基于物聯網技術的上海市智能公共交通系統

郭 征 茜

(上海新興媒體信息傳播有限公司 上海 200072)

?

基于物聯網技術的上海市智能公共交通系統

郭 征 茜

(上海新興媒體信息傳播有限公司 上海 200072)

公交信息化是上海市智慧城市建設的重要舉措之一，采用物聯網技術的智能公共交通系統則是公交信息化的最具有表征性的系統。基于物聯網的智能公交系統，由車載終端信息采集系統、信息處理平臺、候車亭信息發布系統及智能調度系統組成。為公交信息化提供了具有全局部署的、健全的營運整體解決方案。采用基于GPS和ZigBee的雙信標定位提高了車輛定位精度，綜合考慮車輛運行即時數據和歷史數據的算法提高了公交到站預報的準確性，基于GPS和GIS的智能調度實現了對車輛的實時監控和集中管理。上海市智能公共交通系統投入運行以來，已取得良好的效果。

智能公交 車輛定位 公交到站預報

0 引 言

發展公共交通是改善城市交通的重要方面。上海市推進智慧城市建設行動計劃提出了智能交通具體目標：建設公共交通信息服務系統，實時采集軌道交通全網各類運行動態信息和客流數據，提升地面公交動態客流信息采集能力，逐步實現軌道交通與地面公交換乘信息發布；完善公交企業營運調度系統，試點推進公交站點車輛信息預報發布服務系統，提升公交車輛運營效率。

上海市交通委組織業內企業和科研單位結合公共交通的需求和現狀，經過長期的深入調查研究，提出了“一站式”服務理念，研發出了基于物聯網的智能公交系統，為公交信息化提供具有全局部署的、健全的營運整體解決方案。

1 系統簡介

1.1 總體目標

智能公交系統的總體目標是：

(1) 為市民提供公共交通信息服務

實時預報公交到達信息，發布公交最新線網調整信息，發布實時道路交通和市政施工信息；為政府發布公共安全等預警信息提供載體；播報新聞、娛樂節目、金融信息和天氣預報等。

(2) 提供公交信息化管理手段和信息咨詢

提供交通路況信息、客流量時空分布、市民利用公共交通出行行為分析等相關咨詢，提高運營調度管理水平，實現公交服務可預見性和運行管理智能化；建立公交信息統一平臺，可以全面有效地推進公交企業信息化建設步伐。

(3) 為政府管理提供信息支持

為政府和行業監管平臺提供公交營運數據。有了車載實時信息和公交營運數據的支撐，監管平臺可以有效進行行業監管、應急指揮和行業宏觀管理；為政府部門及研究規劃機構提供輔助決策支持。

1.2 系統設計

智能公交是將先進的信息、通信、傳感、控制及計算機等技術有效地集成運用于公共交通的管理體系，建立一種實時、準確、高效的公交管理體系[1]。智能公交的實現依賴于車輛運行的實時數據。通過采集公交車輛的實時數據，經過數據處理和計算，提供系統的各類服務，實現預定的目標。

公交車輛的實時數據采集由車載智能終端系統完成，數據處理和計算在公交信息平臺完成，而數據的輸出則包括實時的電子站亭的車輛到站時間預報、公交調度，以及提供公交管理和城市交通管理的大數據。

必須考慮的問題是，城市公共交通是一個復雜的系統，就上海市而言，投入運行的公交車輛有近萬輛，歸屬于600多條線路；每條線路有各自的行駛路線、停靠站點、調度規劃；有近五千個公交站點，每個站點有不同線路的停靠車輛。隨著城市整體公共交通發展，公交線路和公交站點還會不斷增加，每條線路也有可能根據運行情況進行調整。因此，城市智能公交系統整體的設計必須能夠適應這種多終端、多管理模式、多服務對象的系統，是實時的、動態的、可擴展的、可升級的、標準化的。

