任曉莉

（寶雞文理學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)系，陜西 寶雞 721016）

目前城市交通需求與供給的矛盾日益突出，交通擁擠、環(huán)境污染現(xiàn)象嚴(yán)重。在城市中擴(kuò)大道路交通基礎(chǔ)設(shè)施不僅費(fèi)用高，而且會(huì)有一些局限性和不便性，大力發(fā)展城市公共交通是解決這一問題的主要途徑。公交車輛運(yùn)營(yíng)調(diào)度的智能化，公交車輛運(yùn)行的信息化和可視化，可以為乘客提供完善的信息服務(wù)，提高公交設(shè)施和運(yùn)輸系統(tǒng)效率，從而吸引市民公交出行，緩解城市交通擁擠，有效地解決城市交通問題。

現(xiàn)行的公交系統(tǒng)中，車與站臺(tái)之間基本上沒有信息的交互，公交車輛主要采用固定時(shí)間間隔結(jié)合上下班高峰期策略調(diào)度，不能真正適應(yīng)客流變化。

目前智能調(diào)度的主要依據(jù)只是來(lái)自對(duì)公交車行駛位置的監(jiān)控，而對(duì)整條路線當(dāng)中的候車乘客數(shù)量無(wú)法及時(shí)獲知，無(wú)法針對(duì)客流變化做出有預(yù)見性“事先”調(diào)度，其根本原因在于調(diào)度系統(tǒng)缺乏各站點(diǎn)實(shí)時(shí)的候車客流信息。文獻(xiàn)[1]采用雙頻點(diǎn)的乘客RFID公交卡對(duì)公交站點(diǎn)客流進(jìn)行采集，可以對(duì)一個(gè)站點(diǎn)的候車人數(shù)進(jìn)行估測(cè)，但存在著采集數(shù)據(jù)不全面、不準(zhǔn)確問題，它只能采集攜帶公交卡的乘客數(shù)，不能區(qū)分同一個(gè)站點(diǎn)不同路次的候車乘客，在站點(diǎn)下車攜帶公交卡的乘客也會(huì)被采集為候車乘客，站點(diǎn)候車乘客較多時(shí)會(huì)出現(xiàn)RFID數(shù)據(jù)碰撞情況，候車時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)RFID數(shù)據(jù)重復(fù)讀取情況。RFID數(shù)據(jù)碰撞和重讀問題可以通過一些算法解決，但是成本就提高了。

文中基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能公交調(diào)度，系統(tǒng)采用RFID技術(shù)對(duì)公交車輛進(jìn)行定位跟蹤，候車乘客在站點(diǎn)的觸摸屏上選擇要乘坐的公交車路次，通過無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)乘客與公交車之間的信息交互。車載子系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)公交車的自動(dòng)定位、自動(dòng)記錄行駛信息、乘客人數(shù)統(tǒng)計(jì)和故障報(bào)警等功能；站臺(tái)子系統(tǒng)可以采集不同路次的候車乘客信息，顯示各車次的動(dòng)態(tài)信息，使出行者能夠通過電子站牌了解車輛的到達(dá)時(shí)刻。Zigbee收發(fā)芯片將采集到的各路次公交車輛信息和各站點(diǎn)候車乘客信息經(jīng)無(wú)線傳感網(wǎng)傳輸給公交調(diào)度管理中心，公交調(diào)度管理中心可以根據(jù)乘客流量和公交車輛信息自適應(yīng)地進(jìn)行公交實(shí)時(shí)調(diào)度和動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)概述

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）是指將具有標(biāo)識(shí)、感知和智能處理能力的各種信息傳感設(shè)備及系統(tǒng)，如傳感器網(wǎng)絡(luò)、射頻標(biāo)簽閱讀裝置、條碼與二維碼設(shè)備、全球定位系統(tǒng)和其它基于物-物通信模式（M2M）[2]的短距無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)，通過各種接入網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來(lái)而形成的一個(gè)巨大智能網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，將任何時(shí)間、任何地點(diǎn)人與人之間的溝通和連接，擴(kuò)展到任何時(shí)間和任何地點(diǎn)人與物、物與物之間的交互和連接。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以為人們提供智能服務(wù)[3-4]，實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別、定位追溯、在線監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制等功能。

