基于無線城域網的智能公交系統設計與實現

摘 要:針對現有智能公交系統存在的通信帶寬有限、易產生信息孤島、缺少實時路況等問題，設計并實現基于無線城域網的智能公交系統。該系統融合公交信息采集、運營調度、公交監管和綜合信息發布平臺。借助.NET對平臺進行了三層架構部署，總結良好的軟件設計及開發思路，并為平臺運行所需的最終軟硬件環境的實現提供了可行的解決方案。該系統經測試穩定性和實時性較高，能夠滿足公交運營需求。

關鍵詞:智能交通系統; 智能公交系統; 無線城域網; 無線通信協議

中圖分類號:TP312

文獻標志碼:A

文章編號:1001-3695(2010)02-0603-03

doi:10.3969/j.issn.1001-3695.2010.02.056

Design and implementation of WMAN-based intelligent transportation system

WEI Yao1， CHEN Hong-zhong2

(1.Dept. of Computer Science Technology， Tongji University， Shanghai 201804， China; 2.Tongji Branch， National Engineering Tech-nology Center of High Performance Computer， Shanghai 201804， China)

Abstract:Aiming at the common bottleneck of existing systems， such as limited communication bandwidth， information isolated， lack of real-time traffic condition， this paper designed and implemented an intelligent public transportation system based on WMAN. It integrated four platforms including information acquisition， transport schedule， transport monitor and information release. In virtue of the .NET， it deployed the platform by tropical structure， summarized an optimize software and exploitation idea， and that was the reasonable and consultable project comes for， the realization of final software and hardware for the platform running. The test turns out it can meet the need of public transportation management with its high stability and real-time ability.

Key words:ITS(intelligent transportation system); APTS(advanced public transportation system); WMAN(wireless metropolitan area networks); wireless communication protocol

智能交通系統(ITS)是將先進的信息技術、數據通信傳輸技術、電子控制技術以及計算機處理技術等有效地運用于整個運輸管理體系，將駕駛員、交通工具和道路、環境三位一體來考慮，從而建立起一種在大范圍內全方位發揮作用的實時、準確、高效的運輸綜合管理系統[1]。

近年來，國內對ITS的研究與應用發展較快，取得了一定成果[2~4]。文獻[3]設計基于GPS、GPRS和GIS相融合以實現車輛定位信息的采集、收發和顯示。由于國內無線寬帶網絡的發展較為緩慢，致使之前的ITS一直面臨著通信瓶頸的限制，只得求助于帶寬有限的GPRS/CDMA網絡，這使得行駛中的公交無法與中心交換大量的信息。并且ITS涉及的領域眾多，如傳感采集、遠程控制、計算機技術、通訊信術、數據挖掘等，使得技術門檻很高，實現的子系統大多互相孤立，形成信息孤島。鑒于此，本文結合上海市嘉定區無線網絡工程，依托嘉定區無線寬帶網絡，設計并實現了一個基于WMAN的智能公交系統，它融合交通信息綜合采集、公交運營調度、公交監管和公交綜合信息發布四大平臺，為使用者提供一體化服務。

1 業務模型設計

為了最大限度地滿足各相關行業和企業部門的需求，向民眾提供實時的路況信息，經調研分析可知，智能公交系統的業務范圍主要劃分為四個主要領域，即交通信息綜合采集、公交運營調度、公交監控管理和公交綜合信息發布，如圖1所示。這四個領域在業務上相互支撐、相互滲透、相互協調，基本包含了智能公共交通的主體業務形態，能夠滿足智能公交總體業務運作要求。

1)交通信息采集領域 車載設備終端每隔1到s將GPS實時信息(包括經緯度、速度、方向等);開關門、溫度、乘客數量以及視頻等信息發送給信息中心。

2)公交運營調度領域 調度中心接受信息中心發送的分析處理過的數據，并進行數據管理，包括員工、車隊和公交車站等信息的錄入、更新和刪除;提供數據服務，支持管理人員查詢，同時根據公交車的運行情況進行實時調度，將調度信息發送給公交車載終端。

3)公交綜合信息發布領域 信息中心將分析處理過的數據發送給公交車站電子站牌、公交車載導航終端和公交綜合信息門戶網站，三者分別根據獲取的信息向民眾提供一體化信息服務，包括車輛目前位置、到站距離、到站預測時間、出行方案查詢、位置查詢、路況查詢、政府便民信息等。

