公交車的定位方式以及預(yù)測公交到站的數(shù)學(xué)模型

王京 陳偉利 陳亮 佘夢媛 趙筱卿

【摘要】通過固定型RFID技術(shù)和移動(dòng)的GPS芯片進(jìn)行定位，將數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，在服務(wù)器相關(guān)軟件上顯示車輛的實(shí)時(shí)位置。并對(duì)于獲取的數(shù)據(jù)擬建立模型，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)公交到站時(shí)間的預(yù)測。

【關(guān)鍵詞】RFID技術(shù) GPS定位 狀態(tài)空間模型

0引言

由于互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，大數(shù)據(jù)技術(shù)已在智能交通領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，本論文通過固定型RFID技術(shù)和移動(dòng)的GPS芯片進(jìn)行公交位置定位，將海量大數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，在服務(wù)器相關(guān)軟件上顯示車輛的實(shí)時(shí)位置，實(shí)現(xiàn)預(yù)測實(shí)時(shí)到站。

1數(shù)據(jù)采集方式

公交的地點(diǎn)定位就是要定位它當(dāng)前所處的位置，同時(shí)在電子地圖上顯示出來，可以通過公交車中的GPS定位芯片實(shí)現(xiàn)。GPS定位是通過芯片與GPS全球定位衛(wèi)星的通訊，經(jīng)過相應(yīng)計(jì)算得到當(dāng)前位置的經(jīng)緯度信息。公交車GPS技術(shù)采集的數(shù)據(jù)類型包括數(shù)據(jù)間隔和坐標(biāo)數(shù)據(jù)，在GPS采集數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔內(nèi)，需要采集不同線路公交車在路段上的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。需要對(duì)原始GPS數(shù)據(jù)要預(yù)先進(jìn)行處理，其中包括對(duì)采集到殘缺數(shù)據(jù)的處理，對(duì)數(shù)據(jù)穩(wěn)健性方面的處理。在定位信號(hào)較弱，干擾源較多時(shí)采集的數(shù)據(jù)可信度不高，會(huì)影響正常的定位。

所以我們?cè)黾恿斯潭ㄐ蚏FID定位的方式，用于輔助定位。RFID由三部分組成：應(yīng)答器（RFD電子標(biāo)簽），閱讀器和應(yīng)用層軟件。公交車進(jìn)站時(shí)，車載RFID閱讀器模塊通過射頻技術(shù)與公交站臺(tái)的RFID電子標(biāo)簽建立連接，讀取RFID標(biāo)簽內(nèi)的站牌信息，進(jìn)行預(yù)處理后傳送到數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和應(yīng)用。通過固定型RFID技術(shù)和移動(dòng)的GPS芯片進(jìn)行定位，將數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，在服務(wù)器相關(guān)軟件上顯示車輛的實(shí)時(shí)位置。

為了更好的服務(wù)市民，我們對(duì)于獲取的數(shù)據(jù)擬建立模型，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)公交到站時(shí)間的預(yù)測。前期在使用虛擬設(shè)備進(jìn)行開發(fā)測試時(shí)，由于虛擬設(shè)備沒有GPS模塊，我們需要通過DDMS調(diào)試工具（提供端口傳輸服務(wù)，在當(dāng)前連接的調(diào)試設(shè)備上可以模擬虛擬地理坐標(biāo)位置數(shù)據(jù)）將模擬的地址信息發(fā)送給設(shè)備。真機(jī)測試不需要該步驟。對(duì)于我們獲取的數(shù)據(jù)，我們通過建立數(shù)學(xué)模型對(duì)公交到站時(shí)間的預(yù)測。

2公交到站時(shí)間的預(yù)測模型的選取及簡述

通過相關(guān)文獻(xiàn)的綜述研究，狀態(tài)空間模型在動(dòng)態(tài)變量的特性描述應(yīng)用廣泛，狀態(tài)空間模型最初由卡爾曼在現(xiàn)代控制理論中提出，該模型建立了可觀測量與系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的關(guān)系，從而可以通過估計(jì)各種不同的狀態(tài)向量分析和觀測的系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的變化趨勢?？臻g狀態(tài)模型常用于在時(shí)間變量的預(yù)測，所以本文將此模型應(yīng)用于公交線路客流的短時(shí)預(yù)測中，構(gòu)建公交客流短時(shí)預(yù)測的狀態(tài)空間模型和遞推關(guān)系式，在模型構(gòu)建過程中選取卡爾曼濾波狀態(tài)空間模型根據(jù)對(duì)公交線路和時(shí)間分析，預(yù)測公交到站時(shí)間的規(guī)律。利用狀態(tài)空間形式表示動(dòng)態(tài)系統(tǒng)主要有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

第一，狀態(tài)空間模型將不可觀測的變量（狀態(tài)變量）并入可觀測模型并與其一起得到估計(jì)結(jié)果;

第二，狀態(tài)空間模型是利用強(qiáng)有效的遞歸算法一一卡爾曼濾波來估計(jì)的。卡爾曼濾波可以用來估計(jì)單變量和多變量的ARMA模型、MIMIc（多指標(biāo)和多因果）模型、馬爾可夫轉(zhuǎn)換模型以及變參數(shù)模型。

狀態(tài)空間模型表述

模型的狀態(tài)方程定義如下：

若使上面的狀態(tài)空間模型成立，還需滿足下面兩個(gè)假定：

（1）初始狀態(tài)向量的均值為，協(xié)方差矩陣為，即

（2）在所有的時(shí)間區(qū)間上，擾動(dòng)項(xiàng)ut和相互獨(dú)立，而且他們和初始狀態(tài)也不相關(guān)，即

3公交到站時(shí)間的預(yù)測狀態(tài)空間模型的構(gòu)建

用于單程路公交動(dòng)態(tài)調(diào)度到站預(yù)測基本步驟如下：

第一步：通過歷史公交客流數(shù)據(jù)的分析得到一個(gè)初始的載客量，以初始載客量為依據(jù)確定前兩班公交車輛發(fā)車計(jì)劃;

第二步：根據(jù)GPS和RFID技術(shù)定位分析公交的實(shí)時(shí)客流和交通狀況，對(duì)觀測向量及系統(tǒng)的狀態(tài)向量進(jìn)行更新，根據(jù)前面時(shí)段的數(shù)據(jù)分析結(jié)合狀態(tài)空間模型預(yù)測公交到站時(shí)間;

第三步，對(duì)預(yù)測得到的到站時(shí)間與實(shí)際到站時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，重復(fù)進(jìn)行第二步，不斷進(jìn)行迭代操作直到完成整個(gè)公交運(yùn)行時(shí)段的車輛到站短時(shí)預(yù)測。

基于上述步驟，構(gòu)建公交客流短時(shí)預(yù)測的狀態(tài)空間模型和遞推關(guān)系式：

4結(jié)語

用戶通過我們的小助手可獲得相關(guān)線路的精準(zhǔn)實(shí)時(shí)信息，包括公交車的實(shí)時(shí)定位和提示公交車進(jìn)站，通知乘客做好上車準(zhǔn)備。幫助用戶節(jié)約時(shí)間、合理規(guī)劃出行。同時(shí)系統(tǒng)后臺(tái)將各種數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，在降低運(yùn)營成本的同時(shí)，更有效地提高了工作.效率和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，進(jìn)而達(dá)到科學(xué)管理的目的。