物聯(lián)網(wǎng)可分為3層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層由各種傳感器以及傳感器網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，包括傳感器、二維碼標(biāo)簽、RFID標(biāo)簽和讀寫器、攝像頭、GPS等感知終端。感知層的主要功能是識(shí)別物體，采集信息。網(wǎng)絡(luò)層由各種私有網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、有線和無(wú)線通信網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和云計(jì)算平臺(tái)等組成，負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶（包括人、組織和其他系統(tǒng)）的接口，它與行業(yè)需求結(jié)合，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用。

1.2 RFID技術(shù)

射頻識(shí)別 （Radio Frequency Identification）技術(shù)是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它利用射頻信號(hào)和空間耦合（電感和電磁耦合）傳輸特性，在讀卡器和射頻卡之間進(jìn)行無(wú)線雙向通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別[5]。最基本的RFID系統(tǒng)由讀寫器、天線、電子標(biāo)簽3部分組成。RFID采用存儲(chǔ)在電子標(biāo)簽中的唯一的ID標(biāo)識(shí)物體，讀寫器自動(dòng)高速地收集識(shí)別范圍內(nèi)的標(biāo)簽信息數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別物品和收集物品標(biāo)志信息的功能。因此，RFID技術(shù)對(duì)任何移動(dòng)對(duì)象都可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的定位、跟蹤和監(jiān)測(cè)。

1.3 無(wú)線傳感網(wǎng)

無(wú)線傳感網(wǎng)是集計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)、智能計(jì)算、傳感器、嵌入式系統(tǒng)、微電子等多個(gè)領(lǐng)域交叉綜合的新興學(xué)科，它將大量多種類傳感器節(jié)點(diǎn)（傳感、采集、處理、收發(fā)、網(wǎng)絡(luò)于一體）組成自治的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界的動(dòng)態(tài)協(xié)同感知。它能實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)獲得物理世界的傳感信息，并且將相關(guān)信息與通訊主干網(wǎng)融合，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬世界向真實(shí)物理世界的延伸，改變了人類和自然界交互的方式[6]。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于構(gòu)建交通信息系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）無(wú)線傳感器結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、成本較低廉。通過在公交站點(diǎn)添加特定無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，布設(shè)和維護(hù)時(shí)不會(huì)影響車輛的正常行駛，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可傳送公交車輛信息及候車乘客信息；

（2）無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有功耗低、組網(wǎng)能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、可靠性高、分布式等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)大數(shù)量節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)、分布式處理，利用這些特點(diǎn)來(lái)構(gòu)建一個(gè)自組織、開放的系統(tǒng)，更符合公共交通管理的特點(diǎn)；

（3）無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用無(wú)線電波傳送方式，不易受環(huán)境、時(shí)間、天氣等因素的限制，在能見度較低的條件下，也能正常工作。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能公交調(diào)度設(shè)計(jì)

2.1 基于無(wú)線傳感網(wǎng)的公交調(diào)度系統(tǒng)

