基于物聯網與客流估計的智能公交調度設計

任曉莉

（寶雞文理學院 計算機科學系，陜西 寶雞 721016）

目前城市交通需求與供給的矛盾日益突出，交通擁擠、環境污染現象嚴重。在城市中擴大道路交通基礎設施不僅費用高，而且會有一些局限性和不便性，大力發展城市公共交通是解決這一問題的主要途徑。公交車輛運營調度的智能化，公交車輛運行的信息化和可視化，可以為乘客提供完善的信息服務，提高公交設施和運輸系統效率，從而吸引市民公交出行，緩解城市交通擁擠，有效地解決城市交通問題。

現行的公交系統中，車與站臺之間基本上沒有信息的交互，公交車輛主要采用固定時間間隔結合上下班高峰期策略調度，不能真正適應客流變化。

目前智能調度的主要依據只是來自對公交車行駛位置的監控，而對整條路線當中的候車乘客數量無法及時獲知，無法針對客流變化做出有預見性“事先”調度，其根本原因在于調度系統缺乏各站點實時的候車客流信息。文獻[1]采用雙頻點的乘客RFID公交卡對公交站點客流進行采集，可以對一個站點的候車人數進行估測，但存在著采集數據不全面、不準確問題，它只能采集攜帶公交卡的乘客數，不能區分同一個站點不同路次的候車乘客，在站點下車攜帶公交卡的乘客也會被采集為候車乘客，站點候車乘客較多時會出現RFID數據碰撞情況，候車時間較長時會出現RFID數據重復讀取情況。RFID數據碰撞和重讀問題可以通過一些算法解決，但是成本就提高了。

文中基于物聯網技術實現智能公交調度，系統采用RFID技術對公交車輛進行定位跟蹤，候車乘客在站點的觸摸屏上選擇要乘坐的公交車路次，通過無線傳感器網絡進行實時通信，實現乘客與公交車之間的信息交互。車載子系統可以實現公交車的自動定位、自動記錄行駛信息、乘客人數統計和故障報警等功能；站臺子系統可以采集不同路次的候車乘客信息，顯示各車次的動態信息，使出行者能夠通過電子站牌了解車輛的到達時刻。Zigbee收發芯片將采集到的各路次公交車輛信息和各站點候車乘客信息經無線傳感網傳輸給公交調度管理中心，公交調度管理中心可以根據乘客流量和公交車輛信息自適應地進行公交實時調度和動態監控。

1 物聯網技術

1.1 物聯網概述

物聯網（Internet of Things）是指將具有標識、感知和智能處理能力的各種信息傳感設備及系統，如傳感器網絡、射頻標簽閱讀裝置、條碼與二維碼設備、全球定位系統和其它基于物-物通信模式（M2M）[2]的短距無線自組織網絡，通過各種接入網與互聯網結合起來而形成的一個巨大智能網絡。物聯網在互聯網的基礎上，將任何時間、任何地點人與人之間的溝通和連接，擴展到任何時間和任何地點人與物、物與物之間的交互和連接。利用物聯網技術可以為人們提供智能服務[3-4]，實現智能識別、定位追溯、在線監測、遠程控制等功能。

物聯網可分為3層：感知層、網絡層和應用層。感知層由各種傳感器以及傳感器網關構成，包括傳感器、二維碼標簽、RFID標簽和讀寫器、攝像頭、GPS等感知終端。感知層的主要功能是識別物體，采集信息。網絡層由各種私有網絡、互聯網、有線和無線通信網、網絡管理系統和云計算平臺等組成，負責傳遞和處理感知層獲取的信息。應用層是物聯網和用戶（包括人、組織和其他系統）的接口，它與行業需求結合，實現物聯網的智能應用。

1.2 RFID技術

射頻識別 （Radio Frequency Identification）技術是一種非接觸的自動識別技術，它利用射頻信號和空間耦合（電感和電磁耦合）傳輸特性，在讀卡器和射頻卡之間進行無線雙向通信，實現對被識別物體的自動識別[5]。最基本的RFID系統由讀寫器、天線、電子標簽3部分組成。RFID采用存儲在電子標簽中的唯一的ID標識物體，讀寫器自動高速地收集識別范圍內的標簽信息數據，從而實現自動識別物品和收集物品標志信息的功能。因此，RFID技術對任何移動對象都可以進行實時的定位、跟蹤和監測。

1.3 無線傳感網

無線傳感網是集計算機、通信、網絡、智能計算、傳感器、嵌入式系統、微電子等多個領域交叉綜合的新興學科，它將大量多種類傳感器節點（傳感、采集、處理、收發、網絡于一體）組成自治的無線網絡，實現對物理世界的動態協同感知。它能實時、動態獲得物理世界的傳感信息，并且將相關信息與通訊主干網融合，實現了現有的計算機網絡虛擬世界向真實物理世界的延伸，改變了人類和自然界交互的方式[6]。

