基于神經網絡的智慧公交系統設計與開發

朱佳艷，盛 逸，王奇龍，劉欣欣

(寧波財經學院 金融與信息學院，浙江 寧波 315175)

0 引言

隨著社會經濟的不斷發展，我國汽車保有量呈現爆炸式增長，城市擁堵問題日益嚴重，國內提出了新的概念——“智慧交通”，即“高效、安全、環保﹑舒適、文明”的智慧交通體系[1]。隨著我國交通智能化應用的不斷推進，行業整體處于成長期，智能交通的需求增長明確且空間廣闊[2]。

智慧交通作為全國各地交通建設的目標，一直根據城市的實際情況在不斷地倡導和推進中，但在現階段，智慧交通建設仍處于較低水平，還沒有確立智慧交通的功能定位、技術方法、載體等內容，甚至連最基本的“大交通”概念都沒有形成[3]。同時，行業標準體系的缺乏使得建設標準分化的情況十分嚴重，嚴重阻礙了信息資源的互聯互通、共享和整合。

1 傳統公交系統存在的問題

我國城市人口不斷增加，車輛迅速增多，但是由于目前城市道路建設相對滯后、線路位置規劃不當、停車疏導管理不夠嚴格，導致道路車輛擁堵的情況嚴重，因此人們對公共交通的需求也隨之快速增長。通過對公交系統的調查和分析，筆者發現傳統公交系統存在以下問題。

1.1 公共設施不夠完善

公交站臺作為乘客上下車、換乘的平臺，設施不夠完善，公交車線路比較單一，遇到路況不明朗時，不能夠隨機應變。公交車載客量有限，在人流量大的時候會造成公交車內空間非常擁擠，出現人擠人現象，舒適度較差。

1.2 公交信息服務無法滿足公眾需求

目前，信息服務在發布途徑上多局限于交通廣播、交通電臺等方式，且信息內容較為單一，多是重點路段的擁堵狀況、事故情況等，尚未覆蓋公眾需求較大的公交車到站信息查詢、實時動態路況查詢、出行策劃等服務。由于公交信息缺乏，乘客不能了解當前公交車的行駛情況，利用公交信息來合理安排出行路線，只能在公交站上等，不能確定車輛到來的時間。

1.3 公交車運行效率低

從當前公交車的運行情況來看，一方面，多輛同路線的公交車輛之間的配合缺乏協調優化，資源分配不合理，造成一定程度的浪費；另一方面，公交運營企業尚未建立統一的公交調度系統，已有的調度系統沒有與市民的通勤規律相結合，導致公交車擁擠，某些線路久等不來、打不到車、黑車泛濫等一系列問題。

1.4 對公交車缺乏實時監控

由于沒有對公交車輛進行實時監控，導致車輛到站時間不確定，即使在固定的間隔時間內發車，但是由于客觀因素和人為因素等導致公交車到站的時間不確定，經常性地延長間隔時間，乘客無法預測車輛到達時間。即乘客無法知曉車輛的準確到達時間，耽誤乘客出行。如遇意外情況，公交車公司難以及時調動車輛，出現乘客長時間等不到車的現象。

2 系統技術創新

智慧公交系統致力于解決傳統公交的諸多問題，為智慧公交能有一個持續性發展，它還需要有以下幾項技術的支持。

2.1 結合大數據技術整合采集的信息

智慧公交系統通過數據采集、數據整合處理公交車運行相關的動態數據和靜態數據；能夠通過多種智能終端為乘客提供多種出行服務，避免交通擁堵路段，節約出行時間；對公交車輛進行實時監控，科學調度，實現現代化、信息化的管理；可自行收集公交車運營的各項數據，便于利用大數據分析技術進行數據挖掘、分析，制定合理的運營管理措施，提高公交企業效益和公交服務水平。

利用GIS地理信息技術[4]、GPS全球定位技術、4G無線通信、數據處理技術等技術，實現數據的采集和數據集成。GPS的自動采集和數據管理技術大大縮短了數據采集和整合的時間，對采集的數據進行統一標準化的存儲和管理。通過將數據以統一格式存儲在公交集團的數據庫中，利用數據挖掘技術獲得集團關注的信息，為公司決策提供理論依據，有助于智慧公交服務系統的建立。

以大數據[5]、云計算、物聯網[6]等新型交通基礎設施為基礎，從出行需求分析、出行需求滿足度和智慧出行整體理念等方面，構建“自動駕駛產品集”為城市微循環、公交、環衛、機場等應用場景，構建汽車更智能、道路更智能、交通基礎設施更智能的全方位城市交通體系，構建安全、綠色、舒適、快捷、準時的智慧城市出行服務體系。

2.2 通過可視化監測道路情況

隨著監控系統的廣泛部署，先進的視頻監控技術在智慧交通中有著重要的意義和市場機遇。通過建立智慧化路段時間的預測算法，可實時監測公交車車輛運行的狀態和路況，并及時對車輛超速等情況進行報警提示并記錄，保證車輛的行駛安全。通過先進的視頻監控技術及時指揮調度車輛，可在救援、危險運輸等方面提供支持和服務。

目前無論是作為完成城市交通管理和指揮的手段，還是信號控制，又或是路邊和車載誘導，都必須有路面信息作為基礎。根據目前路面的交通情況，提供多樣化的智能終端，乘客可以通過智能手機或公交車站電子廣播屏，實現對公交信息的實時查詢和到站預測，以便及時掌握交通信息，提前做好合理的出行路線規劃，從而提高出行效率，提高市民的滿意度。