基于無(wú)線傳感網(wǎng)的智能公交調(diào)度系統(tǒng)由車載子系統(tǒng)、站點(diǎn)子系統(tǒng)、公交車輛管理系統(tǒng)和監(jiān)控調(diào)度中心組成，智能公交調(diào)度系統(tǒng)如圖1所示，由于頁(yè)面的限制，圖中只畫了其中一個(gè)站點(diǎn)。車載子系統(tǒng)將特定的公交車輛信息發(fā)送到停靠的站點(diǎn)，站點(diǎn)子系統(tǒng)采集不同路次的候車乘客數(shù)，公交車輛管理系統(tǒng)對(duì)公交場(chǎng)站車輛進(jìn)行進(jìn)出站記錄、車輛司機(jī)考勤及任務(wù)考核管理。無(wú)線傳感網(wǎng)將采集的公交車輛信息和站點(diǎn)候車乘客數(shù)傳輸?shù)焦槐O(jiān)控調(diào)度中心，監(jiān)控調(diào)度中心將匯集來(lái)的信息進(jìn)行處理和分析，為站點(diǎn)候車乘客發(fā)布實(shí)時(shí)公交車輛信息，確定各公交車輛的具體位置和即將到站時(shí)間，并根據(jù)各路次公交車的候車乘客數(shù)，自適應(yīng)地對(duì)公交車輛進(jìn)行智能調(diào)度及管理，以充分利用有限的交通資源，提高公交車的使用效率。

圖1 智能公交調(diào)度系統(tǒng)圖Fig.1 System figure for intelligent bus scheduling

針對(duì)智能公交調(diào)度系統(tǒng)，采用3層WSN組織結(jié)構(gòu)[7]，第1層為信息采集層，負(fù)責(zé)采集各公交車和各站點(diǎn)候車乘客信息；第2層是控制層，控制各公交車行駛狀態(tài)信號(hào)；第3層是協(xié)調(diào)層，根據(jù)各站點(diǎn)候車乘客數(shù)量協(xié)調(diào)各公交車的調(diào)度。相鄰站點(diǎn)的信息采集節(jié)點(diǎn)組成信息采集層，各站點(diǎn)公交車行駛狀態(tài)信號(hào)控制節(jié)點(diǎn)組成控制層。信息采集層和控制層傳感器節(jié)點(diǎn)自組織成簇：公交車行駛狀態(tài)信號(hào)控制節(jié)點(diǎn)作為簇首，信息采集節(jié)點(diǎn)作為簇成員。簇首將簇內(nèi)信息采集節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，并與相鄰簇首節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信；簇成員節(jié)點(diǎn)采集公交車運(yùn)營(yíng)和站點(diǎn)候車乘客信息。匯聚節(jié)點(diǎn)是從簇首節(jié)點(diǎn)中選取一個(gè)節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)與調(diào)度中心組成協(xié)調(diào)層。匯聚節(jié)點(diǎn)以多跳的方式與各簇首節(jié)點(diǎn)通信，收集各公交車和站點(diǎn)候車乘客信息，將數(shù)據(jù)送到調(diào)度中心，調(diào)度中心進(jìn)行綜合處理，調(diào)度各公交車以適應(yīng)客流變化。

2.2 車載子系統(tǒng)

2.2.1 車載子系統(tǒng)硬件組成

車載子系統(tǒng)由主控微處理器、高頻收發(fā)芯片、無(wú)線接收芯片、語(yǔ)音控制芯片、液晶顯示屏、觸摸屏、存儲(chǔ)器等模塊組成，如圖2所示。

圖2 車載子系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.2 Design of vehicle subsystem

系統(tǒng)上電啟動(dòng)后，首先將會(huì)對(duì)各模塊進(jìn)行初始化，使系統(tǒng)處于接受編碼信號(hào)的等待狀態(tài)；由主控微處理器進(jìn)行控制，實(shí)時(shí)查詢高頻收發(fā)模塊是否接收到相應(yīng)信號(hào)，并隨時(shí)準(zhǔn)備進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作指令的發(fā)出。如果接受到編碼信號(hào)并通過校驗(yàn)后確認(rèn)為正確信號(hào)，則立即做一個(gè)反饋信號(hào)用以應(yīng)答（系統(tǒng)將應(yīng)答信號(hào)設(shè)計(jì)為之前收到的編碼信號(hào)）站臺(tái)子系統(tǒng)，緊接著通過主控微處理器對(duì)接受到的信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算處理，以得到相應(yīng)的信息，并通過串行接口將信息內(nèi)容顯示在司機(jī)操作的觸摸屏A，從而達(dá)到讓司機(jī)知曉前方接近站點(diǎn)及站點(diǎn)候車乘客數(shù)。