無線傳感器網絡用于構建交通信息系統具有以下優點：

（1）無線傳感器結構較簡單、成本較低廉。通過在公交站點添加特定無線傳感器節點，布設和維護時不會影響車輛的正常行駛，整個網絡可傳送公交車輛信息及候車乘客信息；

（2）無線傳感器網絡具有功耗低、組網能力強、傳輸距離遠、可靠性高、分布式等特點，可實現大數量節點網絡的實時、分布式處理，利用這些特點來構建一個自組織、開放的系統，更符合公共交通管理的特點；

（3）無線傳感器網絡采用無線電波傳送方式，不易受環境、時間、天氣等因素的限制，在能見度較低的條件下，也能正常工作。

2 基于物聯網的智能公交調度設計

2.1 基于無線傳感網的公交調度系統

基于無線傳感網的智能公交調度系統由車載子系統、站點子系統、公交車輛管理系統和監控調度中心組成，智能公交調度系統如圖1所示，由于頁面的限制，圖中只畫了其中一個站點。車載子系統將特定的公交車輛信息發送到停靠的站點，站點子系統采集不同路次的候車乘客數，公交車輛管理系統對公交場站車輛進行進出站記錄、車輛司機考勤及任務考核管理。無線傳感網將采集的公交車輛信息和站點候車乘客數傳輸到公交監控調度中心，監控調度中心將匯集來的信息進行處理和分析，為站點候車乘客發布實時公交車輛信息，確定各公交車輛的具體位置和即將到站時間，并根據各路次公交車的候車乘客數，自適應地對公交車輛進行智能調度及管理，以充分利用有限的交通資源，提高公交車的使用效率。

圖1 智能公交調度系統圖Fig.1 System figure for intelligent bus scheduling

針對智能公交調度系統，采用3層WSN組織結構[7]，第1層為信息采集層，負責采集各公交車和各站點候車乘客信息；第2層是控制層，控制各公交車行駛狀態信號；第3層是協調層，根據各站點候車乘客數量協調各公交車的調度。相鄰站點的信息采集節點組成信息采集層，各站點公交車行駛狀態信號控制節點組成控制層。信息采集層和控制層傳感器節點自組織成簇：公交車行駛狀態信號控制節點作為簇首，信息采集節點作為簇成員。簇首將簇內信息采集節點采集的數據進行融合，并與相鄰簇首節點進行通信；簇成員節點采集公交車運營和站點候車乘客信息。匯聚節點是從簇首節點中選取一個節點，匯聚節點與調度中心組成協調層。匯聚節點以多跳的方式與各簇首節點通信，收集各公交車和站點候車乘客信息，將數據送到調度中心，調度中心進行綜合處理，調度各公交車以適應客流變化。

2.2 車載子系統

2.2.1 車載子系統硬件組成

車載子系統由主控微處理器、高頻收發芯片、無線接收芯片、語音控制芯片、液晶顯示屏、觸摸屏、存儲器等模塊組成，如圖2所示。

圖2 車載子系統設計Fig.2 Design of vehicle subsystem

系統上電啟動后，首先將會對各模塊進行初始化，使系統處于接受編碼信號的等待狀態；由主控微處理器進行控制，實時查詢高頻收發模塊是否接收到相應信號，并隨時準備進行下一個動作指令的發出。如果接受到編碼信號并通過校驗后確認為正確信號，則立即做一個反饋信號用以應答（系統將應答信號設計為之前收到的編碼信號）站臺子系統，緊接著通過主控微處理器對接受到的信號進行分析計算處理，以得到相應的信息，并通過串行接口將信息內容顯示在司機操作的觸摸屏A，從而達到讓司機知曉前方接近站點及站點候車乘客數。

2.2.2 基于RFID的公交車輛監控

現有的智能公交服務系統絕大部分采用了GPS定位技術監控公交車，GPS只具有定位測速等功能，不能完成數據通信，還要增加GPRS或GSM等數據通信模塊[8]，由于城市中公交車數量多，采用GPS技術在硬件上加大了成本投入，限制其使用范圍。另外，GPS還存在處理能力有限、后期費用高等方面的不足，碰到高層建筑密集的路段時信號衰減嚴重，車載系統將無法發送定位信息，從而影響后臺調度中心的監控及后續電子站牌的顯示，對調度人員和出行乘客造成干擾，而且目前國內公交GPS車載機采用核心定位模塊技術全部來自國外，隨著GPS應用的廣泛和深入，對國外技術的依賴也越大。針對上述GPS技術存在的不足和智能公交系統中不完善之處，文中提出采用基于RFID技術進行公交車輛監控。

