公共自行車租賃系統車輛監管平臺設計與實現

陳 怡，劉衛平，黃 俊，馬 姣

(重慶郵電大學信號與信息處理重慶市重點實驗室，重慶400065)

公共自行車具有靈活的調動性、零排放、緩解交通擁堵、節約能源等優勢［1］，近十年在世界范圍內日漸普及和流行。公共自行車系統成為了解決交通堵塞問題，建設可持續交通系統，構建健康、和諧的宜居城市的最佳方案。我國公共自行車發展雖然起步較晚但發展迅速。

車輛監管平臺作為公共自行車后臺信息管理系統的重要組成部分，承擔著對各租賃站點信息管理、車輛信息管理并肩負車輛調度的職責。因此，車輛監管平臺作為公共自行車租賃系統系統后臺管理系統中必不可少地組成核心，在整個系統中對租賃站點和車輛的管理、合理調配起著至關重要的作用，服務于整個系統的正常運行管理。現有的車輛監管平臺存在對租賃站點管理不智能、車輛調度不合理導致上下班高峰時期“借車難，還車難”的問題［2］。根據公共自行車租賃系統的實際運營需求和已有系統的比較，本系統對租賃站點車輛管理更智能、車輛調度智能化，同時采用不同于現有系統的FIFO 通信方式實現后臺與終端的數據通信。為后臺管理工作人員設計了具有簡單方便、智能管理、安全高效的公共自行車租賃系統車輛監管平臺，保證整個系統的高效運營。

1 總體架構

公共自行車租賃系統總體結構如圖1 所示，主要由4 部分組成:后臺管理系統、站點管理箱、鎖樁控制箱、自行車控制器。

圖1 公共自行車租賃系統結構

后臺管理系統完成整個系統的管理以及與站點管理箱(即自助服務終端)的通信，其中車輛監管系統負責管理所有車輛并分配車輛調度，業務管理系統負責用戶卡的管理。站點管理箱設置在租賃站點，主要提供車輛租賃、自助終端服務，用戶使用租賃卡進行車輛租還、查詢用戶和周圍站點車輛信息、查詢并進行電子商務等交易。鎖樁控制箱針對車輛的停車開鎖、關鎖管理，負責維護與站點管理箱和車輛的通信;自行車控制器完成車的充電、狀態信息的查詢。

2 軟件設計

本文設計的后臺軟件基于B/S 架構，采用CodeIgniter 框架、MVC 模式、PHP(超級文本預處理語言)作為主要開發語言進行應用程序開發，數據庫管理采用MySql 關系型數據庫，以ZendStudio 集成開發環境為該軟件的開發平臺。

結合公共自行車租賃系統車輛監管平臺設計的需求，軟件功能可分為以下幾個模塊，如圖2 所示。

圖2 軟件功能分析模型

其中，站點管理模塊主要針對每個站點有站點位置信息、車輛信息、服務時間等屬性進行管理、修改、查詢。同時站點具備一鍵停啟用功能，可以通過后臺系統實現對站點鎖樁的一鍵停用和啟用。針對站點實時情況和車輛租借情況跟蹤統計，監控站點的實際運營情況。

車輛管理是保持整個系統良好運營的基礎。每輛自行車統一編號管理，一車一個唯一識別號［3］，通過監管系統可查詢每輛車的狀態、管理車輛信息，亦可批量統計、導出各種報表。

車輛調度模塊通過對各租賃站點的車輛租還狀態、出租率等數據的分析，對租賃站點進行控制管理、協調租賃站點的自行車數量，優化資源配置。

2.1 站點車輛管理

目前，公共自行車租賃系統在智能管理方面比較欠缺，多數是通過人工在租賃站點實地配置管理，大大降低了管理的實效性、便捷性和設置的靈活性。本系統通過車輛監管平臺實現對租賃站點包括收費參數設置、站點車輛高低儲率設置、一鍵停啟用、車輛和鎖樁狀態監控、信息發布等系統化控制管理，滿足了無人化站點的智能管理需求。

區別于已有系統采用TCP/IP 網絡建立socket 連接實現管理后臺與終端的數據通信方式［4］，本文使用管道FIFO 的通信方式完成后臺與終端的數據傳輸。FIFO 管道作為后臺與終端信息交互的中間層，為數據的有效可靠傳輸提供了保障。如圖3 所示，監管平臺可以直接與數據庫進行信息交互，同時租賃站點定時將數據信息通過管道FIFO 上傳存儲在數據庫中;當后臺系統需要下發實時命令對站點進行操作時，數據命令將直接通過FIFO 請求站點上傳對應數據信息。本文針對站點實時信息和車輛實時信息兩個功能作詳細介紹。

3 后臺與底層站點FIFO 通信圖

2.1.1 站點實時信息

站點實時數據請求流程如圖4 所示，通過后臺管理功能界面點擊查詢，下發查詢具體站點信息請求。在管道FIFO 通信正常情況下，站點收到數據請求消息后返回該站點具體信息，包括:空閑車位數、可租車位數、滿車率等統計信息。同時能獲取該站點每個車樁上車輛的在位詳情。如果在FIFO 堵塞情況下，命令將不能被下發至終端租賃站點，此時獲取信息失敗。

