基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧公交系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡為民++陳萍+謝琦明+付亮

DOI：10.16644/j.cnki.cn33-1094/tp.2016.09.014

摘 要： 針對(duì)目前公交系統(tǒng)報(bào)站不及時(shí)、車(chē)輛調(diào)度不合理、站牌提示信息不準(zhǔn)確等問(wèn)題，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能公交系統(tǒng)解決方案。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將GPS終端、電子站牌、車(chē)載終端等連接到智慧公交云平臺(tái)；運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)車(chē)輛軌跡數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等進(jìn)行分析，對(duì)車(chē)輛調(diào)度做出合理安排；車(chē)載終端通過(guò)WIFI機(jī)頂盒實(shí)時(shí)更新車(chē)輛線路語(yǔ)言、廣告及其他信息；電子站牌通過(guò)有線或4G無(wú)線的方式及時(shí)更新站牌信息。實(shí)際應(yīng)用證明，其改善了人們的乘車(chē)體驗(yàn)，提高了車(chē)輛運(yùn)營(yíng)的效率。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)； 智慧公交系統(tǒng)； 電子站牌； 車(chē)載終端

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2016）09-51-04

Design and implementation of intelligent bus system based on Internet of Things

Hu Weimin1， Chen Ping2， Xie Qiming3， Fu Liang3

（1. Hangzhou Wuhu Electronic.Ltd.， Hangzhou， Zhejiang 310004， China；

2. Zhejiang Electronic Information Products Testing Institute； 3. Hangzhou Xinhu Electronic.Ltd.）

Abstract： Aiming at the problems that the public transportation system station reporting is not timely， vehicle scheduling is not reasonable， information on the bus stop board is not accurate and so on； this paper puts forward a solution of intelligent public transportation system based on IoT （Internet of Things）. The GPS terminals， electronic bus stop boards and vehicle terminals are connected to the intelligent public transportation cloud platform through IoT technology. By using big data technology to analyze the data of vehicle trajectory， video surveillance and the other， the cloud platform can make a reasonable arrangement for vehicle scheduling. The vehicle terminals

update the information of vehicle routing， advertisement and the other in real time through Wi-Fi set-top box. The electronic bus stop boards update bus arrival information through wired or 4G wireless mode. The practical application proves that it improves people's travel experience and the efficiency of vehicle operation.

Key words： IoT（Internet of Things）； intelligent bus system； electronic bus stop board； vehicle terminal

0 引言

公交車(chē)是公眾出行最普及的交通工具，但是等車(chē)難、擠車(chē)難、公交到站信息公示不準(zhǔn)確一直是影響公交搭乘體驗(yàn)感的主要問(wèn)題。

傳統(tǒng)的公交調(diào)度基本上還是按照固定的時(shí)刻表來(lái)進(jìn)行的，采用“定點(diǎn)發(fā)車(chē)、兩頭卡點(diǎn)”的手工作業(yè)調(diào)度方式[1]，并且傳統(tǒng)的公交車(chē)需要駕駛員喊話或者手動(dòng)報(bào)站，存在漏報(bào)、誤報(bào)等問(wèn)題[2]，嚴(yán)重影響了公交客運(yùn)的服務(wù)質(zhì)量和效率。

目前國(guó)內(nèi)的智能公交系統(tǒng)通過(guò)ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)公交車(chē)與站臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互[3]，或者采用GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)車(chē)載終端與數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)交互[4]。隨著GPRS無(wú)線通信技術(shù)的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了少量數(shù)據(jù)與遠(yuǎn)程服務(wù)器交互[5]，還沒(méi)有做到大量音視頻信息的實(shí)時(shí)更新。同時(shí)，國(guó)內(nèi)智能公交系統(tǒng)車(chē)載報(bào)站器中語(yǔ)音信息、站點(diǎn)信息等更新是在公交車(chē)管理中心通過(guò)有線的方式進(jìn)行更新[6]，當(dāng)公交線路發(fā)生變化、車(chē)輛臨時(shí)調(diào)度時(shí)無(wú)法及時(shí)更新語(yǔ)音信息。

