基于物联网与客流估计的智能公交调度设计

任晓莉

（宝鸡文理学院 计算机科学系，陕西 宝鸡 721016）

目前城市交通需求与供给的矛盾日益突出，交通拥挤、环境污染现象严重。在城市中扩大道路交通基础设施不仅费用高，而且会有一些局限性和不便性，大力发展城市公共交通是解决这一问题的主要途径。公交车辆运营调度的智能化，公交车辆运行的信息化和可视化，可以为乘客提供完善的信息服务，提高公交设施和运输系统效率，从而吸引市民公交出行，缓解城市交通拥挤，有效地解决城市交通问题。

现行的公交系统中，车与站台之间基本上没有信息的交互，公交车辆主要采用固定时间间隔结合上下班高峰期策略调度，不能真正适应客流变化。

目前智能调度的主要依据只是来自对公交车行驶位置的监控，而对整条路线当中的候车乘客数量无法及时获知，无法针对客流变化做出有预见性“事先”调度，其根本原因在于调度系统缺乏各站点实时的候车客流信息。文献[1]采用双频点的乘客RFID公交卡对公交站点客流进行采集，可以对一个站点的候车人数进行估测，但存在着采集数据不全面、不准确问题，它只能采集携带公交卡的乘客数，不能区分同一个站点不同路次的候车乘客，在站点下车携带公交卡的乘客也会被采集为候车乘客，站点候车乘客较多时会出现RFID数据碰撞情况，候车时间较长时会出现RFID数据重复读取情况。RFID数据碰撞和重读问题可以通过一些算法解决，但是成本就提高了。

文中基于物联网技术实现智能公交调度，系统采用RFID技术对公交车辆进行定位跟踪，候车乘客在站点的触摸屏上选择要乘坐的公交车路次，通过无线传感器网络进行实时通信，实现乘客与公交车之间的信息交互。车载子系统可以实现公交车的自动定位、自动记录行驶信息、乘客人数统计和故障报警等功能；站台子系统可以采集不同路次的候车乘客信息，显示各车次的动态信息，使出行者能够通过电子站牌了解车辆的到达时刻。Zigbee收发芯片将采集到的各路次公交车辆信息和各站点候车乘客信息经无线传感网传输给公交调度管理中心，公交调度管理中心可以根据乘客流量和公交车辆信息自适应地进行公交实时调度和动态监控。

1 物联网技术

1.1 物联网概述

物联网（Internet of Things）是指将具有标识、感知和智能处理能力的各种信息传感设备及系统，如传感器网络、射频标签阅读装置、条码与二维码设备、全球定位系统和其它基于物-物通信模式（M2M）[2]的短距无线自组织网络，通过各种接入网与互联网结合起来而形成的一个巨大智能网络。物联网在互联网的基础上，将任何时间、任何地点人与人之间的沟通和连接，扩展到任何时间和任何地点人与物、物与物之间的交互和连接。利用物联网技术可以为人们提供智能服务[3-4]，实现智能识别、定位追溯、在线监测、远程控制等功能。

物联网可分为3层：感知层、网络层和应用层。感知层由各种传感器以及传感器网关构成，包括传感器、二维码标签、RFID标签和读写器、摄像头、GPS等感知终端。感知层的主要功能是识别物体，采集信息。网络层由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成，负责传递和处理感知层获取的信息。应用层是物联网和用户（包括人、组织和其他系统）的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用。

1.2 RFID技术

射频识别 （Radio Frequency Identification）技术是一种非接触的自动识别技术，它利用射频信号和空间耦合（电感和电磁耦合）传输特性，在读卡器和射频卡之间进行无线双向通信，实现对被识别物体的自动识别[5]。最基本的RFID系统由读写器、天线、电子标签3部分组成。RFID采用存储在电子标签中的唯一的ID标识物体，读写器自动高速地收集识别范围内的标签信息数据，从而实现自动识别物品和收集物品标志信息的功能。因此，RFID技术对任何移动对象都可以进行实时的定位、跟踪和监测。

1.3 无线传感网

无线传感网是集计算机、通信、网络、智能计算、传感器、嵌入式系统、微电子等多个领域交叉综合的新兴学科，它将大量多种类传感器节点（传感、采集、处理、收发、网络于一体）组成自治的无线网络，实现对物理世界的动态协同感知。它能实时、动态获得物理世界的传感信息，并且将相关信息与通讯主干网融合，实现了现有的计算机网络虚拟世界向真实物理世界的延伸，改变了人类和自然界交互的方式[6]。

