公共自行車租賃系統(tǒng)車輛監(jiān)管平臺設(shè)計與實現(xiàn)

陳 怡，劉衛(wèi)平，黃 俊，馬 姣

(重慶郵電大學(xué)信號與信息處理重慶市重點實驗室，重慶400065)

公共自行車具有靈活的調(diào)動性、零排放、緩解交通擁堵、節(jié)約能源等優(yōu)勢［1］，近十年在世界范圍內(nèi)日漸普及和流行。公共自行車系統(tǒng)成為了解決交通堵塞問題，建設(shè)可持續(xù)交通系統(tǒng)，構(gòu)建健康、和諧的宜居城市的最佳方案。我國公共自行車發(fā)展雖然起步較晚但發(fā)展迅速。

車輛監(jiān)管平臺作為公共自行車后臺信息管理系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)著對各租賃站點信息管理、車輛信息管理并肩負車輛調(diào)度的職責(zé)。因此，車輛監(jiān)管平臺作為公共自行車租賃系統(tǒng)系統(tǒng)后臺管理系統(tǒng)中必不可少地組成核心，在整個系統(tǒng)中對租賃站點和車輛的管理、合理調(diào)配起著至關(guān)重要的作用，服務(wù)于整個系統(tǒng)的正常運行管理?，F(xiàn)有的車輛監(jiān)管平臺存在對租賃站點管理不智能、車輛調(diào)度不合理導(dǎo)致上下班高峰時期“借車難，還車難”的問題［2］。根據(jù)公共自行車租賃系統(tǒng)的實際運營需求和已有系統(tǒng)的比較，本系統(tǒng)對租賃站點車輛管理更智能、車輛調(diào)度智能化，同時采用不同于現(xiàn)有系統(tǒng)的FIFO 通信方式實現(xiàn)后臺與終端的數(shù)據(jù)通信。為后臺管理工作人員設(shè)計了具有簡單方便、智能管理、安全高效的公共自行車租賃系統(tǒng)車輛監(jiān)管平臺，保證整個系統(tǒng)的高效運營。

1 總體架構(gòu)

公共自行車租賃系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由4 部分組成:后臺管理系統(tǒng)、站點管理箱、鎖樁控制箱、自行車控制器。

圖1 公共自行車租賃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

后臺管理系統(tǒng)完成整個系統(tǒng)的管理以及與站點管理箱(即自助服務(wù)終端)的通信，其中車輛監(jiān)管系統(tǒng)負責(zé)管理所有車輛并分配車輛調(diào)度，業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)負責(zé)用戶卡的管理。站點管理箱設(shè)置在租賃站點，主要提供車輛租賃、自助終端服務(wù)，用戶使用租賃卡進行車輛租還、查詢用戶和周圍站點車輛信息、查詢并進行電子商務(wù)等交易。鎖樁控制箱針對車輛的停車開鎖、關(guān)鎖管理，負責(zé)維護與站點管理箱和車輛的通信;自行車控制器完成車的充電、狀態(tài)信息的查詢。

2 軟件設(shè)計

本文設(shè)計的后臺軟件基于B/S 架構(gòu)，采用CodeIgniter 框架、MVC 模式、PHP(超級文本預(yù)處理語言)作為主要開發(fā)語言進行應(yīng)用程序開發(fā)，數(shù)據(jù)庫管理采用MySql 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，以ZendStudio 集成開發(fā)環(huán)境為該軟件的開發(fā)平臺。

結(jié)合公共自行車租賃系統(tǒng)車輛監(jiān)管平臺設(shè)計的需求，軟件功能可分為以下幾個模塊，如圖2 所示。

圖2 軟件功能分析模型

其中，站點管理模塊主要針對每個站點有站點位置信息、車輛信息、服務(wù)時間等屬性進行管理、修改、查詢。同時站點具備一鍵停啟用功能，可以通過后臺系統(tǒng)實現(xiàn)對站點鎖樁的一鍵停用和啟用。針對站點實時情況和車輛租借情況跟蹤統(tǒng)計，監(jiān)控站點的實際運營情況。

車輛管理是保持整個系統(tǒng)良好運營的基礎(chǔ)。每輛自行車統(tǒng)一編號管理，一車一個唯一識別號［3］，通過監(jiān)管系統(tǒng)可查詢每輛車的狀態(tài)、管理車輛信息，亦可批量統(tǒng)計、導(dǎo)出各種報表。