物聯網、移動互聯網、大數據是智能公交實現的技術基礎。在物聯網中，物與物之間可以相互通信、交換信息，“物”可以自主感知環境、啟動服務行為改變環境。支撐物聯網發展的關鍵技術包括標識技術、通信技術、網絡技術、網絡定位和發現技術、軟件和算法技術等[2]。物聯網的體系結構可分為感知層(數據采集)、傳輸層(異構網絡互聯和傳輸)、應用層(包括業務中間件和應用)，以及包括信息安全、網絡管理、數據庫等其公共技術[3]。

本設計的物聯網模型見圖1，系統組成見圖2。

圖1 智能公交系統的物聯網模型

圖2 智能公交系統構成

車載智能終端采集公交車輛的各類動態信息，包括位置信息(經緯度、進站出站等)、車輛運行數據(速度、方向路程等)、客流信息、視頻監控數據等，通過3G/4G移動網絡上報公交信息平臺。

公交信息平臺運用實時數據動態評估、數據融合和挖掘、數據實時智能預測等技術，對車載智能終端和電子站亭上傳的車輛實時數據進行處理和計算，提供車輛到站預報、車隊調度信息服務；數據接入公交運輸管理部門、城市交通管理部門等上級管理部門的信息系統，進行交通綜合管理、規劃等。

信息發布系統包括前端播出控制系統和后端接收發布系統(公交站點候車亭)。前端播出控制系統通過數字電視頻道發送圖像和數據。主要發布車輛到站預報等實時公交信息，視頻可播放政府宣傳片、公益廣告、生活短片、電視節目等，為市民乘車出行提供全新體驗。

2 數據采集和信息發布

2.1 數據采集

車載智能終端承擔車輛的數據采集和上報到信息平臺。

車載智能終端系統主要實現以下功能：

(1) 車輛定位：車載智能終端采用GPS定位，確定自身的地理位置經緯度、速度等，并通過內置地圖計算車輛在線路中的位置、下一個停靠的車站、離下一車站的距離；

(2) 自動報站：利用車輛定位系統獲取的車輛位置，實現進站、出站自動報站、拐彎提醒、服務用語等，在LED顯示屏上顯示和語音播報；

(3) 客流監測：圖像識別監測前后門的上下客數據，以及讀取智能投幣機、公交一卡通POS機數據；

(4) CAN總線接口：與公交車CAN總線互聯，讀取車輛CAN總線數據(發動機轉速、速度、油表、里程等)；

(5) 視頻監控系統：車箱內和車輛前后方的8路視頻監控攝像頭拍攝并保存在DVR中；

(6) 車輛調度：司機刷卡簽到、簽退，導入線路和站點信息、參數配置，異常狀態報警，接收和顯示后臺調度命令，并將文字信息轉換為聲音提示；

(7) 設備控制和管理：系統自檢，設備程序遠程升級，參數設置；

(8) 通信：通過移動網絡建立與信息平臺的連接，上傳終端讀取的各類數據，接收中心傳過來的各種信息和指令。

這些數據應主要包含車輛信息、線路信息、監控信息、乘客信息等[4]。本系統依據上海公交巴士通車載智能終端通信技術標準《GPS動態通信數據協議v2.7》，主要的通信數據見表1和表2：

表1 車載終端上傳數據

表2 信息平臺下傳數據

2.2 信息發布

電子站牌信息服務系統是一個多媒體信息發布系統，視頻與文字信息動靜結合，提供車輛到站預報及換乘導航等實時公交信息，天氣預報、新聞資訊等各類生活資訊，同時采用55寸大屏幕液晶屏播放電視節目、政府宣傳片、娛樂節目、公益廣告，讓市民在候車的時間獲得最好的體驗。

公交信息電子站牌發布系統由前端播出控制系統和后端接收發布系統組成，前端播出控制系統由網絡數據接收和打包組成，將交通信息通過移動網絡VPN隧道下發，其他資訊等數據和視頻節目流打包成TS流復用，利用數字電視地面廣播頻道向全市電子信息候車亭廣播。

采用數字電視廣播的方式具有低延時、全覆蓋、不受網絡影響等優勢，對于高帶寬的視頻內容播放可大大節省網絡資源，對于突發事件時政府發布緊急告示更具有戰略意義。

后端接收系統將通過移動網絡接收到的交通信息實時播放，而對電視通道接收的內容在本地存儲，并按預設的播單編排播放。后端接收系統具有自檢功能，檢測工作狀態、下載內容的完整性并上報給播控系統。