系統基于RFID技術自動采集車輛的行駛狀況信息，在各站點安裝RFID閱讀器，在公交車上貼上RFID標簽，當公交車接近站點時，閱讀器就可以讀取相應公交車的數據，然后微波傳感器采集公交車的交通參數，公交車交通信息檢測的具體方法已在文獻[9-10]中進行了論述。有些馬路比較狹窄，兩側鄰近的站點有可能都采集了某輛公交車行駛的信息，可以通過車輛的行駛方向進行判斷正確的站點。無線收發器可以實時地接收來自公交調度管理中心的信息，或發送各公交車相關的動態信息到公交調度管理中心，從而實現信息的交互，使公交調度管理中心能實時掌握每一輛公交車的動態信息，為公交公司進行合理有效的調度奠定了技術基礎。

在接近站點時，無線數據接收機將接受到的地理信息信號交給主控微處理器進行分析處理，得出相應的反應信號，該信號經串行接口到達音頻控制芯片，芯片根據信號驅動音頻驅動程序，通過外置語音輸出喇叭實現自動語音報站和溫馨提示。同時，液晶顯示系統芯片對經主控微處理器傳輸過來的信號進行處理，驅動顯示驅動程序，在屏幕上顯示出相應站點的名稱和圖片，以及簡單的滾動提示語，同時也可以播放一些宣傳性的標語、公益性廣告、線路上臨近的景點信息。在某些節假日時，可以融入節日元素，增加乘客的娛樂性。

另外，本設計在其觸手可及的地方安裝觸摸屏A，當乘客上車投幣或刷卡后，在觸摸屏上選擇目的站點。車次、路線、站點內容編碼可由相應存儲器將編碼交給芯片處理后將具體信息顯示在觸摸屏上，具體信息包括該路車的所有站點和行進路線，便于乘客直觀的了解和選擇目的站點。乘客選擇完目的站點后將由顯示芯片驅動顯示驅動程序，將乘客選擇的數據信息顯示到司機的液晶顯示屏上，使司機能了解到車上乘客人數情況。

2.3 站臺子系統

一個城市公共交通中，公交線路較多，每個線路的公交車輛也多，每個站點一般會有幾條線路的公交車停靠，因此將每個公交站點作為無線傳感網的采集節點，采集公交車輛行駛的動態信息和各路次候車乘客數，可以節約大量的成本，而且公交站點是基礎設施，變化不大，只會因站點的擴展而增加建設成本，而不會因站點變化而增加維護成本。

站臺子系統由主控微處理器、高頻收發芯片、顯示控制芯片、存儲器和觸摸屏等模塊構成。我們將經過站臺的車次以編碼的形式存入微處理器的存儲器中，當乘客來到站臺時，可通過觸摸屏B選擇所需乘坐的車次，主控微處理器將讀取車次編碼存儲器中的編碼并進行分析處理，分析處理完成后，將數據信號經無線傳感網傳輸到公交監控調度中心，主控微處理器驅動高頻收發芯片將該車次的相應數據信號在可傳輸的范圍內進行不間斷的釋放，監控調度中心統計某路次公交的候車乘客數并對公交車輛進行調度；當相應車次進入無線信號范圍內時，該車次在接受并校驗了信息后，車載子系統會反饋相應的數據信號給站臺子系統，并通過顯示控制裝置消去該車次已有預到站時間，使其重新還原成初始化狀態，并在顯示屏上顯示出某路公交車即將到站的時間提示信息。

3 結 論

公交車智能調度系統，實現了公交車、站臺與候車乘客之間的信息交互，使監控調度中心能夠及時掌握公交車的行駛信息和站點候車乘客情況，根據候車乘客數自適應地進行公交車輛調度，可以滿足市民的出行需求，讓公交運營走向進一步的高效化、和諧化、綠色化。

[1]郭志濤，顧軍華，袁金麗，等.公交調度系統中RFID技術應用研究[J].河北工業大學學報，2011，40（3）:66-69.

GUO Zhi-tao，GU Jun-hua，YUAN Jin-li，et al.Application research of RFID technology in bus dispatch system[J].Journal of Hebei University of Technology，2011，40 （3）:66-69.

[2]孫其博，劉杰，黎羴，等.物聯網：概念、架構與關鍵技術研究綜述[J].北京郵電大學學報，2010，33（3）:1-9.

SUN Qi-bo，LIU Jie，LI Shan.Internet of Things:Summarize on Concepts，Architecture and Key Technology Problem[J].Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications， 2010，33（3）:1-9.

[3]Commission of the European Communities.（Internet of Things）An Action Plan for Europe.1stEdition.Brussels:COM（2009）278.2009:1-12.

[4]Kranenburg R V.The Internet of Things:A critique of ambient technology and the all-seeing network of RFID.Network Notebooks 02.Amsterdam:Institute ofNetwork Cultures Press，2007:10-28.