大數(shù)據(jù)下的智慧公交系統(tǒng)平臺

寧芳奇

[提要] 信息技術(shù)的快速發(fā)展對民眾的日常生活產(chǎn)生了巨大的影響，公交車作為使用最多的交通工具已經(jīng)發(fā)生了巨大變革，各種新技術(shù)的使用使其在日常運行過程中產(chǎn)生了海量數(shù)據(jù)，如何對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)有效地采集和深入挖掘分析利用成為當(dāng)前各個公交系統(tǒng)平臺共同的難題。本文通過對智慧公交平臺的大數(shù)據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查分析，提出一些解決方法，以便為智慧公交系統(tǒng)平臺的建設(shè)和完善提供建議。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；大數(shù)據(jù)；智慧公交；平臺；Hadoop

本文受到遼寧省社會科學(xué)規(guī)劃基金項目（項目編號：L16BJY001）、遼寧省自然基金項目（項目編號：20170540005）的支持

中圖分類號：F49 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

收錄日期：2017年9月12日

引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的高速發(fā)展，其影響已經(jīng)輻射至我們生活的方方面面，而公交車作為普通民眾出行最常用的工具，每時每刻都在產(chǎn)生著大量的數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)量級已經(jīng)超越TB達(dá)到PB，并以指數(shù)級持續(xù)增長。如何對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)合理高效的采集，以及在這種大數(shù)據(jù)下，如何從如此龐大的公交數(shù)據(jù)中高效、準(zhǔn)確地挖掘出有用的信息進(jìn)行分析，從而達(dá)到為公交公司、政府和民眾進(jìn)行服務(wù)的目的，成為當(dāng)前公交系統(tǒng)急需解決的重大問題。

一、大數(shù)據(jù)的定義及其特征

大數(shù)據(jù)是一個相對比較抽象的概念，學(xué)術(shù)界一直沒有統(tǒng)一公認(rèn)的概念。簡單來說，就是隨著互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)中的各種信息急劇增加，數(shù)據(jù)規(guī)模愈來愈大，進(jìn)而由量變引起質(zhì)變的一種現(xiàn)象。大數(shù)據(jù)并不是一種全新的技術(shù)和概念，只是因為數(shù)據(jù)產(chǎn)生方式的改變，造成數(shù)據(jù)量級的巨大增長，使得軟件工具處理和管理所花費的時間超過容忍，需要探索新的方式才能進(jìn)行處理的一種海量、多樣化、高增長率的數(shù)據(jù)集。針對這種海量的數(shù)據(jù)集合，IBM提出了大數(shù)據(jù)的五項特征（簡稱5V）：Volume：數(shù)據(jù)規(guī)模龐大，蘊含豐富的信息；Velocity：產(chǎn)生信息的速度十分迅速；Variety：信息的種類豐富多樣；Value：由于數(shù)量的巨大使得價值密度偏低；Veracity：由實時產(chǎn)生具有真實性。

二、智慧公交平臺基本構(gòu)架

本文通過對現(xiàn)有的公交系統(tǒng)平臺的調(diào)查分析，重新將公交平臺架構(gòu)進(jìn)行組合，將其分成了基礎(chǔ)硬件模塊、大數(shù)據(jù)處理架構(gòu)模塊、應(yīng)用呈現(xiàn)模塊三個部分，具體如下：

（一）基礎(chǔ)硬件模塊。公交系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施主要包括公交車、車載終端和站牌路線系統(tǒng)，其中車載終端業(yè)是數(shù)據(jù)信息的主要獲取和輸出通道，其主要包括GPS車載定位系統(tǒng)、車載網(wǎng)絡(luò)WiFi系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、智能刷卡系統(tǒng)、自動報站系統(tǒng)和車載視頻系統(tǒng)等。盡管現(xiàn)如今的公交系統(tǒng)已經(jīng)相對完善，但也存在著一些其他問題。如因部分車輛老舊沒有GPS系統(tǒng)或系統(tǒng)老舊不能準(zhǔn)確定位，報站系統(tǒng)報站延遲，除了報站系統(tǒng)基本沒有與車輛路線相關(guān)的信息輸出通道，站牌僅僅只有標(biāo)識地點作用等。這些問題都對乘客的乘車體驗以及相關(guān)的數(shù)據(jù)收集利用產(chǎn)生了不好的影響。而這些問題總的來說是兩個方面：（1）車載系統(tǒng)的不先進(jìn)或缺失問題；（2）站牌系統(tǒng)的作用單一及落后。

因此，一個智慧公交平臺想要擁有一個良好的基礎(chǔ)設(shè)施。必須解決這兩個方面，車載系統(tǒng)可以對其中的硬件進(jìn)行合適的替換，定期對其附帶的軟件升級換代；對于站牌應(yīng)該進(jìn)行升級，用電子顯示屏進(jìn)行替代原先的固定印刷站牌，電子站牌顯示可以分為兩部分，一部分是靜態(tài)的顯示路線信息，另一部分通過動態(tài)的顯示輸出時間、天氣和車輛到達(dá)時間預(yù)計等信息，以及通過播放廣告來增加收益等。