4)公交監控管理領域 監控管理中心接收信息中心發送的分析處理過的數據，根據車輛實時信息進行監管，包括車輛實時監管、歷史軌跡回放、運營車速監管、車輛串線監管、非正常開關門等;同時將各公交歷史信息統計成報表，以圖像化的方式展示，提供基礎的決策分析輔助功能。

2 系統總體設計

2.1 系統總體框架

根據系統的主體業務模型可以看出，智能公交系統涉及的業務范圍非常廣泛。從數據資源需求角度講，它需要龐大的數據信息作為其業務的信息源;從技術需求角度講，它需要信息采集、無線通信等多方面的高新技術作為其平臺的支撐;從功能需求角度講，它需要復雜而統一的系統作為其業務管理的后盾。因此，本文為解決公交系統的實時信息采集，公交實時調度、車輛監控管理和一體化信息服務等問題，兼顧平臺的科學性、先進性、易操作性和實用性為設計目標，設計如圖2所示的系統總體框架。

2.2 采用的技術架構

隨著網絡技術的發現，特別是XML技術的出現，使得Web服務(Web service)技術成為下一代Internet技術發展的趨勢。作為一種新型的Web應用程序，Web服務結合了面向組件和Web技術的優勢，提出了一種新的面向服務的分布式系統結構。Web service是一組通過標準的Web協議(HTTP)可編程訪問的Web組件，其設計的相關技術主要包括可擴展標記語言(XML) ，簡單對象訪問協議(SOAP)，Web服務描述語言(WSDL)，通用描述、發現與集成協議(UDDI)。

從技術角度來看，Web service是對象/組件技術在Internet中的延伸。Web service具有完好的封裝性、松散耦合、使用標準協議規范、高度可集成能力等新的特征。Web service最突出的優勢就在于它不像傳統的組件技術那樣依賴特點的對象模型協議，如DCOM、CORBA、RMI等，而是利用通用的Internet協議和數據格式來實現服務的訪問，如HTTP傳輸協議、XML數據格式，從而真正實現應用系統的跨平臺、可擴展和易維護性，構建松散耦合的集成應用。

本文采用基于Microsoft.NET的Web服務實現架構來構建所要實現的智能公交系統，由于系統既包括綜合信息門戶網站這種典型的B-S架構，又包括調度監管系統及車載終端系統這種典型的C-S架構，因此整個系統采用客戶端/服務器(C-S)和瀏覽器/服務器(B-S)混合模式，按照Microsoft.NET標準三層體系結構開發軟件，如圖3，該模式由應用層、中間層和數據層組成。

1)應用層 該層中BusClient代表車載終端，它以無線方式(WiFi/GPRS)方式與中間層中的網關(gateway)建立TCP/IP連接，發送采集到的信息(GPS、溫度等)，同時接收由網關轉發的調度監管中心命令;client代表調度和監管系統，它一方面通過gateway向車載終端發送控制命令(加速、減速等)，同時通過SOAP/XML方式訪問Web service接口;browser代表信息門戶網站，采用ASP.NET技術部署，通過IIS和ASP.NET后臺工作進程處理HTTP請求和HTTP響應，同時以SOAP/XML方式訪問Web service接口。

2)中間層 它通過Web service方式封裝了系統對數據的邏輯處理，是實現松散耦合的關鍵。Gateway是車載終端的信息轉發器，它通過無線方式接收車載終端發送的信息;然后以SOAP/XML方式訪問Web service接口存儲采集到的信息;同時也負責轉發調度監管中心發送給車載終端的命令。Web Service是所有數據訪問的惟一接口，它通過用C#編寫的邏輯處理組件和.NET提供的ADO.NET數據訪問組件訪問數據層，其他各模塊都通過SOAP/XML方式訪問Web service接口進行數據處理。

3)數據層 它是系統的數據中心，包括數據庫和數據挖掘模塊。

其中數據庫包括業務信息數據庫、公交實時信息數據庫、地理信息數據庫、文檔數據庫。而數據挖掘模塊通過C#組件實現，主要是對實時采集的車輛信息，如車速以及車站間平均運行時間進行數據挖掘，為整個系統提供更高級的數據服務。

