智慧公交關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究

范丹陽(yáng) 赫曉慧 魏海濤

1.鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州 450001；2.鄭州大學(xué)智慧城市研究院，河南鄭州 450001

近年來(lái)，隨著中國(guó)城市化的快速發(fā)展以及機(jī)動(dòng)車(chē)保有量的持續(xù)增長(zhǎng)，交通擁堵對(duì)城市發(fā)展以及城市居民生活質(zhì)量的影響日益顯著，良好的出行條件已經(jīng)成為人們的迫切需求。優(yōu)先發(fā)展公共交通，提升公共交通管理與服務(wù)水平，建成使廣大居民能夠便利出行的“公交都市”已成為當(dāng)前城市交通部門(mén)努力的方向。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)“互聯(lián)網(wǎng)+”概念的興起和智慧城市試點(diǎn)工作的開(kāi)展，為“智慧公交”這一新興領(lǐng)域提供了新的技術(shù)支持和實(shí)現(xiàn)手段[1]。智慧公交是智慧城市的有機(jī)組成部分，它將傳統(tǒng)的公交運(yùn)營(yíng)管理模式升級(jí)為云服務(wù)模式，可極大提高城市公交系統(tǒng)的智能化管理水平及運(yùn)載能力[2]，并面向交通部門(mén)及公眾提供多樣化的公交信息服務(wù)，滿(mǎn)足城市公交管理部門(mén)在管理方面及居民出行方面的需求，進(jìn)一步推進(jìn)智慧城市的建設(shè)。

1 城市公交面臨的問(wèn)題與挑戰(zhàn)

公交作為城市交通的重要組成部分，在全國(guó)大部分城市的分擔(dān)比例卻不足20%，與此同時(shí)，等車(chē)難、車(chē)廂擁擠、線(xiàn)路不合理、信息獲取不方便等問(wèn)題極大地影響著搭乘公交出行的體驗(yàn)。當(dāng)前，制約公交向信息化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)智慧化管理主要有以下幾個(gè)方面的因素：（1）公交實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取困難，公交系統(tǒng)各部分之間通信不暢，難以對(duì)公交車(chē)站、車(chē)廂內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；（2）數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)利用程度不夠，部分公交線(xiàn)路安排不合理，調(diào)度不科學(xué)，對(duì)歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)未進(jìn)行充分有效的分析整理，公交大數(shù)據(jù)中所隱含的規(guī)律仍待挖掘；（3）公交信息發(fā)布手段單一，乘客無(wú)法預(yù)知公交到站時(shí)間、車(chē)內(nèi)擁擠情況，及時(shí)獲知自己所感興趣的公交出行信息；（4）缺乏相應(yīng)的應(yīng)急保障機(jī)制。

借助新技術(shù)對(duì)公交行業(yè)的傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)模式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，釋放出城市公交潛在的客運(yùn)能力，提高乘客出行體驗(yàn)成為公交行業(yè)實(shí)現(xiàn)全面升級(jí)的必經(jīng)之路。在當(dāng)前智慧城市建設(shè)的大背景下，如何借助新興的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等去解決傳統(tǒng)公交行業(yè)中存在的問(wèn)題，提高公交行業(yè)自身管理水平，為乘客提供更人性化的服務(wù)，是公交行業(yè)面臨的重大課題。

2 智慧公交總體架構(gòu)

智慧公交的總體采用面向服務(wù)的SOA架構(gòu)，由感知層、支撐層、應(yīng)用層、服務(wù)層等部分組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

感知層：主要由公交車(chē)、車(chē)站及路網(wǎng)三部分的感知設(shè)備組成。利用車(chē)載感知設(shè)備實(shí)時(shí)獲取車(chē)輛運(yùn)行時(shí)的位置、行駛速度、載客量、交通路況等信息，基于公交車(chē)站的RFID讀寫(xiě)器及視頻監(jiān)控識(shí)別車(chē)站附近一定范圍內(nèi)的公交車(chē)，并獲取乘客候車(chē)情況，路網(wǎng)感知采集路面交通信息，道路壓力、應(yīng)力等物理信息及空氣溫度、濕度等氣象信息。感知層是實(shí)現(xiàn)城市公共交通智慧化管理的基礎(chǔ)，有助于全面、及時(shí)地掌握城市公共交通的整體運(yùn)行情況。

圖1 智慧公交總體架構(gòu)圖

傳輸層：公共交通類(lèi)數(shù)據(jù)有著實(shí)時(shí)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)量大、多源異構(gòu)等特性，基于泛在通信網(wǎng)絡(luò)如有線(xiàn)網(wǎng)、衛(wèi)星通信、3G/4G等構(gòu)筑起完備的智慧公交通信網(wǎng)，并利用其靈活地傳遞不同層級(jí)中各部分的信息，實(shí)現(xiàn)處理中心和各信息終端之間的互聯(lián)互通，保證信息的及時(shí)處理與應(yīng)用。

