王寒松,刘好德,刘向龙,宜毛毛
(交通运输部科学研究院城市交通研究中心,北京 100029)
基于物联网技术的城市客运行业监管信息平台体系架构设计
王寒松,刘好德,刘向龙,宜毛毛
(交通运输部科学研究院城市交通研究中心,北京 100029)
摘 要:为提高城市客运行业管理部门的信息监测能力和服务水平,在物联网(IOT)技术快速发展的背景下,本文探讨了城市客运行业监管信息平台建设和发展的新模式。针对当前城市客运行业监管业务中存在的问题,从准确性、全面性、稳定性、协调性、经济性五个方面分析了物联网技术应用的效果,论文给出了典型物联网技术路线的基本思想、优缺点和应用局限性。分析结果显示:物联网技术与传统方式相比具有明显的技术优势,物联网技术在城市客运行业监管领域具有广泛的适用性。在业务需求分析和典型物联网技术路线对比分析的基础上,本文将物联网技术与城市客运行业监管相融合,最后提出了基于物联网技术的城市客运行业监管信息平台体系架构设计方案。
关键词:城市客运;行业监管;物联网;运行监测;科学决策
城市客运包括公共汽电车、轨道交通、出租汽车、城市轮渡等多种交通运输方式。随着我国城镇化的快速推进以及公交优先发展战略的不断深化落实,城市客运发展环境进一步改善,城市客运量持续上升,城市客运的社会公益性特征和在城市功能正常运转中的重要性日益突显。截止2014年年底,全国城市客运系统运送旅客1315.66亿人次,同比增长2.5%。其中公共汽电车完成客运量为781.9亿人次,占59.4%;城市轨道交通完成客运量为126.7亿人次,占9.6%;出租汽车完成客运量为406.1亿人次,占30.9%;城市轮渡完成客运量为1.1亿人次,占0.1%。[1]
虽然城市客运行业近年来取得了可喜的成绩,但由于城市范围的持续扩大、城市居住人口的急剧膨胀,城市居民的出行需求日益增长,对城市客运的服务能力和服务质量提出了更高的要求。随着国务院《国家新型城镇化规划(2014-2020年)》的发布,城镇化、机动化和城乡一体化进程将进一步加快,城市客运服务水平与日益增长的出行需求之间的矛盾将进一步加重,为城市客运行业管理部门带来了极大的挑战,如何提高城市客运的运行效率和服务质量,如何提高行业监管力度和管理决策水平,是城市客运行业管理部门普遍面临的难题。
物联网英文名称“The Internet of things”(IOT),是新一代信息技术的重要组成部分,是信息采集技术与计算机技术、互联网技术的融合。国际电信联盟(ITU)于2005年提出:物联网是通过射频识别和智能计算等技术实现全世界设备互联的网络。2010年我国在《政府工作报告》中提出:物联网是指通过信息传感设备,按照约定的协议,把任何物品与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[2]。我国于2010年将物联网列入战略性新兴产业的重要方向,从此物联网的发展进入了一个快速发展的时期。通过物联网能够实现物与物之间、人与物之间的信息交流,物联网的基础仍然是互联网,但却是传统互联网的延伸和扩展。传统互联网是人与人之间相连,而物联网将网络互联的主体扩展为海量的智能终端设备;传统的互联网需要用户操作(例如点击按钮)才能获取信息,物联网能够在无需人工干预的情况下就完成信息的采集和传输。物联网的本质是信息感知和信息传输,物联网并非特指一种技术,而是基于大数据、云计算、移动互联的一套技术体系,其核心在于信息感知技术和通信传输技术。物联网并不是一种新技术,而是在射频技术、传感器技术、智能芯片技术、无线通信技术等多种成熟技术基础上,依据万物互联的需求进行技术升级、技术融合和应用创新。
国务院大部制机构改革将原属建设部的“指导城市客运职责”整体划入交通运输部,从体制上实现了对城乡客运的统筹管理。在各级交通运输管理部门的共同努力下,围绕“四个交通”建设的总体部署,积极推进城市客运信息化领域的重点项目和示范工程建设,取得了可喜的成绩,改变了行业管理传统上“看不见、摸不着、跟不上”的现象,提升了管理能力和服务水平。随着“城市公共交通智能化应用示范工程”、“城市出租汽车服务管理信息系统”等工程项目的开展,物联网技术也在城市客运领域得到广泛应用。