3 公交到站預報

公交車輛到站預報是廣大公交乘客迫切需要的一項服務，可以讓乘客預知車輛到站的時間，從而更有效地規劃出行路線、換乘方案，更有效地利用候、乘車時間，改善乘車體驗。

公交到站預測的核心是車輛定位，綜合考慮當前車速、路況等因素進行計算。

3.1 多信標公交車輛定位

車輛定位的準確和可靠是預報準確度的關鍵。目前，車輛定位的技術主要有以下幾種方案：

(1) GPS衛星定位

GPS衛星定位是非常成熟的技術，已經被廣泛應用于車輛的定位。雖然GPS定位可使車輛持續獲得精確的經緯度信息，但GPS在高架下或隧道中會產生數據中斷，在高樓林立的城市商務區與住宅區會因“峽谷效應”產生定位漂移。另外，如果終端與中心的移動通信中斷，中心也無法獲取定位信息。

(2) 路標定位

在車輛和站點分別安裝短距離無線通信模塊，當車輛進入通信距離時可以互相識別，車輛可以根據電子地圖確定自身的位置，車站可以檢測到進入車站的車輛，并將車輛位置信息上傳至控制中心。

一種方案是在車輛與公交站點分別安裝RFID信標和讀卡器[5]，當車輛進入車站時，信號可以被車輛檢測到，讀卡器讀取車載信標信息來確定車輛的位置。在沒有路標的地方，車輛利用里程表計算出最近一次路標的距離，然后通過無線傳輸方式傳回控制中心。

另外一種方案是利用ZigBee短距離無線通信技術[6]，在車輛和車站分別安裝ZigBee通信模塊。當車輛接近車站時雙方建立通信，從而可以互相檢測到。并且ZigBee可檢測到信號的強弱變化，從而判斷車輛是進入還是離開車站。

(3) 推算定位

使用車輛上的里程表和羅盤計算車輛位置。車輛從一個已知的位置開始，系統計算距離和運行方向，然后與儲存在車輛中的路線數據庫比較，調節估計新的位置。為了修正累積的位置誤差，它也在關鍵地方讀取路標上的數據。

綜合分析了以上幾種方法，我們的方案采取以GPS為主要信標，以公交車站ZigBee(或RFID)路標作為第二信標的多信標車輛定位系統[7-8]。

在正常情況下，控制中心通過周期性獲取車載終端上傳的GPS定位數據即可準確得到車輛的位置。而車站ZigBee(或RFID讀卡器)當檢測到車輛經過時發送數據到中心。中心可以將其與GPS數據進行比對，如果車載GPS信號發生漂移或缺失，中心可根據第二信標對其校正。

3.2 車輛到站時間預測

車輛到站時間預測是依據車輛的當前位置，計算與車站之間的距離，并根據車輛的行駛速度進行預測。

由于路況的原因，車輛瞬時車速會有較大的變動，僅僅依靠瞬時車速計算時間往往有較大的誤差。這里影響的因素包括：

時間段：工作日或節假日，以及每天的時間段：上下班時段，娛樂、購物高峰時段；

路段：路況差的路段，娛樂場所、商業街容易擁堵的路段。

對公交線路的歷史數據，分析其歷史到站時間的概率分布特點，可得到分日期、分時段繪制到站時間曲線。圖3是X路公交在工作日不同時段的上、下行行程時間和平均速度，圖4是XX站不同時間段的上下行站間行程時間。

圖3 ×路公交在工作日不同時段的上、下行行程時間

圖4 ××站不同時段的上下行的站間行程時間

從圖中可以看到，工作日上下班時間車速較慢，車輛全程行駛時間較長；而同一站點上下行的站間行程時間在不同的時間段也有較大差異。

考慮實際運行環境對車輛到站時間計算的影響，本系統加入后臺數據庫中歷史數據對車輛實時數據進行修正，綜合考慮瞬時速度和歷史數據的影響因子，采用加權求和的方法預測到站時間：

