基于車聯網的智能打車系統

于明鷺，劉南杰，趙海濤，彭江琴

(1.南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003;2.南京郵電大學 網絡基因工程研究所，江蘇 南京 210003)

基于車聯網的智能打車系統

于明鷺1,2，劉南杰1,2，趙海濤1,2，彭江琴1,2

(1.南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003;2.南京郵電大學 網絡基因工程研究所，江蘇 南京 210003)

由于出租車的數量管制，以及出租車行業一直沒有一個有效的調配系統，導致交通擁塞、時間浪費和耗油量增加。而車聯網(Internet Of Vehicle,IOV)的迅速發展，給傳統出租車行業帶來了新的契機。在該背景下,針對國內出租車行業出現的問題,提出基于車聯網中管-云-端架構的智能打車系統。該系統采用新型車載智能終端，功能強大的云平臺和實用的客戶端應用。從終端信息感知、數據處理到頂層的應用展示來進行模塊化功能描述和分析。該系統能顯著提高用戶滿意度、司機積極性和整體運營性能。最后，通過將該智能打車系統應用于現實場景證明了它的價值。結果表明，該系統的服務性能優于現存的多數打車系統。

車聯網；打車系統；車載智能終端；車云；汽車智慧感知與通信終端

1 概 述

隨著中國經濟的持續發展和人民生活水平的不斷提高，出租車在城市公共交通系統中所占的比重逐年上升。但隨著城市擴大、公路網延伸、高架環路、私家車增多、道路阻塞、交通管制(如酒駕、限行等)，出租車一直沒有一個有效的調配系統，經常會出現車找不到人、人找不到車的尷尬境地。打車難成了出租車行業的一個致命弱點。傳統的出租車載客模式主要有三種[1]：第一種是站點候車，乘客必須主動尋找候車點，這種模式下出租車司機承擔的成本相對較少，但乘客承擔的時間成本卻很大，很不便利；第二種是巡游服務，該模式下出租車司機要承擔很高的燃油成本和空駛成本，這導致很多問題：加劇了交通擁堵、環境污染等。為解決這些問題，約租車應運而生。

約租車是指利用通訊工具或網絡為消費者提供出租車服務，這種新型的服務方式不僅擴展了出租車經營的傳統市場，還為消費者帶來很大便利。此外，約租車能夠有效降低出租車的空駛率，并能顯著降低因出租車巡游而造成的交通擁堵。時至今日，約租車服務在國外的一些國家或城市中已經占有很高的比重。表1[2]對約租車在日本、英國、愛爾蘭、挪威、瑞典所占的市場份額進行了總結。

表1 約租車在國外的市場份額

盡管我國部分城市的約租車已經有了顯著發展，但是相對于國外的發展水平，國內的約租車發展還是相對滯后。主要有兩方面的原因：第一是約租服務提供方的問題。傳統的約租車服務是通過電話調度中心來完成的，但是調度中心車輛少，有效覆蓋面過低，難以滿足消費者需求。這一問題在北京、上海等地都不同程度的存在；第二是誠信問題。誠信問題的產生主要是由于傳統約租車模式的固有弊端以及交通擁堵的現狀。這導致出租車接到電話，到達之后才發現消費者已經離開，這打擊了司機的積極性。另外由于交通經常擁堵，一般情況下消費者通過傳統的電話調度中心預約后，出租車能在30 min內到達，但在交通擁堵的情況下，沒人能夠準確預知到達時間。當消費者等了半小時車還沒來,打擊了消費者的信心，之后就可能不會再預約。此外，約租車市場的供求不匹配、約租車服務的收費問題、居民的消費習慣等都是制約傳統約租車行業進一步發展的障礙。所以，亟需設計一種新型高效的打車系統。

一個好的打車系統應該能滿足所有利益相關方的需求。乘客能夠享受到方便、快捷、個性化、安全的服務。司機可以通過降低空駛率和獲取最優路徑來降低成本從而增加收入。而系統運營者也能通過系統的高效性來獲取豐厚的利潤。此外，該系統還能夠減少碳排放來助力環保。

