基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧公交系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

胡為民++陳萍+謝琦明+付亮

DOI：10.16644/j.cnki.cn33-1094/tp.2016.09.014

摘 要： 針對目前公交系統(tǒng)報站不及時、車輛調度不合理、站牌提示信息不準確等問題，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能公交系統(tǒng)解決方案。通過物聯(lián)網(wǎng)技術將GPS終端、電子站牌、車載終端等連接到智慧公交云平臺；運用大數(shù)據(jù)技術對車輛軌跡數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)等進行分析，對車輛調度做出合理安排；車載終端通過WIFI機頂盒實時更新車輛線路語言、廣告及其他信息；電子站牌通過有線或4G無線的方式及時更新站牌信息。實際應用證明，其改善了人們的乘車體驗，提高了車輛運營的效率。

關鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)； 智慧公交系統(tǒng)； 電子站牌； 車載終端

中圖分類號：TP274 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2016）09-51-04

Design and implementation of intelligent bus system based on Internet of Things

Hu Weimin1， Chen Ping2， Xie Qiming3， Fu Liang3

（1. Hangzhou Wuhu Electronic.Ltd.， Hangzhou， Zhejiang 310004， China；

2. Zhejiang Electronic Information Products Testing Institute； 3. Hangzhou Xinhu Electronic.Ltd.）

Abstract： Aiming at the problems that the public transportation system station reporting is not timely， vehicle scheduling is not reasonable， information on the bus stop board is not accurate and so on； this paper puts forward a solution of intelligent public transportation system based on IoT （Internet of Things）. The GPS terminals， electronic bus stop boards and vehicle terminals are connected to the intelligent public transportation cloud platform through IoT technology. By using big data technology to analyze the data of vehicle trajectory， video surveillance and the other， the cloud platform can make a reasonable arrangement for vehicle scheduling. The vehicle terminals

update the information of vehicle routing， advertisement and the other in real time through Wi-Fi set-top box. The electronic bus stop boards update bus arrival information through wired or 4G wireless mode. The practical application proves that it improves people's travel experience and the efficiency of vehicle operation.

Key words： IoT（Internet of Things）； intelligent bus system； electronic bus stop board； vehicle terminal

0 引言

公交車是公眾出行最普及的交通工具，但是等車難、擠車難、公交到站信息公示不準確一直是影響公交搭乘體驗感的主要問題。

傳統(tǒng)的公交調度基本上還是按照固定的時刻表來進行的，采用“定點發(fā)車、兩頭卡點”的手工作業(yè)調度方式[1]，并且傳統(tǒng)的公交車需要駕駛員喊話或者手動報站，存在漏報、誤報等問題[2]，嚴重影響了公交客運的服務質量和效率。

目前國內的智能公交系統(tǒng)通過ZigBee模塊實現(xiàn)公交車與站臺進行數(shù)據(jù)交互[3]，或者采用GSM無線網(wǎng)絡實現(xiàn)車載終端與數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)交互[4]。隨著GPRS無線通信技術的出現(xiàn)，實現(xiàn)了少量數(shù)據(jù)與遠程服務器交互[5]，還沒有做到大量音視頻信息的實時更新。同時，國內智能公交系統(tǒng)車載報站器中語音信息、站點信息等更新是在公交車管理中心通過有線的方式進行更新[6]，當公交線路發(fā)生變化、車輛臨時調度時無法及時更新語音信息。

針對以上傳統(tǒng)公交系統(tǒng)和目前國內智能公交系統(tǒng)的不足，本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能公交系統(tǒng)解決方案。它以當前智能公交系統(tǒng)為基礎，結合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)挖掘、通訊、自動控制、GIS、無線視頻等先進技術，建立智能公交云中心，對數(shù)據(jù)進行挖掘和分析，實現(xiàn)智能營運調度系統(tǒng)和智能公交遠程管理系統(tǒng)，從而有效提高車輛運營效率和效益，提升公交管理水平，改善人們的乘車體驗。

1 系統(tǒng)總體設計

智慧公交系統(tǒng)由智慧公交云中心、公交車智能車載終端和智能電子站牌三大部分組成。智慧公交云中心以云平臺為基礎，車載終端和電子站牌通過有線或無線的方式連接到云中心。

