基于物联网技术的智慧公交系统设计与实现

胡为民++陈萍+谢琦明+付亮

DOI：10.16644/j.cnki.cn33-1094/tp.2016.09.014

摘 要： 针对目前公交系统报站不及时、车辆调度不合理、站牌提示信息不准确等问题，提出了一种基于物联网的智能公交系统解决方案。通过物联网技术将GPS终端、电子站牌、车载终端等连接到智慧公交云平台；运用大数据技术对车辆轨迹数据、视频监控数据等进行分析，对车辆调度做出合理安排；车载终端通过WIFI机顶盒实时更新车辆线路语言、广告及其他信息；电子站牌通过有线或4G无线的方式及时更新站牌信息。实际应用证明，其改善了人们的乘车体验，提高了车辆运营的效率。

关键词： 物联网； 智慧公交系统； 电子站牌； 车载终端

中图分类号：TP274 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2016）09-51-04

Design and implementation of intelligent bus system based on Internet of Things

Hu Weimin1， Chen Ping2， Xie Qiming3， Fu Liang3

（1. Hangzhou Wuhu Electronic.Ltd.， Hangzhou， Zhejiang 310004， China；

2. Zhejiang Electronic Information Products Testing Institute； 3. Hangzhou Xinhu Electronic.Ltd.）

Abstract： Aiming at the problems that the public transportation system station reporting is not timely， vehicle scheduling is not reasonable， information on the bus stop board is not accurate and so on； this paper puts forward a solution of intelligent public transportation system based on IoT （Internet of Things）. The GPS terminals， electronic bus stop boards and vehicle terminals are connected to the intelligent public transportation cloud platform through IoT technology. By using big data technology to analyze the data of vehicle trajectory， video surveillance and the other， the cloud platform can make a reasonable arrangement for vehicle scheduling. The vehicle terminals

update the information of vehicle routing， advertisement and the other in real time through Wi-Fi set-top box. The electronic bus stop boards update bus arrival information through wired or 4G wireless mode. The practical application proves that it improves people's travel experience and the efficiency of vehicle operation.

Key words： IoT（Internet of Things）； intelligent bus system； electronic bus stop board； vehicle terminal

0 引言

公交车是公众出行最普及的交通工具，但是等车难、挤车难、公交到站信息公示不准确一直是影响公交搭乘体验感的主要问题。

传统的公交调度基本上还是按照固定的时刻表来进行的，采用“定点发车、两头卡点”的手工作业调度方式[1]，并且传统的公交车需要驾驶员喊话或者手动报站，存在漏报、误报等问题[2]，严重影响了公交客运的服务质量和效率。

目前国内的智能公交系统通过ZigBee模块实现公交车与站台进行数据交互[3]，或者采用GSM无线网络实现车载终端与数据中心的数据交互[4]。随着GPRS无线通信技术的出现，实现了少量数据与远程服务器交互[5]，还没有做到大量音视频信息的实时更新。同时，国内智能公交系统车载报站器中语音信息、站点信息等更新是在公交车管理中心通过有线的方式进行更新[6]，当公交线路发生变化、车辆临时调度时无法及时更新语音信息。

针对以上传统公交系统和目前国内智能公交系统的不足，本文提出了基于物联网的智能公交系统解决方案。它以当前智能公交系统为基础，结合物联网、大数据挖掘、通讯、自动控制、GIS、无线视频等先进技术，建立智能公交云中心，对数据进行挖掘和分析，实现智能营运调度系统和智能公交远程管理系统，从而有效提高车辆运营效率和效益，提升公交管理水平，改善人们的乘车体验。

1 系统总体设计

智慧公交系统由智慧公交云中心、公交车智能车载终端和智能电子站牌三大部分组成。智慧公交云中心以云平台为基础，车载终端和电子站牌通过有线或无线的方式连接到云中心。

智慧公交云中心是智慧公交系统的核心，它结合机器学习、数据挖掘等相关技术，对公交系统运营数据进行分析，为车辆调度、公交线路规划等提供决策依据。

智能车载终端是智慧公交系统的重要数据来源，它包括车载GPS定位终端、车载WIFI机顶盒、车载LCD、视频监控等。

智能电子站牌主要用于动态显示公交车辆信息。车载终端将GPS数据通过无线实时传输到智能公交云中心，云中心收到信息并经过分析和处理之后发送给电子站牌，电子站牌实时刷新显示公交车到站信息。

智慧公交系统整体架构如图1所示。

下面介绍系统的主要组成部分的功能。

⑴ 智慧公交云中心

通过3G/4G无线方式，将车辆定位、视频监控、传感数据、调度指令、报警信息等数据、信息传输到云中心数据库，通过大数据分析，合理设置公交线路和站点以及准确安排发车密度。

