智能公交系統(tǒng)電子站牌的研究與設(shè)計(jì)

文雄軍,劉樹(shù)錕,廖曙光

(1.湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院計(jì)算機(jī)教學(xué)部，中國(guó) 長(zhǎng)沙 410205；2.湖南長(zhǎng)沙凌發(fā)有限公司，中國(guó) 長(zhǎng)沙 410004)

智能公交系統(tǒng)是在公交終端通過(guò)GPS(Global Positioning System)定位，公交終端定時(shí)向調(diào)度中心發(fā)送定位信息，調(diào)度中心接收到相關(guān)信息再分發(fā)給電子站牌，電子站牌收到信息之后及時(shí)更新顯示，顯示經(jīng)過(guò)本站臺(tái)各路車(chē)輛離站的距離，及時(shí)進(jìn)行預(yù)報(bào)等服務(wù)，因此電子站牌的服務(wù)是面向外出市民候車(chē)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)．

現(xiàn)在電子站牌并沒(méi)有普及到每個(gè)城市，即使有的城市已經(jīng)運(yùn)行，試行的結(jié)果并不很理想[1]，電子站牌的服務(wù)沒(méi)有全面考慮到市民乘車(chē)的各項(xiàng)需求，存在設(shè)計(jì)不合理，顯示內(nèi)容不正常，錯(cuò)誤顯示或者干脆不顯示等問(wèn)題，由于通信中斷、數(shù)據(jù)丟失或電源切斷等原因?qū)е码娮诱九茻o(wú)法正確更新[2]．

本文設(shè)計(jì)除采納正常的硬件設(shè)施外，還采用了低成本且有效的手段來(lái)保障電子站牌的正常工作，如增加藍(lán)牙模塊等硬件補(bǔ)償；研究并優(yōu)化了電子站牌報(bào)站的算法；當(dāng)信息包丟失時(shí)會(huì)致使電子站牌顯示異常，提供了有效的補(bǔ)償方案，從而達(dá)到電子站牌較為完善的服務(wù)．

1 電子站牌概述

公交監(jiān)控調(diào)度中心或線路調(diào)度中心(以下總稱為調(diào)度中心)收到公交車(chē)載的定位等信息，然后進(jìn)行有效的采集、處理，處理后的數(shù)據(jù)包括公共信息(廣告，交通順暢擁塞狀態(tài)等)，調(diào)度信息，控制信息，線路信息(車(chē)輛定位信息)等，以無(wú)線通信方式發(fā)送到電子站牌，電子站牌進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理和動(dòng)態(tài)發(fā)布車(chē)輛離站到站情況．

電子站牌收到信息向調(diào)度中心返回確認(rèn)信息，并向調(diào)度中心匯報(bào)自己的工作狀態(tài)和自檢文件，用于調(diào)度中心及時(shí)進(jìn)行設(shè)備監(jiān)控．

根據(jù)日常需要，電子站牌分總站電子站牌和中途站電子站牌2類，中途站電子站牌也即平時(shí)公交途經(jīng)的各站，最主要的功能是動(dòng)態(tài)顯示信息，同一路線車(chē)有很多車(chē)，在所有路線中預(yù)報(bào)離本站最近的公交車(chē)的車(chē)距，即預(yù)報(bào)距離和時(shí)間，例如“902路車(chē)離本站800米，預(yù)計(jì)4分鐘到達(dá)”，在總站電子站牌主要顯示收發(fā)車(chē)信息，它需要語(yǔ)音提示[3]．

2 電子站牌的設(shè)計(jì)構(gòu)成

常見(jiàn)的電子站牌主要由通信模塊、顯示模塊、主單元處理器MCU、外圍設(shè)備控制(供電、語(yǔ)音播放接口、傳感器、散熱)組成[4]，由單片微處理器MCU統(tǒng)一協(xié)調(diào)各部分工作，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示．

圖1 電子站牌硬件組成圖

2.1 通信部分

通信模塊由GPRS、單片機(jī)系統(tǒng)和外部接口組成，負(fù)責(zé)無(wú)線通信．通信方式設(shè)置為CDMA 1X/GSM(支持GPRS);通信天線接口設(shè)置SMA/SMB;通信天線阻抗設(shè)置50 Ω;外部擴(kuò)展接口設(shè)置為EIA RS-232/485[3]，通信模塊可以采用SIMCOM公司的SIM100．