在城市客运领域,物联网技术主要表现为将各种信息源、车载终端、场站终端与互联网连接起来,能够实现对运营车辆、场站、驾驶员、乘客的相关信息的采集和处理,并能够与后台管理系统进行数据传输和交换。车载信息感知设备包括卫星定位终端、行驶记录仪、车载POS机、IC卡读写器等终端设备,场站信息感知设备包括RFID读写器、视频监控设备、进出站闸机等终端设备。通过物联网技术实现信息源、车载及场站终端、后台系统之间的有机连接,不仅应实现终端设备与后台系统的数据连接和通讯,还应实现车载各类终端之间、场站各类终端之间、车载终端与场站终端之间的数据连接和通讯。利用卫星定位、NFC近场通讯、RFID射频等技术实现对信息源的感知,利用CAN总线等技术实现车载终端之间的设备互联,利用Zigbee等技术实现车载终端与场站终端之间的通信。
十八届三中全会对全面深化改革做了总体部署,明确提出要着力推进国家治理体系和治理能力现代化,这就要求行业管理部门灵活用好“两只手”,把该放的权放到位,该制定的规则制定好。相对于道路运输、水路运输等传统业务,城市客运是一个较新的业务领域,自从2008年将指导城市客运的职责划归交通运输部,各级行业管理部门有一个交接、磨合、了解的过程,逐步认识到城市客运的发展现状和存在的问题,由于各种历史原因,城市客运行业监管缺失、公共服务不到位的现象在国内普遍存在。在扎实推进交通运输法制建设、提高依法行政水平的大背景下,各级城市客运行业管理部门强化职能、主动作为,加强对城市公共客运行业的市场监管,努力创造公平良好的市场环境。在交通运输部“公交都市”示范城市和“城市公共交通智能化应用示范工程”的推进下,以信息化引领城市客运行业发展,切实提升城市公共客运的治理能力和服务水平。
2.1功能需求分析
在交通运输部2014年发布的《城市公共交通智能化应用示范工程建设指南》(以下简称《建设指南》)中提出:应“实现交通运输主管部门对城市公共交通行业基础信息以及运行状态信息的准确和及时掌握,增强交通运输主管部门监管能力,促进行业管理规范化”、应“建设相应的应用系统,支撑服务质量考核、发展水平评价、公交都市考核评价、线网优化调整等科学决策”[3]。
随着中国智慧城市建设的开展,物联网技术开始大量应用于前端的感知与数据采集[4]。物联网技术的发展促使城市客运行业监管进行职能转变,主要体现在三个方面的转变:事后监督向全程监管转变、静态监督向动态监管转变、以查为主向查防结合转变[5]。结合《建设指南》的具体要求和监管职能转变的趋势,城市客运行业管理部门应实现对运营企业、线路、车辆、从业人员、客流量的监管,主要体现在如下几点:
(1) 面向运营企业:行业管理部门需要进行企业服务质量评价、企业运营成本与收入分析、企业行车责任事故死亡率统计、企业运营计划完成情况统计、企业运营车辆入场率统计、出租汽车出车率统计;
(2) 面向运营线路:行业管理部门需要进行线路班次兑换率统计、线路高峰时段发车间隔统计、线路到站间隔合格率统计、线路首末班发车准点率统计、线路首末班到站准点率统计;
(3) 面向运营车辆/船只:行业管理部门需要进行车辆运营里程统计、车辆燃油消耗统计、车辆高峰时段拥挤度分析、车辆执法稽查管理统计(非法营运、未按照规定线路行驶、拒载乘客等)、出租汽车空载率分析;
(4) 面向从业人员:行业管理部门需要进行从业资格稽查管理、从业人员行车责任事故统计、从业人员危险驾驶行为分析(带速开关门、急刹车、急转弯等行为)、从业人员投诉与处理、出租汽车驾驶员服务质量评价。
综上所述,基于物联网技术的行业管理功能需求如表1:
表1 城市客运行业监管功能需求
上述是基于物联网技术应用的城市客运行业监管的功能需求。城市客运行业管理部门在日常业务中还有更多的需求,如运营车辆基础信息管理、新开运营线路的审批等业务需求,本文中不做详细探讨。
2.2非功能性需求分析
为满足城市客运信息监管平台的功能实现,必须满足以下需求:
(1) 准确性:要求信息识别准确率高,不允许出现识别失败或识别错误的现象;要求信息真实可靠,不允许发生弄虚作假、肆意篡改的行为;
(2) 全面性:要求监测终端全覆盖安装,信息采集入库比率应达到100%;应能够应用于各种业务场景;应实现对车辆、从业人员、乘客所有监测对象的信息采集;
