智能公交系统电子站牌的研究与设计

文雄军,刘树锟,廖曙光

(1.湖南涉外经济学院计算机教学部，中国 长沙 410205；2.湖南长沙凌发有限公司，中国 长沙 410004)

智能公交系统是在公交终端通过GPS(Global Positioning System)定位，公交终端定时向调度中心发送定位信息，调度中心接收到相关信息再分发给电子站牌，电子站牌收到信息之后及时更新显示，显示经过本站台各路车辆离站的距离，及时进行预报等服务，因此电子站牌的服务是面向外出市民候车的一个重要环节．

现在电子站牌并没有普及到每个城市，即使有的城市已经运行，试行的结果并不很理想[1]，电子站牌的服务没有全面考虑到市民乘车的各项需求，存在设计不合理，显示内容不正常，错误显示或者干脆不显示等问题，由于通信中断、数据丢失或电源切断等原因导致电子站牌无法正确更新[2]．

本文设计除采纳正常的硬件设施外，还采用了低成本且有效的手段来保障电子站牌的正常工作，如增加蓝牙模块等硬件补偿；研究并优化了电子站牌报站的算法；当信息包丢失时会致使电子站牌显示异常，提供了有效的补偿方案，从而达到电子站牌较为完善的服务．

1 电子站牌概述

公交监控调度中心或线路调度中心(以下总称为调度中心)收到公交车载的定位等信息，然后进行有效的采集、处理，处理后的数据包括公共信息(广告，交通顺畅拥塞状态等)，调度信息，控制信息，线路信息(车辆定位信息)等，以无线通信方式发送到电子站牌，电子站牌进行简单的处理和动态发布车辆离站到站情况．

电子站牌收到信息向调度中心返回确认信息，并向调度中心汇报自己的工作状态和自检文件，用于调度中心及时进行设备监控．

根据日常需要，电子站牌分总站电子站牌和中途站电子站牌2类，中途站电子站牌也即平时公交途经的各站，最主要的功能是动态显示信息，同一路线车有很多车，在所有路线中预报离本站最近的公交车的车距，即预报距离和时间，例如“902路车离本站800米，预计4分钟到达”，在总站电子站牌主要显示收发车信息，它需要语音提示[3]．

2 电子站牌的设计构成

常见的电子站牌主要由通信模块、显示模块、主单元处理器MCU、外围设备控制(供电、语音播放接口、传感器、散热)组成[4]，由单片微处理器MCU统一协调各部分工作，其结构组成如图1所示．

图1 电子站牌硬件组成图

2.1 通信部分

通信模块由GPRS、单片机系统和外部接口组成，负责无线通信．通信方式设置为CDMA 1X/GSM(支持GPRS);通信天线接口设置SMA/SMB;通信天线阻抗设置50 Ω;外部扩展接口设置为EIA RS-232/485[3]，通信模块可以采用SIMCOM公司的SIM100．

当电子站牌与调度中心通信中断时，原有的自动预报功能失效，在设计通信部份添加蓝牙模块，电子站牌可以通过蓝牙功能与附近公交车辆传送信息包，还有相邻的电子站牌也可以进行相互的信息发送，只需要各电子站牌及公交终端开放蓝牙功能，成本低故可采纳．

2.2 主单元MCU

主单元MCU(Main Control Unit)采用高档耐用快速的单片机微处理器，接收通信模块发过来的数据，根据事先设置好的站牌ID号判断有效信息，保留本站相关信息，然后进行处理，将显示数据发送到相应的显示器，对站牌的工作进行统一控制．

MCU要支持LCD模块，LED模块和控制台的连接[1]，故电路板上需要5～6个以上串口，应采用带双串口的支持MCS-51指令集的80C52封装系列单片机．主要完成配置信息的输入和储存、LCD/LED模块的显示控制、系统控制和可选的语音报站功能，负责协调站牌各功能模块正常工作．在此建议采用华邦的W77IE58P控制芯片，电路图及参数略．

2.3 显示部分

电子站牌最主要也是乘客直观感觉到的任务是显示，常见的“闪烁”模式用来突出显示车辆正在本站中，公交车线路在某站时表示灯闪烁[5]，经过的站表示灰色，前向的站显示其他色如原来的黑色．

