ZigBee技术在智能公交管理系统中的应用及系统综合评价

姜 涛，马家威，王学文，刘红玲

（徐州工程学院，江苏 徐州221018）

0 引言

智能公交系统APTS（advanced public traffic system）是一项集成化的、综合性强的公交管理系统。它运用系统工程理论将交通流诱导技术、车辆定位技术、地理信息系统技术、公交运营优化与评价技术、计算机网络技术、数据库技术、通信技术、电子技术和智能卡技术等先进技术集成，形成集智能化调度、公交电子收费、信息服务和网络通信于一体的先进公交管理系统［1－2］。在智能交通系统中，采用ZigBee动态组网与3G／4G无线Internet，构建智能公交无线信息系统，通过采集与处理动态和静态交通信息，并通过移动客户端为出行者提供公交信息（发车时刻表、换乘路线和出行者最佳路径等），从而达到选择最优路线、避免交通拥挤和节约出行时间的目的。对于公交车辆而言，智能公交系统主要实现对其动态监控、实时调度和科学管理等功能，从而达到提高公交服务水平的目的。

智能公交系统综合协调能力评价客观上反映了系统的运行状态，系统的协调能力强，其发展水平就高，相反，系统存在很多问题甚至起不到协调作用，则其发展水平低［3］。对公交系统进行综合评价，可以为城市总体规划、智能公交系统投资决策等方面提供技术帮助。

1 系统设计方案

1.1 系统组成

所设计的智能公交系统包括3个方面：公交车与站台无线通讯系统、专用网络服务器数据库系统和移动客户端APP。系统总体的设计方案如图1所示。

图1 智能公交系统设计方案

通过实时计算公交车运行参数，实时检测是否到达站台。同时，计算数据通过网络协调器发送到公交管理部门服务器。乘客通过登录系统查询公交运行的位置，从而合理安排自己出行。

1.1.1 公交车与站台无线通讯系统

站台使用低功耗ZigBee终端，信号传输距离为400～1 000m，以满足公交到站前能够较为准确地提醒用户。采用太阳能电池辅助供电，3.7V锂电池主供电，最大程度减少铺设电路的开支。公交车使用Zig－Bee协调器与站台ZigBee终端通信，并将通信信息通过无线Internet方式传入专用网络服务器。通过自行设计专用硬件电路，提高系统集成度和可靠性。

1.1.2 专用网络服务器数据库系统

数据库系统的主要功能有2项，一是实时处理由网络传输的公交车数据，并及时将处理的数据发送至客户端，这之间的通讯是通过3G／4G网络实现的，非常便捷、易于实现；二是保存用户历史数据，建立用户账号系统。因为系统的数据量大，所以对服务器要求较高，这里不采用单独设置服务器，而是与公交公司或公交管理部门相配合，从而降低系统成本。

1.1.3 移动客户端 APP

满足用户可以随时随地查看公交车运行状态与位置，并能够根据用户乘车习惯累计数据，智能提醒用户准点乘车。要求界面友好，易于操作，针对特殊用户群体，可以切换相应的模式以满足不同需求。

1.2 技术开发分配流程

随着基于ARM核的嵌入式芯片的进一步发展，及针对嵌入式ARM系统应用研究的进一步深入，尤其是在ARM嵌入式平台上音视频压缩传输技术的不断更新，车载智能终端设计逐渐可以摆脱DSP的影响。得益于基于ARM嵌入式系统中出现的多种高效率大数据量信息处理技术，一种基于“高性能嵌入式微处理器＋3G模块”的智能终端设备不断被采用。根据系统组成，设计了技术开发流程，具体如图2所示。

图2 技术开发分配流程

由图2可知，硬件主要包括短距离和长距离的无线通讯模块，在公交站台安装ZigBee检测终端，在公交车上安装ZigBee网络协调器，并连接3G模块。公交达到站台时与检测终端实现通讯。3G模块实现远距离无线通信。服务器主要用于存储用户信息、匹配数据协议，等待用户调用，这部分由公交管理部门完成。手机客户端需要设计包含图片、音频和视频等元素的界面，同时需要后台的数据支持，读出数据并响应用户操作。整个系统的技术难点在于ZigBee的组网、数据处理与发送以及移动客户端的设计，系统还涉及到数据库的调用和分配。

2 系统综合协调能力评价

2.1 综合评价基本过程

综合评价的数学模型可用于评价较为复杂的系统，量化评价指标，是评价多指标问题的有效方法，其中层次分析法在权重确定方面应用最为广泛［4］，也有利于设计系统的研究［5］。综合评价的基本过程为：确定评价对象及目的、分析系统的影响因素、建立评价指标体系、判断指标体系合理性、确定各个指标权重、指标值无量纲处理、选择评价方法和得出结论。其中，权重确定最为重要，需要反复赋值，判断合理性及一致性。

在系统中，评价的目标是该系统综合的协调能力。可细分为系统中乘客等待时间和系统使用效率是否最优，系统使用效率是指在用户使用系统的情况下，能否节省时间或节省多少时间。