2.2.2 基于RFID的公交車輛監(jiān)控

現(xiàn)有的智能公交服務(wù)系統(tǒng)絕大部分采用了GPS定位技術(shù)監(jiān)控公交車，GPS只具有定位測(cè)速等功能，不能完成數(shù)據(jù)通信，還要增加GPRS或GSM等數(shù)據(jù)通信模塊[8]，由于城市中公交車數(shù)量多，采用GPS技術(shù)在硬件上加大了成本投入，限制其使用范圍。另外，GPS還存在處理能力有限、后期費(fèi)用高等方面的不足，碰到高層建筑密集的路段時(shí)信號(hào)衰減嚴(yán)重，車載系統(tǒng)將無(wú)法發(fā)送定位信息，從而影響后臺(tái)調(diào)度中心的監(jiān)控及后續(xù)電子站牌的顯示，對(duì)調(diào)度人員和出行乘客造成干擾，而且目前國(guó)內(nèi)公交GPS車載機(jī)采用核心定位模塊技術(shù)全部來(lái)自國(guó)外，隨著GPS應(yīng)用的廣泛和深入，對(duì)國(guó)外技術(shù)的依賴也越大。針對(duì)上述GPS技術(shù)存在的不足和智能公交系統(tǒng)中不完善之處，文中提出采用基于RFID技術(shù)進(jìn)行公交車輛監(jiān)控。

系統(tǒng)基于RFID技術(shù)自動(dòng)采集車輛的行駛狀況信息，在各站點(diǎn)安裝RFID閱讀器，在公交車上貼上RFID標(biāo)簽，當(dāng)公交車接近站點(diǎn)時(shí)，閱讀器就可以讀取相應(yīng)公交車的數(shù)據(jù)，然后微波傳感器采集公交車的交通參數(shù)，公交車交通信息檢測(cè)的具體方法已在文獻(xiàn)[9-10]中進(jìn)行了論述。有些馬路比較狹窄，兩側(cè)鄰近的站點(diǎn)有可能都采集了某輛公交車行駛的信息，可以通過車輛的行駛方向進(jìn)行判斷正確的站點(diǎn)。無(wú)線收發(fā)器可以實(shí)時(shí)地接收來(lái)自公交調(diào)度管理中心的信息，或發(fā)送各公交車相關(guān)的動(dòng)態(tài)信息到公交調(diào)度管理中心，從而實(shí)現(xiàn)信息的交互，使公交調(diào)度管理中心能實(shí)時(shí)掌握每一輛公交車的動(dòng)態(tài)信息，為公交公司進(jìn)行合理有效的調(diào)度奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

在接近站點(diǎn)時(shí)，無(wú)線數(shù)據(jù)接收機(jī)將接受到的地理信息信號(hào)交給主控微處理器進(jìn)行分析處理，得出相應(yīng)的反應(yīng)信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)串行接口到達(dá)音頻控制芯片，芯片根據(jù)信號(hào)驅(qū)動(dòng)音頻驅(qū)動(dòng)程序，通過外置語(yǔ)音輸出喇叭實(shí)現(xiàn)自動(dòng)語(yǔ)音報(bào)站和溫馨提示。同時(shí)，液晶顯示系統(tǒng)芯片對(duì)經(jīng)主控微處理器傳輸過來(lái)的信號(hào)進(jìn)行處理，驅(qū)動(dòng)顯示驅(qū)動(dòng)程序，在屏幕上顯示出相應(yīng)站點(diǎn)的名稱和圖片，以及簡(jiǎn)單的滾動(dòng)提示語(yǔ)，同時(shí)也可以播放一些宣傳性的標(biāo)語(yǔ)、公益性廣告、線路上臨近的景點(diǎn)信息。在某些節(jié)假日時(shí)，可以融入節(jié)日元素，增加乘客的娛樂性。