智慧公交云中心是智慧公交系統(tǒng)的核心，它結合機器學習、數(shù)據(jù)挖掘等相關技術，對公交系統(tǒng)運營數(shù)據(jù)進行分析，為車輛調度、公交線路規(guī)劃等提供決策依據(jù)。

智能車載終端是智慧公交系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)來源，它包括車載GPS定位終端、車載WIFI機頂盒、車載LCD、視頻監(jiān)控等。

智能電子站牌主要用于動態(tài)顯示公交車輛信息。車載終端將GPS數(shù)據(jù)通過無線實時傳輸?shù)街悄芄辉浦行模浦行氖盏叫畔⒉⒔?jīng)過分析和處理之后發(fā)送給電子站牌，電子站牌實時刷新顯示公交車到站信息。

智慧公交系統(tǒng)整體架構如圖1所示。

下面介紹系統(tǒng)的主要組成部分的功能。

⑴ 智慧公交云中心

通過3G/4G無線方式，將車輛定位、視頻監(jiān)控、傳感數(shù)據(jù)、調度指令、報警信息等數(shù)據(jù)、信息傳輸?shù)皆浦行臄?shù)據(jù)庫，通過大數(shù)據(jù)分析，合理設置公交線路和站點以及準確安排發(fā)車密度。

⑵ 智能車載終端

車載自動報站器：自主開發(fā)自帶GPS，擁有232、485及視頻接口通訊輸出的車載自動報站器。利用車載GPS按設定距離自動實現(xiàn)語音仿真人及同步圖文視頻報站。

車載WIFI機頂盒：車載WIFI機頂盒用以保證與WIFI基站或3G/4G轉WIFI通過無線或有線的方式接入系統(tǒng)，同時自帶專用接口與報站器間進行報站及車輛LED電子路牌、車載LCD顯示文件更新，車輛在停車場利用WIFI進行系統(tǒng)升級或文件更新。

車載LCD：具有兩路視頻型號接入，同時接WIFI機頂盒與報站器，實現(xiàn)智能切換視頻信號，實現(xiàn)報站與廣告各不影響功能。

車載刷卡機：通過智能車載終端接入后臺服務器，實現(xiàn)了刷卡數(shù)據(jù)實時上傳，保證數(shù)據(jù)實時結算。

車載視頻監(jiān)控統(tǒng)：用來監(jiān)視客流，了解公交車輛的運營狀況，并對車站偷盜等不法行為進行攝像。

⑶ 智能電子站牌系統(tǒng)

通過系統(tǒng)采集獲取各種發(fā)車信息表、歷史情況等靜態(tài)信息和動態(tài)信息，并根據(jù)車輛的歷史運營及當前實時數(shù)據(jù)通過智能優(yōu)化算法進行交通流預測，實現(xiàn)車輛運行信息能準確的顯示在電子站牌上。

2 智慧公共交通云中心

2.1 智慧公交系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)架構

智能公交每天都會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，隨著時間的積累，數(shù)據(jù)量非常大，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理方式已經(jīng)不能滿足要求，所以采用大數(shù)據(jù)技術對這些數(shù)據(jù)進行存儲、分類、提取，按需求將數(shù)據(jù)分布統(tǒng)維度和粒度生成熟數(shù)據(jù)保存，其系統(tǒng)架構如圖2所示。

在智能公交大數(shù)據(jù)架構中，數(shù)據(jù)采集層負責采集車輛位置、路況、車站候車人數(shù)、公交車乘客數(shù)量等信息；數(shù)據(jù)存儲層負責各種公交數(shù)據(jù)的存儲并相應系統(tǒng)的各種查詢、處理請求；數(shù)據(jù)應用層實現(xiàn)公交車遠程管理、電子站牌遠程管理、視頻監(jiān)控和報表管理等功能；數(shù)據(jù)挖掘層負責大數(shù)據(jù)的挖掘、智慧調度、客流量分析等功能。

