基于GPS的公交車智能調(diào)度與位置發(fā)布系統(tǒng)

田紅彬，吉煒寰

（河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，河南 鄭州 450046）

隨著我國(guó)城市建設(shè)的飛速發(fā)展，交通問(wèn)題日益嚴(yán)重，已經(jīng)成為城市交通管理部門(mén)需要面對(duì)的重要課題，大力發(fā)展公交車，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和智能化城市交通管理，提高公交車運(yùn)營(yíng)管理效率和社會(huì)服務(wù)水平是改善城市交通的戰(zhàn)略選擇。目前很多乘客在站臺(tái)等車的時(shí)候，不知道下一趟車在什么位置或者到達(dá)本站需要多長(zhǎng)時(shí)間[1-2]。因此，車輛的準(zhǔn)確定位是整個(gè)公交車智能化管理系統(tǒng)的核心問(wèn)題。

為了實(shí)時(shí)掌握城市中所有公交車輛的運(yùn)行情況，增加調(diào)度能力，提高為乘客的服務(wù)質(zhì)量，設(shè)計(jì)了基于GPS的公交車智能調(diào)度與位置發(fā)布系統(tǒng)，通過(guò)車載定位終端實(shí)時(shí)獲取位置信息并發(fā)送到調(diào)度中心進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，電子站牌再?gòu)恼{(diào)度中心搜尋自己需要的車輛信息，把屬于途徑本站的所有車輛位置直觀顯示在LED上，乘客就會(huì)提前知道自己要乘坐的公交車即將到站時(shí)間，同時(shí)調(diào)度中心還可以向各終端廣播文本廣告或者即時(shí)消息，為廣大群眾出行提供便利。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于GPS的公交車智能調(diào)度與位置發(fā)布系統(tǒng)是將電子、控制、計(jì)算機(jī)和無(wú)線通信等技術(shù)集中運(yùn)用于公共交通系統(tǒng)，利用全球定位系統(tǒng)獲取公交車所處的位置信息，并進(jìn)行位置提前預(yù)報(bào)服務(wù)，改變了舊的服務(wù)模式，建立了全新的服務(wù)體系，不但為乘客提高了服務(wù)質(zhì)量，也改變了自己的運(yùn)營(yíng)管理模式，提高了工作效率[3]。

基于GPS的公交車智能調(diào)度與位置發(fā)布系統(tǒng)主要由調(diào)度中心、車載定位終端子系統(tǒng)和電子站牌子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，調(diào)度中心作為服務(wù)器端處于在線狀態(tài)，等待作為客戶端的電子站牌和車載定位終端連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

公交車輛得到的定位數(shù)據(jù)必須實(shí)時(shí)傳送至調(diào)度中心進(jìn)行處理，且站牌為了實(shí)時(shí)發(fā)布即時(shí)數(shù)據(jù)也需要建立與調(diào)度中心的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接。雖然單個(gè)車載定位終端和電子站牌終端所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，但是由于終端數(shù)量多，所以數(shù)據(jù)匯集到調(diào)度中心的數(shù)據(jù)就大得多。為此，電子車牌和車載定位終端上采用了GPRS的無(wú)線通信方式，在調(diào)度中心采用了光纖數(shù)據(jù)專網(wǎng)，能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源是車載定位終端，車載定位終端將GPS信息發(fā)送至調(diào)度中心，調(diào)度中心經(jīng)過(guò)處理后將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，電子站牌每隔設(shè)定的周期鐘讀取調(diào)度中心相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并刷新LED顯示屏和LED燈組，提前告知乘客所要乘坐車輛的具體位置信息；車載定位終端具有顯示所屬線路上的所有公交車位置信息，通過(guò)控制速度可使線路上的公交車均勻分布，提高了運(yùn)載效率，實(shí)現(xiàn)了智能調(diào)度的作用；同時(shí)，調(diào)度中心具有發(fā)布消息的功能，可將即時(shí)消息，如天氣、廣告和出行等消息發(fā)布到電子站牌的LED顯示屏上[4]。

2 車載定位終端和站牌終端設(shè)計(jì)

2.1 車載定位終端

車輛的準(zhǔn)確定位是整個(gè)智能化管理系統(tǒng)的核心問(wèn)題，車載定位終端主要實(shí)現(xiàn)公交車GPS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的獲取和發(fā)送，并通過(guò)車廂內(nèi)的LED向車內(nèi)乘客自動(dòng)發(fā)布到站信息。

2.1.1 硬件結(jié)構(gòu)

車載定位終端主要由嵌入式處理器S3C2440、GPRS模塊、LED顯示屏、GPS模塊、SIM卡和電源管理單元等組成，車載定位終端結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 車載定位終端硬件結(jié)構(gòu)