圖4 站點車輛實時信息查詢通信流程

2.1.2 車輛實時查詢

本系統對車輛實時信息的獲取，通過下發管道FIFO 命令實現，流程如圖5 所示。車輛分為在庫車輛和上架車輛，查詢車輛狀態時，首先判斷車輛是否在架。如果車輛在庫將不會下發FIFO 命令，否則將向站點廣播請求上傳查詢的車輛實時信息。

圖5 車輛實時信息查詢通信流程

主要代碼如下:

2.2 車輛調度

本車輛監管平臺設計了智能的車輛調度模塊。據調查顯示，公共自行車系統在運營過程中在上下班高峰時期存在“租車難，還車難”的實際問題。目前國內外對自行車調度問題的研究還不夠完善，還沒有合理的解決方案。

從車輛管理的角度而言，對車輛實施合理的調度實現站點車輛的有效分配是方便用戶有車可租、有位可還車的重要途徑。因此對租還車不平衡的站點需要借助車輛調度調整車輛的配置以保障系統能夠正常提供租還車服務［5］。

車輛具體思路:根據站點的車輛數量情況分析，通過后臺管理系統車輛調度模塊制定車輛調度方案，下發車輛調度任務。調度人員接收車輛調度任務后執行車輛調度。車輛調度流程見圖6。

圖6 車輛調度過程圖

2.2.1 預測車輛調度

公共自行車調度問題的主要是由于各租賃站點的借還不平衡，每個租賃站點在不同時間段借還具有很大的波動性［6］。因此科學合理的分析站點的借還需求特征預測站點車輛數量是車輛調度的重要依據。由于居民早晚上下班出行高峰需求量是可預測因素，根據各站點歷史數據預測各站點上下班高峰期的車輛數量需求，進行車輛調度任務分配。

智能調度模塊設計如圖7 所示，車輛歷史數據分析模塊是結合站點歷史數據分析每天不同時間段車輛數據情況統計規律，用戶租還車輛信息，剖析出車輛出行和租/還規律;站點車輛實時信息模塊監控站點實時狀態情況為調度任務提供合理依據;車輛調度路徑模塊采用蟻群算法［7］，求解最優的調度路徑使站點間調度路徑最短;調度任務生成模塊生成調度任務單，并對分配的調度計劃完成情況進行監督。

圖7 智能預測調度模塊

2.2.2 實時車輛調度

實時車輛調度適用于因緊急或突發情況下，針對車輛數量未達到該站點低儲率或高于高儲率的租賃站點進行報警提示，管理人員依照具體情況分配臨時車輛調度方案。通過地圖標記站點實時車輛高低存儲率，以實時數據作為調度依據，將供應過量的租賃站點的自行車調入供應不足的租賃站點或納入庫存，實現各租賃站點的車輛的重新分布，實現資源優化。圖8 是實時調度任務測試界面。主界面顯示個站點的地理位置，并使用不同顏色的圖標標記站點的車輛高低存儲情況。界面左邊為新建調度任務信息框，完成車輛調度任務新建后，界面有調度所需時間、調度距離估算，并在地圖將顯示調度路線。

圖8 實時車輛調度測試圖(截圖)

3 結束語

本文介紹了公共自行車租賃系統總體架構，給出了基于B/S 架構的車輛監管平臺的設計方案，并實現了平臺軟件的開發。重點闡述了監管平臺對站點及車輛的智能管理，通過管道FIFO 實現與租賃站點的信息交互，并對車輛調度提出了具體實施方案。測試表明軟件系統運行流暢，界面設計合理，操作簡單，能夠很好地完成與站點的信息通信，完成車輛調度任務下發等需求，實現了車輛監管平臺的智能化管理需求，具有一定的實用價值。

未來工作中將側重于兩個方面的研究以完善本系統設計:1)優化監管平臺數據處理性能和解決數據安全性問題。由于實際運營中，后臺系統對數據的處理量大，與站點服務終端的數據交互頻繁，保障數據處理的準確和安全性是公共自行車租賃系統高效運營的有利保障。2)優化車輛調度模塊。本文采用蟻群算法求解調度最佳路徑，但缺少其他因素的考慮，如:交通路況、調度成本等。改進現有的調度算法，綜合考慮多因素確定調度方案，使得調度更合理、有效，提高用戶體驗滿意度。

［1］ELLIOT F，SIMON W，NARELLE H，et al.公共自行車文獻綜述［J］.城市交通，2014(2):84－94.

［2］何博，盧青.城市公共自行車系統運營模式淺析［J］. 交通企業管理，2012(4):49－51.

［3］周小華.無樁式公共自行車租賃系統的研究與實現［D］.長沙:湖南大學，2013.

［4］晏婷，黃俊.電動自行車自助服務終端系統的設計與實現［J］.電視技術，2015，39(4):110－113.

［5］秦茜.公共自行車租賃系統調度問題研究［D］.北京:北京交通大學，2013.

［6］張建國.城市公共自行車車輛調配問題研究［D］.成都:西南交通大學，2013.

［7］李聚.蟻群算法在車輛路徑中的應用［D］.成都:西南交通大學，2013.