基于簡(jiǎn)易加速度傳感器的共享單車損壞問題的初步研究

(長(zhǎng)安大學(xué) 陜西 西安 710000)

一、研究背景

1.什么是共享單車

共享單車是指企業(yè)在校園、地鐵站點(diǎn)、公交站點(diǎn)、居民區(qū)、商業(yè)區(qū)、公共服務(wù)區(qū)等提供自行車單車共享服務(wù)，是一種分時(shí)租賃模式。共享單車是一種新型環(huán)保共享經(jīng)濟(jì)。共享單車的實(shí)質(zhì)是一種新型的交通工具租賃業(yè)務(wù)-自行車租賃業(yè)務(wù)，其主要依靠載體為(單車)自行車?？梢院艹浞掷贸鞘幸蚩焖俚慕?jīng)濟(jì)發(fā)展而帶來的自行車出行萎靡狀況；最大化的利用了公共道路通過率。

2.競(jìng)爭(zhēng)情況

共享單車的橫空出世，給中國(guó)的城市居民的出行方式帶來了巨大的改變，而中國(guó)龐大的市場(chǎng)也讓共享單車企業(yè)在最近幾年單車興起伊始就展開了激烈的競(jìng)爭(zhēng)，競(jìng)爭(zhēng)最激烈的時(shí)候，有超過100多家共享單車企業(yè)在市場(chǎng)上同時(shí)提供服務(wù)。然而隨著時(shí)間的推移，也隨著競(jìng)爭(zhēng)的加劇，很多單車企業(yè)因?yàn)楦鞣N各樣的原因最終倒閉，而現(xiàn)在的共享單車市場(chǎng)也逐漸穩(wěn)定下來了，并形成了兩個(gè)超級(jí)巨頭，阿里系的OFO小黃車和騰訊系的摩拜單車，這兩家公司幾乎占領(lǐng)了目前共享單車企業(yè)的絕大多數(shù)市場(chǎng)。

3.共享單車市場(chǎng)的現(xiàn)狀

在共享單車剛剛出現(xiàn)的時(shí)候，已經(jīng)從由于企業(yè)融資困難導(dǎo)致無法全面鋪開業(yè)務(wù)致使的用戶退押金而導(dǎo)致的資金鏈斷裂，逐漸轉(zhuǎn)化成為用戶使用體驗(yàn)舒適度下降而選擇放棄選擇該單車品牌的新型方式。

目前，社會(huì)上經(jīng)營(yíng)勢(shì)頭好的兩家公司，摩拜和OFO無一不是獲得了大量風(fēng)投資金。但是，現(xiàn)在社會(huì)上出現(xiàn)了一個(gè)社會(huì)現(xiàn)象就是共享單車損壞太多，中國(guó)各地都出現(xiàn)了共享單車大規(guī)模損壞的情況，社會(huì)大眾對(duì)共享單車的討論點(diǎn)逐漸從共享單車最初出現(xiàn)時(shí)，共享單車給大家留下的方便快捷的印象逐漸轉(zhuǎn)換為共享單車損壞太多，車的安全性能得不到保障。

同時(shí)，站在單車使用用戶的角度來說，最受關(guān)注的就是共享單車的騎行舒適度，對(duì)于固定車型的車輛來說，車輛的騎行舒適度在根本上取決于共享單車的車輛狀況。

在現(xiàn)今的共享單車市場(chǎng)中，各家共享單車公司尚沒有完全建立起一套成熟的，適用的體系來解決共享單車損壞這個(gè)問題，從而提高顧客的用戶體驗(yàn)。雖然，現(xiàn)在共享車輛損壞，用戶的騎行體驗(yàn)這一點(diǎn)下降還只是一個(gè)社會(huì)問題，還沒有給車企帶來較為致命的影響，但是隨著共享單車市場(chǎng)的逐漸成熟，在不久的將來，能否長(zhǎng)久有效的解決共享單車損壞這個(gè)問題，提高用戶騎行舒適度這個(gè)問題必然將成為單車企業(yè)發(fā)展，存亡的關(guān)鍵。

4.共享單車損壞情況

據(jù)一份調(diào)查顯示，在近千位受訪者中，有60%的受訪者表示自己近期在尋車時(shí)遇到過1至2次的單車無法騎行的情況，而遭遇5次以上的用戶也不在少數(shù)，可見，共享單車的損壞情況不容樂觀。解決共享單車的高損壞率問題是當(dāng)下刻不容緩的任務(wù)。