在整個系統(tǒng)架構中，數(shù)據(jù)存儲層是大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的核心，它直接關系整個系統(tǒng)的性能。本文采用的數(shù)據(jù)存儲結構包含了一套分布式文件系統(tǒng)與資源管理系統(tǒng)，在文件系統(tǒng)上構建了數(shù)據(jù)倉庫，支援結構化與非結構化數(shù)據(jù)的并行存儲、查詢、處理操作。在數(shù)據(jù)存儲架構中，HDFS組成透明的分布式文件系統(tǒng)，HBase是系統(tǒng)的主數(shù)據(jù)庫，利用基于MapReduce技術進行運算加速，能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的快速查找與分析。

2.2 智慧公交系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)應用

⑴ 智慧調度

公交車輛調度最主要的是發(fā)車時間表的制定，它決定了乘車的服務水平，發(fā)車頻率越高，乘車體驗越高，但公交運營成本也越高。科學合理的發(fā)車時間表既能夠滿足乘客的乘車需求，同時兼顧了公交公司的利益。

為了解決此多目標優(yōu)化問題，該智慧公交調度系統(tǒng)采用帶收縮因子和線性遞減慣性權重的粒子群算法[7]，首先根據(jù)問題規(guī)模建立初始種群個數(shù)、最大迭代次數(shù)以及公交公司利益和乘客等待時間的初始權重每個粒子的位置速度等初始化；然后建立兼顧公交公司利益和乘客等待時間為主要因素的公交調度模型作為粒子群算法的目標函數(shù)，并將公交票款收入總和大于公交運營投入成本作為約束條件；最后通過不斷尋優(yōu)迭代，找出最優(yōu)的發(fā)車時間表。

⑵ 數(shù)據(jù)挖掘

在大數(shù)據(jù)架構的基礎上對公交系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)挖掘，目前常見的數(shù)據(jù)挖掘方法有：聚類分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法、粒子群算法、蟻群算法等。

本文采用聚類分析、粒子群算法對公交車客流量、乘客上下車時間、相應站點等進行分析，對乘客出現(xiàn)規(guī)律進行分析，并運用神經(jīng)網(wǎng)絡、粒子群算法對公交車輛運行數(shù)據(jù)進行分析，從而發(fā)現(xiàn)其車輛運行規(guī)律、隱含的公共交通規(guī)則等，為公交公司對公交車輛調度、公交路線規(guī)劃、公交車輛管理、公交資源分配等作出科學、合理的安排。

2.3 智慧公交管理系統(tǒng)的設計

⑴ 公交車遠程管理

公交車器遠程管理平臺由公交公司進行管理和維護。主要用于監(jiān)控車輛、遠程更新語音信息、發(fā)送車輛調度信息、發(fā)送電子廣告信息等。當車輛在緊急情況下可及時將調度指令、報站語言文件發(fā)送到調度車輛。遠程管理平臺界面如圖3所示。

⑵ 電子站牌遠程管理

電子站牌遠程管理系統(tǒng)由電子站牌管理、發(fā)布信息管理、文本格式化顯示管理模塊組成。電子站牌管理包括添加、刪除、查找、基本信息更新等。發(fā)布信息管理模塊包括信息遠程獲取、實時更新、信息發(fā)送。文本格式化顯示模塊可以根據(jù)實際屏幕的大小自定義顯示信息的內容和長度。如圖4中“[L4S1T5S1N5]D4”，代表的含義如表1：

3 智能車載終端設計

智能車載終端包括：多媒體、車載報站器、4G路由器、車載刷卡器、車載GPS、車載視頻監(jiān)控、LED線路牌等模塊。本架構設計完全是分體式設計，各單一設備故障不影響其他設備的正常工作。系統(tǒng)結構如圖5。

3.1 車載自動報站器

目前大多傳統(tǒng)的車載報站器采用GPRS或者3G來更新語音信息，數(shù)據(jù)傳輸費用太高，為此，我們提出了雙WiFi技術，當車載報站器檢測到車輛周圍有局域網(wǎng)WiFi信號時，自動切換到局域網(wǎng)WiFi，否則連接車載4G路由器。

車載保站器利用GPS全球衛(wèi)星定位技術，通過系統(tǒng)對經(jīng)度、緯度的測量準確定位站點，從而實現(xiàn)自動語音報站功能。

通過WIFI與車載4G路由器（場站W(wǎng)IFI基站）進行網(wǎng)絡連接公交云中心，實現(xiàn)遠程更新管理報站文件、LED電子路牌線路信息，LED廣告屏信息。