當(dāng)電子站牌與調(diào)度中心通信中斷時(shí)，原有的自動(dòng)預(yù)報(bào)功能失效，在設(shè)計(jì)通信部份添加藍(lán)牙模塊，電子站牌可以通過(guò)藍(lán)牙功能與附近公交車(chē)輛傳送信息包，還有相鄰的電子站牌也可以進(jìn)行相互的信息發(fā)送，只需要各電子站牌及公交終端開(kāi)放藍(lán)牙功能，成本低故可采納．

2.2 主單元MCU

主單元MCU(Main Control Unit)采用高檔耐用快速的單片機(jī)微處理器，接收通信模塊發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，根據(jù)事先設(shè)置好的站牌ID號(hào)判斷有效信息，保留本站相關(guān)信息，然后進(jìn)行處理，將顯示數(shù)據(jù)發(fā)送到相應(yīng)的顯示器，對(duì)站牌的工作進(jìn)行統(tǒng)一控制．

MCU要支持LCD模塊，LED模塊和控制臺(tái)的連接[1]，故電路板上需要5～6個(gè)以上串口，應(yīng)采用帶雙串口的支持MCS-51指令集的80C52封裝系列單片機(jī)．主要完成配置信息的輸入和儲(chǔ)存、LCD/LED模塊的顯示控制、系統(tǒng)控制和可選的語(yǔ)音報(bào)站功能，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)站牌各功能模塊正常工作．在此建議采用華邦的W77IE58P控制芯片，電路圖及參數(shù)略．

2.3 顯示部分

電子站牌最主要也是乘客直觀感覺(jué)到的任務(wù)是顯示，常見(jiàn)的“閃爍”模式用來(lái)突出顯示車(chē)輛正在本站中，公交車(chē)線路在某站時(shí)表示燈閃爍[5]，經(jīng)過(guò)的站表示灰色，前向的站顯示其他色如原來(lái)的黑色．

2.4 電源及其外圍設(shè)備

內(nèi)部供電模塊包含一塊開(kāi)關(guān)電源模塊，將正常用電轉(zhuǎn)換為站牌各部分需要的不同電壓．

現(xiàn)有電子照牌存在有顯示字體及明度不合理，導(dǎo)致市民看不清楚．因此這里設(shè)計(jì)了傳感器，一方面用來(lái)采集站內(nèi)的照度，根據(jù)照明度分不同情況調(diào)節(jié)顯示的照明度，如白天晚上不同，另一方面采集溫度，MCU根據(jù)采集到的溫度用以調(diào)節(jié)散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速及開(kāi)關(guān)[6]．

站牌內(nèi)應(yīng)該安裝防雷模塊，有效防止雷電對(duì)電子站牌的影響．為了防止意外斷電，站牌結(jié)構(gòu)內(nèi)部要設(shè)置備用電源．

2.5 語(yǔ)音播放接口

一般情況可只在總站電子站牌設(shè)語(yǔ)音播放，它可用于在發(fā)車(chē)前提醒乘客上車(chē)和駕駛員按時(shí)到位；采用的ISD4004芯片是錄音回放型．

以上實(shí)現(xiàn)了電子站牌主要硬件部份的設(shè)計(jì)，考慮了常見(jiàn)硬件的便利性、擴(kuò)展性，還有出現(xiàn)故障情況采用全方位的設(shè)計(jì)，如電源要備用，通信部份增加藍(lán)牙模塊，外圍增加傳感器，以更好的服務(wù)市民出發(fā)提出了最優(yōu)的設(shè)計(jì)，電子站牌外部屏體的設(shè)計(jì)在此不作說(shuō)明．

3 電子站牌預(yù)報(bào)站的優(yōu)化設(shè)計(jì)

電子站牌的服務(wù)直接面向廣大市民，其正確性和準(zhǔn)確性直接影響到城市服務(wù)水平，為市民出行方便也是極為重要的，因此它的預(yù)報(bào)服務(wù)尤為重要．中途站電子站牌上方滾動(dòng)字幕顯示最近一班車(chē)到本站的距離，下面顯示其他車(chē)輛到站的距離及預(yù)計(jì)到站的時(shí)間，也即后面所說(shuō)的時(shí)間預(yù)報(bào)和距離預(yù)報(bào)．

