智能公交系統電子站牌的研究與設計

文雄軍,劉樹錕,廖曙光

(1.湖南涉外經濟學院計算機教學部，中國 長沙 410205；2.湖南長沙凌發有限公司，中國 長沙 410004)

智能公交系統是在公交終端通過GPS(Global Positioning System)定位，公交終端定時向調度中心發送定位信息，調度中心接收到相關信息再分發給電子站牌，電子站牌收到信息之后及時更新顯示，顯示經過本站臺各路車輛離站的距離，及時進行預報等服務，因此電子站牌的服務是面向外出市民候車的一個重要環節．

現在電子站牌并沒有普及到每個城市，即使有的城市已經運行，試行的結果并不很理想[1]，電子站牌的服務沒有全面考慮到市民乘車的各項需求，存在設計不合理，顯示內容不正常，錯誤顯示或者干脆不顯示等問題，由于通信中斷、數據丟失或電源切斷等原因導致電子站牌無法正確更新[2]．

本文設計除采納正常的硬件設施外，還采用了低成本且有效的手段來保障電子站牌的正常工作，如增加藍牙模塊等硬件補償；研究并優化了電子站牌報站的算法；當信息包丟失時會致使電子站牌顯示異常，提供了有效的補償方案，從而達到電子站牌較為完善的服務．

1 電子站牌概述

公交監控調度中心或線路調度中心(以下總稱為調度中心)收到公交車載的定位等信息，然后進行有效的采集、處理，處理后的數據包括公共信息(廣告，交通順暢擁塞狀態等)，調度信息，控制信息，線路信息(車輛定位信息)等，以無線通信方式發送到電子站牌，電子站牌進行簡單的處理和動態發布車輛離站到站情況．

電子站牌收到信息向調度中心返回確認信息，并向調度中心匯報自己的工作狀態和自檢文件，用于調度中心及時進行設備監控．

根據日常需要，電子站牌分總站電子站牌和中途站電子站牌2類，中途站電子站牌也即平時公交途經的各站，最主要的功能是動態顯示信息，同一路線車有很多車，在所有路線中預報離本站最近的公交車的車距，即預報距離和時間，例如“902路車離本站800米，預計4分鐘到達”，在總站電子站牌主要顯示收發車信息，它需要語音提示[3]．

2 電子站牌的設計構成

常見的電子站牌主要由通信模塊、顯示模塊、主單元處理器MCU、外圍設備控制(供電、語音播放接口、傳感器、散熱)組成[4]，由單片微處理器MCU統一協調各部分工作，其結構組成如圖1所示．

圖1 電子站牌硬件組成圖

2.1 通信部分

通信模塊由GPRS、單片機系統和外部接口組成，負責無線通信．通信方式設置為CDMA 1X/GSM(支持GPRS);通信天線接口設置SMA/SMB;通信天線阻抗設置50 Ω;外部擴展接口設置為EIA RS-232/485[3]，通信模塊可以采用SIMCOM公司的SIM100．

當電子站牌與調度中心通信中斷時，原有的自動預報功能失效，在設計通信部份添加藍牙模塊，電子站牌可以通過藍牙功能與附近公交車輛傳送信息包，還有相鄰的電子站牌也可以進行相互的信息發送，只需要各電子站牌及公交終端開放藍牙功能，成本低故可采納．

2.2 主單元MCU

主單元MCU(Main Control Unit)采用高檔耐用快速的單片機微處理器，接收通信模塊發過來的數據，根據事先設置好的站牌ID號判斷有效信息，保留本站相關信息，然后進行處理，將顯示數據發送到相應的顯示器，對站牌的工作進行統一控制．

MCU要支持LCD模塊，LED模塊和控制臺的連接[1]，故電路板上需要5～6個以上串口，應采用帶雙串口的支持MCS-51指令集的80C52封裝系列單片機．主要完成配置信息的輸入和儲存、LCD/LED模塊的顯示控制、系統控制和可選的語音報站功能，負責協調站牌各功能模塊正常工作．在此建議采用華邦的W77IE58P控制芯片，電路圖及參數略．

