分布式處理技術下公交信息感知挖掘系統設計

黃正鋒，任 剛，華璟怡，陸麗麗

(1.寧波大學海運學院，浙江寧波315211；2.東南大學交通學院，江蘇南京210096；3.公安部交通管理科學研究所，江蘇無錫214151)

城市交通擁堵問題伴隨著城鎮化進程產生，是影響居民出行的一種城市病。間斷性供需失衡在城市交通網絡中一直存在，對交通擁堵的完全規避難以實現，因此緩解擁堵措施應力求維護大多數出行者的利益。智能公交系統的建設就是該原則的體現，以先進理論為指導，通過技術改造提升公交乘客時間價值，吸引私人小汽車出行者選擇公共交通出行，改善道路擁堵局面。目前，中國智能公交系統建設仍停留在初級規劃與試實施階段，還難以成為國家公共交通優先發展戰略的有力保障。公交信息服務是提升公交服務質量的重要手段，當前智能公交系統的發展應當以解決公交信息感知與挖掘技術為首要任務，以此為基礎拓展到公交信息服務層面的應用。

1 公交信息感知與挖掘技術發展現狀

發達國家公交信息感知與挖掘技術的研發較早，已嵌入到一些成熟的公交運營管理系統中。在美國，這套技術被應用于城市公共交通管理局(Urban Mass Transportation Administration,UMTA)推出的先進的公共交通系統(Advanced Public Transport Systems,APTS)，包括多個子系統：通信系統、地理信息系統、車輛自動定位(Automatic Vehicle Location,AVL)系統、乘客自動計數(Automatic Passenger Counting,APC)方法、公交運營軟件、交通信號優先控制方法和乘客信息服務系統[1]。另外，其他發達國家在公共交通建設中也應用了這套技術，例如，日本東京都交通局開發的城市公共交通綜合運輸控制系統(Centralized Transit Control System,CTCS)，以及歐洲多數城市構建的公交專用車道系統。

在中國，上海、北京等大城市通過安裝電子站牌、車載定位系統(Global Position System,GPS)等舉措逐步邁入公交智能化時代。但是與國外先進的公共交通系統相比，中國的智能化水平仍然很低，很少利用動態交通信息和車輛定位信息對系統進行深層次的開發。例如，相關的公交智能系統多數單純使用距離與車速的比值求得車站間運行時間致使準確率降低，因此所提供的信息服務并不可靠。換言之，不成熟的公交信息感知與挖掘技術導致公交公司幾乎沒有采用公交數據采集、處理、交互與發布的成套技術。雖然有些傳統方法采集了公交IC卡數據，并集中發送至調度中心進行統一處理，但多數屬于事后的公交數據分析技術。之所以難以做到實時信息分析處理與發布，是由于公交lC卡數據量過于龐大，很多大中城市持卡乘客比例達到60%以上(南京市已接近80%)，公交IC卡信息一日的數據量可達數百萬條，如果集中進行處理將超出傳統數據分析技術的實時性要求[2]。此外，如果結合GPS設備采集得到的自動定位和速度檢測信息進行共同傳輸和分析，則會使實時處理的難度加大。

中國的智能公交系統所涉及的數據感知與挖掘技術多數屬于集中式處理方法，該方法可應對公交車輛少、乘客有限的情況，但難以適應中國公交車輛多、乘客量大的環境。據統計，北京、上海在“十一五”末年分別擁有公交營運車輛達2.5萬輛和1.8萬輛[3-4]，高峰時段幾乎滿載運行。因此，中國有必要開發一套能實現實時信息處理、發布功能的公交信息感知與挖掘技術。

2 公交信息感知與挖掘系統

2.1 分布式處理技術

基于公交車載智能終端配置，將收集到的信息由短距離傳輸技術輸入到智能終端進行信息挖掘。終端處理器內置公交信息挖掘軟件，使得每輛公共汽車都有自主數據實時處理能力，可減少公交調度中心服務器的數據處理任務，從而降低運算時耗。此技術克服了集中式處理面對大數據所遇到的高時耗缺陷，達到節省時間成本的效果，以真正實現信息發布的實時化。由于分布式處理技術下的公交車載智能終端與調度中心可聯網共享及交互信息，因此該系統除了實現實時的公眾信息服務功能之外，還能為交通部門的公交優先管制技術提供基礎數據支撐，可適應中國智能公交系統深層次的開發需求。

2.2 系統框架

公交信息感知與挖掘系統總體目標是：以公共汽車內檢測裝置所感知的動態數據為基礎，以公交車載智能終端信息挖掘軟件開發為核心，服務于公交信息發布及公交優先管制。

公交信息感知與挖掘系統由三大模塊組成(見圖1)：

1）公交車載智能終端。

作為公交信息獨立處理器，是分布式公交信息感知與挖掘系統的體現，規避了因集中式處理而產生的信息滯后現象，提高了信息的實時處理與發布能力。公交信息感知裝置和公交信息挖掘軟件是其中兩塊重要組件。