5.高損壞率的共享單車帶來的負(fù)面影響

損壞的共享單車主要有幾種，第一種是車子從外觀上看就出行了重大的缺陷的諸如坐騎被盜，車身嚴(yán)重變形，這樣的車如果不及時(shí)修理那么就會(huì)長(zhǎng)期擱置占用公共資源與共享經(jīng)濟(jì)的初衷背道而馳。第二種是從外觀上察覺不出來有什么缺陷的或者是有不影響騎走的缺陷的車子。這類車子往往騎起來比新的車子要費(fèi)勁的多，而且，由于車子上有在騎行之前無法察覺的缺陷，也就埋下了安全隱患，用戶極有可能在騎行過程中發(fā)生交通事故，這樣的事情的發(fā)生于單車公司于用戶來說都是非常不利的。也當(dāng)然不利于共享經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)的健康發(fā)展。

二、設(shè)計(jì)方案的介紹

(一)課題基本思路

我們知道共享單車企業(yè)為了給自己公司旗下的共享單車進(jìn)行位置定位會(huì)在共享單車中安置定位芯片。我們小組的基本想法就是通過在車子里加裝一個(gè)功能模塊用于記錄共享單車實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)在三維空間中的加速度數(shù)值，通過降噪，數(shù)據(jù)處理等過程得到車輛在三維空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡，以垂直方向的偏移量即車輛的起伏情況為主要因素，X,Y軸的偏移量為次要因素，這一點(diǎn)由加速度計(jì)的工作原理決定。

由于共享單車主要騎行在現(xiàn)代化的城市里，因此城市道路的路面質(zhì)量作為影響車輛運(yùn)行的次要因素，在這忽略掉。

通過將獲得到的各種損壞程度的單車在非勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)曲線，以車輛起伏程度為主，和正常車輛正常騎行時(shí)的軌跡作對(duì)比，找出各種差異點(diǎn)，如果有足夠大的樣本量，可以對(duì)采集到的實(shí)驗(yàn)樣本做好標(biāo)記，采用以時(shí)序的機(jī)器學(xué)習(xí)的方法可以很好的提高判斷的速度和準(zhǔn)確率，并以此估計(jì)出車輛的損毀程度。

1.車載芯片的選擇

(1)MPU6050與移動(dòng)設(shè)備內(nèi)置傳感器的對(duì)比

在我們項(xiàng)目，剛提出來的時(shí)候，我們最初是想利用移動(dòng)設(shè)備內(nèi)置的傳感器來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳輸?；诠蚕韱诬嚨氖褂梅椒ǎ褂谜弑仨毜猛ㄟ^移動(dòng)設(shè)備掃碼才能騎行共享單車，通過移動(dòng)設(shè)備中的傳感器，我們就可以測(cè)量出共享單車的騎行軌跡和騎行的顛簸程度。但是在我們實(shí)際的操作和試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，通過移動(dòng)端設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)自行車的騎行時(shí)相關(guān)數(shù)據(jù)的記錄和傳輸是較不現(xiàn)實(shí)的。根據(jù)我們的試驗(yàn)結(jié)果，目前市面上主要的軟件APP都無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄，即使記錄了也與真實(shí)數(shù)據(jù)相差甚遠(yuǎn)，除此之外，數(shù)據(jù)獲取之后，還要將數(shù)據(jù)傳回后臺(tái)進(jìn)行分析，這個(gè)過程中就會(huì)牽扯到用戶的隱私問題。移動(dòng)端設(shè)備測(cè)量的數(shù)據(jù)是通過用戶個(gè)人的移動(dòng)端設(shè)備測(cè)量得出的，從某種意義上來說，此法獲取的數(shù)據(jù)就是用戶的個(gè)人信息，用戶具有不向他人提供自己騎行相關(guān)數(shù)據(jù)的權(quán)力。通過移動(dòng)端設(shè)備采集數(shù)據(jù)對(duì)于用戶的個(gè)人信息安全會(huì)形成一定的隱患，綜上來看，選取移動(dòng)端設(shè)備來實(shí)現(xiàn)我們的目的是較為不實(shí)際不現(xiàn)實(shí)的一種手段。而MPU6050則避免了上述問題的發(fā)生。

(2)MPU6050的優(yōu)勢(shì)