針對(duì)以上傳統(tǒng)公交系統(tǒng)和目前國(guó)內(nèi)智能公交系統(tǒng)的不足，本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能公交系統(tǒng)解決方案。它以當(dāng)前智能公交系統(tǒng)為基礎(chǔ)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)挖掘、通訊、自動(dòng)控制、GIS、無(wú)線視頻等先進(jìn)技術(shù)，建立智能公交云中心，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和分析，實(shí)現(xiàn)智能營(yíng)運(yùn)調(diào)度系統(tǒng)和智能公交遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)，從而有效提高車(chē)輛運(yùn)營(yíng)效率和效益，提升公交管理水平，改善人們的乘車(chē)體驗(yàn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智慧公交系統(tǒng)由智慧公交云中心、公交車(chē)智能車(chē)載終端和智能電子站牌三大部分組成。智慧公交云中心以云平臺(tái)為基礎(chǔ)，車(chē)載終端和電子站牌通過(guò)有線或無(wú)線的方式連接到云中心。

智慧公交云中心是智慧公交系統(tǒng)的核心，它結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘等相關(guān)技術(shù)，對(duì)公交系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為車(chē)輛調(diào)度、公交線路規(guī)劃等提供決策依據(jù)。

智能車(chē)載終端是智慧公交系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)來(lái)源，它包括車(chē)載GPS定位終端、車(chē)載WIFI機(jī)頂盒、車(chē)載LCD、視頻監(jiān)控等。

智能電子站牌主要用于動(dòng)態(tài)顯示公交車(chē)輛信息。車(chē)載終端將GPS數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線實(shí)時(shí)傳輸?shù)街悄芄辉浦行?，云中心收到信息并?jīng)過(guò)分析和處理之后發(fā)送給電子站牌，電子站牌實(shí)時(shí)刷新顯示公交車(chē)到站信息。

智慧公交系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

下面介紹系統(tǒng)的主要組成部分的功能。

⑴ 智慧公交云中心

通過(guò)3G/4G無(wú)線方式，將車(chē)輛定位、視頻監(jiān)控、傳感數(shù)據(jù)、調(diào)度指令、報(bào)警信息等數(shù)據(jù)、信息傳輸?shù)皆浦行臄?shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，合理設(shè)置公交線路和站點(diǎn)以及準(zhǔn)確安排發(fā)車(chē)密度。

⑵ 智能車(chē)載終端

車(chē)載自動(dòng)報(bào)站器：自主開(kāi)發(fā)自帶GPS，擁有232、485及視頻接口通訊輸出的車(chē)載自動(dòng)報(bào)站器。利用車(chē)載GPS按設(shè)定距離自動(dòng)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音仿真人及同步圖文視頻報(bào)站。

車(chē)載WIFI機(jī)頂盒：車(chē)載WIFI機(jī)頂盒用以保證與WIFI基站或3G/4G轉(zhuǎn)WIFI通過(guò)無(wú)線或有線的方式接入系統(tǒng)，同時(shí)自帶專(zhuān)用接口與報(bào)站器間進(jìn)行報(bào)站及車(chē)輛LED電子路牌、車(chē)載LCD顯示文件更新，車(chē)輛在停車(chē)場(chǎng)利用WIFI進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)或文件更新。

車(chē)載LCD：具有兩路視頻型號(hào)接入，同時(shí)接WIFI機(jī)頂盒與報(bào)站器，實(shí)現(xiàn)智能切換視頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)報(bào)站與廣告各不影響功能。

車(chē)載刷卡機(jī)：通過(guò)智能車(chē)載終端接入后臺(tái)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了刷卡數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)結(jié)算。

車(chē)載視頻監(jiān)控統(tǒng)：用來(lái)監(jiān)視客流，了解公交車(chē)輛的運(yùn)營(yíng)狀況，并對(duì)車(chē)站偷盜等不法行為進(jìn)行攝像。

⑶ 智能電子站牌系統(tǒng)

