公共自行车租赁系统车辆监管平台设计与实现

陈 怡，刘卫平，黄 俊，马 姣

(重庆邮电大学信号与信息处理重庆市重点实验室，重庆400065)

公共自行车具有灵活的调动性、零排放、缓解交通拥堵、节约能源等优势［1］，近十年在世界范围内日渐普及和流行。公共自行车系统成为了解决交通堵塞问题，建设可持续交通系统，构建健康、和谐的宜居城市的最佳方案。我国公共自行车发展虽然起步较晚但发展迅速。

车辆监管平台作为公共自行车后台信息管理系统的重要组成部分，承担着对各租赁站点信息管理、车辆信息管理并肩负车辆调度的职责。因此，车辆监管平台作为公共自行车租赁系统系统后台管理系统中必不可少地组成核心，在整个系统中对租赁站点和车辆的管理、合理调配起着至关重要的作用，服务于整个系统的正常运行管理。现有的车辆监管平台存在对租赁站点管理不智能、车辆调度不合理导致上下班高峰时期“借车难，还车难”的问题［2］。根据公共自行车租赁系统的实际运营需求和已有系统的比较，本系统对租赁站点车辆管理更智能、车辆调度智能化，同时采用不同于现有系统的FIFO 通信方式实现后台与终端的数据通信。为后台管理工作人员设计了具有简单方便、智能管理、安全高效的公共自行车租赁系统车辆监管平台，保证整个系统的高效运营。

1 总体架构

公共自行车租赁系统总体结构如图1 所示，主要由4 部分组成:后台管理系统、站点管理箱、锁桩控制箱、自行车控制器。

图1 公共自行车租赁系统结构

后台管理系统完成整个系统的管理以及与站点管理箱(即自助服务终端)的通信，其中车辆监管系统负责管理所有车辆并分配车辆调度，业务管理系统负责用户卡的管理。站点管理箱设置在租赁站点，主要提供车辆租赁、自助终端服务，用户使用租赁卡进行车辆租还、查询用户和周围站点车辆信息、查询并进行电子商务等交易。锁桩控制箱针对车辆的停车开锁、关锁管理，负责维护与站点管理箱和车辆的通信;自行车控制器完成车的充电、状态信息的查询。

2 软件设计

本文设计的后台软件基于B/S 架构，采用CodeIgniter 框架、MVC 模式、PHP(超级文本预处理语言)作为主要开发语言进行应用程序开发，数据库管理采用MySql 关系型数据库，以ZendStudio 集成开发环境为该软件的开发平台。

结合公共自行车租赁系统车辆监管平台设计的需求，软件功能可分为以下几个模块，如图2 所示。

图2 软件功能分析模型

其中，站点管理模块主要针对每个站点有站点位置信息、车辆信息、服务时间等属性进行管理、修改、查询。同时站点具备一键停启用功能，可以通过后台系统实现对站点锁桩的一键停用和启用。针对站点实时情况和车辆租借情况跟踪统计，监控站点的实际运营情况。

车辆管理是保持整个系统良好运营的基础。每辆自行车统一编号管理，一车一个唯一识别号［3］，通过监管系统可查询每辆车的状态、管理车辆信息，亦可批量统计、导出各种报表。

车辆调度模块通过对各租赁站点的车辆租还状态、出租率等数据的分析，对租赁站点进行控制管理、协调租赁站点的自行车数量，优化资源配置。

2.1 站点车辆管理

目前，公共自行车租赁系统在智能管理方面比较欠缺，多数是通过人工在租赁站点实地配置管理，大大降低了管理的实效性、便捷性和设置的灵活性。本系统通过车辆监管平台实现对租赁站点包括收费参数设置、站点车辆高低储率设置、一键停启用、车辆和锁桩状态监控、信息发布等系统化控制管理，满足了无人化站点的智能管理需求。

区别于已有系统采用TCP/IP 网络建立socket 连接实现管理后台与终端的数据通信方式［4］，本文使用管道FIFO 的通信方式完成后台与终端的数据传输。FIFO 管道作为后台与终端信息交互的中间层，为数据的有效可靠传输提供了保障。如图3 所示，监管平台可以直接与数据库进行信息交互，同时租赁站点定时将数据信息通过管道FIFO 上传存储在数据库中;当后台系统需要下发实时命令对站点进行操作时，数据命令将直接通过FIFO 请求站点上传对应数据信息。本文针对站点实时信息和车辆实时信息两个功能作详细介绍。

3 后台与底层站点FIFO 通信图

2.1.1 站点实时信息

站点实时数据请求流程如图4 所示，通过后台管理功能界面点击查询，下发查询具体站点信息请求。在管道FIFO 通信正常情况下，站点收到数据请求消息后返回该站点具体信息，包括:空闲车位数、可租车位数、满车率等统计信息。同时能获取该站点每个车桩上车辆的在位详情。如果在FIFO 堵塞情况下，命令将不能被下发至终端租赁站点，此时获取信息失败。

