城市公共自行車智能需求預(yù)測及調(diào)度管理系統(tǒng)

丁一丹，張福鼎

(江蘇第二師范學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，江蘇南京，210013)

0 引言

第一代公共自行車于1965年在荷蘭誕生，但由于技術(shù)和管理上的缺陷，他們沒有取得令人滿意的結(jié)果。30年后在丹麥人在其首都建立了第二代公共自行車系統(tǒng)。第三代公共自行車系統(tǒng)在21世紀(jì)發(fā)展起來，以數(shù)字智能管理業(yè)務(wù)為主要特點。2005年，北京出現(xiàn)了由家庭經(jīng)營的自行車租賃服務(wù)。后來，受到國外第三代公共自行車系統(tǒng)的成功案例的影響和政府對低碳環(huán)保出行方式的大力倡導(dǎo)，公共自行車開始真正駛?cè)肴藗兊纳鐣钪衃1-2]。2008年，杭州成功地將公共自行車引入城市公共交通系統(tǒng).杭州 PBS 的運營成功促進了國內(nèi)其他城市的公共自行車項目的建設(shè)，2009年，國內(nèi)一線城市相繼建設(shè)了PBS系統(tǒng)并投入運營。目前，國內(nèi)公共自行車系統(tǒng)的建設(shè)和運營開始進入一個高速發(fā)展的時期。半個世紀(jì)以來國內(nèi)外學(xué)者就其系統(tǒng)特點、租賃系統(tǒng)設(shè)計、發(fā)展模式、交通適應(yīng)性、使用安全性等一系列問題進行了理論和實踐的探索和研究[3-4]。同時研究人員開始關(guān)注公共自行車系統(tǒng)的利用效率和服務(wù)能力問題，站點服務(wù)水平、自行車數(shù)量均衡分布等智能調(diào)度相關(guān)問題開始引起越來越多人的重視。

GPS在地面技術(shù)發(fā)展中的應(yīng)用涉獵多個領(lǐng)域，例如不同車輛的交通管制；應(yīng)急車輛快速通行；地面沉降檢測與預(yù)測；地球地理資源勘測；地面沉降檢測與預(yù)測；測量板塊內(nèi)部運動狀態(tài)和地殼變形；陸地和海洋大地測量學(xué)的測定[5]。GPS技術(shù)在海上起著極其重要的作用，例如確定最佳海上線路；實時監(jiān)測船隊航線動態(tài)，確保海上運行的安全，便于及時調(diào)整海上路線；GPS線路導(dǎo)航；海上救助作業(yè)；公海漁船的科學(xué)研究和作業(yè)管理；確定海上油氣平臺的位置和故障；準(zhǔn)確識別沉船位置；水下管道安裝調(diào)查；沿海地區(qū)的地球物理開發(fā)；折舊水文測量網(wǎng)；檢測定位海洋垃圾隨洋流動向；海底地形勘測；海上定位便于海上交警執(zhí)法；港口監(jiān)測便于運營管理。GPS在航空上的主要應(yīng)用于民航的定位導(dǎo)航。飛機準(zhǔn)確地降落。確保燃料管理模式的安全性。導(dǎo)航測量和定位測量；確認(rèn)物理勘查災(zāi)區(qū)的飛機尺寸和校對；遙感飛機飛行狀態(tài)。GPS技術(shù)在航空航天領(lǐng)域也發(fā)揮著重要作用，實時測量低軌衛(wèi)星的軌道，實時測量衛(wèi)星的進入和回收，了解鐵路船舶的安全性，利用GPS確定目標(biāo)的大氣尺度和參數(shù)；七維參數(shù)的衛(wèi)星地面測量。

因此，GPS技術(shù)被推廣到多個地區(qū)，但為了實現(xiàn)這些目標(biāo)，GPS信號的接收和調(diào)制裝置顯得尤為重要。它的主要功能是在這個位置設(shè)置寬度和UTC時間，全球有很多GPS手機產(chǎn)品接收模塊，為人們的生活提供便利。