公交信息感知裝置包括GPS定位測速裝置、IC卡信息讀取裝置、手機信息讀取裝置、視頻檢測監控裝置等。信息感知裝置能夠檢測并采集多種實時公交運營數據，包括公交載客量、到達時間、行駛速度等，用于公交信息融合及預測。

公交信息挖掘軟件是公交車載智能終端的核心軟件，用于處理采集得到的原始公交數據。信息挖掘軟件常由數據庫和數據平臺組成[5]。數據庫是按照數據結構來組織、存儲和管理數據的倉庫，在本文中分為公交地理信息系統(Geographic Information System-Public Transit,GIS-PT)地圖數據庫(由聯網生成)、實時采集數據庫、歷史數據庫和反饋數據庫，從而實現數據采集、挖掘、管理、應用的分層次數據結構。數據平臺提供分析、挖掘、共享交互和接口標準規范等各種數據服務。其中：數據接口服務模塊對不同采集設備的數據以及與外部系統共享的數據進行標準化處理，解決匯集數據與實際情況偏差的問題；數據融合處理模塊對多源同類型數據進行融合分析，為下一步數據應用提供標準支撐；公交狀態估計預測模塊在對歷史數據進行挖掘和實時采集數據進行分析的基礎上，不斷完善信息提取模型，提高交通模型預測的準確性；數據歸檔服務模塊用于從數據庫中提取相應的數據進行處理，將處理后的數據發送至數據庫進行存儲。

2）公交信息服務平臺。

可將公交車載智能終端挖掘得到的信息直接聯網傳輸至此進行發布，為各類出行者提供公交服務信息。公交信息發布途徑大致包括：手機應用軟件供出行車聯網查詢公交出行信息，幫助出行者進行出行方式及路徑選擇；交通樞紐觸摸屏提供公交路徑等多種信息查詢，便于乘客選擇公交線路；電子站牌顯示公交車輛預計到達時間等提醒信息，為乘客選擇公交車次服務；電話語音記錄公交車輛到達各個編號車站的預計時間等信息，供乘客手機撥號查詢；廣播電臺實時發布突發事件造成的公交延誤等信息，有益于特殊事件下的決策調整。

3）公交調度中心。

將整個城市的GIS-PT地圖數據庫及實時獲得的公交信息作為輸入參數，既服務于公交調度，還有助于公交優先管制。公交優先管制技術是在共享公交信息的基礎上提出的公交服務水平提升技術。例如，聯網對信號控制機進行配時優化、主動控制交叉口的公交延誤時間等。

2.3 系統實施流程

公交信息感知與挖掘系統實施流程如圖2所示。公交車載智能終端作為信息處理發布中主要調用的處理器，成為該系統的底層處理器，而調度中心只是在公交系統外部交通管制過程中才觸發運行的上層處理器，由此形成分布式系統。公交車載裝置收集得到GPS定位測速數據、視頻監控數據、IC卡和手機信息等識別數據，通過近距離傳輸技術輸入到公交車載智能終端，統一在實時聯網更新的GIS-PT地圖數據庫平臺上進行數據操作，由信息挖掘軟件進行地圖匹配、樣本過濾、參數校正等數據處理分析，最終獲得可發布的信息。一方面通過GSM(Global System for Mobile Communications)/GPRS(GeneralPacketRadioService)/3G(Third Generation)無線通信和IP網絡將數據傳輸到交通樞紐觸摸屏、電子站牌、到站查詢電話端、廣播電臺站、手機移動終端等。另一方面將信息傳輸至公交調度中心，進行其他交通管制優化。例如，通過信號機終端調整獲得公交優先信號，或者進行突發事件下的公交調度和交通組織優化。此類事件包括大型活動交通組織，提供的信息有助于交通組織者進行地面公交車輛調度及道路交通疏導，對潛在擁堵交通流進行主動控制。

圖1 公交信息感知與挖掘系統框架Fig.1 Framework of the bus information perception and mining system

2.4 核心軟件的信息映射模型

公交信息挖掘軟件根據獲取的感知信息，經由信息挖掘過程處理，生成公交發布或共享信息。其中，輸入的感知數據與輸出的發布數據之間存在映射關系。建立合理的信息映射模型是實施挖掘過程的理論指導，是實現公交信息挖掘軟件功能的有力保障，是體現系統可靠性的核心環節。

