基于大數據的智慧公交系統頂層架構設計

車輝 呂輝 楊波 邢慧芬 樊玉琦

摘 要：隨著中國城鎮人口的增加，傳統城市公交系統難以滿足市民出行的需求，阻礙了城市發展。大數據技術的快速發展和應用，有力地推動了城市智慧公交的建設和發展，提高了城市居民出行效率，推動了城市經濟發展。文中從實際應用出發，對智慧公交的網絡拓撲架構、系統架構、公交線網規劃決策支持子系統、公交車輛監控調度子系統和公共交通信息服務子系統等進行了頂層設計，并對數據處理技術進行了分析，為智慧公交系統建設提供了頂層方案，具有一定的參考價值。

關鍵詞：智慧交通;大數據;頂層設計;智能調度;公交電子站牌;公交APP

中圖分類號：TP391.4;TN929.5文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）11-0-03

0 引 言

隨著中國城鎮化的快速發展，城市人口數量急劇增加，城市公共交通面臨著前所未有的壓力。城市公共交通具有大容量、低碳環保等優勢，是緩解城市交通壓力，解決城市居民出行問題的最佳選擇。但傳統公交系統存在信息化、智能化水平較低，公交路線規劃不合理、服務水平較低等缺點，導致城市公交可達性較差，已難以滿足日益發展的城市出行需求。新一代信息與通信技術（ICT）的快速發展，有力地推動了智慧公交的發展，提高了百姓的出行效率和乘車體驗，也提高了城市居民的幸福指數。

智慧公交[1-2]是運用物聯網[3]、云計算、大數據[4]、人工智能、全球定位等技術，結合公交企業基礎管理和車輛調度業務需求，建設的城市公交智能化調度管理系統，實現了公交線路智能規劃、公交車輛智能調度，從而提高了企業資源的利用效率，加強了公交運營安全管理，更提升了城市公共交通的服務質量，滿足了城市居民的出行需求。

本文從智慧公交的網絡拓撲架構、系統架構出發，詳細闡述了公交線網規劃決策支持子系統、智慧公交車監控調度子系統、公交信息服務子系統的頂層設計，并簡單闡述了線網規劃、公交調度的當前常用算法。最后，本文對公交電子站牌系統和智慧公交APP進行了設計，從而為城市智慧公交建設提供參考模板，具有一定的實用價值。大數據技術的應用推動了城市智慧公交的發展，有力緩解了城市交通擁堵，提高了百姓出行效率。

1 網絡拓撲架構

城市智慧公交系統以云計算、大數據為基礎，結合全球定位系統（或北斗導航系統），整合企業、交通管理部門和城市居民等需求，以視頻監控、智能終端、車輛定位和NFC等技術，有效加強公交公司的安全運營、智能化線路規劃和車輛智能調度，從而提升企業的資源利用效率和服務質量，提高城市交通效率。智慧公交網絡拓撲架構如圖1所示。

2 系統架構

智慧公交系統主要包括公交線網規劃決策支持子系統[5]、公交車輛監控調度子系統[6]和公共交通信息服務子系統。智慧公交系統通過建設公交線網規劃決策支持子系統，實現了城市公交線路的最優規劃，以滿足城市居民的出行需求，提升城市公共交通的服務質量;通過建設公交車輛監控調度子系統，實現了公交車輛運行的自動監控，確保乘客安全出行，尤其是智能調度系統通過大數據分析結果為公交車調度提供科學依據，實現了企業的資源最優化配置和管理;公共交通信息服務子系統的建設則實現了交通信息的實時發布，使乘客能夠及時了解公交信息，有效提高公共交通的服務水平。智慧公交系統架構如圖2所示。

其中，公交線網規劃決策支持子系統根據居民出行和公交客流的數據資料及預測經過，運用數據規劃、圖論等方法，深入研究公交線網最優布局，為公交線網規劃提供決策支持。智慧公交車監控調度子系統主要以GIS電子地圖、GPS衛星定位、RFID、GPRS/CDMA移動通信等技術，通過實時收集公交車的位置和狀態信息，實現公交車運行狀態的實時監控和車輛智能化調度。公共交通信息服務子系統利用互聯網、手機和公交電子站牌等為乘客提供全方位的公交信息，方便市民出行。

3 系統設計

3.1 公交線網規劃決策支持子系統

公交線網規劃決策支持子系統包括3種功能，即公交運行現狀分析、公交線網優化和公交線網規劃的評價。它將有關規劃信息提供給交通管理部門和社會公眾：系統通過對公共交通的歷史數據進行挖掘分析，根據城市居民出行分析模型對居民出行進行預測，制定短期和長期的公交車運營計劃;系統通過對城市公共交通的公交站臺吞吐量、途徑站臺車輛、在行駛的公交車輛、公交線路數量等信息組成的數據庫進行大數據分析，結合城市公交線路班次優化模型、車輛配置優化模型、車輛時刻表優化模型、行車線路優化、司乘人員配置模型，對初始運營計劃進行優化調整;系統還設置人機交互系統，必要情況下企業管理人員可對決策進行干預。公交線網規劃決策支持子系統架構如圖3所示。