車輛調(diào)度模塊通過對各租賃站點的車輛租還狀態(tài)、出租率等數(shù)據(jù)的分析，對租賃站點進行控制管理、協(xié)調(diào)租賃站點的自行車數(shù)量，優(yōu)化資源配置。

2.1 站點車輛管理

目前，公共自行車租賃系統(tǒng)在智能管理方面比較欠缺，多數(shù)是通過人工在租賃站點實地配置管理，大大降低了管理的實效性、便捷性和設(shè)置的靈活性。本系統(tǒng)通過車輛監(jiān)管平臺實現(xiàn)對租賃站點包括收費參數(shù)設(shè)置、站點車輛高低儲率設(shè)置、一鍵停啟用、車輛和鎖樁狀態(tài)監(jiān)控、信息發(fā)布等系統(tǒng)化控制管理，滿足了無人化站點的智能管理需求。

區(qū)別于已有系統(tǒng)采用TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)建立socket 連接實現(xiàn)管理后臺與終端的數(shù)據(jù)通信方式［4］，本文使用管道FIFO 的通信方式完成后臺與終端的數(shù)據(jù)傳輸。FIFO 管道作為后臺與終端信息交互的中間層，為數(shù)據(jù)的有效可靠傳輸提供了保障。如圖3 所示，監(jiān)管平臺可以直接與數(shù)據(jù)庫進行信息交互，同時租賃站點定時將數(shù)據(jù)信息通過管道FIFO 上傳存儲在數(shù)據(jù)庫中;當(dāng)后臺系統(tǒng)需要下發(fā)實時命令對站點進行操作時，數(shù)據(jù)命令將直接通過FIFO 請求站點上傳對應(yīng)數(shù)據(jù)信息。本文針對站點實時信息和車輛實時信息兩個功能作詳細介紹。

3 后臺與底層站點FIFO 通信圖

2.1.1 站點實時信息

站點實時數(shù)據(jù)請求流程如圖4 所示，通過后臺管理功能界面點擊查詢，下發(fā)查詢具體站點信息請求。在管道FIFO 通信正常情況下，站點收到數(shù)據(jù)請求消息后返回該站點具體信息，包括:空閑車位數(shù)、可租車位數(shù)、滿車率等統(tǒng)計信息。同時能獲取該站點每個車樁上車輛的在位詳情。如果在FIFO 堵塞情況下，命令將不能被下發(fā)至終端租賃站點，此時獲取信息失敗。

圖4 站點車輛實時信息查詢通信流程

2.1.2 車輛實時查詢

本系統(tǒng)對車輛實時信息的獲取，通過下發(fā)管道FIFO 命令實現(xiàn)，流程如圖5 所示。車輛分為在庫車輛和上架車輛，查詢車輛狀態(tài)時，首先判斷車輛是否在架。如果車輛在庫將不會下發(fā)FIFO 命令，否則將向站點廣播請求上傳查詢的車輛實時信息。

圖5 車輛實時信息查詢通信流程

主要代碼如下:

2.2 車輛調(diào)度

本車輛監(jiān)管平臺設(shè)計了智能的車輛調(diào)度模塊。據(jù)調(diào)查顯示，公共自行車系統(tǒng)在運營過程中在上下班高峰時期存在“租車難，還車難”的實際問題。目前國內(nèi)外對自行車調(diào)度問題的研究還不夠完善，還沒有合理的解決方案。

從車輛管理的角度而言，對車輛實施合理的調(diào)度實現(xiàn)站點車輛的有效分配是方便用戶有車可租、有位可還車的重要途徑。因此對租還車不平衡的站點需要借助車輛調(diào)度調(diào)整車輛的配置以保障系統(tǒng)能夠正常提供租還車服務(wù)［5］。

車輛具體思路:根據(jù)站點的車輛數(shù)量情況分析，通過后臺管理系統(tǒng)車輛調(diào)度模塊制定車輛調(diào)度方案，下發(fā)車輛調(diào)度任務(wù)。調(diào)度人員接收車輛調(diào)度任務(wù)后執(zhí)行車輛調(diào)度。車輛調(diào)度流程見圖6。

