廣州智慧公交云腦平臺的研究與實踐

常振廷，謝振東，呂衛(wèi)民

1.廣州市公共交通集團(tuán)有限公司，2.廣東工業(yè)大學(xué)

1 引 言

城市公共交通系統(tǒng)是一個復(fù)雜的大系統(tǒng)，更是一個復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，涉及到人、車、站、線、路等，涵蓋傳統(tǒng)公交、快速公交、定制公交、水上巴士等多種交通工具。在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，運用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，促進(jìn)城市交通規(guī)劃、建設(shè)、管理和服務(wù)智慧化的新模式和新理念[1]，促進(jìn)智能交通大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用帶動傳統(tǒng)交通運輸行業(yè)進(jìn)行升級改造，在公共交通服務(wù)場景中探索支付實名、乘客畫像、出行OD調(diào)查等基礎(chǔ)應(yīng)用。拓展基于移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的個性化公交服務(wù)新模式，提高公共交通發(fā)展智能化水平，加快實現(xiàn)智慧出行。

傳統(tǒng)城市公共交通的運營與管理思路，主要是以單個子系統(tǒng)作為研究對象，沒有將其視為復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行研究，不同系統(tǒng)之間關(guān)聯(lián)也是一種機(jī)械性的耦合。傳統(tǒng)公共交通的異構(gòu)數(shù)據(jù)集成方法無法適應(yīng)海量數(shù)據(jù)條件下對數(shù)據(jù)的集成[2]，因此，針對公共交通架構(gòu)平臺問題的研究具有一定的理論價值和實踐意義。本文圍繞公交行業(yè)監(jiān)管和企業(yè)生產(chǎn)運營管理等領(lǐng)域，建立共享數(shù)據(jù)資源池，構(gòu)建功能強(qiáng)大、管理有效的城市智慧公交云腦平臺，能更好地對于公共交通進(jìn)行生產(chǎn)運營管理。實現(xiàn)公交旅行時間預(yù)測，增強(qiáng)城市公交的吸引力，通過為用戶提供個性化的公交、地鐵接駁信息的動態(tài)服務(wù)[3]，更好地服務(wù)公眾，提升用戶體驗。

2 需求分析

城市智慧公交云腦平臺主要實現(xiàn)交通信息數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，利用智能公交管理系統(tǒng)對重點線路、重要站點、重點場站等進(jìn)行運營監(jiān)測分析，全面監(jiān)控總體的實時運行情況，實現(xiàn)對公交運營狀況的監(jiān)管。把握客流動態(tài)，提升服務(wù)品質(zhì)。

（1）行業(yè)需求

城市公交行業(yè)需要從整體角度對城市公交運行狀況進(jìn)行評估，在宏觀層面實現(xiàn)對公交運行、線網(wǎng)布局等方面的診斷分析，實現(xiàn)行業(yè)決策和精細(xì)化管理；在微觀層面實現(xiàn)對公交企業(yè)以及各條公交線路服務(wù)水平的評價[4]，進(jìn)一步對未來城市公交發(fā)展趨勢和前景進(jìn)行分析預(yù)測，指導(dǎo)城市公交服務(wù)改善。

（2）企業(yè)需求

公交企業(yè)需要及時全面的掌握企業(yè)運營現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)經(jīng)營中存在的問題。以提高舒適性、提升直達(dá)率、縮短出行時間、提升連續(xù)性等為目標(biāo)，建立線網(wǎng)指標(biāo)評價體系，客觀分析線網(wǎng)現(xiàn)狀，以便進(jìn)行線網(wǎng)規(guī)劃調(diào)整。

（3）公眾需求

雖然現(xiàn)階段城市公交出行者信息服務(wù)已具有一定基礎(chǔ)。初步實現(xiàn)公交基礎(chǔ)信息通過短信、網(wǎng)站等多渠道的實時發(fā)布，出行信息服務(wù)網(wǎng)站日均訪問量也達(dá)近百萬次。但公眾仍期望能通過整合公交企業(yè)與社會的信息資源，以多種方式為出行者提供更加全面且個性化的出行信息服務(wù)。

3 平臺架構(gòu)設(shè)計

3.1 平臺總體定位

公交智能化主要實現(xiàn)交通信息數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，為交通行業(yè)管理部門提供統(tǒng)一的集規(guī)劃、管理、預(yù)測、信息發(fā)布、資源共享、業(yè)務(wù)協(xié)同為一體的數(shù)據(jù)交換平臺[5]。廣州智慧公交云腦平臺將城市公共交通中的各要素進(jìn)行有效鏈接，打破傳統(tǒng)公共交通子系統(tǒng)之間的“信息壁壘”，以數(shù)據(jù)集中和共享為途徑，推動技術(shù)融合、業(yè)務(wù)融合、數(shù)據(jù)融合，運用大數(shù)據(jù)等新技術(shù)手段進(jìn)行深度挖掘和關(guān)聯(lián)信息分析展現(xiàn)，從而實現(xiàn)跨層級、跨系統(tǒng)、跨部門、跨業(yè)務(wù)的協(xié)同管理和服務(wù)。

