一種基于ZigBee的公交車智能?？拷鉀Q方案

徐 特，孫華磊，黃炯崗，李 娜

(長安大學 公路學院，陜西 西安 710064)

一、研究背景

我國公交系統(tǒng)由于線網(wǎng)規(guī)劃、道路交通設計、公交信息系統(tǒng)等各方面的滯后和設計不協(xié)調(diào)，公交車在?？空镜倪\行秩序混亂的現(xiàn)象一直很突出。具體現(xiàn)象表現(xiàn)為:公交車無序進站造成泊位資源無法充分利用;車輛隨機選位?？吭斐沙丝蜔o法定點候車;這些問題都嚴重影響了公交系統(tǒng)的運行效率和道路服務水平，而且增加了安全隱患［1］。

目前智能公交系統(tǒng)尚未全面普及，而公交調(diào)度不能對每一個公交車進站的信息進行實時的動態(tài)反饋調(diào)度。為了改善公交車進站混亂的狀況，作為對公交調(diào)度系統(tǒng)盲點的補充，本文現(xiàn)提出公交車進站智能引導系統(tǒng)的構(gòu)想［2］。

二、公交車排隊模型分析

(一)公交進站排隊系統(tǒng)

實際可認為公交車站的到達規(guī)律近似服從泊松分布，而上下客的時間服從負指數(shù)分布，因而公交車站的車輛到站－上下客過程可看作一個泊松輸入，負指數(shù)分布服務的單路排隊多通道排隊系統(tǒng)。該模型的特點是:服務系統(tǒng)中有N個服務臺，顧客按泊松流來到服務系統(tǒng)，平均到達率為λ;服務時間服從負指數(shù)分布，平均服務率為μ［3］。

(二)公交車進站排隊原理

當站內(nèi)無公交車時，優(yōu)先分配最靠出站口的停車位，方便后車進入。當站內(nèi)有車時，我們進行分情況討論:當所有泊位停滿時，車輛在站外等候，采取離開一輛進一輛的方式進站;當泊位未停滿時，以乘客等待時間最少(即車輛從發(fā)送信號到進站與乘客調(diào)整等待區(qū)域時間一致時等待時間最少)為原則計算，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型分析，我們可以得到如下公式:

先定義如下變量:

設站臺泊位為i，其使用狀態(tài)有fi表示，則有

tdd(r，k，i)——線路 r的第 k 輛車在泊位 i處的?？繒r間

ta(r，k，i)——線路 r的第 k 輛車從發(fā)送信號開始到達泊位i處的時間

tp(r，k，i)——乘坐線路 r的第 k 輛車的乘客從看到顯示屏到移動至泊位i處的時間

Nsp(r，k)——站臺上等待線路r的第k輛車的乘客數(shù)量

Nbp(r，k)——線路 r的第 k輛車準備下車的乘客數(shù)量

做如下假設:

一是乘客數(shù)量根據(jù)每一路車的具體情況取統(tǒng)一標準值。

二是考慮公交車到站前乘客已經(jīng)都到達站內(nèi)或者接近，不考慮在排隊完成后再加進隊列的乘客，同時，車輛不允許離開泊位再停車。

假設車輛v1為線路r1的第ka輛車，v1所分配到的泊位設為i，若v1到達車站的時候僅有自己，即此時f1=1，直接?？吭诓次?即可;若f1=0，則需要進行分配泊位i'，過程如下:分析可知V1到站過程中乘客所需要時間，即v1到達i'的時間t1(i')為:

乘客總等待時間為:

設v1從發(fā)射的信號被接收到到達指定泊位的時間為t1(i')，同時站臺上的乘客也在向指定泊位定向移動，時間設為tp(r1，k1，i')。如果車輛v1比乘客先到達泊位i'，則上車乘客的平均等待時間tw(r1，k1，i')與其移動時間 tp(r1，k1，i')相等(即移動后無需額外等待時間)，否則tw(r1，k1，i')就包括上車乘客的移動時間與移動后等待時間之和，也等于到達泊位v1的時間。即有:

而另分配泊位后，車輛v1的乘客總等待時間Tw(i')為:

假設泊位編號1到n，考慮基于等待時間Tw(i')最小的時間分配的泊位m滿足

上述函數(shù)的約束條件為:

公式(1)表示乘坐線路r的乘客到達泊位m的平均時間要小于Tp，Tp為乘客可接受的最大移動時間，可通過交通調(diào)查獲得。

公式(2)表示車輛在泊位m上停靠后，車輛車門關(guān)閉的時間小于等于最后一名乘客到達泊位的時間。tp(m)表示乘客移動到泊位m所需要的最大移動時間。△t為由車門關(guān)閉等引起的額外損失時間。