(3) 稳定性:要求监测终端能够7*24小时持续运转;应能尽量避免人为干扰,设备在线率应在95%以上,终端故障率应尽量小并能够迅速恢复;应不受地理环境和气候的影响;
(4) 协调性:监测信息能够与企业实现业务协同,运营企业能够在监测数据的基础上对原有系统进行功能拓展,以获得运营企业长久性的积极配合;应不干扰企业正常运营,并尽量为驾驶员和乘客提供便利;
(5) 经济性:应尽量采用较小的成本实现运行监测体系建设目标,减轻行业管理部门、运营企业的压力;应尽量利用存量资产,避免重复建设和资源浪费。
3.1物联网技术与传统方式对比分析
城市客运信息监管平台可为行业管理科学决策提供服务,而运行监测数据是信息平台功能运转的核心。只有准确、及时、全面地获取了运行监测数据,才能充分发挥应用系统的监管和决策功能。随着城市客运出行需求的快速发展,业务管理信息量也将呈指数增长,海量数据的信息采集和分析处理已成为新常态,传统的依靠人工、粗放化的处理方式已无法满足新形势的需要,必须与时俱进,在城市客运信息监管平台的建设中采用物联网、云计算等先进的技术手段,实现精细化、智能化的信息采集和处理,解决业务中面临的实际问题,为城市客运提供更广阔的发展空间。物联网技术与传统人工处理技术相比具有明显优势,如图1所示:
3.2物联网技术适应性分析
物联网是对多种成熟技术的融合和应用创新,并可广泛应用于执法稽查管理、运力投放监管、运营服务监管、行车安全监管、燃油消耗监管、客流统计分析等监管业务中。物联网技术主要分类及应用场景如下:
(1) 智能卡和射频识别技术:包括CPU卡芯片、RFID射频识别标签等,智能卡技术通常与接触式读写技术、射频识别技术、NFC近场通讯技术、Zigbee短距离无线传输技术、密钥管理及安全认证技术相结合[6],可实现对车辆、从业人员的身份认证,主要应用于运力投放监管、运营服务监管、燃油消耗监管和客流统计分析;
(2) 卫星定位技术:包括GPS卫星定位、北斗卫星定位等技术,通常与微处理器技术、无线通信技术、GIS/WEBGIS技术、智能调度技术相结合,可实现对移动位置、速度、报警等监测数据的采集,主要应用于运力投放监管、行车安全监管和燃油消耗监管;
(3) 视频图像技术:包括视频采集、视频编码等技术,通常与图像识别技术、图像智能分析技术相结合,可实现对车辆的身份认证,也可实现对车辆内部状态、驾驶员行为的实时监控,主要应用于行车安全监管;
(4) 传感器技术:包括电阻式传感器、压阻式传感器、光敏传感器等技术,通常与CAN总线通信技术相结合,可实现对车辆运行状态、驾驶员操作行为的监测数据采集,主要应用于行车安全监管和燃油消耗监管。
图1 物联网技术优势分析
综上所述,城市客运行业监管各类业务中可使用的物联网技术如表2:
表2 物联网技术应用场景分析
3.3典型物联网技术路线对比分析
特定的业务需求能够通过多种物联网技术方式实现。例如运力投放监管的需求,既可以通过智能卡技术实现,也可以通过卫星定位技术、图像识别技术实现;再例如客流统计分析的需求,既可以通过智能卡技术实现,也可以通过图像智能分析技术实现。
在实现特定的业务需求时,仅确定技术方式是不够精细的,在采用同类技术方式的情况下,仍然有多种技术路线可供选择,例如在执法稽查管理中采用智能卡技术,既可以采用“CPU卡 +手持式读卡器”的技术路线,也可以采用“CPU卡+ ZigBee通信模块 + RSU装置”的技术路线。
由于城市客运行业监管的业务需求与物联网技术相结合的技术路线相当丰富,在本文中仅选择以下几种典型的技术路线进行分析和对比:
(1) CPU卡+ NFC通信+读写器:以CPU卡作为信息载体,以接触式方式传输信息,通过手持式读卡器、车载POS机进行数据分析和处理,适用于执法稽查管理、客流统计分析等业务需求,具有准确、全面、稳定、经济的优点,并能与运营车辆售检票业务相协同,但在执法时需停车稽查,会对正常运营造成一定干扰。
(2) CPU卡+ Zigbee通信+路侧单元(RSU):以CPU卡作为信息载体,通过Zigbee模块传输信息,通过路侧单元(RSU)分析和处理数据,适用于执法稽查管理、运力投放监管、运营服务监管等业务需求,具有准确、全面、稳定的优点,可实现不停车稽查,经济性一般。