3.2 平臺建設(shè)目標(biāo)

依托大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新興技術(shù)，構(gòu)建智慧公交云腦平臺，核心是利用實時全量的城市公共交通數(shù)據(jù)資源，結(jié)合人、車、站、線、路等資源情況，全面解構(gòu)出行客流需求與供給承載能力（公交資源、運營調(diào)度、運行監(jiān)控、維修保養(yǎng)、安全管理、經(jīng)營分析），構(gòu)建診斷評價指標(biāo)體系，實現(xiàn)新一代智能公交的可感知、可運營、可管理，面向公眾提供可計算的出行網(wǎng)絡(luò)和可信賴的公交服務(wù)。智慧公交云腦平臺整體框架如圖1所示。

云腦感知平臺：通過采用交通一卡通，GPS設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備、雷達(dá)等，實現(xiàn)對城市公共交通站場、線網(wǎng)、站點、客流、道路等各類基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)信息的感知和采集，全方位感知公共交通運行、管理、服務(wù)狀態(tài)，向“云腦”中樞平臺輸出龐大的數(shù)據(jù)資源。

云腦控制平臺：通過數(shù)據(jù)監(jiān)測、預(yù)測分析，引入新興技術(shù)再造業(yè)務(wù)流程，支撐公共交通安全監(jiān)控、智能調(diào)度、線網(wǎng)規(guī)劃、應(yīng)急指揮、行業(yè)監(jiān)管、線網(wǎng)規(guī)劃等科學(xué)管理、智能運行，形成“云腦”與現(xiàn)實世界的“云反射弧”，支撐公共交通安全、綠色、高效出行。

圖1 城市智慧公交云腦整體框架

云腦中樞平臺：是城市公共交通數(shù)據(jù)集成綜合分析的總引擎，具備數(shù)據(jù)共享交換、分析挖掘功能。向“云腦”控制平臺、交互平臺、評價平臺輸出數(shù)據(jù)能力，為“云腦”提供自動優(yōu)化控制、智能分析挖掘、動態(tài)交互評價的中樞神經(jīng)和超強(qiáng)大腦。

云腦交互平臺：構(gòu)建城市公共交通便捷出行引導(dǎo)的智慧型綜合出行服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)，向公眾提供全鏈條、全方式、跨區(qū)域的“一站式”信息服務(wù)和基于互聯(lián)網(wǎng)+的交通信息化定制服務(wù)。通過“云腦”與現(xiàn)實世界的交互，推進(jìn)多元化公共交通服務(wù)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，提升公共交通人性化、個性化服務(wù)體驗。

云腦評價平臺：建立健全的評價標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，對“云腦”的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、城市云反射弧兩個核心要素進(jìn)行綜合評價，特別是對交通運行、從業(yè)人員信用等交通關(guān)鍵要素的綜合分析評價，建立“云腦”優(yōu)化反饋機(jī)制，輔助城市公共交通運行狀況監(jiān)測、分析和預(yù)測，進(jìn)而提升“云腦”控制平臺和交互平臺的效率和質(zhì)量。

3.3 平臺技術(shù)架構(gòu)

公交云腦平臺通過對公交基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及公交動態(tài)運營數(shù)據(jù)的采集、清洗與多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合，并上傳至數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心建立針對這些公交信息多主題、多粒度的統(tǒng)計與分析處理，最終實現(xiàn)車輛運行的動態(tài)監(jiān)控，輔助決策線網(wǎng)的規(guī)劃，交通信息數(shù)據(jù)的統(tǒng)計等多項功能應(yīng)用。智慧公交云腦技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

（1）采集層主要實現(xiàn)公交系統(tǒng)的多數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)采集。包括接入企業(yè)運營監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)、IC卡及二維碼支付交易系統(tǒng)、企業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)、線網(wǎng)管理系統(tǒng)、維修管理系統(tǒng)、安全管理系統(tǒng)、綜合能源系統(tǒng)、車載終端系統(tǒng)、經(jīng)營分析系統(tǒng)等數(shù)據(jù)。

（2）處理層主要通過大數(shù)據(jù)技術(shù)對采集層數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理。為智慧公交云腦提供計算分析能力，比如應(yīng)用分布式文件存儲技術(shù)、Hadoop數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)、Spark數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析及挖掘技術(shù)以及各種數(shù)理統(tǒng)計分析方法、預(yù)測數(shù)據(jù)分析方法等技術(shù)，搭建可提供自動優(yōu)化控制、智能分析挖掘、動態(tài)交互評價的超強(qiáng)大腦。