隨著物聯網、移動互聯網、云計算的迅速發展，催生了一類新興產業：車聯網(Internet Of Vehicle,IOV)[3]。在該背景下，許多文獻對智能打車系統進行了研究，主要有兩種類型。

第一種是基于GPS記錄的車輛環境實時感知。文獻[4]中作者用出租車中的GPS設備來收集數據，這些數據用于估算交通狀態。文獻[5-6]中利用GPS軌跡來分析時間和位置的關系。通過挖掘GPS記錄，許多文獻提出了有創意的應用。文獻[4]給出了出租車行駛方向的識別。文獻[7]中研究了一種T系統來幫助司機找乘客和乘客找司機。文獻[8]在分析大量交通數據的基礎上，研究出一種應用于智能交通系統的可視化分析工具。文獻[9]通過實時挖掘行車軌跡給出了一個出租車監控系統。但以上文獻只是專注于解決某個特定問題，無法滿足所有利益相關方的需求。

第二種是研究綜合的打車系統來提供便捷而豐富的服務并給所有利益方帶來收益。文獻[10]通過分析海量交通數據提出一個智能打車系統并針對司機和乘客提出不同的打車服務模型。文獻[11]為司機、乘客、運營者和城市規劃者提供了一個綜合的智能打車系統。文獻[12-13]提出了一個自動預約車輛和分配車輛的系統。盡管這些系統更加綜合化和智能化，但還是存在一定的局限性。如數據處理能力較弱、缺乏個性化服務、安全性低等。

文中在上述研究的基礎上，創新性地提出了一個基于車聯網中管-云-端架構的新型智能打車系統。在管端，采用國內一款新型車載智能終端。在云端通過云平臺來實時分析和處理海量數據。在客戶端，為客戶和司機提供了基于位置的移動應用。

文中主要做了如下工作：

(1)首次將車聯網中管-云-端架構應用于打車系統。在此基礎上研究出打車系統的分層架構，并進行模塊化功能分析。

(2)采用國內一款新型車載智能終端來感知比GPS設備更精確和全面的車輛信息。

(3)系統采用新的計費模式來提高司機積極性和客戶滿意度。同時，打車費用也在客戶端顯示出來，有效避免了亂收費現象。

2 系統理論基礎

2.1 IOV

IOV，即車聯網，是指使用車輛和道路上的傳感設備收集車輛、道路和環境信息，通過車與車(Vehicle-to-Vehicle,V2V)、車與人、車與路(Vehicle-to-Infrastructure,V2I)互聯互通實現信息共享，并在信息網絡平臺上對涉車信息進行獲取、共享和有效利用，根據不同的功能需求對車輛提供有效的安全監管和綜合服務。車聯網管-云-端架構如圖1所示[2]。

圖1 管-云-端架構

管：通過智能車載終端感知車輛信息、車輛環境信息、汽車與環境的智能互動信息。并將信息傳輸到云平臺。從車載智能終端獲得的多源動態數據信息，是車聯網、機器移動、智能交通系統、云計算領域的一種

創新型應用技術。當車輛裝載了智能車載終端后，汽車與交通狀態信息可以從控制器局部網(Controller Aver Network,CAN)總線等采集到，從而讓車輛成為解決道路和交通矛盾的智慧主體。

云：車云平臺是一個涉車大數據平臺，它能夠實現車聯網業務和數據的全面互聯互通，具有一定接入、全網共享的功能。該平臺匯聚并管理海量實時的車輛實體信息、涉車產業鏈信息、駕駛行為信息、車主的社會化信息、手機終端信息、車載智能終端感知信息等，并且支持全局搜索、支持與位置有關的跨地域、跨企業的車輛管理。車云平臺是數據存儲、處理和控制的核心，是系統的后臺部分。主要功能有：