⑵ 智能车载终端

车载自动报站器：自主开发自带GPS，拥有232、485及视频接口通讯输出的车载自动报站器。利用车载GPS按设定距离自动实现语音仿真人及同步图文视频报站。

车载WIFI机顶盒：车载WIFI机顶盒用以保证与WIFI基站或3G/4G转WIFI通过无线或有线的方式接入系统，同时自带专用接口与报站器间进行报站及车辆LED电子路牌、车载LCD显示文件更新，车辆在停车场利用WIFI进行系统升级或文件更新。

车载LCD：具有两路视频型号接入，同时接WIFI机顶盒与报站器，实现智能切换视频信号，实现报站与广告各不影响功能。

车载刷卡机：通过智能车载终端接入后台服务器，实现了刷卡数据实时上传，保证数据实时结算。

车载视频监控统：用来监视客流，了解公交车辆的运营状况，并对车站偷盗等不法行为进行摄像。

⑶ 智能电子站牌系统

通过系统采集获取各种发车信息表、历史情况等静态信息和动态信息，并根据车辆的历史运营及当前实时数据通过智能优化算法进行交通流预测，实现车辆运行信息能准确的显示在电子站牌上。

2 智慧公共交通云中心

2.1 智慧公交系统的大数据架构

智能公交每天都会产生大量数据，随着时间的积累，数据量非常大，传统的数据管理方式已经不能满足要求，所以采用大数据技术对这些数据进行存储、分类、提取，按需求将数据分布统维度和粒度生成熟数据保存，其系统架构如图2所示。

在智能公交大数据架构中，数据采集层负责采集车辆位置、路况、车站候车人数、公交车乘客数量等信息；数据存储层负责各种公交数据的存储并相应系统的各种查询、处理请求；数据应用层实现公交车远程管理、电子站牌远程管理、视频监控和报表管理等功能；数据挖掘层负责大数据的挖掘、智慧调度、客流量分析等功能。

在整个系统架构中，数据存储层是大数据系统的核心，它直接关系整个系统的性能。本文采用的数据存储结构包含了一套分布式文件系统与资源管理系统，在文件系统上构建了数据仓库，支援结构化与非结构化数据的并行存储、查询、处理操作。在数据存储架构中，HDFS组成透明的分布式文件系统，HBase是系统的主数据库，利用基于MapReduce技术进行运算加速，能够实现数据库的快速查找与分析。

2.2 智慧公交系统的大数据应用

⑴ 智慧调度

公交车辆调度最主要的是发车时间表的制定，它决定了乘车的服务水平，发车频率越高，乘车体验越高，但公交运营成本也越高。科学合理的发车时间表既能够满足乘客的乘车需求，同时兼顾了公交公司的利益。

为了解决此多目标优化问题，该智慧公交调度系统采用带收缩因子和线性递减惯性权重的粒子群算法[7]，首先根据问题规模建立初始种群个数、最大迭代次数以及公交公司利益和乘客等待时间的初始权重每个粒子的位置速度等初始化；然后建立兼顾公交公司利益和乘客等待时间为主要因素的公交调度模型作为粒子群算法的目标函数，并将公交票款收入总和大于公交运营投入成本作为约束条件；最后通过不断寻优迭代，找出最优的发车时间表。

⑵ 数据挖掘

在大数据架构的基础上对公交系统数据进行数据挖掘，目前常见的数据挖掘方法有：聚类分析法、神经网络、遗传算法、粒子群算法、蚁群算法等。

本文采用聚类分析、粒子群算法对公交车客流量、乘客上下车时间、相应站点等进行分析，对乘客出现规律进行分析，并运用神经网络、粒子群算法对公交车辆运行数据进行分析，从而发现其车辆运行规律、隐含的公共交通规则等，为公交公司对公交车辆调度、公交路线规划、公交车辆管理、公交资源分配等作出科学、合理的安排。

2.3 智慧公交管理系统的设计

⑴ 公交车远程管理

公交车器远程管理平台由公交公司进行管理和维护。主要用于监控车辆、远程更新语音信息、发送车辆调度信息、发送电子广告信息等。当车辆在紧急情况下可及时将调度指令、报站语言文件发送到调度车辆。远程管理平台界面如图3所示。

⑵ 电子站牌远程管理

电子站牌远程管理系统由电子站牌管理、发布信息管理、文本格式化显示管理模块组成。电子站牌管理包括添加、删除、查找、基本信息更新等。发布信息管理模块包括信息远程获取、实时更新、信息发送。文本格式化显示模块可以根据实际屏幕的大小自定义显示信息的内容和长度。如图4中“[L4S1T5S1N5]D4”，代表的含义如表1：

3 智能车载终端设计

智能车载终端包括：多媒体、车载报站器、4G路由器、车载刷卡器、车载GPS、车载视频监控、LED线路牌等模块。本架构设计完全是分体式设计，各单一设备故障不影响其他设备的正常工作。系统结构如图5。