（二）大數(shù)據(jù)處理架構(gòu)模塊。通過對智慧公交的大數(shù)據(jù)特征和處理所需要的技術(shù)要求進(jìn)行分析，本文提出了與公交系統(tǒng)相適應(yīng)的數(shù)據(jù)處理架構(gòu)，該架構(gòu)主要包括應(yīng)用層、挖掘分析層、數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)采集層。其整體構(gòu)架圖如圖1所示。（圖1）

1、數(shù)據(jù)采集層。公交系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，主要通過車載設(shè)施如刷卡系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)等，在公交車運行過程中通過車載WiFi或其他數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至數(shù)據(jù)存儲中心。此外，還可通過網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)站或郵件等方式對來自公眾的反饋意見進(jìn)行收集并存儲。

2、數(shù)據(jù)存儲層。對通過采集層采集到的海量信息，一般的計算機很難達(dá)到如此大的計算量，而超級計算機又價值昂貴，不適合使用，因此嘗試使用更多的計算機系統(tǒng)來處理這些數(shù)據(jù)也就勢在必行。而Hadoop架構(gòu)正是這樣一種利用計算機群，進(jìn)行大數(shù)據(jù)的存儲和計算的架構(gòu)。

Hadoop的最底層是HDFS，也就是分布式文件系統(tǒng)，主要通過多臺設(shè)備提供統(tǒng)一的存儲空間，但卻不會造成用戶的察覺。而其本身對硬件要求不高，卻可以進(jìn)行高吞吐量的數(shù)據(jù)訪問，可以使其部署在比較廉價的設(shè)備上，卻能高效地完成數(shù)據(jù)存儲。

HDFS文件系統(tǒng)之上是HBase分布式數(shù)據(jù)庫，HBase采用列存儲，依據(jù)不同的存儲特性分別進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，十分符合大數(shù)據(jù)對處理時效性的要求。此外，由于HBase對存儲形態(tài)沒有特殊要求，因此公交系統(tǒng)中收集的各種各樣的半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)也能很好的存儲。HBase中的冗余多備份機制，能夠減少單點故障的發(fā)生，提升HBase數(shù)據(jù)庫的容錯性。

MapReduce具有很強大的數(shù)據(jù)處理能力，面對公交系統(tǒng)產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)，可以通過需求的不同，自行將大數(shù)據(jù)彈性分發(fā)給計算機集群中的計算機，這些計算機對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行并行運算，并以一定的周期將處理信息返回，使其可以及時高效地完成對大數(shù)據(jù)的分析和處理。而對于一些比較困難的問題，也可以將其按類拆分進(jìn)而對其進(jìn)行并發(fā)運算，從而實現(xiàn)所需要的處理結(jié)果。

同時，一個好的MapReduce系統(tǒng)需要一個良好的數(shù)據(jù)布局，而一個好的數(shù)據(jù)布局要滿足數(shù)據(jù)量公平性和數(shù)據(jù)值域公平性，只有這樣才能在各個節(jié)點上查詢?nèi)蝿?wù)數(shù)據(jù)和運算階段的時間相等，從而達(dá)到節(jié)約時間和降低能耗的目的。而達(dá)到數(shù)據(jù)量公平性和數(shù)據(jù)值域公平性，要滿足以下兩個公式：

3、挖掘分析層。公交數(shù)據(jù)繁復(fù)龐雜，來源十分廣泛，形式和種類也是多種多樣，信息量龐大，想要從這些信息中找到我們需要的數(shù)據(jù)，進(jìn)而為我們提供幫助。傳統(tǒng)的統(tǒng)計和多維數(shù)據(jù)分析方法已經(jīng)無法完成對這些復(fù)雜海量數(shù)據(jù)的處理分析，因此我們應(yīng)該結(jié)合新興的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)進(jìn)行分析處理，常用的大數(shù)據(jù)挖掘方法有：粒子群算法、遺傳算法、決策樹算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。本文通過對這些相關(guān)的技術(shù)進(jìn)行運用將挖掘分析層分為五個模塊，分別是數(shù)據(jù)篩選模塊、可視化分析模塊、數(shù)據(jù)挖掘模塊、預(yù)測分析模塊、展現(xiàn)模塊。

數(shù)據(jù)篩選模塊：由于公交數(shù)據(jù)的來源廣泛，因此極易受到環(huán)境設(shè)備等因素的影響，進(jìn)而產(chǎn)生一些無用或者錯誤的信息，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析前通過該模塊對收集到的公交信息進(jìn)行篩選剔除，減少因無用信息和錯誤信息造成的資源浪費，提升數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