通過(guò)系統(tǒng)采集獲取各種發(fā)車(chē)信息表、歷史情況等靜態(tài)信息和動(dòng)態(tài)信息，并根據(jù)車(chē)輛的歷史運(yùn)營(yíng)及當(dāng)前實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)智能優(yōu)化算法進(jìn)行交通流預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛運(yùn)行信息能準(zhǔn)確的顯示在電子站牌上。

2 智慧公共交通云中心

2.1 智慧公交系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)架構(gòu)

智能公交每天都會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，隨著時(shí)間的積累，數(shù)據(jù)量非常大，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理方式已經(jīng)不能滿足要求，所以采用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分類(lèi)、提取，按需求將數(shù)據(jù)分布統(tǒng)維度和粒度生成熟數(shù)據(jù)保存，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

在智能公交大數(shù)據(jù)架構(gòu)中，數(shù)據(jù)采集層負(fù)責(zé)采集車(chē)輛位置、路況、車(chē)站候車(chē)人數(shù)、公交車(chē)乘客數(shù)量等信息；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層負(fù)責(zé)各種公交數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)并相應(yīng)系統(tǒng)的各種查詢(xún)、處理請(qǐng)求；數(shù)據(jù)應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)公交車(chē)遠(yuǎn)程管理、電子站牌遠(yuǎn)程管理、視頻監(jiān)控和報(bào)表管理等功能；數(shù)據(jù)挖掘?qū)迂?fù)責(zé)大數(shù)據(jù)的挖掘、智慧調(diào)度、客流量分析等功能。

在整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層是大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的核心，它直接關(guān)系整個(gè)系統(tǒng)的性能。本文采用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)包含了一套分布式文件系統(tǒng)與資源管理系統(tǒng)，在文件系統(tǒng)上構(gòu)建了數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，支援結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的并行存儲(chǔ)、查詢(xún)、處理操作。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)架構(gòu)中，HDFS組成透明的分布式文件系統(tǒng)，HBase是系統(tǒng)的主數(shù)據(jù)庫(kù)，利用基于MapReduce技術(shù)進(jìn)行運(yùn)算加速，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的快速查找與分析。

2.2 智慧公交系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)應(yīng)用

⑴ 智慧調(diào)度

公交車(chē)輛調(diào)度最主要的是發(fā)車(chē)時(shí)間表的制定，它決定了乘車(chē)的服務(wù)水平，發(fā)車(chē)頻率越高，乘車(chē)體驗(yàn)越高，但公交運(yùn)營(yíng)成本也越高?？茖W(xué)合理的發(fā)車(chē)時(shí)間表既能夠滿足乘客的乘車(chē)需求，同時(shí)兼顧了公交公司的利益。

為了解決此多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，該智慧公交調(diào)度系統(tǒng)采用帶收縮因子和線性遞減慣性權(quán)重的粒子群算法[7]，首先根據(jù)問(wèn)題規(guī)模建立初始種群個(gè)數(shù)、最大迭代次數(shù)以及公交公司利益和乘客等待時(shí)間的初始權(quán)重每個(gè)粒子的位置速度等初始化；然后建立兼顧公交公司利益和乘客等待時(shí)間為主要因素的公交調(diào)度模型作為粒子群算法的目標(biāo)函數(shù)，并將公交票款收入總和大于公交運(yùn)營(yíng)投入成本作為約束條件；最后通過(guò)不斷尋優(yōu)迭代，找出最優(yōu)的發(fā)車(chē)時(shí)間表。

⑵ 數(shù)據(jù)挖掘

在大數(shù)據(jù)架構(gòu)的基礎(chǔ)上對(duì)公交系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，目前常見(jiàn)的數(shù)據(jù)挖掘方法有：聚類(lèi)分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、粒子群算法、蟻群算法等。

本文采用聚類(lèi)分析、粒子群算法對(duì)公交車(chē)客流量、乘客上下車(chē)時(shí)間、相應(yīng)站點(diǎn)等進(jìn)行分析，對(duì)乘客出現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行分析，并運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、粒子群算法對(duì)公交車(chē)輛運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而發(fā)現(xiàn)其車(chē)輛運(yùn)行規(guī)律、隱含的公共交通規(guī)則等，為公交公司對(duì)公交車(chē)輛調(diào)度、公交路線規(guī)劃、公交車(chē)輛管理、公交資源分配等作出科學(xué)、合理的安排。