（3）應(yīng)用層主要建設(shè)實現(xiàn)資源概況、運行監(jiān)控、診斷評價、客流分析、出行服務(wù)、系統(tǒng)管理等六大板塊功能。

（4）用戶層中最終用戶包括了公共交通行業(yè)監(jiān)管單位、公交企業(yè)等。

4 云腦平臺功能設(shè)計

公交云腦平臺在廣州現(xiàn)有公交信息化基礎(chǔ)上，匯集現(xiàn)有公共交通數(shù)據(jù)資源、建立共享數(shù)據(jù)資源池，分析用戶出行規(guī)律，輔助交通線網(wǎng)規(guī)劃以及經(jīng)營指標(biāo)診斷評價。提升廣州市對公交行業(yè)監(jiān)管、決策支持方面的管理水平。智慧公交云腦平臺功能框架如圖3所示。

4.1 資源概況

云腦系統(tǒng)集成人力資源、線網(wǎng)、場站、車輛、道路等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源，通過建立統(tǒng)一的標(biāo)識體系，規(guī)范數(shù)據(jù)維護(hù)流程和統(tǒng)計口徑，保障數(shù)據(jù)資源的查詢展示以及統(tǒng)計分析。

人力資源概況，展示企業(yè)人力資源總體概況、人車比例、駕駛年齡、人員流動以及籍貫分布。

線網(wǎng)概況，展示公交線網(wǎng)、BRT線網(wǎng)、水巴線網(wǎng)全部線網(wǎng)資源，包括：線路總數(shù)、線路分布、線網(wǎng)長度、線網(wǎng)密度、站點總數(shù)、線路/站點查詢，站點覆蓋率等。

場站概況，展示各類場站基本信息概況，包括樞紐站、公交首末站、停車場、維修廠、保養(yǎng)場、充電站、加油站、充電樁的數(shù)量及分布。

車輛/客輪概況，展示營運車輛數(shù)量、各燃料車型數(shù)量、各車輛類型數(shù)量、營運客輪數(shù)量，以及GIS圖上車輛、客輪實時位置和基礎(chǔ)信息。

道路資源概況，展示城市交通道路的整體情況，包括道路暢行指數(shù)，路況規(guī)律，各道路實時路況，以及道路施工和道路管制事件等。

4.2 運行監(jiān)控

運行監(jiān)控板塊提供全局總覽界面，監(jiān)控總體的實時運行情況，如車輛、客流、路況、交通事件、安全、疑似故障等。

道路監(jiān)控，實現(xiàn)高峰期道路平均運行速度、道路暢行指數(shù)、擁堵道路、道路施工路段、專用道變化、專用道覆蓋等方面的監(jiān)控。

行業(yè)指標(biāo)監(jiān)控，實現(xiàn)站點覆蓋率、車輛保有量、公交專用道設(shè)置率、公共交通出行分擔(dān)率、一卡通使用率、平均運行速度、責(zé)任事故死亡率等方面的監(jiān)控。

實時客流監(jiān)控，實現(xiàn)客流變化周/日規(guī)律、公交/地鐵客流量、線路客流滿座率、乘距、換乘次數(shù)、區(qū)際人群流入流出、交通小區(qū)集散變化、乘客構(gòu)成等方面的監(jiān)控。

圖3 城市智慧公交云腦平臺功能框架

車輛監(jiān)控，實現(xiàn)各區(qū)域車輛、車輛定位、車輛跟蹤、圍欄監(jiān)控、行車線路監(jiān)控、車輛超速、車輛故障、車輛違規(guī)駕駛等方面的監(jiān)控及告警。

駕駛行為監(jiān)控，主要是針對駕駛員違規(guī)駕駛行為的監(jiān)控及告警。

4.3 客流分析

將站點客流數(shù)據(jù)通過熱力圖的形式進(jìn)行展現(xiàn)，分析展示區(qū)域之間的OD數(shù)據(jù)，創(chuàng)建OD分布專題圖，通過專題圖展示各個區(qū)域流入和流出的情況。將客流數(shù)據(jù)歸集到站段，形成整個廣州市的客流走廊。

線路客流分析，將客流數(shù)據(jù)歸集到線網(wǎng)，動態(tài)展示區(qū)域客流的變化情況，結(jié)合線路的相關(guān)信息對線路站點的上下車客流進(jìn)行為分析。