車載定位終端利用GPS模塊獲取公交車的實(shí)時(shí)位置信息，嵌入式處理器S3C2440通過(guò)串口接收從GPS模塊輸出的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理后得到經(jīng)緯度、速度、運(yùn)動(dòng)方向和時(shí)間等信息，為了保證能有效地搜索到定位衛(wèi)星，采用了GPS外置天線。GPRS模塊需要放置一張開(kāi)通GPRS服務(wù)的SIM卡，且使其具有一定的余額。LCD顯示屏用來(lái)顯示操控界面，司機(jī)可以直觀看到所屬線路上所有車輛的位置信息，以便進(jìn)行車速控制，使車輛均勻分布在該線路上；由于車內(nèi)嘈雜，聲音報(bào)站有時(shí)乘客聽(tīng)不到，LED顯示屏用來(lái)向車內(nèi)乘客顯示到站信息，聲光并用提高服務(wù)質(zhì)量；設(shè)備的電源是由12 V車載蓄電池提供的，經(jīng)過(guò)電壓轉(zhuǎn)化變成5 V，3.3 V和1.8 V供各個(gè)模塊使用。

2.1.2 車載定位終端軟件設(shè)計(jì)

Embedded Visual CE 4.0是基于WinCE 5.0平臺(tái)下嵌入式操作系統(tǒng)定制的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，它提供了所有進(jìn)行設(shè)計(jì)、創(chuàng)建、編譯、測(cè)試和遠(yuǎn)程調(diào)試應(yīng)用程序等功能[5]。應(yīng)用軟件就是在WinCE 5.0嵌入式操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行車輛的實(shí)時(shí)定位和數(shù)據(jù)通信等工作，并提供了一個(gè)友好的人機(jī)界面。車輛定位器的軟件工作流程圖如圖3所示。

圖3 車載定位終端軟件工作流程

車載定位終端上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括對(duì)處理器、GPS模塊、GPRS模塊和LCD控制器的工作方式和參數(shù)進(jìn)行初始化，然后主動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)連接，網(wǎng)絡(luò)連接包括三部分：1）GPS搜索衛(wèi)星信號(hào)，待與至少4顆衛(wèi)星連接后，方可輸出定位信息，衛(wèi)星越多精度越高；2）通過(guò)向GPRS模塊發(fā)送AT控制指令接入GPRS網(wǎng)絡(luò)；3）建立與調(diào)度中心的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接，并保持在線狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)建立后，接收GPS數(shù)據(jù)，并檢測(cè)是否收到來(lái)自調(diào)度中心的文本消息，如果有就調(diào)用相關(guān)子函數(shù)進(jìn)行處理，將文本顯示在車內(nèi)的LED顯示屏上，如果沒(méi)有就直接將車輛ID和GPS數(shù)據(jù)打包上傳到調(diào)度中心進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，根據(jù)設(shè)置延時(shí)n秒后，再回到循環(huán)函數(shù)的入口。

2.2 電子站牌

電子站牌有兩個(gè)功能：1）顯示經(jīng)由此站每條公交線路上公交車的位置；2）廣播從調(diào)度中心發(fā)來(lái)的即時(shí)消息。電子站牌的硬件主要由處理器LPC2129、LED顯示屏、多個(gè)LED燈組、GPRS模塊、SIM卡和太陽(yáng)能供電模塊等組成，電子站牌硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。LED顯示屏用來(lái)廣播天氣、廣告和緊急即時(shí)消息；LED燈組中的燈代表公交線路中的?？空?，閃亮的LED燈表示有公交車，同一條線路中會(huì)有多個(gè)閃亮的燈[6]。

圖4 站牌硬件結(jié)構(gòu)

車載定位終端采用嵌入式處理器LPC2129作為控制核心，協(xié)調(diào)各模塊的工作，與調(diào)度中心的服務(wù)器建立TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，根據(jù)設(shè)置電子站牌每隔一個(gè)周期向調(diào)度中心獲取一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括途徑此站且在線的公交車位置信息和調(diào)度中心要發(fā)布的文本即時(shí)消息，經(jīng)過(guò)處理后將此時(shí)所有車輛的位置信息更新在相應(yīng)的LED燈組成，并刷新LED顯示屏上的文本信息。由于站牌都處在公路的兩側(cè)，單獨(dú)供電線路成本高，而且還占用原本擁擠的道路空間，故在設(shè)計(jì)中采用了太陽(yáng)能電池板供電的方式，白天陽(yáng)光充足的時(shí)候太陽(yáng)能電池板給蓄電池充電，夜間利用蓄電池給電子站牌供電，當(dāng)所有車輛都停運(yùn)的時(shí)候，處理器LPC2129會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)與各模塊的連接，并進(jìn)入睡眠模式，使功耗降到最低。