2.3 智慧公交管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

⑴ 公交車(chē)遠(yuǎn)程管理

公交車(chē)器遠(yuǎn)程管理平臺(tái)由公交公司進(jìn)行管理和維護(hù)。主要用于監(jiān)控車(chē)輛、遠(yuǎn)程更新語(yǔ)音信息、發(fā)送車(chē)輛調(diào)度信息、發(fā)送電子廣告信息等。當(dāng)車(chē)輛在緊急情況下可及時(shí)將調(diào)度指令、報(bào)站語(yǔ)言文件發(fā)送到調(diào)度車(chē)輛。遠(yuǎn)程管理平臺(tái)界面如圖3所示。

⑵ 電子站牌遠(yuǎn)程管理

電子站牌遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)由電子站牌管理、發(fā)布信息管理、文本格式化顯示管理模塊組成。電子站牌管理包括添加、刪除、查找、基本信息更新等。發(fā)布信息管理模塊包括信息遠(yuǎn)程獲取、實(shí)時(shí)更新、信息發(fā)送。文本格式化顯示模塊可以根據(jù)實(shí)際屏幕的大小自定義顯示信息的內(nèi)容和長(zhǎng)度。如圖4中“[L4S1T5S1N5]D4”，代表的含義如表1：

3 智能車(chē)載終端設(shè)計(jì)

智能車(chē)載終端包括：多媒體、車(chē)載報(bào)站器、4G路由器、車(chē)載刷卡器、車(chē)載GPS、車(chē)載視頻監(jiān)控、LED線路牌等模塊。本架構(gòu)設(shè)計(jì)完全是分體式設(shè)計(jì)，各單一設(shè)備故障不影響其他設(shè)備的正常工作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5。

3.1 車(chē)載自動(dòng)報(bào)站器

目前大多傳統(tǒng)的車(chē)載報(bào)站器采用GPRS或者3G來(lái)更新語(yǔ)音信息，數(shù)據(jù)傳輸費(fèi)用太高，為此，我們提出了雙WiFi技術(shù)，當(dāng)車(chē)載報(bào)站器檢測(cè)到車(chē)輛周?chē)芯钟蚓W(wǎng)WiFi信號(hào)時(shí)，自動(dòng)切換到局域網(wǎng)WiFi，否則連接車(chē)載4G路由器。

車(chē)載保站器利用GPS全球衛(wèi)星定位技術(shù)，通過(guò)系統(tǒng)對(duì)經(jīng)度、緯度的測(cè)量準(zhǔn)確定位站點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)語(yǔ)音報(bào)站功能。

通過(guò)WIFI與車(chē)載4G路由器（場(chǎng)站W(wǎng)IFI基站）進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接公交云中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程更新管理報(bào)站文件、LED電子路牌線路信息，LED廣告屏信息。

車(chē)載自動(dòng)報(bào)站器硬件由Cortex-M4核心，無(wú)線模塊、蓄電池模塊、RS485模塊、RS232模塊、揚(yáng)聲器模塊、麥克風(fēng)等模塊組成。RS232和RS485模塊用于連接車(chē)載LCD廣告顯示屏、車(chē)載GPS終端等。無(wú)線模塊采用雙無(wú)線模塊設(shè)計(jì)，主WiFi模塊與車(chē)載4G路由器相連，當(dāng)輔無(wú)線模塊檢測(cè)到場(chǎng)站W(wǎng)iFi信號(hào)時(shí)，自動(dòng)將無(wú)線信號(hào)切換到場(chǎng)站W(wǎng)iFi，進(jìn)行車(chē)載廣告、語(yǔ)音信息更新等。使用雙無(wú)線模塊能夠更好的節(jié)省4G數(shù)據(jù)傳輸費(fèi)用。其硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6所示。