其角速度全格感測(cè)范圍為±250、±500、±1000與±2000°/sec(dps)，可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動(dòng)作，并且，用戶可程式控制的加速器全格感測(cè)范圍為±2g、±4g±8g與±16g。產(chǎn)品傳輸可透過最高至400kHz的IIC或最高達(dá)20MHz的SPI(MPU-6050沒有SPI)。MPU-6050可在不同電壓下工作，VDD供電電壓介為2.5V±5%、3.0V±5%或3.3V±5%，邏輯接口VDDIO供電為1.8V± 5%(MPU6050僅用VDD)。MPU-6000的包裝尺寸4x4x0.9mm(QFN)，在業(yè)界是革命性的尺寸。)MPU6050的價(jià)格也非常的便宜。將MPU6050芯片用作共享單車的行駛數(shù)據(jù)采集工具是再合適不過了，我們將芯片安裝在每一輛共享單車上，記錄每一輛共享單車的運(yùn)行數(shù)據(jù)，再把數(shù)據(jù)傳到數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，由平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更進(jìn)一步的處理和分析。MPU6050作為直接依附在共享單車之上的數(shù)據(jù)采集芯片，對(duì)于共享單車的狀況有著更加及時(shí)更加準(zhǔn)確更加全面的記錄。

(3)MPU6050的不足

同樣mpu6050加速度傳感器具有一定的不足之處，加速度計(jì)僅僅測(cè)量的是重力加速度，即az=g，3軸加速度計(jì)輸出的x,y軸加速度ax,ay為az=g在加速度計(jì)所在芯片坐標(biāo)系中沿x,y軸上的分量大小。重力加速度的方向和大小是固定的。當(dāng)芯片在水平面上沿x,y軸方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，得到的ax=0，ay=0。此時(shí)雖然芯片安裝車輛有位移量，但是在通過加速度數(shù)據(jù)所計(jì)算，繪制出的運(yùn)動(dòng)軌跡上面的并不會(huì)表現(xiàn)出位移量。

2.數(shù)據(jù)的處理與分析過程

我們得到通過MPU6050采集的數(shù)據(jù)之后就要進(jìn)行下一步的數(shù)據(jù)處理工作，這一環(huán)節(jié)在我們整個(gè)環(huán)節(jié)中也是最為關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，通過這個(gè)環(huán)節(jié)我們可以對(duì)一輛共享單車的好壞做出最終的評(píng)判，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于損壞共享單車的及時(shí)回收和維修。我們將采取如下的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析：

(1)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理

得到自行車在某一時(shí)刻某一方向的位移。在x,y,z方向各個(gè)方向的位移確定后，我們就可以在已建立的空間坐標(biāo)系中找出唯一對(duì)應(yīng)的點(diǎn)來標(biāo)記某時(shí)刻該共享單車的位置。再通過處理其他的在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)處理后得到的位置，將其串聯(lián)起來，便可以模擬得出該輛共享單車某次騎行的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線。得到運(yùn)動(dòng)軌跡后我們便可以開展下一步的分析判斷工作，即通過我們得到的空間軌跡曲線來對(duì)車輛狀況進(jìn)行判定和分析。

通過一些實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證傳感器的準(zhǔn)確率。

圖1 芯片保持靜止?fàn)顟B(tài)的加速度圖像

當(dāng)芯片保持靜止時(shí)，x,y軸加速度數(shù)值應(yīng)為零，z軸受地球重力

加速度影響其數(shù)值為1g。符合真實(shí)的情況。

圖2 在設(shè)定長(zhǎng)度5cm時(shí)沿y軸負(fù)方向上 圖3 由圖2記錄下的數(shù)據(jù)得到的y負(fù)方向上的軌跡圖。

做一定勻加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)采集到的加速度變化。

下面是我們多次測(cè)量得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以看出我們小組所做模型在固定方向上做勻加速，變加速運(yùn)動(dòng)時(shí)實(shí)際運(yùn)動(dòng)位移和真實(shí)位移誤差不超過5%。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

注：該表數(shù)據(jù)是單軸運(yùn)動(dòng)時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)

圖4 物塊做單擺運(yùn)動(dòng)時(shí)得到的加速度曲線

圖5 所得到的單擺運(yùn)動(dòng)的軌跡圖線

由以上實(shí)驗(yàn)證實(shí)，經(jīng)過濾波，去噪等預(yù)處理過程，我們團(tuán)隊(duì)利用mpu6050芯片所制作出的測(cè)量模塊可以較好的反映芯片在非勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)在三維空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡。