3 調(diào)度中心管理軟件與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 調(diào)度中心管理軟件

調(diào)度中心管理軟件在VC++6.0環(huán)境下開(kāi)發(fā)而成，主要由網(wǎng)絡(luò)管理、信息錄入、軟件升級(jí)、系統(tǒng)配置、調(diào)度運(yùn)算、權(quán)限管理、調(diào)度執(zhí)行、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、信息發(fā)布、監(jiān)視屏幕和報(bào)表打印等功能模塊組成，調(diào)度中心軟件功能結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 調(diào)度中心軟件功能

公交車智能調(diào)度管理中心負(fù)責(zé)所有車輛的實(shí)時(shí)GPS數(shù)據(jù)采集、處理與存儲(chǔ)，也為電子站牌子系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)通信、轉(zhuǎn)發(fā)與儲(chǔ)存服務(wù)，系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)專線網(wǎng)絡(luò)連接Internet。其主要功能包括：接收公交車載定位終端發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理與過(guò)濾后根據(jù)需要轉(zhuǎn)發(fā)給電子站牌子系統(tǒng)，支持各調(diào)度站的數(shù)據(jù)備份、軟件升級(jí)和信息錄入等系統(tǒng)輔助功能[7]。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的功能進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，共設(shè)置了12個(gè)停靠站，整條線路運(yùn)行3輛車，公交車上的司機(jī)通過(guò)LCD顯示屏能夠直觀看到該運(yùn)行線路上所有車輛的目前所處的位置，并控制自己的車速，使這輛車均勻分布在線路上，電子站牌處的乘客也能實(shí)時(shí)看到線路所有車輛的位置移動(dòng)情況，從車載定位終端上獲取某一時(shí)刻的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 車輛位置信息

通過(guò)表1可以看出，目前該線路上運(yùn)行著3輛公交車，顯示了運(yùn)行線路、速度、方向、站點(diǎn)位置和到下一站的時(shí)間信息。在電子站牌直觀展示給乘客可以表示為圖6。

圖6 電子站牌顯示示意圖

公交車司機(jī)從車載定位終端的LCD上直觀跟蹤所屬線路的其他車輛位置信息，通過(guò)控制車速能使所有車輛均勻分布在這條線路上，避免出現(xiàn)多輛公交車扎堆的現(xiàn)象，減少了調(diào)度中心的工作量，實(shí)現(xiàn)了智能化管理工作。

4 小結(jié)

本文介紹的公交智能調(diào)度與位置發(fā)布系統(tǒng)利用GPS和GPRS技術(shù)相結(jié)合的方法獲得智能交通中最重要的位置信息，可以實(shí)時(shí)掌握整個(gè)路網(wǎng)中公交車運(yùn)行情況，進(jìn)行即時(shí)處理、分析和預(yù)測(cè)，并快速反饋給每個(gè)公交車和電子站牌。設(shè)計(jì)的電子站牌能夠使乘客及時(shí)了解車輛到站情況，能幫助乘客提前選擇出行方式，并實(shí)現(xiàn)了調(diào)度的智能化，對(duì)維護(hù)運(yùn)營(yíng)秩序、提高運(yùn)營(yíng)效率、保證運(yùn)營(yíng)安全和促進(jìn)智能公交車系統(tǒng)的發(fā)展具有積極意義。

[1] 孫弋，汪亞?wèn)|，李培煊.基于GPS的嵌入式公交自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)的研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2007（11）：34-36.

[2] 謝少林，周綺敏，宋意輝.基于GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)流媒體終端研究[J].電視技術(shù)，2005，29（10）：67-69.

[3] 趙飛.基于TOF/RSSI的公交車載節(jié)點(diǎn)組合定位算法研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38（2）：8-10.

[4] 董永峰，郭志濤，谷強(qiáng)，等.基于ArcGIS Server的公交車輛監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2012，29（5）：95-98.

[5] 王慶榮，張秋余.基于隨機(jī)灰色蟻群神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的近期公交客流預(yù)測(cè)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2012，29（6）：2078-2080.

[6] 胡志坤，徐飛，安慶.公交車輛的監(jiān)控和調(diào)度系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2009，17（3）：319-320.

[7] 謝海嘯，王強(qiáng)，邱建.智能中控技術(shù)在視頻信息發(fā)布系統(tǒng)中的新應(yīng)用[J].電視技術(shù)，2009，33（8）：106-108.