Tpred=αTh+βTrα+β=1

其中：

Tpred：預測到站時間；

Th：歷史到站時間曲線預測的公交車到站時間；

Tr：根據車輛實時位置計算的離站距離和當前速度求得的到站時間；

α: 預測Th過程的影響因子；

β: 預測Tr過程的影響因子。

一般而言，車站與車輛的距離較遠時，以Th為主，反之，以Tr為主。

根據示范站點的統計，采用上述定位和計算方法，預報誤差1分鐘之內的達到近90%，2～5分鐘的不到4%，未發現超過5%的情況；以往用GPS單一定位模式預測車輛到站時間誤差2分鐘內的比例為77%，在2分鐘至5分鐘之間的所占比例為15%，超過5分鐘的8%；本系統的預測準確率顯著提高[9]。

4 智能調度

4.1 GIS交通地理信息系統

GIS是集計算機圖形和數據庫于一體，用來存儲和處理空間信息的高新技術[10]，它把地理位置和相關屬性有機地結合起來，根據用戶的需要將空間信息及其屬性信息準確真實、圖文并茂地輸出給用戶，滿足用戶對各種空間信息的要求，并借助其獨有的空間分析功能和可視化表達功能，進行各種輔助決策。

結合GPS衛星定位系統和GIS地理信息系統，公交智能調度系統可以將電子地圖、公交線路網絡分別或同時、全部或局部顯示在屏幕上，可以在地圖上顯示車輛的位置，可以在地圖上選取車輛并顯示此時車輛的運行狀態、速度、方向、線路號、車牌號碼、車型等信息，可根據現場的復雜多變的情況實時地調整車輛運行指標，提高運行計劃的完成率，可同時記錄實際行車軌跡及捕捉在道路上的軌跡。

特有GPS誤差軟件校正功能，依行車方向、車速等信息自動匹配道路，提高系統精度。

車輛軌跡平滑顯示，“黑匣子”數據可查詢，以滿足網絡盲區的調度需要。

GIS應用示例：

(1) 行車示意圖：通過定位功能將在線營運車輛的運行情況及實際位置狀態動態地顯示在調度中心的調度界面上，實現對車輛運行情況的實時掌握(如圖5所示)。

圖5 行車示意圖

(2) 軌跡回放：結合GIS地理信息系統(電子地圖)，在系統運行過程中，自動記錄營運車輛的行駛軌跡及各種異常情況，并將其保存在后臺服務器中，以便隨時查詢(如圖6所示)。

圖6 軌跡回放

(3) 報警目標聲光提示：提供報警目標聲光提示、屬性數據查詢，可以指定任一或所有監控終端顯示告警提示。可預先設定路線，偏航自動報警系統提供多態的符號，每一車輛符號可以有正常、激活、報警、求救等多種狀態。事件發生后，電子地圖彈出報警位置，并對接入的報警車輛進行確認，進行報警處理。

4.2 輔助決策

對企業的運行情況、運行質量等進行相關業務分析，從而為下一步公交線網優化調整、運力運能資源配置和輔助決策等，提供直接的依據。

(1) 車載智能終端客流檢測設備的統計數據，形成于不同需求的客流報表，為客流分析、營運分析和行車作業計劃、運調計劃的形成提供必要的技術支持，對客流的時間、空間分布作出分析，為營運生產與調度提供決策支持。

(2) 規劃管理支持

需求管理和預測：從交通控制系統獲取的當前交通流數據，從公共交通信息系統獲取的當前使用水平數據，從營運系統獲取的客流量數據，從預測出行信息系統獲取的交通需求數據，對所有運輸模式的交通需求和交通運輸規劃的歷史數據進行統計存檔并建立模型進行預測。

公交線網和站點評價：根據各種歷史客流量數據，進行公交樞紐站等的評價，根據各種歷史數據(交通流數據、公共設施使用水平數據、客流量數據、預測出行者的交通需求數據)，進行公交線路優化布局分析，進行公交專用道、路口公交優先通行、單行線允許公交車通行等規劃設計。