2.2 评价指标体系

根据即将建立的层次分析模型，在确定指标体系时，按照目标层、准则层和方案层的顺序建立指标体系。综合考虑智能公交系统的各方面因素，确定各层指标。目标层即为系统的综合协调能力。准则层包括系统协调、交通协调、管理协调、经济协调和服务协调。系统协调的具体指标包括智能化程度、承载能力和信息匹配度等，交通协调包括公交转换距离、运营里程等，管理协调包括管理集中度、政策适应性等，经济协调包括平均利润率、成本降低率和劳动生产率等，服务协调包括乘车出行时间、准点到达率、便捷程度及事故率等指标。对这些指标量化处理，可以确定各个指标对整个系统的影响程度，从而对系统改进和管理提供理论依据。

2.3 利用层次分析法确定权重

层次分析法［6］是确定权重的非常有效的方法，通过构造层次结构图将复杂指标分层，各个层次之间存在关系，便得到了指标与评价主体之间的关系，通过权重体现。

2.3.1 确定评价因素构造层次图

评价主体即是最终要评价的对象，在层次结构图中处于目标层，只有1项。评价因素是最终对评价目标产生影响的因素，在层次图中处于方案层或措施层。对评价指标有n个评价指标，则因子集表示为x＝ ｛x1，x2，…，xn｝。

2.3.2 构造层次判断矩阵

所建的层次结构图包括目标层、准则层和方案层，判断矩阵是准则层对目标层的判断矩阵和方案层对准则层的判断矩阵。判断矩阵是采用1～9标度正负反矩阵，根据专家打分或调查文献等方法，两两比较各个因素的重要程度。最终确定层次判断矩阵S＝（cij）p×p°准则层和方案层判断矩阵的构造方法相同。

2.3.3 计算权重

计算层次判断矩阵的最大特征值λmax，将最大特征值对应的特征向量w看作评价指标的权重向量。而最终确定评级指标的权系数是准则层和方案层权向量之积，称为层次总排序。

2.3.4 一致性检验

层次分析法的检验分为层次单排序和层次总排序检验，检验原理近似。假设判断矩阵阶数为n，一致性指标表示为：

Saaty在创立层次分析法时，利用计算机随机产生1 000个样本矩阵，这些判断矩阵仍满足正负反矩阵，表示样本随机的重要程度。由于样本矩阵数量较多，可以一定程度上代表一般的重要程度。计算样本矩阵的一致性指标，取平均即得到平均随机一致性指标。如表1所示。

表1 RI平均一致性指标

当一致性指标与随机一致性指标之比满足：

时，一致性检验通过，说明判断矩阵具有较好的一致性。当不满足条件时，还需反复调整判断矩阵，保证检验通过为准。

2.4 系统协调能力评价的算例

所设计系统的目的是为乘客提供更加方便快捷的服务，节省候车时间以及协调整个公交运行体系。根据这些原则和上面的方法，给出评价算例。根据2.2节构造的层次结构，采用1～9标度的方法，通过专家赋权，并检验一致性最终确定评价指标权重如表2所示。

表2 各指标权重

目标层对准则层的一致性指标为0.012 2，各个准则层对方案层的一致性指标分别为0.011 8、0.023 2、0.039 2、0.009 3、0.017 2，均通过一致性检验。由表2可知，系统服务协调能力和经济协调能力较高。在服务协调能力中，乘车出行时间和便捷程度较高，这说明系统将有利于乘客安排自己的出行，等车时间会相对减小，便捷程度将会提高。在经济协调能力中，平均利润率占比重较大，这说明系统更偏重车辆的平均利用率，使整个运行过程相对平均。

3 结束语

随着智能交通系统飞速发展，许多学者将通信技术、传感技术和定位技术等先进的技术融合在一起，设计出了很多不同的智能交通系统，均发挥着巨大的作用。在此，将ZigBee技术和3G模块结合，同时设计移动客户端APP，以达到提高公交服务水平、提高经济效益的目的。研究本系统综合协调能力，建立指标体系，通过层次分析法量化指标，得到权重，评价结果与设计初衷相一致，效果较好。所设计的系统将有利于提高交通系统的服务水平，并需要在实际应用中进一步改进和发展。

［1］ 邱灵枝.ZigBee技术在智能公交通信网络中的应用［D］.长沙：湖南大学，2009.

［2］ 谢振东，徐建闽，章威.智能交通系统体系结构中的通信［J］.中山大学学报：自然科学版，2009，39（6）：183-186.

［3］ 曲正.我国智能公交系统下的大站管理模式研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2007.

［4］ 邓雪，李家铭，曾浩健，等.层次分析法权重计算方法分析及其应用研究［J］.数学的实践与认识，2012，42（7）：93-100.

［5］ 李智，刘源，闫斌.层次分析法在ZigBee网络语音通信中的应用研究［J］.通信技术，2015，48（4）：441-446.

［6］ 杜世平，汪建，马文彬.层次模糊综合评价在校园环境质量评价中的应用［J］.安徽农业科学，2008，36（10）：3930-3931，3942.