基于物聯(lián)網(wǎng)與客流估計的智能公交調(diào)度設(shè)計

任曉莉

（寶雞文理學(xué)院 計算機科學(xué)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(huán)境污染現(xiàn)象嚴重。在城市中擴大道路交通基礎(chǔ)設(shè)施不僅費用高，而且會有一些局限性和不便性，大力發(fā)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(diào)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(wù)，提高公交設(shè)施和運輸系統(tǒng)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(xiàn)行的公交系統(tǒng)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(jié)合上下班高峰期策略調(diào)度，不能真正適應(yīng)客流變化。

目前智能調(diào)度的主要依據(jù)只是來自對公交車行駛位置的監(jiān)控，而對整條路線當中的候車乘客數(shù)量無法及時獲知，無法針對客流變化做出有預(yù)見性“事先”調(diào)度，其根本原因在于調(diào)度系統(tǒng)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(shù)進行估測，但存在著采集數(shù)據(jù)不全面、不準確問題，它只能采集攜帶公交卡的乘客數(shù)，不能區(qū)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(xiàn)RFID數(shù)據(jù)碰撞情況，候車時間較長時會出現(xiàn)RFID數(shù)據(jù)重復(fù)讀取情況。RFID數(shù)據(jù)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(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)智能公交調(diào)度，系統(tǒng)采用RFID技術(shù)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(wǎng)絡(luò)進行實時通信，實現(xiàn)乘客與公交車之間的信息交互。車載子系統(tǒng)可以實現(xiàn)公交車的自動定位、自動記錄行駛信息、乘客人數(shù)統(tǒng)計和故障報警等功能；站臺子系統(tǒng)可以采集不同路次的候車乘客信息，顯示各車次的動態(tài)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(fā)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(jīng)無線傳感網(wǎng)傳輸給公交調(diào)度管理中心，公交調(diào)度管理中心可以根據(jù)乘客流量和公交車輛信息自適應(yīng)地進行公交實時調(diào)度和動態(tài)監(jiān)控。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)概述

物聯(lián)網(wǎng)（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(shè)備及系統(tǒng)，如傳感器網(wǎng)絡(luò)、射頻標簽閱讀裝置、條碼與二維碼設(shè)備、全球定位系統(tǒng)和其它基于物-物通信模式（M2M）[2]的短距無線自組織網(wǎng)絡(luò)，通過各種接入網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個巨大智能網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)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(lián)網(wǎng)技術(shù)可以為人們提供智能服務(wù)[3-4]，實現(xiàn)智能識別、定位追溯、在線監(jiān)測、遠程控制等功能。

物聯(lián)網(wǎng)可分為3層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層由各種傳感器以及傳感器網(wǎng)關(guān)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)層由各種私有網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、有線和無線通信網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和云計算平臺等組成，負責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶（包括人、組織和其他系統(tǒng)）的接口，它與行業(yè)需求結(jié)合，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用。

1.2 RFID技術(shù)

射頻識別 （Radio Frequency Identification）技術(shù)是一種非接觸的自動識別技術(shù)，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(xiàn)對被識別物體的自動識別[5]。最基本的RFID系統(tǒng)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(nèi)的標簽信息數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)自動識別物品和收集物品標志信息的功能。因此，RFID技術(shù)對任何移動對象都可以進行實時的定位、跟蹤和監(jiān)測。

1.3 無線傳感網(wǎng)

無線傳感網(wǎng)是集計算機、通信、網(wǎng)絡(luò)、智能計算、傳感器、嵌入式系統(tǒng)、微電子等多個領(lǐng)域交叉綜合的新興學(xué)科，它將大量多種類傳感器節(jié)點（傳感、采集、處理、收發(fā)、網(wǎng)絡(luò)于一體）組成自治的無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對物理世界的動態(tài)協(xié)同感知。它能實時、動態(tài)獲得物理世界的傳感信息，并且將相關(guān)信息與通訊主干網(wǎng)融合，實現(xiàn)了現(xiàn)有的計算機網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)用于構(gòu)建交通信息系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：

（1）無線傳感器結(jié)構(gòu)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(jié)點，布設(shè)和維護時不會影響車輛的正常行駛，整個網(wǎng)絡(luò)可傳送公交車輛信息及候車乘客信息；

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

（3）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用無線電波傳送方式，不易受環(huán)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(lián)網(wǎng)的智能公交調(diào)度設(shè)計

2.1 基于無線傳感網(wǎng)的公交調(diào)度系統(tǒng)

基于無線傳感網(wǎng)的智能公交調(diào)度系統(tǒng)由車載子系統(tǒng)、站點子系統(tǒng)、公交車輛管理系統(tǒng)和監(jiān)控調(diào)度中心組成，智能公交調(diào)度系統(tǒng)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(tǒng)將特定的公交車輛信息發(fā)送到停靠的站點，站點子系統(tǒng)采集不同路次的候車乘客數(shù)，公交車輛管理系統(tǒng)對公交場站車輛進行進出站記錄、車輛司機考勤及任務(wù)考核管理。無線傳感網(wǎng)將采集的公交車輛信息和站點候車乘客數(shù)傳輸?shù)焦槐O(jiān)控調(diào)度中心，監(jiān)控調(diào)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(fā)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(jù)各路次公交車的候車乘客數(shù)，自適應(yīng)地對公交車輛進行智能調(diào)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(diào)度系統(tǒng)圖Fig.1 System figure for intelligent bus scheduling