5 結 語

上海市智能公交系統已投入運行，取得令人滿意的預期效果。目前浦西的公交線路基本做到了全覆蓋。約8 700輛車(涉及645條公交線路)安裝了智能車載終端，途徑4 800多個站點。車隊調度人員坐在終點站調度室內通過電腦客戶端就可以查看線路下每輛車的行駛情況以及準確位置，遇緊急情況可人工干預實施應急預案。

在面向公眾的信息發布服務方面，已在市區800多個站點建設了候車亭信息發布屏，顯示停靠該站的線路的下一班車到站時間，同時播出最新的資訊類電視節目、各種便民信息，提升了乘客的候車體驗。除此之外，信息發布系統又增加了手機APP預報，大部分公交線路實現了移動終端發布的試運行，市民可以通過手機等移動終端實時獲取各條線路各個站點的車輛到站預報信息，大大方便了市民出行規劃。

目前，一種新型立桿式電子站牌已經開始部署。在現有立桿式站牌安裝太陽能電池板和OLED顯示，可適用于缺乏場地條件和電力供應條件的任何公交站點，因此有望在不久的將來使電子信息發布覆蓋到所有公交站點。

公交信息化建設作為智慧城市交通的重要組成部分必將大力繼續推進。隨著公交信息化系統進一步融入城市交通網，產生的大數據也將進一步為城市區域職能、道路建設規劃提供依據。

[1] 蔣軼瑋，周丹丹，田玉靜. 基于物聯網的智能交通系統架構設計[J]. 電聲技術, 2012, 36(8):69-72.

[2] Vermesan O, Friess P, Guillemin P, et al. Internet of Things Strategic Research Roadmap[J]. Information Security & Technology, 2009, 29(16):300-304.

[3] 張輝. 物聯網技術框架與標準體系[J]. 中國產業經濟動態，2010(12)：27-31.

[4] Road transport and traffic telematics-Public transport-Reference data mode[S].TC 278，Date:2005-09.

[5] 肖碩, 魏學業, 王鈺. 基于信標優化選擇的無線傳感網絡定位方法研究[J]. 電子測量與儀器學報, 2009, 23(3):65-69.

[6] 張鸰. 一種基于ZigBee的車輛定位方法[J]. 電腦知識與技術，2013(12)：7843-7846.

[7] 上海新興媒體信息傳播有限公司. 基于雙信標和雙模通信的公交車定位方法：中國, CN20130265023.0[P/OL]. 2013-09-11.http://www2.soopat.com/Patent/202020131026.

[8] 曾慶化, 劉建業, 趙飛,等. 基于GPS和無線傳感器的智能交通系統[J]. 全球定位系統, 2009, 34(5):34-38.

[9] 朱昊，陶晨亮，趙方. 上海實時公交信息服務關鍵技術研究和試點工程評估[C]// 第八屆中國智能交通年會，2013.

[10] 李海明. GIS概念中的空間基礎信息[C]// 中國地理信息系統協會1999年年會論文集(下)，1999-10.

SHANGHAIINTELLIGENTPUBLICTRANSPORTSYSTEMBASEDONINTERNETOFTHINGS

Guo Zhengxi
(ShanghaiNewMediaInformationCommunicationCo.,Ltd.,Shanghai200072,China)

Public transport informatization is one of important measures for the construction of smart city in Shanghai city. The intelligent public transport system based on the Internet of things is the most representative system of public transport informatization. The system is composed of the vehicle terminal information collection system, information processing platform, shelter information release system and intelligent scheduling system. It provides a global deployment, a sound overall operational solution for public transport informatization. Using double beacon based on GPS with ZigBee, the positioning precision is improved. Considering of the vehicle real-time data and historical data of the algorithm improves the accuracy of prediction of the bus arrival. Intelligent scheduling based on GPS and GIS realizes the real-time monitoring of vehicles and centralized management. Shanghai intelligent public transport system has been brought into operation and has achieved good results.

Intelligent public transport system Vehicle positioning Bus arrival time prediction

2016-09-21。郭征茜，工程師，主研領域：計算機應用，智能交通。

TP393

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.08.024