基于云計算的電子公交站牌系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王長斌，楊凱穎，劉 兵

(1.鞍山師范學(xué)院 數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院，遼寧 鞍山 114005; 2.鞍山市社會保險局 定點醫(yī)療機構(gòu)管理處，遼寧 鞍山 114011)

0 引言

我國整體運輸網(wǎng)絡(luò)體系中，城市公共交通作為該網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點和樞紐，無疑承載著各地區(qū)客運交通體系中最重要的角色，是發(fā)達(dá)城區(qū)經(jīng)濟騰飛的奠基石之一.它也作為民眾不可或缺的基礎(chǔ)公共設(shè)施，也屬于城鎮(zhèn)生產(chǎn)和投資估價的基本物質(zhì)條件.作為最容易被考察與評估的環(huán)節(jié)反映了社會現(xiàn)代化程度，體現(xiàn)了國家對民生二字的重視，良好的公共交通體系是道德素質(zhì)優(yōu)良的市民文化的體現(xiàn)，一個四通八達(dá)的城市公共交通體系，包括了不同種類交通工具的旅客運輸可以最大程度地方便城鄉(xiāng)居民出行[1-2].

先進(jìn)的電子站牌系統(tǒng)一直被認(rèn)為是有效解決交通擁擠的有效辦法，它將汽車、公路、人等因素通過先進(jìn)的云計算技術(shù)聯(lián)合起來構(gòu)成一個高效率的智能化交通系統(tǒng).

云計算是基于多年在虛擬化、網(wǎng)格計算、效用計算和相關(guān)技術(shù)的成就的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的.云計算是分布式處理、并行處理和網(wǎng)格計算的進(jìn)一步發(fā)展,使數(shù)據(jù)存儲在互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)終端,將軟件和相關(guān)服務(wù)形成互聯(lián)網(wǎng)中的共享資源，并且構(gòu)建在各種標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議之上，并通過各種硬件設(shè)備可以獲取相關(guān)的服務(wù).云計算提供了按需通過互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)提供軟件和應(yīng)用程序的平臺[3].一些新興的云計算平臺的例子是Google App Engine、IBM的藍(lán)色云、亞馬孫彈性計算云(EC2)和微軟Azure.云計算允許軟件的共享、分配和聚合,并且計算和存儲的網(wǎng)絡(luò)資源隨需而變.將抽象的復(fù)雜性進(jìn)行隱藏、有效利用分布式資源和虛擬資源是云計算的優(yōu)勢[4].當(dāng)前，云計算仍然被認(rèn)為處于起步階段,有許多具有挑戰(zhàn)性的問題等待解決[5].在本文中,通過對傳統(tǒng)站牌和現(xiàn)已商業(yè)化實施的電子站牌的需求分析，得出了基于云計算的電子公交站牌系統(tǒng)的具體功能，完成了對站牌、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)中心訪問核心部分的功能設(shè)計并嘗試在Google云計算平臺下使用GWT技術(shù)實現(xiàn)公交車智能化報站及顯示系統(tǒng)，有效地解決了傳統(tǒng)電子公交站牌報站及顯示不準(zhǔn)確的問題.

1 系統(tǒng)功能需求

本文的目的是建立一套穩(wěn)定的、可靠的、基于云計算并與實際推廣相適應(yīng)的電子站牌體系.直接與調(diào)度中心進(jìn)行通信是該系統(tǒng)的任務(wù)，接著并將各類收集到的信息發(fā)送到調(diào)度中心，調(diào)度中心對其實施任務(wù)分派并進(jìn)行控制，發(fā)布任務(wù)信息.各種機動車等運營信息是原始數(shù)據(jù)源頭，是使該體系管理智能化、信息化的基石.車輛運行速度、行駛里程、運營里程、運行位置、始發(fā)時間、到離站時間、乘客流量和安全信息等是車載信息的主要部分.所有信息的采集、計算、分析、存儲和傳輸，具有科學(xué)性高、合理性強及綜合性要求高的特點，且信息整合的工作面對的數(shù)據(jù)量非常大.該體系需要將處理結(jié)果實時反饋給使用者，包括乘客、駕駛員、調(diào)度人員.通過對上述電子站牌系統(tǒng)功能性的介紹，該系統(tǒng)需要實現(xiàn)以下幾個功能：

1)數(shù)據(jù)信息錄入功能

a) 車輛行駛記錄功能

機動車駕駛員信息錄入對各種在路上行駛的公交交通工具進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息的記錄與錄入，包含巴士站換乘增加減少人數(shù)、巴士行駛車速、到站時間、該車上路狀態(tài)等；對各種車輛行駛的全程進(jìn)行安全檢測、數(shù)據(jù)分析；對于不遵守交通安全法規(guī)的行駛，發(fā)出即刻報警與提醒，同時向后臺服務(wù)實時更新數(shù)據(jù).

b) 乘客數(shù)據(jù)的自動錄入功能

對到站后車上人數(shù)變化的自動錄入(通過刷卡和投幣來統(tǒng)計).計算此刻車輛上乘客的數(shù)目，以方便核算營運.駕駛員可視具體情況判斷是否向后臺服務(wù)實時更新數(shù)據(jù).