1 公共自行車定位系統(tǒng)設(shè)計

本論文所設(shè)計的系統(tǒng)整體框架如圖1所示，主要包含數(shù)據(jù)采集模塊、需求分析模塊、預(yù)測算法模塊、歷史分析模塊、智能調(diào)度模塊、安全保障模塊及智能供電模塊。其中，數(shù)據(jù)采集模塊是用于將當(dāng)前鎖定區(qū)域或指定范圍內(nèi)的實時數(shù)據(jù)進行收集，上傳到云端服務(wù)器；需求分析模塊是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)狀態(tài)及當(dāng)時實時要求進行策略制定；預(yù)測算法模塊是基于需求分析模塊進行算法實時調(diào)整，或者從備選數(shù)據(jù)庫中選擇最優(yōu)解，或者基于人工智能進行自我學(xué)習(xí)；歷史分析模塊是用于將大數(shù)據(jù)所存儲的時刻、人流量、需求、交通狀況等數(shù)據(jù)進行多元處理，用于改進預(yù)測算法及調(diào)度算法；智能調(diào)度模塊是聯(lián)合預(yù)測算法模塊進行車輛調(diào)度，達(dá)到滿足車輛使用要求；安全保障模塊可以實現(xiàn)衛(wèi)星定位、遠(yuǎn)程開鎖以及后臺傳輸數(shù)據(jù)等功能；智能供電模塊目前利用太陽能光伏發(fā)電，在共享單車車籃底部安裝太陽能電池板，對系統(tǒng)進行供電。

圖1 系統(tǒng)整體框架

硬件模型框架如圖2所示，以主控核心單片機、定位、攝像頭、LCD顯示、無線通信、晶振和復(fù)位這幾部分構(gòu)成。定位由WiFi定位、WLAN定位和GPS定位多重定位共享單車的蹤跡，定位每一輛共享單車實際的位置；攝像頭統(tǒng)計經(jīng)過租車點區(qū)域50米范圍內(nèi)的人流量；LCD實時顯示租車點使用共享單車的量數(shù)以及攝像頭所統(tǒng)計的人數(shù)；無線通信用于每個租車點之間數(shù)據(jù)進行實時交互，及與總控制中心進行數(shù)據(jù)實時傳輸，完成共享單車的智能調(diào)度；晶振器通過結(jié)合一個單片機內(nèi)部的控制電路，產(chǎn)生一個單片機所需要的時鐘信號；復(fù)位方式讓單片機在上電的過程中保持一個正常的復(fù)位運行狀態(tài)，避免在上電這個不穩(wěn)定的過程中對執(zhí)行器件產(chǎn)生錯誤動作甚至破壞電路。最終實現(xiàn)共享單車短時需求預(yù)測與智能調(diào)度，硬件上必須有相應(yīng)的模塊，同時需要單片機聯(lián)合各個模塊實現(xiàn)功能。

圖2 硬件模型

算法流程如圖3所示，本文對共享單車短時需求預(yù)測及智能調(diào)度問題進行研究，通過對人口分布圖數(shù)據(jù)和熱力圖數(shù)據(jù)進行分析，不同時段人群流量曲線以及熱力圖數(shù)據(jù)進行樣本處理，比如在熱力圖中人多的區(qū)域顯示紅色，人少的區(qū)域顯示藍(lán)色，然后按比例進行數(shù)據(jù)量化，在人口數(shù)量多的地方配備相對數(shù)量多的共享單車。可以分為規(guī)律狀況和特殊狀況，規(guī)律狀況下，即日常上下班，根據(jù)定位模塊通過WiFi、WLAN和GPS等功能實現(xiàn)多重精準(zhǔn)定位，得到不同時間段使用共享單車的數(shù)量，再基于攝像頭模塊，利用人臉識別技術(shù)實時記錄某個區(qū)域半徑50米以內(nèi)的人流量，計算出使用共享單車的人數(shù)占經(jīng)過這個區(qū)域人流量的比例，即得到短時需求預(yù)測量；特殊狀況下，要進行異常預(yù)測，例如某地開展大型活動時，也可以根據(jù)活動參與人數(shù)，實時預(yù)測出使用共享單車的需求量。根據(jù)需求預(yù)測量，聯(lián)合分析歷史數(shù)據(jù)，比較需求量與供應(yīng)量之間的關(guān)系，不同的關(guān)系進行不同的智能調(diào)度方式，減少成本的同時滿足用戶的出行需求。

圖3 流程圖

本設(shè)計是為位置信息功能提供微機控制的GPS裝置，數(shù)據(jù)輸出模塊使用MCS-51串?dāng)_接收GPS信號sirpstar II，從軟件中選擇有用的位置數(shù)據(jù)通過單個處理器的并行接口將最終輸出連接到LCD。GPS接收機模塊是接收機的重要部分，具有不同類型和功能，總體結(jié)構(gòu)主要包括低噪聲轉(zhuǎn)換器、并行信號、處理器、存儲器等。GPS接收模塊使用天線接收衛(wèi)星信號，并通過一系列頻率轉(zhuǎn)換、放大和濾波在天線視場內(nèi)跟蹤、定位、測量衛(wèi)星，接收衛(wèi)星位置，計算信號擴展時間，然后計算衛(wèi)星天線的狀態(tài)。