支撐層：基于底層硬件及服務(wù)器虛擬化等技術(shù)，對(duì)底層硬件資源進(jìn)行統(tǒng)一化、虛擬化管理，建立能夠滿(mǎn)足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)管理、空間分析、預(yù)測(cè)分析、數(shù)據(jù)挖掘等需求的智慧公交云服務(wù)器。云服務(wù)器是整個(gè)智慧公交云平臺(tái)中數(shù)據(jù)處理的中樞，也是整個(gè)平臺(tái)中最為關(guān)鍵的部分。

應(yīng)用層：基于支撐層所提供的數(shù)據(jù)及分析結(jié)果，面向公交系統(tǒng)在智能調(diào)度、運(yùn)行管理、個(gè)性化信息服務(wù)、應(yīng)急響應(yīng)等方面的實(shí)際需求，建立統(tǒng)一的公交管理服務(wù)平臺(tái)，為公交管理部門(mén)及乘客提供多樣化的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)公交行業(yè)的智能化升級(jí)，提高運(yùn)營(yíng)管理水平。

表現(xiàn)層：基于多種信息載體，如電子公交站牌、車(chē)載顯示屏、WEB網(wǎng)站、手機(jī)APP等，對(duì)外提供交通路況、公交位置、換乘查詢(xún)等信息服務(wù)，是智慧公交提高信息覆蓋度，滿(mǎn)足乘客多樣化信息需求，提升服務(wù)質(zhì)量的具體表現(xiàn)形式。

3 智慧公交關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用

為保障智慧公交總體框架內(nèi)各部分的正常運(yùn)行，并向公交管理者、乘客提供可靠的服務(wù)，應(yīng)采用適宜的技術(shù)方法對(duì)框架中所包含的關(guān)鍵層級(jí)進(jìn)行處理。基于公交網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、公交大據(jù)挖掘技術(shù)等建立起完善的智慧公交數(shù)據(jù)傳輸及分析系統(tǒng)，滿(mǎn)足智慧公交傳輸層、支撐層對(duì)數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)、管理、分析方面的需求，為應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)智能調(diào)度、線(xiàn)路站點(diǎn)優(yōu)化、客流預(yù)測(cè)、個(gè)性化信息服務(wù)以及應(yīng)急響應(yīng)等功能提供支持。

3.1 公交網(wǎng)絡(luò)通信

公交網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是在傳輸層中實(shí)現(xiàn)信息傳遞的手段。采用通信技術(shù)將公交網(wǎng)絡(luò)中所包含的車(chē)輛、車(chē)站、管理中心等要素聯(lián)結(jié)為一個(gè)整體，可實(shí)現(xiàn)公交網(wǎng)絡(luò)中“人-車(chē)-站-管理中心”之間的有機(jī)互動(dòng)。由于公交信息具有數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、車(chē)輛位置不固定、類(lèi)型多樣等特點(diǎn)，為保障公交網(wǎng)中各部分之間的通信順暢，需建立一套穩(wěn)定可靠的公交網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)[3]。ZigBee技術(shù)具有成本低、體積小、能量消耗小、傳輸速率低等特點(diǎn)，可應(yīng)用于車(chē)輛與車(chē)站之間的短距離通信；3G/4G網(wǎng)絡(luò)適用于長(zhǎng)距離無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，可利用它建立起乘客、車(chē)輛與智慧公交指揮中心的聯(lián)系；利用NFC技術(shù)，能夠快速獲取乘客的IC卡信息并完成支付；在車(chē)站及車(chē)輛內(nèi)提供WiFi接入服務(wù)，使乘客能夠方便的獲取互聯(lián)網(wǎng)資源；架設(shè)城市公交專(zhuān)用通信線(xiàn)路，采取有線(xiàn)通信的方式完成車(chē)站與指揮中心的聯(lián)系；衛(wèi)星通信可作為一種非常規(guī)通信手段部署于應(yīng)急系統(tǒng)中，在其他通信手段出現(xiàn)故障或緊急情況下使用。

3.2 公交大數(shù)據(jù)挖掘

城市公交數(shù)據(jù)挖掘的研究對(duì)象主要包括城市交通信息及城市公交運(yùn)營(yíng)中所產(chǎn)生的車(chē)輛GPS數(shù)據(jù)、公交運(yùn)行數(shù)據(jù)、IC卡數(shù)據(jù)等，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)方法、基于時(shí)間序列分析的預(yù)測(cè)方法、交通參數(shù)多步預(yù)測(cè)法等[4]數(shù)據(jù)挖掘相關(guān)算法對(duì)這些信息進(jìn)行存儲(chǔ)、清洗、梳理、鉆取，獲得潛在的城市公交運(yùn)行規(guī)律，是優(yōu)化現(xiàn)有公交資源分配方案，提高公交智慧化管理水平的重要方法。公交大數(shù)據(jù)挖掘主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：