車載自動報站器硬件由Cortex-M4核心，無線模塊、蓄電池模塊、RS485模塊、RS232模塊、揚聲器模塊、麥克風等模塊組成。RS232和RS485模塊用于連接車載LCD廣告顯示屏、車載GPS終端等。無線模塊采用雙無線模塊設計，主WiFi模塊與車載4G路由器相連，當輔無線模塊檢測到場站W(wǎng)iFi信號時，自動將無線信號切換到場站W(wǎng)iFi，進行車載廣告、語音信息更新等。使用雙無線模塊能夠更好的節(jié)省4G數(shù)據(jù)傳輸費用。其硬件結構設計如圖6所示。

3.2 WIFI機頂盒

車載WIFI機頂盒類似于電視機頂盒，主要用于將視頻或者廣播數(shù)字信號轉換成模擬信號并傳輸給LCD顯示屏。該機頂盒具有以下特點。

⑴ 自帶WIFI，通過WIFI與車載4G路由器（場站W(wǎng)IFI基站）進行網(wǎng)絡連接公交云中心，實現(xiàn)遠程更新管理視頻文件。支持斷點續(xù)傳。

⑵ WIFI優(yōu)先權設置，WIFI信號可多設置連接，并會根據(jù)已選信號的強度進行自動優(yōu)先選擇信號源，如在場站可優(yōu)先連接場站W(wǎng)IFI信號，可節(jié)省4G流量。

⑶ 具有視頻任意分屏功能，支持流媒體播放。

⑷ 內置航空級電池，低功耗設置，在車輛停駛狀態(tài)下DC 5V給主板及WIFI供電，實現(xiàn)更新視頻文件及報站文件等信息，自供電時長不少于10小時。

⑸ 安全性：存儲卡內置，存儲格式固定內置加密程序，非任何SD卡可讀取。采用MD5加密方式進行加密傳輸。

⑹ 節(jié)目更新：可單一節(jié)目文件進行更新覆蓋，無需整盤更新。

4 智能電子站牌設計

目前智能公交系統(tǒng)中，智能電子站牌給人們的出行及行程安排提供了極大的幫助。但是，目前國內的電子站牌種類繁多且大小不一，相同的內容在不同的站牌顯示效果不一致，有可能會出現(xiàn)標題與顯示內容沒有對齊等問題。本系統(tǒng)設計中，智能電子站牌能夠通過格式化文本串實現(xiàn)自適應功能，對不同的顯示屏能夠實現(xiàn)相同的顯示效果。

智能電子站牌由Cortex-M3、電源模塊、溫度傳感器、亮度傳感器、以太網(wǎng)模塊、無線模塊、Flash組等。由于電子站牌不僅要顯示車輛運行信息，同時還要播放多媒體廣播等存儲信息量大，所以對Flash進行了擴展。

系統(tǒng)通過有線或無線從智能公交云中心實時獲取車輛的編號、位置、到站時間等，再經(jīng)過處理后將出行信息顯示到電子站牌，并且可以根據(jù)環(huán)境溫度和亮度來調整LED的發(fā)光強度。硬件結構如圖7所示。

5 結束語

本文運用GPS傳感定位、基于3G/4G的無線傳輸、物聯(lián)網(wǎng)和云平臺等最新科技，設計了一個基于物聯(lián)網(wǎng)技術、通過4G無線網(wǎng)絡將智慧車載系統(tǒng)、智慧候車廳系統(tǒng)與智慧公交云平臺實現(xiàn)互聯(lián)互通的智慧公交系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)公交中的“人-車-路-站”一體化，智能化的監(jiān)控、管理及服務，解決了站點播報、視頻或圖像播放等方式存在的弊端，通過車載WIFI機頂盒將3G/4G無線信號轉換為WIFI信號，實現(xiàn)大量音視頻信號、車輛調度、車輛位置等信息的實時傳輸。該系統(tǒng)比以往公交系統(tǒng)更加智能、資源利用率更高，成本較低，目前已在城市公交中得到了成功的應用。

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