(3) 无源RFID标签 + 射频识别 + 读写器:以无源RFID标签作为信息载体,通过无线射频传输信息,通过读写器分析和处理数据,适用于执法稽查、运力投放监管等业务需求,具有准确、稳定、成本低的优点,并能与企业停车场管理业务相协同,但受识别距离影响,仅适用于首末站、停车场、道路卡口等业务场景。
(4) 卫星定位终端+无线通讯:实时获取卫星定位信息并进行数据处理,通过无线通讯模块传输信息。适用于运力投放监管、运营服务监管、行车安全监管等业务需求,具有准确、全面、协同的优点,并能与企业智能调度、车辆自动报站等业务相协同,部分城市已有建设基础,但受人为因素的影响较大,建设成本较高。
(5) 视频摄像头+智能芯片:通过摄像头获取视频图像,能够进行视频编码和实时传输,并能通过智能处理芯片实现车牌图像识别、车辆行驶测速、电子围栏等功能。适用于运力投放监管、行车安全监管、客流统计分析等业务需求,具有稳定、协同的优点,并能与企业停车场管理、场站安防等业务相协同,但识别准确率相对偏低,受雨雪天气影响较大,建设成本较高。
(6) 传感器+CAN总线+智能芯片:通过各种传感器获取车辆状态、驾驶员操作、乘客评价等信息,通过CAN总线进行数据传输,通过智能处理芯片进行数据分析处理。适用于运营服务监管、行车安全监管、燃油消耗监管等业务需求,具有准确、稳定、协同的优点,但成本较高,应用场景不够全面,部分传感器(例如红外检测)的准确率相对较低。
通过上述各种技术路线在业务应用中的优劣势分析,使用星级评分法,对技术路线的准确性、全面性、稳定性、协调性、经济性等方面进行评分,如表3所示:
表3 典型技术路线星级评分对比
在项目设计和实施中,各城市应根据当地的实际情况和建设目标,选择一种或多种技术路线进行组合,综合考虑五方面的项目需求,构建切合实际的解决方案。
建立体系架构的主要过程是从应用需求中统一抽取出组成系统的部件以及部件之间的组织关系。从功能角度可划分为Networked Auto-ID、USN、M2M等多种体系结构[7]。本文在借鉴上述物联网体系结构的基础上,根据对城市客运行业监管需求的深入分析,结合物联网技术的发展现状和应用方向,将城市客运行业监管信息平台体系架构划分为信息感知层、信息处理层、通信传输层、信息应用层,如图2所示。
4.1信息感知层
通过卫星信号接收、无线射频(RF)、近场通讯(NFC)、Zigbee无线通信、CAN总线等技术,从信息源载体获取感知数据。可从导航卫星获取空间定位信息;可从RFID标签获取车辆标识、人员标识信息;可从IC卡获取从业人员信息、乘客电子钱包信息;可从摄像头获取车厢内部图像信息、车牌号信息;可从车辆传感器获取驾驶员操作、车辆运行状态信息。
图2 基于物联网技术的城市客运行业监管信息平台体系架
4.2信息处理层
对获取到的信息数据进行计算和加工处理,主要包括:通过对空间定位信息进行计算,得出经纬度信息、速度信息;对IC卡进行密钥验证,以及读写交易;对图像按指定格式进行编码、存储,可通过智能处理芯片进行图像识别和分析;将获取到的各种传感数据解析后得到速度、刹车、开关门等信息。
4.3信息传输层
通过Wifi、GPRS、CDMA、3G移动通信网络、4G移动通信网络等通信方式,在指定的通信节点,将已处理的信息数据传输到后台应用系统。
4.4信息应用层
4.4.1执法稽查管理
实现对向公共汽电车、出租汽车运营车辆及从业人员的稽查取证和执法管理。通过IC卡读写器、RFID读写器等装置,执法人员可以判别运营车辆道路运输证、驾驶员从业人员资格证的真伪,对冒牌出租车等行为依法处理,对不具备驾驶资质的从业人员进行稽查,促进行业健康发展。
传统的城市客运执法主要采用拦截车辆的人工稽查方式,基于物联网技术,可在手持稽查系统的基础上升级,建设车载稽查系统和固定点稽查系统。车载稽查系统部署在交通执法车内,固定稽查系统一般安装在卡口、收费站,通过动态图像识别技术、RFID射频识别技术实现不停车的执法稽查,部分城市还结合使用出租汽车防伪顶灯技术,可降低工作强度、提升执法效率。
4.4.2运力投放监管
实现对公共汽电车、轨道和城市轮渡运营运力投放的监管,尤其是早高峰、晚高峰时段的运力投放情况。通过对线路首末班发车、到站信息的运行监测,实现对线路运营班次、发车趟次等运力投放情况的统计,并通过与运营计划进行对比,得到线路班次兑现率、运营计划完成情况等指标数据。通过按年、月对相关指标数据进行汇总统计,可作为政府购买服务的重要依据。