圖2 電子站牌距離預(yù)報(bào)獲取距離流程圖

傳統(tǒng)的算法沿線路的軌跡根據(jù)車(chē)輛和車(chē)站的經(jīng)緯度的差，計(jì)算出車(chē)輛距離站牌的距離[7]，計(jì)算結(jié)果少于預(yù)報(bào)距離開(kāi)始進(jìn)行預(yù)報(bào)，其中的報(bào)站功能與以往研究過(guò)的車(chē)輛自動(dòng)報(bào)站器有些類似，在此不再重復(fù)設(shè)計(jì)．如果電子站牌的報(bào)站與車(chē)輛終端的報(bào)站名不同，也可以通過(guò)藍(lán)牙模塊與車(chē)載終端聯(lián)系予以糾正．

在此種傳統(tǒng)距離預(yù)報(bào)中，電子站牌收到車(chē)輛信息不停的與現(xiàn)有的站臺(tái)位置計(jì)算距離，不停的反復(fù)計(jì)算造成其他工作的滯后，也是沒(méi)有必要的，為避免系統(tǒng)在每次收到車(chē)載終端的數(shù)據(jù)后均要做同樣重復(fù)的計(jì)算，系統(tǒng)預(yù)先對(duì)線路沿線雙方向進(jìn)行密集采樣，如例如近距離每隔30米取1點(diǎn)，距離站牌愈遠(yuǎn)愈可以拉大采樣距離，離站較遠(yuǎn)的預(yù)報(bào)允許存在的誤差可比離站臺(tái)近的車(chē)誤差大，預(yù)先計(jì)算好距離存儲(chǔ)，儲(chǔ)存數(shù)據(jù)包括計(jì)算該點(diǎn)至線路起點(diǎn)的距離、前方最近車(chē)站ID、以及到前方最近車(chē)站的距離．每次收到車(chē)載終端的數(shù)據(jù)，只要判斷車(chē)輛當(dāng)前位置與哪個(gè)采樣點(diǎn)最接近，然后直接利用該采樣點(diǎn)的距離數(shù)據(jù)即可．采樣點(diǎn)與站臺(tái)的距離已經(jīng)存儲(chǔ)，所以無(wú)須重復(fù)計(jì)算，減少了電子站牌的負(fù)擔(dān)．

實(shí)際也證明了，用采樣點(diǎn)的方法大大加快了電子站牌的工作效率，也是合理有效的一種算法.車(chē)輛是否處在營(yíng)運(yùn)狀態(tài)，是上行還是下行方向、普車(chē)還是快車(chē)等對(duì)計(jì)算結(jié)果均取決定性作用，因?yàn)榭燔?chē)要增加采樣點(diǎn)，慢車(chē)可以相對(duì)小一些，圖2為處理的流程圖．

4 數(shù)據(jù)丟失時(shí)的預(yù)報(bào)補(bǔ)償設(shè)計(jì)

實(shí)際情況中，不論電子站牌采用什么通信方式，在傳送過(guò)程中通信中斷也是不可避免的，采用什么來(lái)定位實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)站，數(shù)據(jù)丟失的情況時(shí)有發(fā)生，城市中高樓建筑物的遮擋，都會(huì)增加GPS數(shù)據(jù)包丟失的可能性，在這些情況下要通過(guò)補(bǔ)償算法來(lái)進(jìn)行距離預(yù)報(bào)．

以往通用的補(bǔ)償方案是通過(guò)丟失前的平均速度及慣性來(lái)計(jì)算，存在一些不合理，因?yàn)檐?chē)速與路況、天氣、節(jié)日和上下班高峰時(shí)間段有關(guān)，進(jìn)行到站時(shí)間的預(yù)報(bào)時(shí)間不管信號(hào)丟不丟失，都應(yīng)考慮車(chē)輛在不同時(shí)段、不同路段的經(jīng)驗(yàn)速度分布，預(yù)報(bào)的時(shí)間為距離除以速度．