(2)數(shù)據(jù)分析

通過上面的數(shù)學(xué)處理的方法我們已經(jīng)成功的模擬出了共享單車在行駛時(shí)的空間軌跡曲線。接下來我們就需要進(jìn)行曲線的分析工作，也正是通過下面的工作我們可以判定出共享單車的車輛狀況初步判斷。

目前基于加速度傳感器的人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)識(shí)別還處于初級(jí)發(fā)展階段,目前還沒有一個(gè)滿足所有要求的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫用于識(shí)別系統(tǒng)的研究。所以,通過我們建立的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下,采集了一些損壞程度差異較大的共享單車測(cè)定了其運(yùn)行軌跡。

3.車輛分類

下面是我們小組做出來的一些車輛損壞分類:

首先我們需要明確目前的形式下，共享單車有如下幾種較為典型的損壞方式，我們將其初步分成了四類：第I類，外觀上出現(xiàn)了重大變形或者出現(xiàn)了明顯的重大零部件缺失，如單車坐騎被盜，輪胎被盜等用戶體驗(yàn)無；

第II類，外觀上出現(xiàn)了一定的變形，但車輛零部件損壞程度較大，車龍頭偏移，車架有一定程度的變形等或者是單車的零部件出行了一定的損失或者破壞，諸如車把手被盜，車站腿缺失，車前載物臺(tái)損壞缺失用戶體驗(yàn)極差；

第III類，外觀上看上去沒有出現(xiàn)什么明顯的變形，車上的零部件沒有出現(xiàn)明顯的缺失或者損壞，只是車輛使用時(shí)間長(zhǎng)，正常的存在損耗。用戶體驗(yàn)一般。

第IV類外觀嶄新，零部件完全，車上所有功能均可以正常運(yùn)行，用戶騎起這樣的車來，非常的輕松舒適用戶體驗(yàn)極高。

我們通過較為直觀和簡(jiǎn)單的方法對(duì)共享單車車輛狀況進(jìn)行了分級(jí)，不同等級(jí)的車輛在道路上騎行產(chǎn)生的軌跡也必然不同。

基于I類車的基本狀況，平時(shí)是不會(huì)有人去選擇騎行的，所以在我們的監(jiān)測(cè)平臺(tái)中，這類車子的使用數(shù)據(jù)是基本空缺的，這類車也基本不會(huì)產(chǎn)生行駛軌跡。

對(duì)于II類車而言，其在監(jiān)管平臺(tái)上的基本情況和I類車大致相同，因?yàn)檩^為糟糕的車況，騎這類車的用戶數(shù)量會(huì)維持在一個(gè)很低的水平。在監(jiān)管平臺(tái)里得到的數(shù)據(jù)也是寥寥無幾，一旦有人騎了這類車，傳回的數(shù)據(jù)便會(huì)非常的異常，這些數(shù)據(jù)和我們已有獲得的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)有著很大的差距。此時(shí)，遇到這樣狀況的車輛我們有理由認(rèn)定，該輛車已經(jīng)處于II類車的范疇，對(duì)于這樣的車，車企就應(yīng)該投入足夠的注意力，應(yīng)當(dāng)及時(shí)派遣專人前去查看維修，并且及時(shí)停止這類車的對(duì)外服務(wù)，以便防止用戶騎行會(huì)產(chǎn)生的安全事故，和避免車子進(jìn)一步報(bào)廢的浪費(fèi)。

III類車作為城市共享單車的主力軍，監(jiān)管平臺(tái)收回的大多數(shù)數(shù)據(jù)都會(huì)是該類單車產(chǎn)生的。III類車基本可以承擔(dān)起用戶的騎行需求，但是因?yàn)槠浔旧硪呀?jīng)處于III類車的范圍了，所以這類車在騎起來肯定還是會(huì)產(chǎn)生大大小小的問題，騎起來費(fèi)勁，剎車剎不住，掉頭困難等狀況都是用戶在使用III類車遇到的典型問題。這些問題都會(huì)直觀的以數(shù)據(jù)形式展現(xiàn)監(jiān)管平臺(tái)上，III類車作為處于中間地帶的一類車，有很多是剛由IV類車轉(zhuǎn)化過來，這種III類車只是有一些較小的問題，所以我們得到的運(yùn)行軌跡曲線和各項(xiàng)數(shù)據(jù)和我們的在實(shí)驗(yàn)室得到的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的差別是較為有限的，對(duì)于這部分的單車，我們暫時(shí)不需要投入過多的精力，我們更多的精力應(yīng)該投向的是即將成為II類車的那一部分，這部分車子騎起來已經(jīng)相當(dāng)?shù)馁M(fèi)勁了，和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)有著較大的差距，及時(shí)發(fā)現(xiàn)這部分III類車，并及時(shí)的對(duì)其進(jìn)行維修，就可以避免之后因?yàn)樵缙诓痪S修而需要做的更大的維修，極大程度的避免了浪費(fèi)。