3.2 WIFI機(jī)頂盒

車(chē)載WIFI機(jī)頂盒類(lèi)似于電視機(jī)頂盒，主要用于將視頻或者廣播數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)并傳輸給LCD顯示屏。該機(jī)頂盒具有以下特點(diǎn)。

⑴ 自帶WIFI，通過(guò)WIFI與車(chē)載4G路由器（場(chǎng)站W(wǎng)IFI基站）進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接公交云中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程更新管理視頻文件。支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)傳。

⑵ WIFI優(yōu)先權(quán)設(shè)置，WIFI信號(hào)可多設(shè)置連接，并會(huì)根據(jù)已選信號(hào)的強(qiáng)度進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)先選擇信號(hào)源，如在場(chǎng)站可優(yōu)先連接場(chǎng)站W(wǎng)IFI信號(hào)，可節(jié)省4G流量。

⑶ 具有視頻任意分屏功能，支持流媒體播放。

⑷ 內(nèi)置航空級(jí)電池，低功耗設(shè)置，在車(chē)輛停駛狀態(tài)下DC 5V給主板及WIFI供電，實(shí)現(xiàn)更新視頻文件及報(bào)站文件等信息，自供電時(shí)長(zhǎng)不少于10小時(shí)。

⑸ 安全性：存儲(chǔ)卡內(nèi)置，存儲(chǔ)格式固定內(nèi)置加密程序，非任何SD卡可讀取。采用MD5加密方式進(jìn)行加密傳輸。

⑹ 節(jié)目更新：可單一節(jié)目文件進(jìn)行更新覆蓋，無(wú)需整盤(pán)更新。

4 智能電子站牌設(shè)計(jì)

目前智能公交系統(tǒng)中，智能電子站牌給人們的出行及行程安排提供了極大的幫助。但是，目前國(guó)內(nèi)的電子站牌種類(lèi)繁多且大小不一，相同的內(nèi)容在不同的站牌顯示效果不一致，有可能會(huì)出現(xiàn)標(biāo)題與顯示內(nèi)容沒(méi)有對(duì)齊等問(wèn)題。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，智能電子站牌能夠通過(guò)格式化文本串實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)功能，對(duì)不同的顯示屏能夠?qū)崿F(xiàn)相同的顯示效果。

智能電子站牌由Cortex-M3、電源模塊、溫度傳感器、亮度傳感器、以太網(wǎng)模塊、無(wú)線模塊、Flash組等。由于電子站牌不僅要顯示車(chē)輛運(yùn)行信息，同時(shí)還要播放多媒體廣播等存儲(chǔ)信息量大，所以對(duì)Flash進(jìn)行了擴(kuò)展。

系統(tǒng)通過(guò)有線或無(wú)線從智能公交云中心實(shí)時(shí)獲取車(chē)輛的編號(hào)、位置、到站時(shí)間等，再經(jīng)過(guò)處理后將出行信息顯示到電子站牌，并且可以根據(jù)環(huán)境溫度和亮度來(lái)調(diào)整LED的發(fā)光強(qiáng)度。硬件結(jié)構(gòu)如圖7所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文運(yùn)用GPS傳感定位、基于3G/4G的無(wú)線傳輸、物聯(lián)網(wǎng)和云平臺(tái)等最新科技，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通過(guò)4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將智慧車(chē)載系統(tǒng)、智慧候車(chē)廳系統(tǒng)與智慧公交云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的智慧公交系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)公交中的“人-車(chē)-路-站”一體化，智能化的監(jiān)控、管理及服務(wù)，解決了站點(diǎn)播報(bào)、視頻或圖像播放等方式存在的弊端，通過(guò)車(chē)載WIFI機(jī)頂盒將3G/4G無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)換為WIFI信號(hào)，實(shí)現(xiàn)大量音視頻信號(hào)、車(chē)輛調(diào)度、車(chē)輛位置等信息的實(shí)時(shí)傳輸。該系統(tǒng)比以往公交系統(tǒng)更加智能、資源利用率更高，成本較低，目前已在城市公交中得到了成功的應(yīng)用。

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