4.1 經(jīng)驗(yàn)速度

圖3 經(jīng)驗(yàn)速度概率分布圖

經(jīng)驗(yàn)速度是根據(jù)大量車(chē)輛在同一個(gè)時(shí)間段“習(xí)慣經(jīng)驗(yàn)”速度來(lái)進(jìn)行總結(jié)計(jì)算，根據(jù)車(chē)輛到前方最近車(chē)站的距離，從而也得出到站的時(shí)間，需要知道此時(shí)間段車(chē)輛在該路段的速度.速度通常在路段上是連續(xù)變化的，數(shù)據(jù)丟失距離也需要預(yù)測(cè)，為此在路段上設(shè)置采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)并不是均勻分布的，而是按照道路交通狀況特點(diǎn)相同的路段歸結(jié)為一個(gè)采樣段，以不同車(chē)輛在每天同一時(shí)刻經(jīng)過(guò)該采樣段的最大似然速度作為“經(jīng)驗(yàn)速度”[8]．

由于車(chē)輛在每天同一時(shí)刻經(jīng)過(guò)特定采樣段的速度并非正態(tài)分布，而傾向于泊松分布，故經(jīng)驗(yàn)速度并非算術(shù)平均速度，而應(yīng)計(jì)算大量車(chē)輛按某一特定概率(例如95%)的最大似然速度[9]，經(jīng)驗(yàn)速度概率分布如圖3所示．

計(jì)算經(jīng)驗(yàn)速度是一個(gè)動(dòng)態(tài)的不斷進(jìn)行的過(guò)程，系統(tǒng)會(huì)在設(shè)定的運(yùn)行周期內(nèi)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)不斷更新各采樣段的經(jīng)驗(yàn)速度．

4.2 經(jīng)驗(yàn)速度分布

經(jīng)驗(yàn)速度是大量車(chē)輛在每日同一時(shí)間經(jīng)過(guò)同一采樣段的最大似然速度，在1天的時(shí)間內(nèi)在不同的采樣段具有某種分布[10]．如圖4所示的三維圖，其X、Y、Z軸分別為時(shí)間、各采樣段的經(jīng)驗(yàn)速度、沿線路連續(xù)排列的不同的采樣段.

圖4 經(jīng)驗(yàn)速度沿采樣段和時(shí)間的分布圖

上面充分考慮了上下班高峰時(shí)段比如車(chē)流擁擠、緩慢，而不按照以往所研究的慣性或平均速度來(lái)推算，因?yàn)檐?chē)輛的速度與節(jié)日，每天的時(shí)間段，路況有很大關(guān)系，車(chē)流量高低峰到來(lái)的時(shí)間不盡相同，相鄰采樣段具有某種時(shí)間上的繼承性等特點(diǎn)．

總站電子站牌預(yù)報(bào)中另外還有一種簡(jiǎn)單易行的方法，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)時(shí)間來(lái)預(yù)報(bào)，同輛車(chē)不同天同一時(shí)刻的位置，算出一個(gè)月或是一個(gè)星期在某瞬間的經(jīng)驗(yàn)位置，比如18路車(chē)在下午5點(diǎn)1分左右來(lái)到本站，除掉特殊節(jié)日，所有的車(chē)輛按照以往的經(jīng)驗(yàn)位置播報(bào)．但實(shí)際這種方法存在的誤差相當(dāng)大，因?yàn)檐?chē)輛多，運(yùn)行路況也復(fù)雜，但這種算法可用于總站站牌的時(shí)間距離預(yù)報(bào)．

4.3 基于經(jīng)驗(yàn)速度分布的距離預(yù)報(bào)和時(shí)間預(yù)報(bào)

4.3.1 距離預(yù)報(bào) 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)速度的分布，系統(tǒng)可以在丟失車(chē)輛定位數(shù)據(jù)時(shí)(例如在20 s以上沒(méi)有收到同一車(chē)輛的定位數(shù)據(jù))，在一定的時(shí)間范圍內(nèi)(例如一個(gè)單程時(shí)間內(nèi)，車(chē)輛到達(dá)線路終點(diǎn)之前)，根據(jù)車(chē)輛最近一次定位數(shù)據(jù)和沿線的經(jīng)驗(yàn)速度，預(yù)測(cè)車(chē)輛的當(dāng)前位置，從而實(shí)現(xiàn)距離預(yù)報(bào)．比如預(yù)報(bào)某車(chē)離本站還有多少距離．