(1)接收車載智能終端和客戶端的數據；

(2)通過計算、挖掘接收到的海量信息，提取出分類的和有價值的信息來形成不同的智能模型；

(3)響應和推送結果到客戶終端上[14]。

圖2給出了云平臺數據類型。

圖2 云平臺數據類型示意圖

端：智能手機、平板電腦和個人計算機軟件應用(Application，App)給用戶帶來了極大的便利。它們通過嵌入的多種傳感器來支持豐富的與位置相關的服務。車聯網中，客戶端通過智能手機、平板電腦和個人計算機為客戶提供靈活多變的服務。客戶端不斷將乘客的位置信息發送至云端。同時，它是當前唯一可以全方位展現車輛的全息狀態的線上系統。它是面向車主、面向車友、面向車輛管理者和車輛使用者的各類車聯網應用業務的無縫融合手段。它可以提供車下、線上的全方位服務。在人離開車輛時仍起作用。

2.2 車載智能終端：GID

系統采用國內先進的汽車智慧感知與通信終端：GID(Global Intelligent iDentity)。它是一個具有全球泛在聯網能力的通信網關和車載終端，是車輛智能信息傳感器，同時也具有全球定位和全球網絡身份標識(網絡車牌)功能。

裝載在車輛上的GID終端插入到車輛標準的車載診斷(On-Board Diagnostics,OBD)系統接口，讀取車輛的所有靜態和動態信息。目前主要采集的數據有OBD、GPS和G-sensor，GID利用智能算法對CAN數據、GPS數據、3D傳感數據等進行初步處理，再利用內嵌的3G/LTE模塊，通過泛在網絡將初步分析處理的車輛信息發送至云端和客戶端。GID將汽車智能信息傳感器、汽車聯網、汽車網絡車牌三大功能融為一體，具體表現為：

(1)車輛狀態的信息感知功能：GID與汽車總線(OBD、CAN等)相連，內嵌多種傳感器，可感知和監控幾乎所有車輛的動態與靜態信息，包括車輛環境信息和車輛狀態診斷信息等；

(2)泛在通信功能：GID具有V2V、V2I和自組網(SON、移動Ad Hoc、AGPS等)的能力，具有車內聯網以及多制式之間的橋接與中繼功能，具備全球通信、全球定位與移動漫游能力；

(3)汽車網絡車牌功能：GID從汽車、網絡和用戶中提取天然屬性，生成汽車的“網絡身份證”，使得每輛汽車在網絡中都具有一種天然、唯一性的身份標識，它不是一個標簽，而是網絡可信標識與尋址技術。

3 系統架構

從海量交通信息中提取出有價值的信息是至關重要的，而傳統方法已無法處理大量、復雜、動態和分布式的信息。因此，文中提出一種基于管-云-端架構的智能打車系統來提升系統性能和用戶滿意度。系統整體架構可分為七層：終端感知層、終端接入層、終端處理層、數據存儲層、通用邏輯層、業務處理層、應用展示層。其中終端感知層屬于管，應用展示層屬于端，而其他各層屬于云[15]，如圖3所示。

3.1 管

終端感知層：終端感知層通過GID和智能手機來感知車輛和環境信息。假設系統的所有車輛都配備有GID設備。GID首先采集出租車的以下信息：。其中，ID是出租車的車牌號，T是時間，Loc是出租車的當前位置(經度和緯度)，V是當前速度，A是加速度，S是出租車的當前狀態(空閑、忙碌等)，T是交通狀態(如道路拓撲、擁塞情況等)。然后GID將采集到的數據發送至云端進行進一步的處理。另一方面，配備有GPS的智能手機將用戶的位置信息或者鍵入的位置信息上傳到云端。

圖3 系統架構

3.2 云

終端接入層：該層為終端和第三方平臺(出租車業務平臺)的接入提供各種網關。該層主要通過GID網關(GID Gateway,GIDGW)和GPS網關(GPS Gateway,GPSGW)實現。其中GIDGW提供各種終端的接入控制，GPSGW實現第三方平臺的接入控制。