2)數(shù)據(jù)展現(xiàn)基本功能

a) 車輛各種提示信息顯示

巴士上必須公示的信息，如之后一站、宣傳廣告和對駕駛員不遵守交規(guī)警示的信息等.

b) 實時數(shù)據(jù)顯示及歷史數(shù)據(jù)展現(xiàn)

含有對乘客提供巴士信息服務(wù)(例如：巴士某站到達(dá)時間，巴士滿員情況發(fā)出通報，根據(jù)巴士始發(fā)站信息和服務(wù)項目而擬定的行車路線查詢發(fā)出通報等)，提供給管理者實施系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測和歷史信息服務(wù).

3)數(shù)據(jù)匯總的基本功能

進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)管理和分析的高效化處理，包括數(shù)據(jù)操作與數(shù)據(jù)分析兩類管理，且能為支持科學(xué)化的管理和決策所需的系統(tǒng)仿真分析和系統(tǒng)狀態(tài)預(yù)測能力提供有效數(shù)據(jù)[6].

4)通信基本功能

車載體系所達(dá)到的實時交互是經(jīng)由各種網(wǎng)絡(luò)如3G或者WIFI等達(dá)成的，實現(xiàn)與四周環(huán)境信息的無線交互.如發(fā)出宣傳訊息、將訊息向中心報告、支持支付體系等.

5)附加功能

車載支付功能可以辨認(rèn)并進(jìn)行結(jié)算.結(jié)算對象是目前主流使用的大部分資費卡、銀行移動終端、現(xiàn)金等.

2 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計就是根據(jù)系統(tǒng)功能需求分析結(jié)果，就如何實現(xiàn)上述功能進(jìn)行的設(shè)計.主要包括系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、核心處理流程的設(shè)計和動態(tài)圖的設(shè)計.

2.1 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)設(shè)計如圖1所示.主要包括發(fā)射基站模塊、電子站牌獲取基站AP、建立連接和桌面系統(tǒng)等3個部分構(gòu)成.

圖1 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)主要的業(yè)務(wù)流程是信息獲取、收集、匯總流程，圖2為基于云計算的電子公交站牌的流程設(shè)計，其中虛線雙向箭頭為考慮數(shù)據(jù)交互部分，粗體雙向箭頭為考慮桌面系統(tǒng)交互部分，其他為單向數(shù)據(jù)流動.

圖2 基于云計算的電子公交站牌的流程設(shè)計

2.2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計

2.2.1 通信模塊的設(shè)計

在實現(xiàn)電子站牌和車載設(shè)備的通信交互過程中考慮使用RSSI算法，以實現(xiàn)自動報站.

電子站牌與車載終端的通訊流程如圖3所示.

圖3 電子站牌與車載終端的通訊流程

RSSI算法的具體步驟：

Step1:每2秒，電子站牌會將自身訊息對外廣播，包括線路ID號碼、車輛上下行標(biāo)志位等.

Step2:訊息傳導(dǎo)到車載節(jié)點，自身站牌表會排定該站牌上下行標(biāo)志位.

Step3:錄入該站牌節(jié)點的RSSI值時要求車輛方向標(biāo)志與標(biāo)志位符合；否則，交通工具?？吭诜峭？空军c.

Step4:超過閾值后，將各個站牌的訊息發(fā)出，車載節(jié)點接收并自動報站.

Step5:巴士駛離，站臺節(jié)點不會再收到車載節(jié)點信息.

2.2.2 數(shù)據(jù)流設(shè)計

基于云計算的電子公交站牌的數(shù)據(jù)流設(shè)計如圖4所示，主要包括：管理員和用戶登錄、用戶查看公交信息、管理員管理公交信息等功能.

圖4 基于云計算的電子公交站牌的數(shù)據(jù)流設(shè)計

2.2.3 電子站牌與車載終端通訊的時序圖設(shè)計

時序圖(Sequence Diagram)是一種交互圖，用來顯示對象之間的關(guān)系，并強調(diào)對象之間消息的時間順序，同時顯示了對象之間的交互.電子站牌與車載終端通訊的時序圖如圖5所示.

圖5 電子站牌與車載終端的通訊時序圖

具體操作步驟為：

1)首先管理員登錄系統(tǒng)Login；

2)進(jìn)入電子站牌與車載終端通訊管理主界面JSP；

3)進(jìn)行參數(shù)傳輸；

4)接收模塊功能調(diào)用，實現(xiàn)通信內(nèi)容的接收；

5)Result終端顯示功能調(diào)用；

6)返回車輛的位置信息；

7)通信結(jié)束，顯示處理結(jié)果.

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

基于云計算的公交站牌系統(tǒng)是一個多達(dá)65 000個無線數(shù)據(jù)傳輸模塊組成的網(wǎng)絡(luò)平臺，每一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊類似移動網(wǎng)絡(luò)的一個基站，其模式十分類似現(xiàn)有的移動通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng).