GPS定位信息系統(tǒng)的硬件分為以下四個部分：

（1）接收電路：外接GPS接收模塊；

（2）控制電路：STC89C52單片機對GPS模塊的數(shù)據(jù)讀取和傳輸；

（3）顯示電路：LCD1602液晶顯示器；

（4）開關(guān)元件：系統(tǒng)運行所需的電源。

單片機系統(tǒng)：本系統(tǒng)采用微處理器STC51單片機，單片機對于外接GPS模塊的數(shù)據(jù)的接受和讀取并且傳輸?shù)斤@示模塊，接收模塊接收到相應(yīng)的數(shù)據(jù)，處理并發(fā)送到lcd1602模塊。

外圍電路：部分外圍電路包含lcd602液晶顯示器、電源電路、輔助電路以及外部信號接收模塊。GPS接收機模塊sirfstarii主要包括變頻器和信號傳輸通道。對天線接收到的衛(wèi)星信號進行變頻、放大等處理，對頻率進行濾波、相關(guān)固定和測量。

宏處理器控制程序：進行程序設(shè)計、程序初始化、宏處理器控制系統(tǒng)、GPS控制裝置，完成數(shù)據(jù)采集、處理相應(yīng)信號、生成所需數(shù)據(jù)并通過宏處理器接口插入LCD模塊：GPS接收模塊將外部接收模塊接收到的衛(wèi)星導(dǎo)航信息進行調(diào)制解調(diào)，將譯碼后的信號并發(fā)送給芯片。通過集成的面板內(nèi)容識別程序顯示在顯示模塊中，最后在LCD1602液晶顯示器上顯示地理位置坐標(biāo)。

GPS方案的核心是單片機與信號接收模塊之間的信號傳輸與接受。單片機對外部信號的調(diào)制解調(diào)編碼譯碼，并將譯碼后的信號發(fā)送到顯示模塊在液晶顯示器上進行顯示。在本軟件的開發(fā)中，軟件模塊設(shè)計為LCD模塊初始化模塊、GPS數(shù)據(jù)記錄模塊和三個主模塊作為單片機模塊。

軟件調(diào)試是利用Proteus軟件進行模擬調(diào)試，用于檢驗程序和硬件的調(diào)試。硬件按照詳細(xì)設(shè)計中的設(shè)計連接好總體的系統(tǒng)電路圖，將軟件仿真生成的HEX文件下載到單片機并運行仿真。根據(jù)設(shè)想在Proteus中繪制好電路圖，寫入程序，觀察接口是否正常，程序是否能正常運行，觀察顯示模塊是否運行，顯示屏上是否顯示數(shù)據(jù)，檢驗程序是否正常，硬件是否配適。確認(rèn)仿真是否無誤，仿真無誤之后再下一步在Altium designer上繪制工程圖。

2 總結(jié)與展望

本研究所做工作首先分析人口分布圖數(shù)據(jù)和熱力圖數(shù)據(jù)，根據(jù)人口數(shù)量按比例分配預(yù)測共享單車需求量；然后基于單片機的數(shù)據(jù)采集模塊、定位模塊和需求預(yù)測模塊等模塊進行共享單車短時需求預(yù)測；在需求預(yù)測模塊之上對共享單車進行智能調(diào)度，根據(jù)需求量與供應(yīng)量之間的不同關(guān)系進行不同的智能調(diào)度，實現(xiàn)在減少運營成本的同時滿足用戶使用共享單車的需求。

后續(xù)可改進之處共享單車系統(tǒng)短時需求預(yù)測與智能調(diào)度問題是一個復(fù)雜的動態(tài)共享單車問題，預(yù)測不準(zhǔn)確受到很多影響因素的控制，導(dǎo)致智能調(diào)度也存在誤差。本文雖然研究了一些相關(guān)工作，但是由于實驗時間、論文理論化等一些原因，還存在以下不足，提出未來升級框架及改進方法：共享單車租車點需求量的預(yù)測值存在不準(zhǔn)確，存在一些誤差的情況，需要多次實驗，比較實際結(jié)果與預(yù)測結(jié)果，將得到的結(jié)果進行計算分析得出誤差，然后積極修訂；共享單車智能調(diào)度的建立過程中，對共享單車調(diào)度劃分條件設(shè)定不夠精細(xì)，沒能達(dá)到全面的智能調(diào)度，還需要根據(jù)租還車點的實際情況進行分類研究；一些客觀存在的因素也影響預(yù)測的準(zhǔn)確性，例如天氣、時間段等一系列造成預(yù)測不準(zhǔn)確的因素，還需要進一步考察分析。