（1）車(chē)輛GPS數(shù)據(jù)。由車(chē)載GPS在公交車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)采集，包括車(chē)輛的位置、上下行、站點(diǎn)編號(hào)、進(jìn)出站時(shí)間等數(shù)據(jù)，由這些數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)獲取車(chē)輛的狀態(tài)、速度、軌跡等信息，可用于分析各路公交車(chē)的運(yùn)行情況、路面交通狀況以及各車(chē)站的客流壓力，公交指揮中心可據(jù)此動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)車(chē)間隔，及時(shí)疏解車(chē)站客流，實(shí)現(xiàn)對(duì)公交車(chē)輛的智能調(diào)度[5]。

（2）公交運(yùn)行數(shù)據(jù)。主要包括公交線(xiàn)路信息、公交站點(diǎn)信息、公交調(diào)度信息等，這類(lèi)數(shù)據(jù)比較全面的涵蓋了公交系統(tǒng)運(yùn)行中的各方面的統(tǒng)計(jì)信息，通過(guò)與其他信息如車(chē)輛晚點(diǎn)情況、超載率相結(jié)合，從中檢測(cè)設(shè)置不合理的線(xiàn)路、站點(diǎn)、調(diào)度表，并予以調(diào)整，優(yōu)化公交車(chē)輛運(yùn)行安排。

（3）IC卡數(shù)據(jù)。基于公交IC卡、車(chē)內(nèi)監(jiān)控、車(chē)站監(jiān)控等采集公交客流信息，獲取客流在方向、線(xiàn)路、時(shí)間、斷面上的動(dòng)態(tài)變化，研究乘客出行特征、公交客流的時(shí)間性規(guī)律及空間性規(guī)律[6]，對(duì)公交客流的分布、總量、變化等進(jìn)行預(yù)測(cè)，制定科學(xué)合理的運(yùn)營(yíng)計(jì)劃，滿(mǎn)足居民的出行需求。

3.3 個(gè)性化信息服務(wù)

利用智慧公交手機(jī)APP等方式采集乘客的歷史出行記錄、出行習(xí)慣、偏好目的地等個(gè)體特征信息，基于公交云平臺(tái)對(duì)乘客的出行模式進(jìn)行深入分析、挖掘和預(yù)測(cè)，并根據(jù)乘客的實(shí)時(shí)位置通過(guò)手機(jī)APP、短信、微信等多種手段向乘客推送基于位置的服務(wù)（LBS），提供附近公交車(chē)站、附近車(chē)輛位置、推薦線(xiàn)路、公交動(dòng)態(tài)、車(chē)站周?chē)频辍⒅匾ㄖ葌€(gè)性化信息，乘客可快速獲取自己感興趣的出行信息[7]。此外，通過(guò)在車(chē)站安裝智慧公交信息查詢(xún)終端機(jī)，乘客可快速獲取到感興趣的公交信息，為乘客出行帶來(lái)更大的便利。

3.4 應(yīng)急響應(yīng)

針對(duì)車(chē)輛運(yùn)行時(shí)可能發(fā)生的意外情況，如車(chē)輛事故、嚴(yán)重?fù)矶隆④?chē)內(nèi)治安事件等，制定相應(yīng)預(yù)警機(jī)制并建立安全應(yīng)急數(shù)據(jù)庫(kù)，存放各種應(yīng)急預(yù)案及突發(fā)案例。根據(jù)公交通信網(wǎng)絡(luò)所實(shí)時(shí)傳送的實(shí)時(shí)車(chē)流、車(chē)內(nèi)監(jiān)控、通話(huà)錄音、報(bào)警信息等，判斷是否有突發(fā)事件發(fā)生以及突發(fā)事件的類(lèi)型，并將突發(fā)事件的信息匯總至指揮中心，指揮中心可依據(jù)事先制定的應(yīng)急方案，結(jié)合實(shí)際情況采取報(bào)警、增發(fā)車(chē)輛、調(diào)整發(fā)車(chē)時(shí)刻等措施來(lái)應(yīng)對(duì)，保障整個(gè)公交系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)。

4 結(jié)語(yǔ)

公交車(chē)在城市交通中占有重要地位，一個(gè)高效、穩(wěn)定、便捷、智能的公交管理服務(wù)平臺(tái)對(duì)保障城市交通的順利運(yùn)行，滿(mǎn)足居民出行需求有著重要意義。智慧公交通過(guò)感知層、傳輸層實(shí)時(shí)全面獲取城市公交信息，并以云計(jì)算平臺(tái)和公交專(zhuān)題數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理及分析，充分利用公交大數(shù)據(jù)，挖掘城市公交運(yùn)行規(guī)律，建立一體化公交管理服務(wù)平臺(tái)，為公交管理者及乘客提供多樣化服務(wù)，提升城市公交運(yùn)營(yíng)效率及管理水平，滿(mǎn)足廣大城市居民出行需求。隨著通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等新技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，智慧公交將迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇，發(fā)揮出更大的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)價(jià)值。