实现对出租汽车运力投放的监管,通过对出租汽车企业出车率、出租汽车规定地点到达次数的运行监测,能够保障机场、火车站等重点客运枢纽的城市客运供给能力,提升枢纽客流疏散效率。通过按年、月对相关指标数据进行汇总统计,可作为企业服务质量评价和运营牌照发放的依据。
4.4.3运营服务监管
实现对公共汽电车、轨道交通、城市轮渡线路运营可靠性、运营服务质量的监管。通过GPS终端、RFID读写器等装置,可实现对车辆在首末站、途径各站点的实际运行信息进行监测,包括首末班车辆发车信息、途径站点到站信息、终点站到站信息等信息,在此基础上对首末班发车正点率、平均到站间隔时间、到站间隔超时次数等情况进行监管,可为乘客出行信息服务发布提供数据资源,同时可作为企业服务质量评价的重要依据。
传统的城市公共交通行业监管偏重对公交线路覆盖范围、服务时间的管理,随着社会经济的发展,各城市行业管理部门逐步重视对公交服务质量的考核,行业标准《城市公共汽电车企业服务质量评价指标体系》即将发布。部分城市已开展公交线路“时刻表挂牌”试点,在公交站牌醒目位置标明每个班次途经本站点的精确时间,以便于市民合理安排出行时间,公众需求倒逼行业管理部门建设运营服务监管系统,实现对公共汽车到站准点率、平均候车时间等影响乘客满意度的服务指标的动态监测。
4.4.4行车安全监管
实现对公共汽电车、出租汽车、城市轮渡车辆异常状态、危险驾驶行为的监管。通过GPS终端、行驶记录仪、车载摄像头等装置,可实现对车辆运行状态信息的动态监测,包括车辆超速行驶、紧车辆急制动、车辆急转弯、车辆带速开关门、驾驶员拨打手机、驾驶员抽烟等信息的监测,可作为企业服务质量评价、从业人员诚信监督的重要依据。
物联网技术为提高城市客运安全服务水平提供了更多的技术手段,推进交通运输安全管理从事后救援向事前防范转变,迫切需要构建城市客运网络运行安全监测与预警系统,形成一套完整的城市客运安全预警、预报、预防、应急处置和事后评价技术方法体系。
4.4.5燃油消耗监管
实现对公共汽电车、出租汽车、城市轮渡车辆运营里程、燃油消耗情况的监管。可通过传感器、行驶记录仪获取油耗数据,也可在通过卫星定位等技术获取车辆运营里程的基础上,结合车辆燃料类型、车辆型号、车辆百公里平均耗油参考值等数据计算车辆燃油消耗情况。可作为燃油补贴发放、企业运营成本规制的重要依据。
传统的燃油消耗申报、燃油补贴管理普遍采用运输企业手工填写、行业管理部门逐条审核的工作方式,无效数据较多、数据校验工作量大。部分城市已基于物联网技术开展燃油消耗申报及燃油补贴管理工作,依据车辆卫星定位数据进行后台智能分析,能够自动计算并统计车辆运营里程和燃油消耗量,并将逐步扩展使用基于RFID射频技术、Zigbee技术等数据采集手段,进一步提高燃油补贴管理决策的科学性。
4.4.6客流统计分析
实现对公共汽电车、轨道交通、城市轮渡线路客流、车辆拥挤度的统计分析。通过车载POS机、站台闸机、红外客流采集器等装置,实现对乘客刷卡、上车人数、下车人数等信息的动态监测,在此基础上对早晚高峰客流量、节假日客流量、重点线路客流量、重点区域客流量等情况进行监管,可在客流量超出阈值时自动预警,可生成重点线路、重点区域客流量动态分布图,为公交线网优化提供依据。
物联网、云计算、移动互联网等高新技术的快速发展,为城市客运行业转变传统发展方式提供了有力的支撑。物联网与移动互联网应用相结合已成为信息技术发展的趋势,并将创新产生多样化的市场秩序和管理模式,例如以专车形式提供的约租车服务、基于NFC技术的手机支付等。在深化改革开放的大背景下,在逐步放宽行政审批和市场准入的同时,必然要求加强市场监管力度和服务水平。物联网技术在城市客运行业监管中具有广泛的应用前景,部分经济发达城市已开始尝试基于物联网技术的应用,但总体上物联网技术在城市客运领域的应用范围不广、信息采集入库率不高,影响了监测数据的完整性和准确率。随着“互联网+”行动计划的提出,各级城市客运行业管理部门的重视程度将逐步提高,物联网技术与城市客运行业管理将进一步融合,从而有效提升治理能力和科学决策水平。
参考文献