圖6 車輛調(diào)度過程圖

2.2.1 預(yù)測車輛調(diào)度

公共自行車調(diào)度問題的主要是由于各租賃站點的借還不平衡，每個租賃站點在不同時間段借還具有很大的波動性［6］。因此科學(xué)合理的分析站點的借還需求特征預(yù)測站點車輛數(shù)量是車輛調(diào)度的重要依據(jù)。由于居民早晚上下班出行高峰需求量是可預(yù)測因素，根據(jù)各站點歷史數(shù)據(jù)預(yù)測各站點上下班高峰期的車輛數(shù)量需求，進行車輛調(diào)度任務(wù)分配。

智能調(diào)度模塊設(shè)計如圖7 所示，車輛歷史數(shù)據(jù)分析模塊是結(jié)合站點歷史數(shù)據(jù)分析每天不同時間段車輛數(shù)據(jù)情況統(tǒng)計規(guī)律，用戶租還車輛信息，剖析出車輛出行和租/還規(guī)律;站點車輛實時信息模塊監(jiān)控站點實時狀態(tài)情況為調(diào)度任務(wù)提供合理依據(jù);車輛調(diào)度路徑模塊采用蟻群算法［7］，求解最優(yōu)的調(diào)度路徑使站點間調(diào)度路徑最短;調(diào)度任務(wù)生成模塊生成調(diào)度任務(wù)單，并對分配的調(diào)度計劃完成情況進行監(jiān)督。

圖7 智能預(yù)測調(diào)度模塊

2.2.2 實時車輛調(diào)度

實時車輛調(diào)度適用于因緊急或突發(fā)情況下，針對車輛數(shù)量未達到該站點低儲率或高于高儲率的租賃站點進行報警提示，管理人員依照具體情況分配臨時車輛調(diào)度方案。通過地圖標記站點實時車輛高低存儲率，以實時數(shù)據(jù)作為調(diào)度依據(jù)，將供應(yīng)過量的租賃站點的自行車調(diào)入供應(yīng)不足的租賃站點或納入庫存，實現(xiàn)各租賃站點的車輛的重新分布，實現(xiàn)資源優(yōu)化。圖8 是實時調(diào)度任務(wù)測試界面。主界面顯示個站點的地理位置，并使用不同顏色的圖標標記站點的車輛高低存儲情況。界面左邊為新建調(diào)度任務(wù)信息框，完成車輛調(diào)度任務(wù)新建后，界面有調(diào)度所需時間、調(diào)度距離估算，并在地圖將顯示調(diào)度路線。

圖8 實時車輛調(diào)度測試圖(截圖)

3 結(jié)束語

本文介紹了公共自行車租賃系統(tǒng)總體架構(gòu)，給出了基于B/S 架構(gòu)的車輛監(jiān)管平臺的設(shè)計方案，并實現(xiàn)了平臺軟件的開發(fā)。重點闡述了監(jiān)管平臺對站點及車輛的智能管理，通過管道FIFO 實現(xiàn)與租賃站點的信息交互，并對車輛調(diào)度提出了具體實施方案。測試表明軟件系統(tǒng)運行流暢，界面設(shè)計合理，操作簡單，能夠很好地完成與站點的信息通信，完成車輛調(diào)度任務(wù)下發(fā)等需求，實現(xiàn)了車輛監(jiān)管平臺的智能化管理需求，具有一定的實用價值。

未來工作中將側(cè)重于兩個方面的研究以完善本系統(tǒng)設(shè)計:1)優(yōu)化監(jiān)管平臺數(shù)據(jù)處理性能和解決數(shù)據(jù)安全性問題。由于實際運營中，后臺系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的處理量大，與站點服務(wù)終端的數(shù)據(jù)交互頻繁，保障數(shù)據(jù)處理的準確和安全性是公共自行車租賃系統(tǒng)高效運營的有利保障。2)優(yōu)化車輛調(diào)度模塊。本文采用蟻群算法求解調(diào)度最佳路徑，但缺少其他因素的考慮，如:交通路況、調(diào)度成本等。改進現(xiàn)有的調(diào)度算法，綜合考慮多因素確定調(diào)度方案，使得調(diào)度更合理、有效，提高用戶體驗滿意度。

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