。开发智慧公交系统设施，加快智慧路侧设施建设，其中包括加大智慧公交车辆比例，对于公交站点进行改进优化，加快公交专用道建设，完善公交优先管控系统，为智慧公交系统运营提供基础。

⑤运营管理。公交企业需要学以致用，技术共享，将新的管理理念、技术用于智慧公交系统，并出台相关管理办法，让智慧公交系统运营有章可循。

5 结束语

智慧公交系统是城市智慧交通的重要组成部分。智慧公交系统的不断优化和改进，有助于实现“碳中和、碳达峰”的目标。本文以智慧交通为理念，立足于公交系统发展现状和功能需求，设计了智慧公交系统的总体框架及系统各组成部分的功能，为城市发展智慧公交系统提供了理论支持，智慧公交系统实施路径的提出使智慧公交系统的建设发展可行，为城市交通问题提供了解决方案。