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Architecture Design of Urban Passenger Transport Industry Regulation System Platform Based on Internet of Things Technology
Wang Hansong,Liu Haode,Liu Xianglong,Yi Maomao
(China Academy of Transportation Sciences,China Urban Sustainable Transport Research Cente,ostalcode,Beijing 100029,China)
Abstract:With the rapid development of IOT(Internet of things) technology,this paper discussed the new mode of construction and development of urban passenger transport Industry administration system in order to improve the Information monitoring capability and service level.For the problems existing in urban passenger transport Industry administration,this paper analyzed the application result of IOT technology from accuracy,stability,comprehensive,coordinated,and economy,and gave the basic idea,advantages,disadvantages,and limitations of typical IOT technology routes.The results showed that compared with the traditional way,IOT technology had obvious advantages,and had wide applicability on urban passenger transport Industry administration domain.Based on the analysis of business requirements and comparisons among typical IOT technology routes,this paper combined the IOT technology with urban passenger transport Industry administration,and finally proposed the design architecture of urban passenger transport Industry administration system based on IOT technology.
Keywords:urban passenger transport; Industry administration; Internet of things; operational monitoring; scientific decision
作者简介:王寒松(1979-),男,工程师,主要研究方向为交通运输信息化。E-mail:kingpine@yeah.net
基金项目:中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(20144803)
收稿日期:2015-08-27; 修回日期:2016-01-11
DOI:10.3724/SP.J.1224.2016.00031
中图分类号:U491
文献标识码:B
文章编号:1674-4969(2016)01-0031-09