图4 站点车辆实时信息查询通信流程

2.1.2 车辆实时查询

本系统对车辆实时信息的获取，通过下发管道FIFO 命令实现，流程如图5 所示。车辆分为在库车辆和上架车辆，查询车辆状态时，首先判断车辆是否在架。如果车辆在库将不会下发FIFO 命令，否则将向站点广播请求上传查询的车辆实时信息。

图5 车辆实时信息查询通信流程

主要代码如下:

2.2 车辆调度

本车辆监管平台设计了智能的车辆调度模块。据调查显示，公共自行车系统在运营过程中在上下班高峰时期存在“租车难，还车难”的实际问题。目前国内外对自行车调度问题的研究还不够完善，还没有合理的解决方案。

从车辆管理的角度而言，对车辆实施合理的调度实现站点车辆的有效分配是方便用户有车可租、有位可还车的重要途径。因此对租还车不平衡的站点需要借助车辆调度调整车辆的配置以保障系统能够正常提供租还车服务［5］。

车辆具体思路:根据站点的车辆数量情况分析，通过后台管理系统车辆调度模块制定车辆调度方案，下发车辆调度任务。调度人员接收车辆调度任务后执行车辆调度。车辆调度流程见图6。

图6 车辆调度过程图

2.2.1 预测车辆调度

公共自行车调度问题的主要是由于各租赁站点的借还不平衡，每个租赁站点在不同时间段借还具有很大的波动性［6］。因此科学合理的分析站点的借还需求特征预测站点车辆数量是车辆调度的重要依据。由于居民早晚上下班出行高峰需求量是可预测因素，根据各站点历史数据预测各站点上下班高峰期的车辆数量需求，进行车辆调度任务分配。

智能调度模块设计如图7 所示，车辆历史数据分析模块是结合站点历史数据分析每天不同时间段车辆数据情况统计规律，用户租还车辆信息，剖析出车辆出行和租/还规律;站点车辆实时信息模块监控站点实时状态情况为调度任务提供合理依据;车辆调度路径模块采用蚁群算法［7］，求解最优的调度路径使站点间调度路径最短;调度任务生成模块生成调度任务单，并对分配的调度计划完成情况进行监督。

图7 智能预测调度模块

2.2.2 实时车辆调度

实时车辆调度适用于因紧急或突发情况下，针对车辆数量未达到该站点低储率或高于高储率的租赁站点进行报警提示，管理人员依照具体情况分配临时车辆调度方案。通过地图标记站点实时车辆高低存储率，以实时数据作为调度依据，将供应过量的租赁站点的自行车调入供应不足的租赁站点或纳入库存，实现各租赁站点的车辆的重新分布，实现资源优化。图8 是实时调度任务测试界面。主界面显示个站点的地理位置，并使用不同颜色的图标标记站点的车辆高低存储情况。界面左边为新建调度任务信息框，完成车辆调度任务新建后，界面有调度所需时间、调度距离估算，并在地图将显示调度路线。

图8 实时车辆调度测试图(截图)

3 结束语

本文介绍了公共自行车租赁系统总体架构，给出了基于B/S 架构的车辆监管平台的设计方案，并实现了平台软件的开发。重点阐述了监管平台对站点及车辆的智能管理，通过管道FIFO 实现与租赁站点的信息交互，并对车辆调度提出了具体实施方案。测试表明软件系统运行流畅，界面设计合理，操作简单，能够很好地完成与站点的信息通信，完成车辆调度任务下发等需求，实现了车辆监管平台的智能化管理需求，具有一定的实用价值。

未来工作中将侧重于两个方面的研究以完善本系统设计:1)优化监管平台数据处理性能和解决数据安全性问题。由于实际运营中，后台系统对数据的处理量大，与站点服务终端的数据交互频繁，保障数据处理的准确和安全性是公共自行车租赁系统高效运营的有利保障。2)优化车辆调度模块。本文采用蚁群算法求解调度最佳路径，但缺少其他因素的考虑，如:交通路况、调度成本等。改进现有的调度算法，综合考虑多因素确定调度方案，使得调度更合理、有效，提高用户体验满意度。

［1］ELLIOT F，SIMON W，NARELLE H，et al.公共自行车文献综述［J］.城市交通，2014(2):84－94.

［2］何博，卢青.城市公共自行车系统运营模式浅析［J］. 交通企业管理，2012(4):49－51.

［3］周小华.无桩式公共自行车租赁系统的研究与实现［D］.长沙:湖南大学，2013.

［4］晏婷，黄俊.电动自行车自助服务终端系统的设计与实现［J］.电视技术，2015，39(4):110－113.

［5］秦茜.公共自行车租赁系统调度问题研究［D］.北京:北京交通大学，2013.

［6］张建国.城市公共自行车车辆调配问题研究［D］.成都:西南交通大学，2013.

［7］李聚.蚁群算法在车辆路径中的应用［D］.成都:西南交通大学，2013.