3.1 车载自动报站器

目前大多传统的车载报站器采用GPRS或者3G来更新语音信息，数据传输费用太高，为此，我们提出了双WiFi技术，当车载报站器检测到车辆周围有局域网WiFi信号时，自动切换到局域网WiFi，否则连接车载4G路由器。

车载保站器利用GPS全球卫星定位技术，通过系统对经度、纬度的测量准确定位站点，从而实现自动语音报站功能。

通过WIFI与车载4G路由器（场站WIFI基站）进行网络连接公交云中心，实现远程更新管理报站文件、LED电子路牌线路信息，LED广告屏信息。

车载自动报站器硬件由Cortex-M4核心，无线模块、蓄电池模块、RS485模块、RS232模块、扬声器模块、麦克风等模块组成。RS232和RS485模块用于连接车载LCD广告显示屏、车载GPS终端等。无线模块采用双无线模块设计，主WiFi模块与车载4G路由器相连，当辅无线模块检测到场站WiFi信号时，自动将无线信号切换到场站WiFi，进行车载广告、语音信息更新等。使用双无线模块能够更好的节省4G数据传输费用。其硬件结构设计如图6所示。

3.2 WIFI机顶盒

车载WIFI机顶盒类似于电视机顶盒，主要用于将视频或者广播数字信号转换成模拟信号并传输给LCD显示屏。该机顶盒具有以下特点。

⑴ 自带WIFI，通过WIFI与车载4G路由器（场站WIFI基站）进行网络连接公交云中心，实现远程更新管理视频文件。支持断点续传。

⑵ WIFI优先权设置，WIFI信号可多设置连接，并会根据已选信号的强度进行自动优先选择信号源，如在场站可优先连接场站WIFI信号，可节省4G流量。

⑶ 具有视频任意分屏功能，支持流媒体播放。

⑷ 内置航空级电池，低功耗设置，在车辆停驶状态下DC 5V给主板及WIFI供电，实现更新视频文件及报站文件等信息，自供电时长不少于10小时。

⑸ 安全性：存储卡内置，存储格式固定内置加密程序，非任何SD卡可读取。采用MD5加密方式进行加密传输。

⑹ 节目更新：可单一节目文件进行更新覆盖，无需整盘更新。

4 智能电子站牌设计

目前智能公交系统中，智能电子站牌给人们的出行及行程安排提供了极大的帮助。但是，目前国内的电子站牌种类繁多且大小不一，相同的内容在不同的站牌显示效果不一致，有可能会出现标题与显示内容没有对齐等问题。本系统设计中，智能电子站牌能够通过格式化文本串实现自适应功能，对不同的显示屏能够实现相同的显示效果。

智能电子站牌由Cortex-M3、电源模块、温度传感器、亮度传感器、以太网模块、无线模块、Flash组等。由于电子站牌不仅要显示车辆运行信息，同时还要播放多媒体广播等存储信息量大，所以对Flash进行了扩展。

系统通过有线或无线从智能公交云中心实时获取车辆的编号、位置、到站时间等，再经过处理后将出行信息显示到电子站牌，并且可以根据环境温度和亮度来调整LED的发光强度。硬件结构如图7所示。

5 结束语

本文运用GPS传感定位、基于3G/4G的无线传输、物联网和云平台等最新科技，设计了一个基于物联网技术、通过4G无线网络将智慧车载系统、智慧候车厅系统与智慧公交云平台实现互联互通的智慧公交系统。该系统实现公交中的“人-车-路-站”一体化，智能化的监控、管理及服务，解决了站点播报、视频或图像播放等方式存在的弊端，通过车载WIFI机顶盒将3G/4G无线信号转换为WIFI信号，实现大量音视频信号、车辆调度、车辆位置等信息的实时传输。该系统比以往公交系统更加智能、资源利用率更高，成本较低，目前已在城市公交中得到了成功的应用。

参考文献（References）：

[1] 于露.基于大数据的智慧公交运营系统功能框架思考与设计[J].

黑龙江科技信息，2014.33：19-20

[2] 李鸿胜，孙国玺.一种公交车自动报站器设计方案[J].微处理

机，2013.34（2）：88-91

[3] 邱灵枝.ZigBee技术在智能公交通信网络中的应用[D].湖南

大学，2009.

[4] 王素琴，林碧英.基于GPS/GSM/GIS的智能公交车辆监控

系统的研究[J].四川大学学报（自然科学版），2005.42（4）：710-713

[5] 梁松，梁艳，陈继努等.基于GPRS的智能公交系统通信平台的

实现[J].通信技术，2007.40（10）：56-58

[6] 周玮.基于GPS的公共汽车智能报站系统[J].广西轻工业，

2010.26（5）：66-67

[7] 付阿利，雷秀娟.粒子群优化算法在公交车智能调度中的应

用[J].计算机工程与应用，2008.44（15）：239-241