4.3.2 時(shí)間預(yù)報(bào) 時(shí)間預(yù)報(bào)即預(yù)計(jì)某車(chē)多久到達(dá)本站，即使當(dāng)信號(hào)存在，也必須依賴于經(jīng)驗(yàn)速度的分布，這一轉(zhuǎn)換按照各采樣段的經(jīng)驗(yàn)速度，根據(jù)采樣段的長(zhǎng)度計(jì)算出車(chē)輛經(jīng)過(guò)各采樣段的經(jīng)驗(yàn)時(shí)間，對(duì)沿線各采樣段經(jīng)驗(yàn)時(shí)間進(jìn)行累加，即可得到車(chē)輛經(jīng)過(guò)特定長(zhǎng)度路段所需要的時(shí)間．

綜上所述，當(dāng)信號(hào)丟失，經(jīng)驗(yàn)速度又作為距離預(yù)報(bào)的一大重要元素，基于經(jīng)驗(yàn)速度的預(yù)報(bào)提高了電子站牌預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性．

5 結(jié)論

本文在電子站牌設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮了服務(wù)的周全性，硬件采用藍(lán)牙作為輔助通信模塊等優(yōu)化設(shè)計(jì)，將距離預(yù)報(bào)算法進(jìn)行了優(yōu)化，提出了以經(jīng)驗(yàn)速度來(lái)作為定位補(bǔ)償算法和時(shí)間預(yù)報(bào)的依據(jù)，從而更加完善電子站牌的全面服務(wù)，經(jīng)驗(yàn)位置，經(jīng)驗(yàn)時(shí)間的提出，優(yōu)化了電子站牌進(jìn)行距離預(yù)報(bào)，時(shí)間預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率與效率．電子站牌綜合性系統(tǒng)除預(yù)報(bào)系統(tǒng)外,還有導(dǎo)乘系統(tǒng)(交互式的應(yīng)用系統(tǒng)如地鐵導(dǎo)乘系統(tǒng))、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、多媒體信息一系列綜合性系統(tǒng)[11]，將是我們后續(xù)研究的課題．

參考文獻(xiàn)：

[1] 康行遠(yuǎn),高惠群.市區(qū)城鄉(xiāng)公交將安裝車(chē)載監(jiān)控[N].嘉興日?qǐng)?bào), 2011-10-5(2).

[2] 文雄軍.基于GPS定位的智能公交服務(wù)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué), 2007:13-18,64-69.

[3] 楊 光.基于GPRS/GPS/GIS/Zigbee的智能公交系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 微型機(jī)與應(yīng)用, 2011(18):228-229.

[4] 張志偉.基于嵌入式的車(chē)載監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：西南交通大學(xué), 2011:29-30.

[5] HSIAO H T, CHANG H T. Algorithm design for long-term GPS satellite orbit prediction[C]//Proceedings of the 2011 Chinese Control and Decision Conference(CCDC).Shanghai: Shanghai Jiaotong University, 2011:58-60.

[6] 劉竑冶.大城市基于軌道交通的停車(chē)換乘系統(tǒng)研究[D].長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué), 2009:18.

[7] 陳國(guó)俊.基于AVL的公共汽車(chē)到站信息服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].城市交通, 2012(2):38.

[8] 周 理.基于S3C2416 的公交電子站牌系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].世界科技研究與發(fā)展, 2012,34(1):18.

[9] 文雄軍.公交車(chē)自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)的研究[J].湖南經(jīng)濟(jì)干部管理學(xué)院學(xué)報(bào), 2007,3(2):160-162.

[10] 徐龍芳.基于GPS和GPRS技術(shù)的多功能車(chē)載終端的硬件實(shí)現(xiàn)和關(guān)鍵技術(shù)研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué), 2011:58.

[11] 陳遠(yuǎn)鴻.GPS接收機(jī)天線增益特性研究[C]//廣東省測(cè)繪學(xué)會(huì)第九次會(huì)員代表大會(huì)暨學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集.深圳：深圳市勘察研究院， 2010:29-30.