2.4 电源及其外围设备

内部供电模块包含一块开关电源模块，将正常用电转换为站牌各部分需要的不同电压．

现有电子照牌存在有显示字体及明度不合理，导致市民看不清楚．因此这里设计了传感器，一方面用来采集站内的照度，根据照明度分不同情况调节显示的照明度，如白天晚上不同，另一方面采集温度，MCU根据采集到的温度用以调节散热风扇的转速及开关[6]．

站牌内应该安装防雷模块，有效防止雷电对电子站牌的影响．为了防止意外断电，站牌结构内部要设置备用电源．

2.5 语音播放接口

一般情况可只在总站电子站牌设语音播放，它可用于在发车前提醒乘客上车和驾驶员按时到位；采用的ISD4004芯片是录音回放型．

以上实现了电子站牌主要硬件部份的设计，考虑了常见硬件的便利性、扩展性，还有出现故障情况采用全方位的设计，如电源要备用，通信部份增加蓝牙模块，外围增加传感器，以更好的服务市民出发提出了最优的设计，电子站牌外部屏体的设计在此不作说明．

3 电子站牌预报站的优化设计

电子站牌的服务直接面向广大市民，其正确性和准确性直接影响到城市服务水平，为市民出行方便也是极为重要的，因此它的预报服务尤为重要．中途站电子站牌上方滚动字幕显示最近一班车到本站的距离，下面显示其他车辆到站的距离及预计到站的时间，也即后面所说的时间预报和距离预报．

图2 电子站牌距离预报获取距离流程图

传统的算法沿线路的轨迹根据车辆和车站的经纬度的差，计算出车辆距离站牌的距离[7]，计算结果少于预报距离开始进行预报，其中的报站功能与以往研究过的车辆自动报站器有些类似，在此不再重复设计．如果电子站牌的报站与车辆终端的报站名不同，也可以通过蓝牙模块与车载终端联系予以纠正．

在此种传统距离预报中，电子站牌收到车辆信息不停的与现有的站台位置计算距离，不停的反复计算造成其他工作的滞后，也是没有必要的，为避免系统在每次收到车载终端的数据后均要做同样重复的计算，系统预先对线路沿线双方向进行密集采样，如例如近距离每隔30米取1点，距离站牌愈远愈可以拉大采样距离，离站较远的预报允许存在的误差可比离站台近的车误差大，预先计算好距离存储，储存数据包括计算该点至线路起点的距离、前方最近车站ID、以及到前方最近车站的距离．每次收到车载终端的数据，只要判断车辆当前位置与哪个采样点最接近，然后直接利用该采样点的距离数据即可．采样点与站台的距离已经存储，所以无须重复计算，减少了电子站牌的负担．

实际也证明了，用采样点的方法大大加快了电子站牌的工作效率，也是合理有效的一种算法.车辆是否处在营运状态，是上行还是下行方向、普车还是快车等对计算结果均取决定性作用，因为快车要增加采样点，慢车可以相对小一些，图2为处理的流程图．

4 数据丢失时的预报补偿设计

实际情况中，不论电子站牌采用什么通信方式，在传送过程中通信中断也是不可避免的，采用什么来定位实现预报站，数据丢失的情况时有发生，城市中高楼建筑物的遮挡，都会增加GPS数据包丢失的可能性，在这些情况下要通过补偿算法来进行距离预报．

以往通用的补偿方案是通过丢失前的平均速度及惯性来计算，存在一些不合理，因为车速与路况、天气、节日和上下班高峰时间段有关，进行到站时间的预报时间不管信号丢不丢失，都应考虑车辆在不同时段、不同路段的经验速度分布，预报的时间为距离除以速度．

4.1 经验速度

图3 经验速度概率分布图

经验速度是根据大量车辆在同一个时间段“习惯经验”速度来进行总结计算，根据车辆到前方最近车站的距离，从而也得出到站的时间，需要知道此时间段车辆在该路段的速度.速度通常在路段上是连续变化的，数据丢失距离也需要预测，为此在路段上设置采样点，采样点并不是均匀分布的，而是按照道路交通状况特点相同的路段归结为一个采样段，以不同车辆在每天同一时刻经过该采样段的最大似然速度作为“经验速度”[8]．

由于车辆在每天同一时刻经过特定采样段的速度并非正态分布，而倾向于泊松分布，故经验速度并非算术平均速度，而应计算大量车辆按某一特定概率(例如95%)的最大似然速度[9]，经验速度概率分布如图3所示．

计算经验速度是一个动态的不断进行的过程，系统会在设定的运行周期内根据实际运行中产生的数据不断更新各采样段的经验速度．

4.2 经验速度分布

经验速度是大量车辆在每日同一时间经过同一采样段的最大似然速度，在1天的时间内在不同的采样段具有某种分布[10]．如图4所示的三维图，其X、Y、Z轴分别为时间、各采样段的经验速度、沿线路连续排列的不同的采样段.