2.3 利用開源的Map-Box和Echars技術進行可視化處理

Map-Box使用Web服務擴展應用程序的功能，用于地理編碼、定位、空間分析等。通過編程創建靜態地圖，用Echarts[8]中的增量渲染技術結合其他各種細節的優化，Echarts可以顯示千萬級的數據量，并且仍然能夠在這個級別的數據上進行平滑的縮放、平移等交互，同時提供了流式加載的支持，使用WebSocket或數據塊來加載，加載多少渲染不需要在繪制之前長時間等待所有數據加載完成。基于Map-Box地圖圖層，覆蓋一層又一層的特效，可以讓原來靜態的地圖動起來，以實現數據動態可視化的功能。

2.4 通過BP神經網絡對客流量進行預測

采用非線性阻尼最小二乘法[9]對BP神經網絡進行優化構建客流預測模型，力求解決BP神經網絡容易陷入局部最優解和收斂速度慢的問題。針對單機模式下BP算法無法在短時間內預測多個公交站點的短期客流預測的問題，設計一種基于Hadoop平臺的并行BP神經網絡算法。采集客流量的信息和車輛運行的動態信息，根據車流量和客流量進行判斷，及時調整車輛的發車間隔，幫助公交公司調度車輛，在人流量高峰期增加班次，減少乘客等車時間以及改善公交車內擁擠情況，從側面減少車內讓座糾紛，為公交公司的經濟效益提供技術支持。

2.5 通過BP神經網絡合理規劃出行路線

基于BP神經網絡[7]來研究時間預測算法，建立公交路段區間所形成的時間預測模型。基于遺傳算法優化網絡參數并提供技術支持。基于動態交通信息和歷史數據的動態轉移算法可以計算出車輛的到站時間。乘客可以從手機App上或者公交車站的電子屏上了解該車輛的到達時間、發車時間及班次等，也可以查詢路線或地圖，輸入目的地，系統會自動為車輛安排行駛的最佳路線，避免了換乘出錯、坐錯車等問題，減少人們查詢和規劃路線的時間，從而合理安排時間到達公交車站，避免了長時間等待公交車的情況。

3 系統總體設計

本系統的主要內容包括控制系統、調度系統、智能終端3個部分，具體研究內容如下。

3.1 控制系統

智慧交通的控制系統通過信息采集、處理、方案生成、管控制指令多模式發布，保障城市交通的順暢運行。通過對采集的大數據進行整合、分析和預處理，監控車輛的運行狀態、采集GPS數據，實現了車輛、車站、控制中心三者之間的信息交互，控制公交調度系統。

3.2 調度系統

利用算法優化BP神經網絡構建客流預測模型，通過對客流量的預測，及時對公交車輛進行調度調控，避免用戶長時間的等待。根據當前的天氣情況、路段的通行狀況，及時對出行線路情況進行調整，避免道路進一步擁堵，幫助城市交通快速恢復暢通。車輛調度系統要保證車輛的間隔時間均衡，恢復被打亂的行車次序，根據路段擁堵情況變更路線，根據客流量進行空余車輛調度等功能。

3.3 智能終端

智慧公交系統的關鍵是為用戶提供智能終端，為用戶出行提供便利。用戶可以通過手機App、公交電子站牌來查詢公交信息，輸入出行時間和目的地，系統可為此制定出行路線。智能終端可以顯示預測的公交車到站時間，做好準確的報站，使乘客實時掌握公車運行路線、情況等。智能終端是與乘客進行直接交互的，系統簡潔明了，方便用戶輕松使用。

(1)搜索功能：用戶通過輸入公交車的線路或目的地，可以查看此輛公交車開往的方向、首班車時間、末班車時間、票價、途經站點等信息。

(2)乘車碼功能：二維碼功能可提供手機支付，方便用戶出行。

(4)制定出行計劃功能：用戶可以輸入公交車號、出行時間和地點，系統為用戶制定相應的出行計劃。

(5)意見反饋功能：為用戶提供系統反饋功能，會有客服人員進行管理，并對其做出完善。

(6)通知功能：系統顯示近段時間公交集團發布的通知以及當天的路面情況。

4 結語

隨著我國各項基礎設施建設的不斷完善和各種技術的成熟，智慧交通的建設是未來我國交通事業的必然趨勢，智慧公交系統的開發很好地帶動了智慧交通的發展，推動了智慧城市的建設。

智慧公交系統的研究不僅能帶動智慧城市的建設，還很好地解決了現如今因車流量過多而引起的交通堵塞的問題，減少了花費在路上的時間，更好地為大眾解決了出行難的問題，為乘客出行制定最優的出行線路，為社會提供更加優質的公共服務。

城市的交通體系包括道路、車輛、管理和服務4個方面，城市交通狀況的優劣與否取決于以上4個方面的發展水平。總體而言，城市公交發展主要解決以下幾個問題。

(1)集成公交運營[10]企業公交車輛調度監控系統，實現模擬調度、智能調度、視頻監控一體化管理。

(2)提升了用戶對公共交通服務體驗的滿意度，增強了公眾搭乘公共交通的意愿，使乘客實時了解出行情況，保證乘坐舒適度。

(3)根據城市客流分布情況優化公交調度，提高公共出行的便利性，提高了公交利用率，優化了城市交通。