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

2.2 車載子系統(tǒng)

2.2.1 車載子系統(tǒng)硬件組成

車載子系統(tǒng)由主控微處理器、高頻收發(fā)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(tǒng)設(shè)計Fig.2 Design of vehicle subsystem

系統(tǒng)上電啟動后，首先將會對各模塊進行初始化，使系統(tǒng)處于接受編碼信號的等待狀態(tài)；由主控微處理器進行控制，實時查詢高頻收發(fā)模塊是否接收到相應(yīng)信號，并隨時準備進行下一個動作指令的發(fā)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(yīng)答（系統(tǒng)將應(yīng)答信號設(shè)計為之前收到的編碼信號）站臺子系統(tǒng)，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(yīng)的信息，并通過串行接口將信息內(nèi)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(shù)。

2.2.2 基于RFID的公交車輛監(jiān)控

現(xiàn)有的智能公交服務(wù)系統(tǒng)絕大部分采用了GPS定位技術(shù)監(jiān)控公交車，GPS只具有定位測速等功能，不能完成數(shù)據(jù)通信，還要增加GPRS或GSM等數(shù)據(jù)通信模塊[8]，由于城市中公交車數(shù)量多，采用GPS技術(shù)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(tǒng)將無法發(fā)送定位信息，從而影響后臺調(diào)度中心的監(jiān)控及后續(xù)電子站牌的顯示，對調(diào)度人員和出行乘客造成干擾，而且目前國內(nèi)公交GPS車載機采用核心定位模塊技術(shù)全部來自國外，隨著GPS應(yīng)用的廣泛和深入，對國外技術(shù)的依賴也越大。針對上述GPS技術(shù)存在的不足和智能公交系統(tǒng)中不完善之處，文中提出采用基于RFID技術(shù)進行公交車輛監(jiān)控。

系統(tǒng)基于RFID技術(shù)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(yīng)公交車的數(shù)據(jù)，然后微波傳感器采集公交車的交通參數(shù)，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(cè)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(fā)器可以實時地接收來自公交調(diào)度管理中心的信息，或發(fā)送各公交車相關(guān)的動態(tài)信息到公交調(diào)度管理中心，從而實現(xiàn)信息的交互，使公交調(diào)度管理中心能實時掌握每一輛公交車的動態(tài)信息，為公交公司進行合理有效的調(diào)度奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

在接近站點時，無線數(shù)據(jù)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(yīng)的反應(yīng)信號，該信號經(jīng)串行接口到達音頻控制芯片，芯片根據(jù)信號驅(qū)動音頻驅(qū)動程序，通過外置語音輸出喇叭實現(xiàn)自動語音報站和溫馨提示。同時，液晶顯示系統(tǒng)芯片對經(jīng)主控微處理器傳輸過來的信號進行處理，驅(qū)動顯示驅(qū)動程序，在屏幕上顯示出相應(yīng)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(jié)假日時，可以融入節(jié)日元素，增加乘客的娛樂性。

另外，本設(shè)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(nèi)容編碼可由相應(yīng)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(qū)動顯示驅(qū)動程序，將乘客選擇的數(shù)據(jù)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(shù)情況。

2.3 站臺子系統(tǒng)

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(wǎng)的采集節(jié)點，采集公交車輛行駛的動態(tài)信息和各路次候車乘客數(shù)，可以節(jié)約大量的成本，而且公交站點是基礎(chǔ)設(shè)施，變化不大，只會因站點的擴展而增加建設(shè)成本，而不會因站點變化而增加維護成本。

站臺子系統(tǒng)由主控微處理器、高頻收發(fā)芯片、顯示控制芯片、存儲器和觸摸屏等模塊構(gòu)成。我們將經(jīng)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(shù)據(jù)信號經(jīng)無線傳感網(wǎng)傳輸?shù)焦槐O(jiān)控調(diào)度中心，主控微處理器驅(qū)動高頻收發(fā)芯片將該車次的相應(yīng)數(shù)據(jù)信號在可傳輸?shù)姆秶鷥?nèi)進行不間斷的釋放，監(jiān)控調(diào)度中心統(tǒng)計某路次公交的候車乘客數(shù)并對公交車輛進行調(diào)度；當相應(yīng)車次進入無線信號范圍內(nèi)時，該車次在接受并校驗了信息后，車載子系統(tǒng)會反饋相應(yīng)的數(shù)據(jù)信號給站臺子系統(tǒng)，并通過顯示控制裝置消去該車次已有預(yù)到站時間，使其重新還原成初始化狀態(tài)，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(jié) 論

公交車智能調(diào)度系統(tǒng)，實現(xiàn)了公交車、站臺與候車乘客之間的信息交互，使監(jiān)控調(diào)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(jù)候車乘客數(shù)自適應(yīng)地進行公交車輛調(diào)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(diào)度系統(tǒng)中RFID技術(shù)應(yīng)用研究[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011，40（3）:66-69.

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[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.