2.3 顯示部分

電子站牌最主要也是乘客直觀感覺到的任務是顯示，常見的“閃爍”模式用來突出顯示車輛正在本站中，公交車線路在某站時表示燈閃爍[5]，經過的站表示灰色，前向的站顯示其他色如原來的黑色．

2.4 電源及其外圍設備

內部供電模塊包含一塊開關電源模塊，將正常用電轉換為站牌各部分需要的不同電壓．

現有電子照牌存在有顯示字體及明度不合理，導致市民看不清楚．因此這里設計了傳感器，一方面用來采集站內的照度，根據照明度分不同情況調節顯示的照明度，如白天晚上不同，另一方面采集溫度，MCU根據采集到的溫度用以調節散熱風扇的轉速及開關[6]．

站牌內應該安裝防雷模塊，有效防止雷電對電子站牌的影響．為了防止意外斷電，站牌結構內部要設置備用電源．

2.5 語音播放接口

一般情況可只在總站電子站牌設語音播放，它可用于在發車前提醒乘客上車和駕駛員按時到位；采用的ISD4004芯片是錄音回放型．

以上實現了電子站牌主要硬件部份的設計，考慮了常見硬件的便利性、擴展性，還有出現故障情況采用全方位的設計，如電源要備用，通信部份增加藍牙模塊，外圍增加傳感器，以更好的服務市民出發提出了最優的設計，電子站牌外部屏體的設計在此不作說明．

3 電子站牌預報站的優化設計

電子站牌的服務直接面向廣大市民，其正確性和準確性直接影響到城市服務水平，為市民出行方便也是極為重要的，因此它的預報服務尤為重要．中途站電子站牌上方滾動字幕顯示最近一班車到本站的距離，下面顯示其他車輛到站的距離及預計到站的時間，也即后面所說的時間預報和距離預報．

圖2 電子站牌距離預報獲取距離流程圖

傳統的算法沿線路的軌跡根據車輛和車站的經緯度的差，計算出車輛距離站牌的距離[7]，計算結果少于預報距離開始進行預報，其中的報站功能與以往研究過的車輛自動報站器有些類似，在此不再重復設計．如果電子站牌的報站與車輛終端的報站名不同，也可以通過藍牙模塊與車載終端聯系予以糾正．

在此種傳統距離預報中，電子站牌收到車輛信息不停的與現有的站臺位置計算距離，不停的反復計算造成其他工作的滯后，也是沒有必要的，為避免系統在每次收到車載終端的數據后均要做同樣重復的計算，系統預先對線路沿線雙方向進行密集采樣，如例如近距離每隔30米取1點，距離站牌愈遠愈可以拉大采樣距離，離站較遠的預報允許存在的誤差可比離站臺近的車誤差大，預先計算好距離存儲，儲存數據包括計算該點至線路起點的距離、前方最近車站ID、以及到前方最近車站的距離．每次收到車載終端的數據，只要判斷車輛當前位置與哪個采樣點最接近，然后直接利用該采樣點的距離數據即可．采樣點與站臺的距離已經存儲，所以無須重復計算，減少了電子站牌的負擔．

實際也證明了，用采樣點的方法大大加快了電子站牌的工作效率，也是合理有效的一種算法.車輛是否處在營運狀態，是上行還是下行方向、普車還是快車等對計算結果均取決定性作用，因為快車要增加采樣點，慢車可以相對小一些，圖2為處理的流程圖．

4 數據丟失時的預報補償設計

實際情況中，不論電子站牌采用什么通信方式，在傳送過程中通信中斷也是不可避免的，采用什么來定位實現預報站，數據丟失的情況時有發生，城市中高樓建筑物的遮擋，都會增加GPS數據包丟失的可能性，在這些情況下要通過補償算法來進行距離預報．