終端處理層：包括終端控制服務器、終端數據存儲引擎、終端數據分析引擎。該層主要負責終端數據的解碼、分析和終端控制等，是終端數據處理和控制的核心。

數據存儲層：該層將不同類型的數據存入不同的數據庫。原始數據(如出租車信息、司機信息、乘客信息、交通信息等)通過篩選、分類放入不同的數據庫以便于通用邏輯層使用。

通用邏輯層：該層是整體架構的核心部分。該層的主要功能是數據挖掘和認證管理。其中數據挖掘，即從大量數據中獲取有效的、新穎的、潛在有用的、最終可理解的模式的過程，簡單的說，數據挖掘就是從大量數據中提取或“挖掘”有用的信息。通過數據準備和預處理，生成模型，驗證模型，部署模型來得到實時的空閑出租車信息，空閑司機信息(電話號碼、服務質量等)，最優路徑，乘客等待時間，打車費用以及其他重要信息。認證管理主要包括司機認證和客戶認證管理。包括車輛注冊、注銷、信息修改、運行狀況監測等。客戶認證管理包括開戶、銷戶和信息修改等。

業務處理層:對通用邏輯層得到的數據進行進一步處理并傳至應用展示層。

3.3 端

應用展示層：該層為出租車司機和乘客提供可以在智能終端上使用的兩種不同的App，并為出租車系統運營方提供業務管理平臺。為確保系統的安全性，司機和乘客在使用該App前都要進行實名認證。

乘客端：提供一款免費打車軟件，它可以根據乘客的位置和需求來提供可視化的信息，如空閑出租車和司機的信息(司機姓名、車牌號、電話號碼等)，司機的行車軌跡等。通過一鍵撥號，乘客就能聯系上司機。此外，該軟件有虛擬計價的功能，在獲得最佳路徑后自動計算出距離，再根據司機實際行駛時間，以及設定的單價，按一種算法來計算出打車費用，供乘客參考。這有效避免了費用不清的問題。圖4給出了在乘客智能手機上運行的打車App的截圖。

司機端：司機通過智能終端來接收乘客的預約，并通過打車應用來顯示乘客位置信息，再進一步得到去接乘客的最優路徑。

運營端：提供在線業務管理平臺。主要負責動態監控出租車運行狀態、運行數據統計分析等。

圖4 乘客打車App界面

4 實際應用

文中提出的系統涉及的主要利益方有乘客、出租車司機和出租車業務運營方。下面給出了三個現實生活中的例子來證明文中提出的基于管-云-端架構的智能打車系統的價值。

4.1 乘客找車

李小姐下班后想打一輛出租車回家。她啟動免費打車App來獲取周邊的出租車信息。首先具有導航功能的智能手機將李小姐的位置信息發送至云端，同時空閑車輛通過GID設備將相關信息上傳至云端。在接收到乘客端和出租車的信息后，云端再進行處理并將處理得到的信息發送至乘客手機端，并通過手機App來顯示出租車的分布信息。然后，李小姐選擇了一輛最近的車并與該車司機取得聯系。選中的司機通過GID將他在行車過程中的信息不斷發送至云端，再通過云端分析處理后傳送給李小姐，這樣她就可以通過手機App來實時了解司機的行車路線、打車費用和等待時間等信息。整個過程如圖5所示。

圖5 乘客打車流程

設李小姐在P點，司機在O點，D點是目的地。李小姐需要支付O-P-D全程費用，而不僅僅是P-D的費用。

由上述例子可知，文中系統的優勢如下：

(1)乘客變被動為主動，他們可以根據個性化的需求和出行習慣來選擇合適的車輛而不是被動接受派遣的車輛。

(2)系統通過實名認證確保了乘客的安全性。

(3)乘客需要支付O-P-D全程費用，這樣的計費模式有兩方面的優勢：一是司機從起步開始就可以盈利，大大提高了司機的積極性；二是有效避免了司機中途放棄完成預約的乘客而載其他客人，從而提升了用戶滿意度。