在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75米擴展到幾百米，甚至幾公里；另外，整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)還可以與現(xiàn)有其他的各種網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)行無線傳輸[8].

3.1 GWT桌面應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)

GWT應(yīng)用程序?qū)?yīng)的GUI代碼可以用標(biāo)準(zhǔn)的Java調(diào)試工具實現(xiàn)，其中，調(diào)試在宿主模式中展開.應(yīng)用程序的執(zhí)行在由com.google.gwt.dev.GWTShell類所呈現(xiàn)的專有外殼內(nèi)部實現(xiàn)的.獨立執(zhí)行與IDE下執(zhí)行兩種方式均可.GWT在專有瀏覽器的窗口里面執(zhí)行Java字節(jié)碼時，要保證在宿主模式下展開.電子站牌需要能夠加載瀏覽器的正常功能，此功能應(yīng)用ARM架構(gòu)即可實現(xiàn).

應(yīng)用程序達(dá)到要求后，把Java源代碼轉(zhuǎn)換成JavaScript并采用GWT編譯器來執(zhí)行.Java應(yīng)用程序轉(zhuǎn)換成類似的JavaScript應(yīng)用程序是可以實現(xiàn)的.com.google.gwt.dev.GWTCompiler類用于從命令行把GWT應(yīng)用程序編譯成JavaScript.

對于GWT，由客戶端統(tǒng)一處理Web瀏覽器里執(zhí)行的全體運算.假設(shè)在Web瀏覽器里執(zhí)行客戶代碼，結(jié)果會變成JavaScript.關(guān)鍵是如何保證由上述GWT編譯器轉(zhuǎn)換的庫和Java語言構(gòu)件庫.同理，在服務(wù)器主機上進(jìn)行的全部活動，大部分被歸為服務(wù)器端處理.應(yīng)用程序與服務(wù)器交互過程中，(RPC)框架被GWT的遠(yuǎn)程過程執(zhí)行，方式是采用瀏覽器對服務(wù)器端代碼發(fā)出請求[7].

某高速公路通車以來交通量逐年增加，部分瀝青路面先后出現(xiàn)各種病害，尤其在連續(xù)降雨的影響下，路面病害的擴展速度顯著加快，經(jīng)研究決定，采用冷補瀝青修補料對該高速公路發(fā)生嚴(yán)重坑槽病害的路段進(jìn)行修補。

3.2 電子站牌UI實現(xiàn)

最終的應(yīng)用程序UI包含很多窗口組件，這些組件使用常規(guī)的html標(biāo)簽，代碼如下：

目前采用的方式是：首先，初始化UI布局；然后，加入UI窗口組件.

主要窗體如圖6所示.

圖6 菜單列表圖

啟動系統(tǒng)，選擇公交查詢功能，可以選擇路線查詢、站點查詢、路線換乘查詢、按標(biāo)志物名稱查詢等4種查詢方式來進(jìn)行查詢所需要的信息.

3.3 客戶端行為實現(xiàn)

用戶選擇公交查詢進(jìn)入公交查詢界面，按照圖7提供的功能進(jìn)行查詢.

1)通過“選擇查詢路線”的下拉菜單選擇想要查詢的路線，測試所顯示的線路的所有站點、起點站與終點站是否準(zhǔn)確，以及公交價格是否正確.

圖7 公交查詢界面圖

2)通過“起點站”和“終點站”下拉菜單選擇想要查詢的站點，測試兩站是否能直達(dá).若能直達(dá).則測試所顯示的公交車線路、起點站與終點站是否準(zhǔn)確以及公交價格是否正確；若兩站不能直達(dá)，則轉(zhuǎn)向換乘查詢.

3)通過“起點站”和“終點站”下拉菜單選擇想要查詢的站點，測試所顯示的所需要的所有公交車線路、起點站與終點站是否準(zhǔn)確，公交價格以及換乘時的交叉站點是否正確.

4 結(jié)論

本系統(tǒng)通過采用GWT 工具包,可以用Java編程語言快速構(gòu)建和維護(hù)復(fù)雜但高性能的JavaScript前端應(yīng)用程序,提高了軟件的可靠性和可維護(hù)性.另外,針對系統(tǒng)中傳輸?shù)闹饕欠钦Z音信息,采用ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò),具有工作可靠、低成本、時延短等特點. 電子站牌系統(tǒng)將汽車、公路、人等因素通過先進(jìn)的云計算技術(shù)聯(lián)合起來構(gòu)成一個高效率的智能化交通系統(tǒng)，該系統(tǒng)的應(yīng)用對緩解發(fā)達(dá)城市的公共交通擁堵,減少交通事故發(fā)生的數(shù)量和提高公眾的環(huán)保意識等有非常良好的作用,為實現(xiàn)智慧化城市和全城物聯(lián)網(wǎng)提供了一條可行之道.