国家自然科学基金重点资助项目成果介绍

一、项目简介

【项目名称】现代城市多模式公共交通系统基础理论与效能提升关键技术

【项目批准号】51338003

【项目负责人】王炜

【项目依托单位】东南大学

【项目执行年限】2014年01月至2018年12月

【项目研究目标】立足中国典型城市交通方式结构特点，构建由轨道交通、有轨电车、BRT、公交快线、普通公交线构成的多模式新型公交系统，提出多模式公交系统适应性分析及系统协同规划方法，建立骨架网、主干网、支撑网等多层次公交网络客流组织与公交主干线快速通行控制技术和系统效能分析技术，为现代城市多模式新型公共交通系统的规划建设与效能提升提供基础理论和关键技术支撑。

【项目研究内容】主要包括以下六个专题：

（1）基于公交主导型交通结构分析的多模式新型公交系统适应性研究

（2）多模式公交网络协同机理与系统规划方法

（3）多层次公交网络条件下客流优化组织方法

（4）城市公交主干线快速通行控制技术和设计方法

（5）公交主导型交通系统效能分析与评价方法

（6）现代城市公共交通系统功能提升关键技术实证研究

【项目完成情况】项目执行期间（2014－2018年），在项目组研究人员的共同努力下，全面完成了项目研究内容，解决了关键问题，实现了项目研究目标，在论著发表、学术奖励、人才培养、合作交流、知识产权申请等方面取得了较为丰硕的成果，超额完成了原定的考核指标（详见表1），并且在研究水平与创新性方面取得较大突破，在成果验证与实用性方面得到有效保障。

图1 项目部分研究内容z

表1：国家自然科学基金重点项目完成成果一览表

二、项目研究团队

本项目研究团队来自东南大学交通学院的核心学科“交通运输工程”。该学科是国家一级学科重点学科，设有一级学科博士点和博士后流动站，在2017 年第四轮一级学科评估中获评最高等级A+，在2012 年第三轮一级学科评估中排名全国第一，在我国交通行业内具有很强的影响力。学科已经形成了一支以教育部创新团队为依托，以院士、国务院学位委员会交通运输工程学科评议组召集人、长江学者特聘教授、国家杰出青年基金获得者、教育部跨（新）世纪优秀人才、江苏省“333 高层次人才”、江苏省“双创人才”、江苏省特聘教授、江苏省“六大高峰人才”等高水平师资为核心，在国际学术界有影响的高水平学术梯队。

本项目负责人王炜教授一直担任全国城市交通“畅通工程”专家组组长,主持完成了多项交通规划领域的国家科技重点攻关项目、国家自然科学基金重点项目及一批工程应用项目,建立了道路交通规划的理论方法、实用模型、系统软件、模拟平台等系统性、定量化的集成分析技术体系,解决了道路交通规划的理论与实践之间的脱节问题,为提升我国交通规划水平做出了重要贡献。科研成果获国家科技进步二等奖5项(排名分别为第一、第一、第一、第一、第二),排名第一的省部级科技进步一、二等奖20项，出版第一作者学术著作9部,发表的第一、第二作者论文被SCI、EI收录200余篇，获国家发明专利授权60多项。研究成果已在百余个道路交通规划项目中直接应用,并在全国城市交通“畅通工程”实施城市推广,产生了显著的社会经济效益。

本项目研究团队以青年科研人员为主体，团队成员在交通科学领域有很高的影响力和知名度，项目骨干均有过承担国家级研究项目的经历，主要研究人员全部具有博士学位，且长期以来从事交通系统规划、智能交通控制等领域的纵向理论研究及横向技术开发，学术思想很活跃，学术层次高，富有创新精神。