(4)客戶端提供了虛擬計價功能，乘客可以準確獲知全程費用，從而有效避免了亂收費現象。

(5)提供了可視化的司機行車路徑，使得乘客可以實時了解司機信息并做好準備。

當然，系統還能提供豐富的個性化服務。如酒店禮賓部可以幫客人在網上預約出租車，乘客就可以不用在酒店門口排隊候車；老人要出遠門，家人可以預約一輛出租車全程接送；無論消費者是在辦公室還是在家中，都可預約出租車到門口等候，節省時間。

4.2 司機找乘客

郭先生是已經工作了三年的出租車司機。當他正將一位乘客送往目的地的途中接到了另一位乘客的預約電話，所以他建議該乘客另選司機。接著王先生接到了電話，并且他處于空閑狀態。首先他啟動打車軟件確定乘客位置并獲得最佳行駛路徑，然后開車去接乘客并把乘客送往目的地。

郭先生通過使用文中提出的打車系統接收到了更多的預約并顯著降低了空駛成本，從而大大提高了收益。此外，系統的路徑導航功能給他帶來了極大的便利。

4.3 出租車運營方

該系統無需投資建設網絡，不用人工維護，不用投資機房和電腦，免去一切重復建設。系統效率極高，是目前整體成本最低、使用價值最高的打車系統。

5 結束語

為克服當前打車行業的不足，文中設計了一種綜合的基于車聯網中管-云-端架構的智能打車系統。通過該系統，乘客可以輕松預訂出租車，司機可以顯著提升收益。文中接著給出了系統在現實場景中的應用，結果表明該系統提升了用戶滿意度，從而擴大了消費者的打車需求，所以對整個打車行業的發展起到了非常積極的作用。

在未來的研究工作中，會致力于進一步提升系統性能并將該系統應用于拼車、租車、代駕等方面。

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Intelligent Taxi Service System Based on Internet of Vehicle

YU Ming-lu1,2,LIU Nan-jie1,2,ZHAO Hai-tao1,2,PENG Jiang-qin1,2

(1.Institute of Telecommunications & Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China;2.Network Gene Engineering Research Institute,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China)

Taxi number control and inefficient dispatching system lead to many serious problems,such as traffic congestion,time wasting and increase in oil consumption.The rapid development of Internet Of Vehicle (IOV) brings a golden opportunity to traditional taxi service systems.In this paper,aiming at the existed problems,propose an intelligent taxi service system based on Carrier-Cloud-Client framework of IOV for the first time.Basically,the system employs an advanced intelligent vehicle terminal,a powerful cloud platform and practical client applications.Specifically,a hierarchical model is presented as an architecture to modularize the system,spanning from terminal sensing and data processing to the topmost service presentation.The proposed system can significantly improve customer satisfaction,driver enthusiasm and business performance.Finally,the value of the intelligent taxi service system is demonstrated by applying it to some scenarios in the real word.The result shows that this system outperforms most existing taxi service systems with respect to the service quality.

IOV;taxi system;intelligent vehicle terminal;vehicle cloud;Global Intelligent iDentity (GID)

2015-05-17

2015-08-24

時間：2016-01-26

國家自然科學基金資助項目(61302100)；國家“973”重點基礎研究發展計劃項目(2013CB329005)；教育部博士點基金資助項目(20133223120002)；南京郵電大學科研基金(NY211006)作者簡介：于明鷺(1991-),女,碩士研究生,研究方向為車聯網；劉南杰，博士，教授,研究方向為泛在通信、車聯網、智能交通；趙海濤，博士，副教授，研究方向為無線網絡與泛在通信。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160126.1520.046.html

TP393

A

1673-629X(2016)02-0118-06

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.02.027