图4 经验速度沿采样段和时间的分布图

上面充分考虑了上下班高峰时段比如车流拥挤、缓慢，而不按照以往所研究的惯性或平均速度来推算，因为车辆的速度与节日，每天的时间段，路况有很大关系，车流量高低峰到来的时间不尽相同，相邻采样段具有某种时间上的继承性等特点．

总站电子站牌预报中另外还有一种简单易行的方法，根据以往的经验时间来预报，同辆车不同天同一时刻的位置，算出一个月或是一个星期在某瞬间的经验位置，比如18路车在下午5点1分左右来到本站，除掉特殊节日，所有的车辆按照以往的经验位置播报．但实际这种方法存在的误差相当大，因为车辆多，运行路况也复杂，但这种算法可用于总站站牌的时间距离预报．

4.3 基于经验速度分布的距离预报和时间预报

4.3.1 距离预报 根据经验速度的分布，系统可以在丢失车辆定位数据时(例如在20 s以上没有收到同一车辆的定位数据)，在一定的时间范围内(例如一个单程时间内，车辆到达线路终点之前)，根据车辆最近一次定位数据和沿线的经验速度，预测车辆的当前位置，从而实现距离预报．比如预报某车离本站还有多少距离．

4.3.2 时间预报 时间预报即预计某车多久到达本站，即使当信号存在，也必须依赖于经验速度的分布，这一转换按照各采样段的经验速度，根据采样段的长度计算出车辆经过各采样段的经验时间，对沿线各采样段经验时间进行累加，即可得到车辆经过特定长度路段所需要的时间．

综上所述，当信号丢失，经验速度又作为距离预报的一大重要元素，基于经验速度的预报提高了电子站牌预报的准确性．

5 结论

本文在电子站牌设计时综合考虑了服务的周全性，硬件采用蓝牙作为辅助通信模块等优化设计，将距离预报算法进行了优化，提出了以经验速度来作为定位补偿算法和时间预报的依据，从而更加完善电子站牌的全面服务，经验位置，经验时间的提出，优化了电子站牌进行距离预报，时间预报的准确率与效率．电子站牌综合性系统除预报系统外,还有导乘系统(交互式的应用系统如地铁导乘系统)、视频监控子系统、多媒体信息一系列综合性系统[11]，将是我们后续研究的课题．

参考文献：

[1] 康行远,高惠群.市区城乡公交将安装车载监控[N].嘉兴日报, 2011-10-5(2).

[2] 文雄军.基于GPS定位的智能公交服务系统研究与设计[D].长沙：中南大学, 2007:13-18,64-69.

[3] 杨 光.基于GPRS/GPS/GIS/Zigbee的智能公交系统设计[J]. 微型机与应用, 2011(18):228-229.

[4] 张志伟.基于嵌入式的车载监控终端的设计与实现[D].成都：西南交通大学, 2011:29-30.

[5] HSIAO H T, CHANG H T. Algorithm design for long-term GPS satellite orbit prediction[C]//Proceedings of the 2011 Chinese Control and Decision Conference(CCDC).Shanghai: Shanghai Jiaotong University, 2011:58-60.

[6] 刘竑冶.大城市基于轨道交通的停车换乘系统研究[D].长沙：长沙理工大学, 2009:18.

[7] 陈国俊.基于AVL的公共汽车到站信息服务系统设计[J].城市交通, 2012(2):38.

[8] 周 理.基于S3C2416 的公交电子站牌系统设计[J].世界科技研究与发展, 2012,34(1):18.

[9] 文雄军.公交车自动报站系统的研究[J].湖南经济干部管理学院学报, 2007,3(2):160-162.

[10] 徐龙芳.基于GPS和GPRS技术的多功能车载终端的硬件实现和关键技术研究[D].济南：山东大学, 2011:58.

[11] 陈远鸿.GPS接收机天线增益特性研究[C]//广东省测绘学会第九次会员代表大会暨学术交流会论文集.深圳：深圳市勘察研究院， 2010:29-30.