无线传感器网络用于构建交通信息系统具有以下优点：

（1）无线传感器结构较简单、成本较低廉。通过在公交站点添加特定无线传感器节点，布设和维护时不会影响车辆的正常行驶，整个网络可传送公交车辆信息及候车乘客信息；

（2）无线传感器网络具有功耗低、组网能力强、传输距离远、可靠性高、分布式等特点，可实现大数量节点网络的实时、分布式处理，利用这些特点来构建一个自组织、开放的系统，更符合公共交通管理的特点；

（3）无线传感器网络采用无线电波传送方式，不易受环境、时间、天气等因素的限制，在能见度较低的条件下，也能正常工作。

2 基于物联网的智能公交调度设计

2.1 基于无线传感网的公交调度系统

基于无线传感网的智能公交调度系统由车载子系统、站点子系统、公交车辆管理系统和监控调度中心组成，智能公交调度系统如图1所示，由于页面的限制，图中只画了其中一个站点。车载子系统将特定的公交车辆信息发送到停靠的站点，站点子系统采集不同路次的候车乘客数，公交车辆管理系统对公交场站车辆进行进出站记录、车辆司机考勤及任务考核管理。无线传感网将采集的公交车辆信息和站点候车乘客数传输到公交监控调度中心，监控调度中心将汇集来的信息进行处理和分析，为站点候车乘客发布实时公交车辆信息，确定各公交车辆的具体位置和即将到站时间，并根据各路次公交车的候车乘客数，自适应地对公交车辆进行智能调度及管理，以充分利用有限的交通资源，提高公交车的使用效率。

图1 智能公交调度系统图Fig.1 System figure for intelligent bus scheduling

针对智能公交调度系统，采用3层WSN组织结构[7]，第1层为信息采集层，负责采集各公交车和各站点候车乘客信息；第2层是控制层，控制各公交车行驶状态信号；第3层是协调层，根据各站点候车乘客数量协调各公交车的调度。相邻站点的信息采集节点组成信息采集层，各站点公交车行驶状态信号控制节点组成控制层。信息采集层和控制层传感器节点自组织成簇：公交车行驶状态信号控制节点作为簇首，信息采集节点作为簇成员。簇首将簇内信息采集节点采集的数据进行融合，并与相邻簇首节点进行通信；簇成员节点采集公交车运营和站点候车乘客信息。汇聚节点是从簇首节点中选取一个节点，汇聚节点与调度中心组成协调层。汇聚节点以多跳的方式与各簇首节点通信，收集各公交车和站点候车乘客信息，将数据送到调度中心，调度中心进行综合处理，调度各公交车以适应客流变化。

2.2 车载子系统

2.2.1 车载子系统硬件组成

车载子系统由主控微处理器、高频收发芯片、无线接收芯片、语音控制芯片、液晶显示屏、触摸屏、存储器等模块组成，如图2所示。

图2 车载子系统设计Fig.2 Design of vehicle subsystem

系统上电启动后，首先将会对各模块进行初始化，使系统处于接受编码信号的等待状态；由主控微处理器进行控制，实时查询高频收发模块是否接收到相应信号，并随时准备进行下一个动作指令的发出。如果接受到编码信号并通过校验后确认为正确信号，则立即做一个反馈信号用以应答（系统将应答信号设计为之前收到的编码信号）站台子系统，紧接着通过主控微处理器对接受到的信号进行分析计算处理，以得到相应的信息，并通过串行接口将信息内容显示在司机操作的触摸屏A，从而达到让司机知晓前方接近站点及站点候车乘客数。

2.2.2 基于RFID的公交车辆监控

现有的智能公交服务系统绝大部分采用了GPS定位技术监控公交车，GPS只具有定位测速等功能，不能完成数据通信，还要增加GPRS或GSM等数据通信模块[8]，由于城市中公交车数量多，采用GPS技术在硬件上加大了成本投入，限制其使用范围。另外，GPS还存在处理能力有限、后期费用高等方面的不足，碰到高层建筑密集的路段时信号衰减严重，车载系统将无法发送定位信息，从而影响后台调度中心的监控及后续电子站牌的显示，对调度人员和出行乘客造成干扰，而且目前国内公交GPS车载机采用核心定位模块技术全部来自国外，随着GPS应用的广泛和深入，对国外技术的依赖也越大。针对上述GPS技术存在的不足和智能公交系统中不完善之处，文中提出采用基于RFID技术进行公交车辆监控。