项目主要参与者及其分工见表2。

表2 项目研究团队主要成员及其分工

  三、项目研究成果

（一）研究进展

按照项目年度研究计划围绕六块主要研究内容逐步开展并完成研究任务：

（1） 基于公交主导型交通结构分析的多模式新型公交系统适应性研究

          1> 多模式公交系统构建及其运输特性分析

          2> 多模式公交系统的出行分布特性研究

          3> 公交主导型交通结构分析方法

          4> 多模式公交系统适应性研究

图1 公交主导型交通结构演变机理 

图2 多模式公交系统适应性系统动力学模型

（2） 多模式公交网络协同机理与系统规划方法

          1> 公交出行分布与多模式公交网络的系统耦合模型

          2> 基于新型公交网络空间模型的多模式公交网络优化技术

          3> 城市多模式公交网络节点耦合设计技术

          4> 多模式公交网络公交线路站距设置优化技术

          5> 多模式公交系统建设规模与布局的分析模型及规划方法

图3 出行时空分布与公交网络结构的耦合匹配模型图

4 基于吸引圈层的公交线网优化重构方法

（3） 多层次公交网络条件下客流优化组织方法

          1> 多模式公交网络条件下乘客出行选择行为机理

          2> 公交网络服务与多层次客流分配耦合模型

          3> 多层次公交网络系统的客流优化组织方法

图5 基于贝叶斯网络的地面常规公交网络服务水平乘客感知行为模型

图6 城市客流走廊公交线路优化组织方法框图

（4） 公交主干线快速通行控制技术和设计方法

   1> 城市公交主干线分段绿波信号控制技术

   2> 多模式公交网络的快速通行线路组织设计方法

   3> 城市公交主干线网络布局优化技术

   4> 多模式城市公交网络的快速换乘控制技术

图7 公交车辆绿波系统基础约束条件设计图 

图8 一线一路式公交线路布设流程图

（5） 公交主导型交通系统效能分析与评价方法

   1> 多模式公共交通系统空间耦合效能评价

   2> 多模式公共交通系统时间耦合效能评价

   3> 多模式公共交通系统运能耦合效能评价

   4> 多模式公共交通系统信息耦合效能评价

   5> 公交主导型城市交通系统效能综合评价

图9 公交主导型城市交通系统效能评价指标体系

图10 “交运之星——TranStar”软件的交通效能评价主界面

（6） 现代城市公共交通系统功能提升关键技术实证研究

   1> 城市多模式公共交通系统数据库构建技术

   2> 城市多模式公共交通系统仿真评价平台软件开发

   3> 适用于仿真评价平台的多模式公交分配技术

   4> 典型城市多模式公交系统仿真评价实证

图11 基于遗传算法的出行路径阻抗参数标定方法流程图

图12 南京市多模式公交网络分布示意图

图13 南京长江大桥禁行前后方案对比

图14 宁波市公交网络数据库示意图

图15 仿真平台新建宁波市地铁3号线一期工程示意图

（二）成果创新性

本项目最大的研究特色是针对传统城市公交系统“模式过于单一，主干层次缺乏，功能结构混乱，系统耦合不足”的弊端，提出了轨道交通、有轨电车、BRT、公交快线、普通公交的多模式新型公交系统和骨架网、主干网、支撑网多层次公交网络架构，建立了以多模式新型公交系统适应性分析为基础，以多模式公交网络系统协同规划和多层次公交客流组织为核心，以公交主干线绿波通行和效能分析技术为支撑的现代多模式多层次新型公交体系构建基础理论和效能提升关键技术。

（1）构建三个模型方法

1> 多模式新型公交体系条件下公交主导型交通结构分析方法；

2> 出行分布与多模式公交网络布局的耦合模型；

3> 多模式公交系统规模布局及网规划方法。

（2）开发三项关键技术

1> 多层次公交网络客流优化组织技术；

2> 多模式公交网络主干线绿波通行技术；

3> 公交主导型城市交通系统效能评价关键技术。

   （三）成果清单

基于本项目研究内容已培养博士后3名、博士生14名、硕士生65名。基于本项目研究成果已发表论文137篇，其中SCI收录论文68篇、EI收录论文31篇；出版学术著作2部；获国家发明专利授权28项、公布51项；获国家软件著作权授权9项；获国家级奖项1项、省部级奖项3项。点击下载成果清单。

图16 部分成果展示图

四、项目成果应用示范

将本项目理论成果和应用需求及公交优先发展战略相结合，经提升和工程化后形成核心技术成果，在一系列城市交通工程实践中得到示范应用。成果已在南京城市交通网络规划、宁波公交线网规划及快速公交系统建设中得到全面应用与检验，在哈尔滨、沈阳、重庆、常州、湖州、上虞等10多个城市得到部分应用，取得显著的社会经济效益。成果将在全国实施“畅通工程”的600多个城市进一步推广应用。

通过理论与技术成果的示范和推广应用，能实现不同模式公交的有效协同，提高公交网络承载力、通行效率和运行可靠性，大幅度提升城市公交系统的整体效能，促进新时期城市交通转型发展，构建国家“公交都市”战略提出的“轨道交通为骨干、常规公交为主体、其他方式为补充”的多模式公交系统。

以项目研究成果为主体，已申报获得1项国家科学技术进步二等奖、1项教育部科技进步二等奖、1项中国智能交通协会科学技术一等奖、1项中国公路学会科学技术一等奖。拓展后的项目成果以“城市多模式公交网络协同设计与智能服务关键技术及应用”获得了国家科学技术进步二等奖，成果突破了复合交通网络协同设计与优化、超大规模公交网络流量分配与快速计算、复杂环境下多模式公交网络协同控制等关键技术难题，形成了跨部门、跨行业的多模式公交系统协同运行与智能服务成套技术及系统装备，实现了城市多模式公交网络协同设计、协调控制、智能服务等技术突破。

五、项目国际合作

图17 第二届多模式交通运输国际研讨会 

图18 中国城市交通可持续发展战略研究咨询会