以往通用的補償方案是通過丟失前的平均速度及慣性來計算，存在一些不合理，因為車速與路況、天氣、節日和上下班高峰時間段有關，進行到站時間的預報時間不管信號丟不丟失，都應考慮車輛在不同時段、不同路段的經驗速度分布，預報的時間為距離除以速度．

4.1 經驗速度

圖3 經驗速度概率分布圖

經驗速度是根據大量車輛在同一個時間段“習慣經驗”速度來進行總結計算，根據車輛到前方最近車站的距離，從而也得出到站的時間，需要知道此時間段車輛在該路段的速度.速度通常在路段上是連續變化的，數據丟失距離也需要預測，為此在路段上設置采樣點，采樣點并不是均勻分布的，而是按照道路交通狀況特點相同的路段歸結為一個采樣段，以不同車輛在每天同一時刻經過該采樣段的最大似然速度作為“經驗速度”[8]．

由于車輛在每天同一時刻經過特定采樣段的速度并非正態分布，而傾向于泊松分布，故經驗速度并非算術平均速度，而應計算大量車輛按某一特定概率(例如95%)的最大似然速度[9]，經驗速度概率分布如圖3所示．

計算經驗速度是一個動態的不斷進行的過程，系統會在設定的運行周期內根據實際運行中產生的數據不斷更新各采樣段的經驗速度．

4.2 經驗速度分布

經驗速度是大量車輛在每日同一時間經過同一采樣段的最大似然速度，在1天的時間內在不同的采樣段具有某種分布[10]．如圖4所示的三維圖，其X、Y、Z軸分別為時間、各采樣段的經驗速度、沿線路連續排列的不同的采樣段.

圖4 經驗速度沿采樣段和時間的分布圖

上面充分考慮了上下班高峰時段比如車流擁擠、緩慢，而不按照以往所研究的慣性或平均速度來推算，因為車輛的速度與節日，每天的時間段，路況有很大關系，車流量高低峰到來的時間不盡相同，相鄰采樣段具有某種時間上的繼承性等特點．

總站電子站牌預報中另外還有一種簡單易行的方法，根據以往的經驗時間來預報，同輛車不同天同一時刻的位置，算出一個月或是一個星期在某瞬間的經驗位置，比如18路車在下午5點1分左右來到本站，除掉特殊節日，所有的車輛按照以往的經驗位置播報．但實際這種方法存在的誤差相當大，因為車輛多，運行路況也復雜，但這種算法可用于總站站牌的時間距離預報．

4.3 基于經驗速度分布的距離預報和時間預報

4.3.1 距離預報 根據經驗速度的分布，系統可以在丟失車輛定位數據時(例如在20 s以上沒有收到同一車輛的定位數據)，在一定的時間范圍內(例如一個單程時間內，車輛到達線路終點之前)，根據車輛最近一次定位數據和沿線的經驗速度，預測車輛的當前位置，從而實現距離預報．比如預報某車離本站還有多少距離．

4.3.2 時間預報 時間預報即預計某車多久到達本站，即使當信號存在，也必須依賴于經驗速度的分布，這一轉換按照各采樣段的經驗速度，根據采樣段的長度計算出車輛經過各采樣段的經驗時間，對沿線各采樣段經驗時間進行累加，即可得到車輛經過特定長度路段所需要的時間．

綜上所述，當信號丟失，經驗速度又作為距離預報的一大重要元素，基于經驗速度的預報提高了電子站牌預報的準確性．

5 結論

本文在電子站牌設計時綜合考慮了服務的周全性，硬件采用藍牙作為輔助通信模塊等優化設計，將距離預報算法進行了優化，提出了以經驗速度來作為定位補償算法和時間預報的依據，從而更加完善電子站牌的全面服務，經驗位置，經驗時間的提出，優化了電子站牌進行距離預報，時間預報的準確率與效率．電子站牌綜合性系統除預報系統外,還有導乘系統(交互式的應用系統如地鐵導乘系統)、視頻監控子系統、多媒體信息一系列綜合性系統[11]，將是我們后續研究的課題．

參考文獻：

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