則按照此算法分配車位，能實現(xiàn)從車輛信號被車站終端接收后在進站過程中乘客等待時間最短，不會產(chǎn)生不舒適的感覺，并達到進站上下車效率最優(yōu)。

三、方案設計

(一)設計思路

綜合考慮車站泊位、車輛進出方式、車站站牌設施等方面，在現(xiàn)有的公交站臺設施的基礎上，基于ZigBee無線傳輸技術(shù)，通過車載和車站通訊終端實時監(jiān)測即將到達?？空镜墓卉囕v。

指示過程如下:(1)公交車接近站臺，信號被車站終端接收。(2)站臺接收信息后將車輛?？寇囄话l(fā)布在電子站牌上，車輛按位置進站，同時行人到指定位置候車。(3)通過隔斷門有序上下車。(4)公交車離站，向終端發(fā)送信息，終端引導下一輛車進入。

(二)技術(shù)實現(xiàn)

我們選用了ZigBee技術(shù)作為通訊模塊。Zig-Bee是一種高可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，使用方便，工作可靠，價格低廉。本方案在公交車上安裝基于ZigBee技術(shù)的信號發(fā)射器，在站臺設置接收和發(fā)射節(jié)點。

圖1 信息交互示意圖

四、實驗數(shù)據(jù)分析

以某路公交車為實例進行對比分析。對該路公交車進行跟蹤調(diào)查，并在實驗室進行系統(tǒng)模擬可得:

公交車上單向出行人數(shù)均為420，得到420×(3－2)=400s=7min的時間節(jié)省

改進前的運行速度

運行速度增加1.44km/h。

其中:V0－改進前運行速度;V0'－改進后運行速度;△V－增加的運行速度

減少用戶出行時間:t0－t0'=2.11min

平均每個乘客節(jié)省2.11min，出行時耗降低了約 8.8%。

五、創(chuàng)新特色

本方案填補了一般公交站設計和交通管理研究的盲點，能夠做到在較低的改建成本和易操作的組織措施的條件下，改進公交車站內(nèi)的混亂組織。公交車智能進站方案的動態(tài)泊位引導，能夠做到在有限的公交泊位的情況下，實現(xiàn)泊位利用率的最大化。有組織地引導公交車進站，即使在繁忙狀態(tài)下，泊位也能不間斷利用，提高運行效率［4］。

基于ZigBee的公交車進站引導方案最核心的思想在于公交車空閑泊位的準確獲取和?？啃畔⒓皶r發(fā)布。并且能夠?qū)崿F(xiàn)全程無需人工參與，節(jié)約了人力成本，減少了人工操作的反應時間。

總之，本方案填補了車聯(lián)網(wǎng)中無法對具體公交站進行調(diào)度指揮的空白，將單個車輛停車定位變得更加精確。

六、應用前景

本公交車進站引導系統(tǒng)在車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷應用和發(fā)展的大背景下，立足于“城市公共交通優(yōu)先發(fā)展”的戰(zhàn)略，提高公共交通占機動化出行比例，縮短乘客的乘車時間。該系統(tǒng)不僅結(jié)合了車輛的信息指示，也對站內(nèi)的?？亢蜕舷萝噷嵤﹦討B(tài)引導，無需進行所有車站的統(tǒng)一調(diào)度和聯(lián)網(wǎng)。本系統(tǒng)具有兩方面優(yōu)勢:一是可與交通信號燈結(jié)合，實現(xiàn)路段整體調(diào)控。本方案可采用“紅波控制理論”，在傳輸系統(tǒng)的引導下，當車站無空閑泊位時，站臺終端會將延長紅燈信號時間的指令發(fā)送給上游信號燈，實現(xiàn)紅波控制，避免出現(xiàn)排隊溢出現(xiàn)象［5］。二是造價低，設備安裝和改造簡單。暫使用ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，成本低，公交站改造較容易，車輛也只需加裝信號收發(fā)模塊，具有很強的操作性，同時設備的維護也較為簡單。升級空間大，隨著無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的不斷發(fā)展，可以不斷升級ZigBee系統(tǒng)，增加信號強度和可靠性。

［1］安蕾，王磊，張潔.交通高峰時段“人車互等－公交車進站?？康托栴}”的調(diào)查研究——以西安市鐘樓公交車?？空緸槔跩］.華中建筑，2014(6):127～130.

［2］彭國雄，莫漢康.城市公交停靠站設置常見問題及對策［J］.交通運輸工程學報，2001(3):77～80.

［3］王煒，過秀成等.交通工程學［M］.南京:南京:東南大學出版社，2000:34～47.

［4］葛宏偉.城市公交?？空军c交通影響分析及優(yōu)化技術(shù)研究［D］.東南大學，2006.

［5］Wong S，Yang H，Au Yeung W，et al.Delay at signal－controlled intersection with bus stop upstream［J］.American Society of Civil Engineers，1998(3):229～234.