公交信息挖掘軟件的輸入數據類型包括視頻監控圖像識別數據、GIS-PT地圖數據、手機射頻消費數據、乘客IC卡消費數據，以及GPS定位測速數據；輸出數據類型包括手機應用軟件數據、電子站牌顯示數據、交通樞紐觸摸屏數據、電話語音記錄數據以及廣播電臺播報數據。圖3給出了軟件輸入、輸出數據變量映射，在此對重要的輸出數據及其所利用的輸入數據進行說明，揭示公交信息挖掘過程中的信息映射規律。

1）公交路徑運營時間(TRT)。

通過GIS-PT地圖界面為乘客提供由等車、換乘、公交運行等時間組成的全程出行時耗信息，能夠在手機應用軟件和交通樞紐觸摸屏上顯示。這項數據的獲取不僅需要采集對象車輛的所有輸入數據，而且需要采集其他相互影響的公交車輛聯網共享數據。

2）預計到達車站時間(AST)。

特定線路運營車輛的到站預測時間可通過手機應用軟件、電子站牌、交通樞紐觸摸屏和電話語音方式進行發布。服務于車站等車乘客，方便乘客對公交線路選擇做出決策。由于固定公交線路的到站時間只受自身運營條件影響，因此這項數據的獲取只需輸入對象車輛檢測得到的數據。

3）預計到達交叉口時間(AIT)。

屬于拓展的公交信息服務，將常規路網節點也作為決策點，因此可在具有電子地圖顯示功能的手機應用軟件和交通樞紐觸摸屏上顯示。一方面可以為乘客提供與私人小汽車對比的出行時耗，另一方面可以為交通管理者提供交叉口交通控制決策的輸入數據。這項數據的獲取主要依賴于車內GPS檢測數據。

4）到達車站時車內乘客數(SN)。

作為公交服務質量或舒適度的一個體現，影響乘客的乘車選擇，可在電子站牌上顯示。這項數據由視頻、手機、IC卡數據融合分析得到，可進一步轉化成人均道路使用面積，為交通管理者提供公交優先管制的實施依據與評價指標。

5）公交延誤信息(TD)。

作為公交運營狀態的評價指標或者突發事件的判別指標，可選擇通過廣播播報以便使所有道路使用者獲知，由公交運營的時間、速度等指標分析得到。

以上所述公交信息挖掘軟件不僅能夠用于獲知所發布的信息，也能夠拓展他用，例如識別常發型與偶發型交通擁堵事件。具體實現過程如下：通過GPS數據得知公交車輛是否長時間在道路上停駛等交通狀態，推斷對應路段是否發生交通事故或者公交車輛拋錨等偶發事件。

圖2 公交信息感知與挖掘系統實施流程Fig.2 Implementation process of the bus information perception and mining system

3 結語

文獻[6]將智能交通技術的發展分成四代，公交信息感知與挖掘系統能為中國大數據交通背景下的第四代智能交通技術的發展提供公交營運方面的設備和軟件產品支撐。公交車載智能終端作為信息處理器，提高了公交信息實時處理與發布能力，由此設計了基于分布式處理技術的公交信息感知與挖掘系統，為易產生大規模公交數據的中國城市提供智能公交體系建設的核心技術。中國已將智能交通建設納入城市交通發展的長期戰略，相關政策法規配套出臺，為該系統的實施提供了保障。然而，國家尚未出臺智能公交設備應用的國家及行業標準，有必要事先擬定公交信息感知與挖掘系統的地方或企業標準，為分布式處理技術的應用提供便利接口。根據示范效果具體情況修訂地方或企業標準內容，進一步上升至國家及行業標準，為推廣本系統做好技術標準服務。

圖3 車載智能終端公交信息挖掘軟件的信息映射模型Fig.3 Information mapping model of the bus information mining software at the onboard intelligent terminal

[1]張泉，黃富民，楊濤.公交優先[M].中國建筑工業出版社，2010.Zhang Quan,Yang Tao.Public Transport Priority[M].China Architecture&Building Press,2010.

[2]戴霄，陳學武.基于公交IC信息的公交數據分析方法研究[D].南京：東南大學，2006.

[3]北京市交通委員會.北京市“十二五”時期交通發展建設規劃[R].北京：北京市交通委員會，2012.

[4]上海市交通運輸和港口管理局.上海市城市公共交通“十二五”規劃[R].上海：上海市交通運輸和港口管理局，2012.

[5]東南大學.廣靖錫澄高速公路數據中心設計[R].南京：東南大學，2013.

[6]Ran B,Jin P J,Boyce D,et al.Perspectives on Future Transportation Research:Impact of Intelligent Transportation System Technologies on Next-generation Transportation Modeling[J].Journal of Intelligent Transportation Systems,2012,16(4):226-242.