可視化分析模塊：智慧公交系統(tǒng)的數(shù)據(jù)大致可以分為三類：半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。由于這些數(shù)據(jù)的數(shù)量大、結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一、信息分布比較分散，所以很難將數(shù)據(jù)調(diào)入相應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng)中形成固定的分析模式，但可以借助可視化數(shù)據(jù)分析平臺的強大功能，再輔以人工操作對海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，進(jìn)而完成分析任務(wù)。該模塊具有兩個優(yōu)點：其一，具有良好的交互功能，不但能夠看到相關(guān)的數(shù)據(jù)，而且能隨時開發(fā)和管理數(shù)據(jù)；其二，直觀，可以通過二維的各種圖像或者三維的各種模型和動畫來進(jìn)行展示結(jié)果。

數(shù)據(jù)挖掘模塊：該模塊主要通過一些數(shù)據(jù)挖掘方法如：聚類分析、遺傳算法、決策樹算法等，將得到的海量公交數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，尋找其中隱藏尚未被人們發(fā)現(xiàn)利用的信息，挖掘這些信息背后所隱含的知識和用途，為公交公司和各個信息使用者們提供幫助。即該模塊通過一系列的大數(shù)據(jù)挖掘算法，將隱藏在大數(shù)據(jù)背后的有用信息，以人們熟知的方式進(jìn)行呈現(xiàn)出來。

預(yù)測分析模塊：以數(shù)據(jù)信息的特征與聯(lián)系，以及從歷史大數(shù)據(jù)中總結(jié)的行業(yè)規(guī)律為基礎(chǔ)，建立科學(xué)有效的數(shù)據(jù)模型，將來自數(shù)據(jù)挖掘模塊和可視化分析模塊的結(jié)果進(jìn)行分析運算，從而達(dá)到預(yù)測性分析的目的。

展現(xiàn)模塊：將不同分析的結(jié)果及其來源依據(jù)以合理的方式呈現(xiàn)出來，為不同的信息需求者提供適合其理解和使用的方式進(jìn)行展示，從而達(dá)到為其提供數(shù)據(jù)分析支撐的目的。

三、應(yīng)用呈現(xiàn)模塊

（一）調(diào)度與指揮系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要從三個方面進(jìn)行考慮：其一，路線優(yōu)化，公交公司通過對來自公交系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)和公眾的呼聲建議進(jìn)行處理，對現(xiàn)有的公交線路情況進(jìn)行分析，找尋其中的不合理地方，對其進(jìn)行優(yōu)化升級，形成科學(xué)、合理有效的新路線；其二，智能調(diào)度，通過對同一天的不同時段，工作日與休息日和節(jié)假日的信息進(jìn)行對比統(tǒng)計分析，對公交班次進(jìn)行智能調(diào)度，節(jié)假日高峰期，工作日高峰期班次相對密集一些，而其他時段按固定時間班次相對少一些，在排班數(shù)量變化不大的情況下，優(yōu)化其運行班次，實現(xiàn)便民服務(wù)；其三，安全運營，對線路的歷史安全數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析安全事故的原因，進(jìn)行合理規(guī)避。

（二）社交應(yīng)用APP。與百度地圖、114等信息平臺聯(lián)合對公交大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，開發(fā)公交專用APP，通過該軟件可以對不熟悉的地方進(jìn)行路線規(guī)劃，通過GPS導(dǎo)航尋找站點，自帶目標(biāo)站點附近推薦，可以讓你在不熟悉的地方也能如魚得水，毫無陌生感；此外，在公交車上還可以進(jìn)行實時地理位置查詢，讓你清晰的知道自己所處方位，而不用擔(dān)心錯過報站而不能及時下車。而這些都只是基礎(chǔ)功能，作為一個軟件，不能只局限于簡單的數(shù)據(jù)查詢服務(wù)，應(yīng)充分發(fā)揮出其互聯(lián)網(wǎng)的虛擬、分享、互動的特質(zhì)，因此其社交功能尤其重要，通過其社交功能我們可以知道每天都有哪些人和你一同坐在同一輛公交車上，無形間拉近人與人之間的距離，方便與其他人交流，甚至還可以通過軟件定期舉辦活動，增進(jìn)關(guān)系，緩解日益冷漠的人際關(guān)系。

（三）人群聚集分析。公交車作為我們每個人幾乎都能用到的交通工具，不僅僅是我們出行的方式，它背后還隱藏著不同地區(qū)的人口分布和人口動向等，通過對這些人流的屬性和動向等進(jìn)行分析，為政府的城市規(guī)劃和公共安全作出貢獻(xiàn)。如通過對人流量大的地方的監(jiān)控分析，防范非法集會和踩踏事件的發(fā)生；通過旅游區(qū)的客流量變化，及時做好相關(guān)應(yīng)對，以及在哪些地方修建公共設(shè)施都極具參考意義。

四、結(jié)語

隨著互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，大數(shù)據(jù)時代已經(jīng)悄然來臨，大數(shù)據(jù)在公交系統(tǒng)中的應(yīng)用，既為公交運行解決了一些問題，同時又帶來了新的挑戰(zhàn)，我們不能僅僅注重于技術(shù)的提升，要同時對公交運行中產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘分析，利用互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)時代特有的優(yōu)勢，為民眾、政府和企業(yè)帶來新的發(fā)展和便利。

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