3 關鍵技術

3.1 基于WMAN的無線通信

本文結合上海市嘉定區無線網絡工程，依托嘉定區無線寬帶網絡，設計并實現基于WMAN的智能公交系統，因此基于WMAN的無線通信是本系統的主要創新點。

“無線城市”工程采用MeshWi-Fi和WiMAX等技術，無線Mesh網絡也稱為多跳(multi-hop)網絡，它是一種與傳統無線網絡完全不同的新型無線網絡技術。在傳統的WLAN中，每個客戶端均通過一條與AP(access point)相連的無線鏈路來訪問網絡，用戶如果要進行相互通信的話，必須首先訪問一個固定的AP，這種網絡結構被稱為單跳網絡。而在無線Mesh網絡中，任何無線設備節點都可以同時作為AP和路由器，網絡中的每個節點都可以發送和接收信號，每個節點都可以與一個或多個對等節點進行直接通信。這種結構的最大好處在于:如果最近的AP由于流量過大而導致擁塞的話，那么數據可以自動重新路由到一個通信流量較小的鄰近節點進行傳輸。依此類推，數據包還可以根據網絡的情況，繼續路由到與之最近的下一個節點進行傳輸，直到到達最終目的地為止。這樣的訪問方式就是多跳訪問[5，6]。

目前，無線網絡已覆蓋嘉定區大部分區域，完全能滿足本系統無線網絡傳輸的需求。因此系統設計充分考慮到無線資源，視頻和數據傳輸采用WiFi+GPRS的方式，以WiFi傳輸為主，GPRS傳輸為輔。當WiFi傳輸可用時，采用WiFi傳輸監控視頻、實時地圖等大數據量的數據;當WiFi傳輸不可用時，采用GPRS傳輸GPS、溫度、命令等小數據量的數據，而監控視頻，實時地圖等數據則緩存在終端，等到WiFi傳輸可用時再用WiFi傳輸。這樣既保障了傳輸信號的質量，同時解決了通信瓶頸問題，使得以往智能公交系統中實時視頻監控、實時地圖顯示等受限于通信帶寬的功能得以實現。

3.2 通信協議的設計

車載設備與控制中心之間需要交換各種類型的數據，需要車載系統與Web service服務器配合，完成車載數據的上報和控制命令的通信操作。

車載系統負責發送的數據有以下幾類:GPS數據、司機的相應數據、車輛溫度、人數等統計數據，車載攝像頭采集到的靜態圖片或動態錄像數據。

車載系統負責接收的數據有以下幾類:地圖及線路等元數據更新包、控制中心發送的命令等。

總結各種數據格式，抽象數據類型可以稱為格式化的文本串類以及二進制對象類兩種。為了兼容這兩者并實現各種命令的統一解析，本文設計一個基于格式化文本的協議，能夠通過TCP/IP進行序列化傳輸，并且可以正確解析反序列化為對象，以便獲得命令及參數。無線通信協議的基本二進制格式如表1所示。

消息的類別包括GPS數據、統計類數據、控制類命令;消息的相關屬性包括是否需要加密、是否已經壓縮、消息的傳輸時效性要求(可延遲、普通、緊急)。對于具體幾類消息，其數據協議格式(17~end)有進一步的擴充。例如GPSData類型，其數據協議格式如表2所示。

3.3 車載終端有限機的設計

車載終端系統包括司機顯示屏和乘客導航屏。其中，司機顯示屏負責向司機顯示接收到的服務中心的消息、消息是否已確認、控制動作是否已確認等信息;乘客導航屏負責向乘客顯示到站信息、景點介紹、視頻播放、實時地圖、公益廣告等信息。兩者都要按照一定的規則進行屏幕顯示內容的切換，故這里采用有限狀態機(finite state machine)對屏幕的內容動態切換行為進行建模，其對應的有限狀態機設計如圖4、5所示。

4 線路實驗

實際線路實驗模擬公交線路嘉定1路，從嘉定客運中心開往城中路。車載終端通過采集模塊采集實時GPS信息、溫度信息、視頻信息等，當WiFi傳輸可用時，則發送視頻等信息，以便監控中心視頻監控，同時接收中心發送的實時路況地圖，刷新導航屏的地圖顯示;當WiFi傳輸不可用時，則將視頻緩存在終端。車載終端每隔1 s發送一幀車輛實時位置、速度信息數據。調度中心按車輛定位數據在電子地圖上繪制出車輛實際運行軌跡，并向車載終端發送