另外，本設(shè)計(jì)在其觸手可及的地方安裝觸摸屏A，當(dāng)乘客上車投幣或刷卡后，在觸摸屏上選擇目的站點(diǎn)。車次、路線、站點(diǎn)內(nèi)容編碼可由相應(yīng)存儲(chǔ)器將編碼交給芯片處理后將具體信息顯示在觸摸屏上，具體信息包括該路車的所有站點(diǎn)和行進(jìn)路線，便于乘客直觀的了解和選擇目的站點(diǎn)。乘客選擇完目的站點(diǎn)后將由顯示芯片驅(qū)動(dòng)顯示驅(qū)動(dòng)程序，將乘客選擇的數(shù)據(jù)信息顯示到司機(jī)的液晶顯示屏上，使司機(jī)能了解到車上乘客人數(shù)情況。

2.3 站臺(tái)子系統(tǒng)

一個(gè)城市公共交通中，公交線路較多，每個(gè)線路的公交車輛也多，每個(gè)站點(diǎn)一般會(huì)有幾條線路的公交車?？浚虼藢⒚總€(gè)公交站點(diǎn)作為無(wú)線傳感網(wǎng)的采集節(jié)點(diǎn)，采集公交車輛行駛的動(dòng)態(tài)信息和各路次候車乘客數(shù)，可以節(jié)約大量的成本，而且公交站點(diǎn)是基礎(chǔ)設(shè)施，變化不大，只會(huì)因站點(diǎn)的擴(kuò)展而增加建設(shè)成本，而不會(huì)因站點(diǎn)變化而增加維護(hù)成本。

站臺(tái)子系統(tǒng)由主控微處理器、高頻收發(fā)芯片、顯示控制芯片、存儲(chǔ)器和觸摸屏等模塊構(gòu)成。我們將經(jīng)過站臺(tái)的車次以編碼的形式存入微處理器的存儲(chǔ)器中，當(dāng)乘客來(lái)到站臺(tái)時(shí)，可通過觸摸屏B選擇所需乘坐的車次，主控微處理器將讀取車次編碼存儲(chǔ)器中的編碼并進(jìn)行分析處理，分析處理完成后，將數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)無(wú)線傳感網(wǎng)傳輸?shù)焦槐O(jiān)控調(diào)度中心，主控微處理器驅(qū)動(dòng)高頻收發(fā)芯片將該車次的相應(yīng)數(shù)據(jù)信號(hào)在可傳輸?shù)姆秶鷥?nèi)進(jìn)行不間斷的釋放，監(jiān)控調(diào)度中心統(tǒng)計(jì)某路次公交的候車乘客數(shù)并對(duì)公交車輛進(jìn)行調(diào)度；當(dāng)相應(yīng)車次進(jìn)入無(wú)線信號(hào)范圍內(nèi)時(shí)，該車次在接受并校驗(yàn)了信息后，車載子系統(tǒng)會(huì)反饋相應(yīng)的數(shù)據(jù)信號(hào)給站臺(tái)子系統(tǒng)，并通過顯示控制裝置消去該車次已有預(yù)到站時(shí)間，使其重新還原成初始化狀態(tài)，并在顯示屏上顯示出某路公交車即將到站的時(shí)間提示信息。

3 結(jié) 論

公交車智能調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了公交車、站臺(tái)與候車乘客之間的信息交互，使監(jiān)控調(diào)度中心能夠及時(shí)掌握公交車的行駛信息和站點(diǎn)候車乘客情況，根據(jù)候車乘客數(shù)自適應(yīng)地進(jìn)行公交車輛調(diào)度，可以滿足市民的出行需求，讓公交運(yùn)營(yíng)走向進(jìn)一步的高效化、和諧化、綠色化。

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