公交線網規劃決策支持子系統在大數據架構的基礎上，對公交系統數據進行數據挖掘，并利用如聚類分析法、神經網絡、遺傳算法、粒子群算法、蟻群算法等，對公交車客流量、乘客上下車時間、相應站點等進行分析，對乘客出行規律進行統計，從而發現車輛運行規律、隱含的公共交通規則等，為公交路線規劃、公交車輛管理、公交資源分配等作出科學、合理的安排。

3.2 智慧公交車輛監控調度子系統

智慧公交車輛監控調度子系統是運用系統工程理論將交通流誘導技術、車輛定位技術、地理信息系統技術、公交運營優化與評論技術、計算機網絡技術、數據庫技術、通信技術、電子技術、智能卡技術等先進技術科學集成，形成集公交車輛科學調度、智能卡收費等于一體的智能化智慧公共交通管理系統。它包括公交運行實時監控子系統和智能化調度子系統。

（1）公交運行實時監控子系統

系統通過將車載視頻監控、全球定位系統（或北斗導航系統）、報警器和車輛運行狀態傳感器等多種設備采集的數據通過車載智能網關，利用移動通信技術實時傳輸到城市公交管理中心，實現對公交車輛的實時監控。通過公交運行實時監控子系統可以實現車輛運行狀態管理、公交車位置定位和追蹤、車內視頻監控、緊急告警和遠程服務等功能，從而提高了公交車的安全運營水平。

公交運行實時監控子系統采集的數據既可以通過移動通信網絡實時傳送到公交監控中心，以供管理者查看，也可存儲在本地。當數據存儲在本地時，既可以通過移動存儲設備進行備份，也可在公交車進入公司時通過無線傳輸技術傳送到監控中心，從而實現數據備份。

（2）智能化調度子系統

智能化調度子系統對采集的乘客吞吐量、各站點乘客集散量、車輛行駛車速等動態數據進行挖掘、統計分析，從而預測未來乘客集散高峰期、車輛運行時長、站點乘客量。此外，它將采集的數據自動輸入，運用智能化調度算法自動生成相應的調度形式，并且由車輛排班系統自動生成優化的車輛發車時刻表。智慧公交車輛監控調度子系統架構如圖4所示。

智能化調度系統的基本原理是運用大數據處理技術，對公交車信息、乘客數量信息、公交行駛等信息進行挖掘分析，形成城市公交管理知識庫，并結合歷史數據庫對城市公交進行建模，從而完成對公交乘客集散量、公交行駛時間的預測分析，然后利用調度系統的決策支持模塊進行公交車調度，以滿足居民出行的需求[7-8]。智能調度系統的數據來源，既包括企業設備自動采集的數據，也包括企業手動輸入的數據，同時還包括乘客與公交公司互動和相關部門以及媒體的相關信息。公交公司把分析處理好的數據推送到各終端設備上，以供乘客出行參考。

智能調度技術可以采用多種優化算法，一類是啟發式算法，這種算法相對簡單，易于實際應用;另一類是基于人工智能的啟發式算法，如采用帶收縮因子和線性遞減慣性權重的粒子群算法[9]，這類算法相對復雜，不易實現。

3.3 公共交通信息服務子系統

公共交通信息服務子系統利用互聯網、智能終端和智慧公交電子站牌等手段，為乘客提供全方位的公交信息服務，如當前日期、時間、今日天氣、車輛距離本站站數、乘客提示信息或公益信息等。

（1）智慧公交電子站牌系統

智慧公交電子站牌系統運用GPS技術、移動通信技術和GIS技術等，實現公交車車輛運行位置信息發布、車輛到站信息播報和公眾服務信息發布等功能，提供了出行公交車信息指南，使居民能夠及時掌握公交車運行信息。此外，智慧公交電子站牌系統也具有公共信息發布、廣告資訊發布功能，可滿足城市居民需求。智慧公交電子站牌系統如圖5所示。

（2）智慧公交APP

移動互聯網的快速發展使智能終端成為百姓的日常必備工具。通過在城市智慧交通APP中集成公交信息模塊[10]，可以使百姓實時、方便地獲取公交車相關信息，如公交線路、公交車到站信息等。同時，百姓也可通過公交信息模塊掌握線路周邊信息，比如站臺美食、天氣狀況等，從而提高城市公共交通的服務質量。智慧公交APP模塊主要功能包括靜態公交查詢、實時公交查詢、周邊公交查詢、公交換乘查詢、周邊興趣點查詢、天氣查詢和交通管理通告等。智慧公交APP功能架構如圖6所示。

4 結 語

城市公交具有綠色、環保的特點，是城市居民出行的主要交通工具。但傳統公交系統存在智能化、信息化和服務水平較低的缺點，難以滿足百姓出行的需求。大數據技術的快速發展和應用，有力地推動了智慧公交的建設，提高了公交線路規劃、調度和管理的智能化水平，使百姓出行更加便捷。因此，本文所提出的智慧公交系統很有實用價值，未來應用市場廣闊。

參考文獻

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