系统基于RFID技术自动采集车辆的行驶状况信息，在各站点安装RFID阅读器，在公交车上贴上RFID标签，当公交车接近站点时，阅读器就可以读取相应公交车的数据，然后微波传感器采集公交车的交通参数，公交车交通信息检测的具体方法已在文献[9-10]中进行了论述。有些马路比较狭窄，两侧邻近的站点有可能都采集了某辆公交车行驶的信息，可以通过车辆的行驶方向进行判断正确的站点。无线收发器可以实时地接收来自公交调度管理中心的信息，或发送各公交车相关的动态信息到公交调度管理中心，从而实现信息的交互，使公交调度管理中心能实时掌握每一辆公交车的动态信息，为公交公司进行合理有效的调度奠定了技术基础。

在接近站点时，无线数据接收机将接受到的地理信息信号交给主控微处理器进行分析处理，得出相应的反应信号，该信号经串行接口到达音频控制芯片，芯片根据信号驱动音频驱动程序，通过外置语音输出喇叭实现自动语音报站和温馨提示。同时，液晶显示系统芯片对经主控微处理器传输过来的信号进行处理，驱动显示驱动程序，在屏幕上显示出相应站点的名称和图片，以及简单的滚动提示语，同时也可以播放一些宣传性的标语、公益性广告、线路上临近的景点信息。在某些节假日时，可以融入节日元素，增加乘客的娱乐性。

另外，本设计在其触手可及的地方安装触摸屏A，当乘客上车投币或刷卡后，在触摸屏上选择目的站点。车次、路线、站点内容编码可由相应存储器将编码交给芯片处理后将具体信息显示在触摸屏上，具体信息包括该路车的所有站点和行进路线，便于乘客直观的了解和选择目的站点。乘客选择完目的站点后将由显示芯片驱动显示驱动程序，将乘客选择的数据信息显示到司机的液晶显示屏上，使司机能了解到车上乘客人数情况。

2.3 站台子系统

一个城市公共交通中，公交线路较多，每个线路的公交车辆也多，每个站点一般会有几条线路的公交车停靠，因此将每个公交站点作为无线传感网的采集节点，采集公交车辆行驶的动态信息和各路次候车乘客数，可以节约大量的成本，而且公交站点是基础设施，变化不大，只会因站点的扩展而增加建设成本，而不会因站点变化而增加维护成本。

站台子系统由主控微处理器、高频收发芯片、显示控制芯片、存储器和触摸屏等模块构成。我们将经过站台的车次以编码的形式存入微处理器的存储器中，当乘客来到站台时，可通过触摸屏B选择所需乘坐的车次，主控微处理器将读取车次编码存储器中的编码并进行分析处理，分析处理完成后，将数据信号经无线传感网传输到公交监控调度中心，主控微处理器驱动高频收发芯片将该车次的相应数据信号在可传输的范围内进行不间断的释放，监控调度中心统计某路次公交的候车乘客数并对公交车辆进行调度；当相应车次进入无线信号范围内时，该车次在接受并校验了信息后，车载子系统会反馈相应的数据信号给站台子系统，并通过显示控制装置消去该车次已有预到站时间，使其重新还原成初始化状态，并在显示屏上显示出某路公交车即将到站的时间提示信息。

3 结 论

公交车智能调度系统，实现了公交车、站台与候车乘客之间的信息交互，使监控调度中心能够及时掌握公交车的行驶信息和站点候车乘客情况，根据候车乘客数自适应地进行公交车辆调度，可以满足市民的出行需求，让公交运营走向进一步的高效化、和谐化、绿色化。

[1]郭志涛，顾军华，袁金丽，等.公交调度系统中RFID技术应用研究[J].河北工业大学学报，2011，40（3）:66-69.

GUO Zhi-tao，GU Jun-hua，YUAN Jin-li，et al.Application research of RFID technology in bus dispatch system[J].Journal of Hebei University of Technology，2011，40 （3）:66-69.

[2]孙其博，刘杰，黎羴，等.物联网：概念、架构与关键技术研究综述[J].北京邮电大学学报，2010，33（3）:1-9.

SUN Qi-bo，LIU Jie，LI Shan.Internet of Things:Summarize on Concepts，Architecture and Key Technology Problem[J].Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications， 2010，33（3）:1-9.

[3]Commission of the European Communities.（Internet of Things）An Action Plan for Europe.1stEdition.Brussels:COM（2009）278.2009:1-12.

[4]Kranenburg R V.The Internet of Things:A critique of ambient technology and the all-seeing network of RFID.Network Notebooks 02.Amsterdam:Institute ofNetwork Cultures Press，2007:10-28.