IV類車作為車況最上乘的一類車，通過其騎行時(shí)采集回來的行駛數(shù)據(jù)在處理后與我們得到的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的差距是極其有限的。這類單車可以讓用戶放心使用，車企也不必去維修，調(diào)整。

4.車輛類型的判斷

我們已經(jīng)共享單車車況等級(jí)的分類辦法，并且根據(jù)不同的車況等級(jí)提出了不同的處理辦法。我們小組針對(duì)比較典型的兩類車輛測(cè)量了II類車和III類車在校園內(nèi)的柏油路內(nèi)的騎行軌跡。

利用現(xiàn)有的相關(guān)理論和技術(shù)，將加速度數(shù)據(jù)和繪制的軌跡圖像進(jìn)行特征提取。利用固定個(gè)數(shù)的加速度值進(jìn)行曲線擬合，以曲線作為k近鄰的樣本對(duì)象，考慮車輛騎行曲線和標(biāo)準(zhǔn)曲線的相似度，以此作為距離判斷標(biāo)準(zhǔn)，以簡(jiǎn)單有效的k近鄰算法作為分類器進(jìn)行車輛損壞程度識(shí)別。

但是為了提高車輛損壞程度正確識(shí)別的準(zhǔn)確率，考慮建立基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的對(duì)單車損壞程度進(jìn)行判斷的時(shí)序模型。設(shè)想，單車的損壞程度是由III類車向Ⅱ類車逐步轉(zhuǎn)化的，我們選取一些損壞程度遞增的車輛，測(cè)定他們的加速度數(shù)據(jù)和在道路上騎行時(shí)的軌跡，提取相關(guān)特征，進(jìn)行標(biāo)注，利用MATLAB中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包，將車輛的損壞程度與它的運(yùn)動(dòng)軌跡在時(shí)間序列上聯(lián)系起來，即設(shè)想車輛損壞是隨時(shí)間遞增的。

圖6 判斷流程圖

三、創(chuàng)新特色和應(yīng)用前景

(一)創(chuàng)新特色

我們的課題組選取的課題方向結(jié)合了時(shí)下最熱門的共享單車和機(jī)器學(xué)習(xí)。針對(duì)共享單車損壞這一越來越嚴(yán)重的社會(huì)問題，我們結(jié)合自己所學(xué)，獨(dú)辟蹊徑，與現(xiàn)在社會(huì)中的口誅筆伐不同，我們采取了一套全新的可行的量化方案解決共享單車高損壞率問題。國(guó)內(nèi)現(xiàn)在尚且沒有人提出過我們類似的想法來解決共享單車損壞問題，我們無疑是走在了該領(lǐng)域的前端。

(二)應(yīng)用前景

中國(guó)的共享單車市場(chǎng)龐大，并且隨著時(shí)間的推移，我們的共享單車市場(chǎng)也會(huì)不斷的擴(kuò)大，并且也會(huì)擴(kuò)展到海外。一旦市場(chǎng)全面鋪開，共享單車企業(yè)穩(wěn)定下來后，共享單車損壞率問題就會(huì)成為車企最需要解決的事情。即使在現(xiàn)在，高損壞率已經(jīng)給各大車企帶來了不小的負(fù)擔(dān)，并且隨著時(shí)間的推移，這個(gè)負(fù)擔(dān)如果不能得到妥善處理，只會(huì)變得越來越重。彼時(shí)，我們的社會(huì)將會(huì)產(chǎn)生一系列由共享單車帶來的負(fù)面影響，由共享單車產(chǎn)生的交通事故也會(huì)急劇攀升。這對(duì)共享單車的可持續(xù)發(fā)展造成了重大影響，也給整個(gè)共享經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來了負(fù)面影響。及時(shí)解決共享單車高損壞率問題是具有戰(zhàn)略意義的，并且當(dāng)我們?cè)诠蚕韱诬嚨膽?yīng)用上成熟后，可以將自己的方案進(jìn)一步推廣到其他方面，其他領(lǐng)域。綜上所述，有充分的把握認(rèn)為我們的方案應(yīng)用前景較為明朗和開闊。