站點客流分析，將客流數(shù)據(jù)歸集到站點，氣泡圖顯示站點客流量及各站點間的OD客流量，分析并展示客流大站的客流來源和流向。

客流換乘分析，展示乘客平均換乘距離、最大換乘距離、平均換乘時間、最大換乘時間以及換乘客流量較大的站點等基本換乘信息。

多維度客流分析，分析展示各類交通線路、站點客流規(guī)律、客流OD分布，根據(jù)歷史線路/站點客流換乘距離、換乘時間預(yù)測公共交通信息狀態(tài)。

4.4 診斷評價

從線網(wǎng)長度、線網(wǎng)密度、線路非直線系數(shù)、線路重復(fù)系數(shù)、道路覆蓋率、道路負(fù)載分析、線網(wǎng)覆蓋率、站點覆蓋率、重復(fù)線路分析平均站距等線網(wǎng)結(jié)構(gòu)方面分析評估線網(wǎng)指標(biāo)，建立線路網(wǎng)絡(luò)以及運營服務(wù)的指標(biāo)評價體系，主動發(fā)現(xiàn)問題，并給出線網(wǎng)優(yōu)化和調(diào)度優(yōu)化的建議。打造精準(zhǔn)化、精細(xì)化、品質(zhì)化、效率化公交服務(wù)。

4.5 出行服務(wù)

為出行服務(wù)系統(tǒng)（如行訊通、如約公交等）提供公眾所需的各類公交信息，如出行換乘方案規(guī)劃、實時到站預(yù)測、線路穩(wěn)定性、旅行時間預(yù)測、滿載率、換乘距離、換乘時間等。以服務(wù)為導(dǎo)向，提供高品質(zhì)的公交服務(wù)。

4.6 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理主要是用于對平臺的信息管理，包括系統(tǒng)資源、系統(tǒng)菜單、系統(tǒng)角色、系統(tǒng)用戶、系統(tǒng)參數(shù)配置等，使得平臺數(shù)據(jù)庫和文件能夠得到及時更新和調(diào)整。

5 主要分析計算模塊

5.1 客流大數(shù)據(jù)分析計算模塊

基于分布式文件存儲技術(shù)、Hadoop數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)、Spark數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)及大數(shù)據(jù)分析挖掘技術(shù)，搭建大數(shù)據(jù)分析平臺，平臺提供客流分析（乘客出行分析）計算模塊，該模塊可實現(xiàn)各維度的客流分析算法。

5.2 線網(wǎng)空間分析計算模塊

基于空間查詢與量算、緩沖區(qū)分析、疊加分析、路徑分析、空間插值等空間分析技術(shù)，搭建空間地理分析平臺，提供線網(wǎng)分析計算模塊，實現(xiàn)基于地圖計算的分析處理算法。

5.3 診斷分析計算模塊

實現(xiàn)經(jīng)營指標(biāo)、運營指標(biāo)以及服務(wù)指標(biāo)的計算，包括：單車日均收入，單車運營成本，邊際成本，空駛率，人車比，平均客流量，刷卡率，人均發(fā)班次數(shù)，人均調(diào)度車輛數(shù)，車輛平均運營里程，車輛平均發(fā)班次數(shù)，平均發(fā)班間隔，平均投訴量，發(fā)班違規(guī)率等。

5.4 線網(wǎng)優(yōu)化分析模塊

研究評價線網(wǎng)合理性的指標(biāo)閾值，參考表1對應(yīng)關(guān)系，得出線網(wǎng)不合理的內(nèi)容和理由，進(jìn)而給出線網(wǎng)優(yōu)化建議。

5.5 運營優(yōu)化分析模塊

以提升乘客體驗為目標(biāo)，在“智能公交調(diào)度系統(tǒng)”中優(yōu)化調(diào)度，用戶可根據(jù)系統(tǒng)的運營優(yōu)化，對應(yīng)分析因素參考表2對應(yīng)關(guān)系，得出優(yōu)化調(diào)度建議。

5.6 出行服務(wù)計算模塊

根據(jù)公交道路的路況信息，分析公交暢行指數(shù)，建立公交暢行指數(shù)體系，研發(fā)出行換乘方案規(guī)劃算法，并提供對外發(fā)布接口，加快實現(xiàn)智慧出行，提升公共交通服務(wù)質(zhì)量。

表1 線網(wǎng)優(yōu)化對應(yīng)關(guān)系參考表

表2 經(jīng)營優(yōu)化對應(yīng)關(guān)系參考表

5.7 視頻分析計算模塊

通過車載攝像頭捕捉駕駛員的駕駛影像，進(jìn)行視頻圖像分析處理，識別司機(jī)打手機(jī)、雙手同時離開方向盤、長時間手不離檔、雙手緊壓方向盤等違規(guī)駕駛行為。

6 結(jié)束語

廣州智慧公交云腦平臺每日處理1300多條線路、13000多個站點以及14000多輛公交車數(shù)據(jù)，其中進(jìn)出站數(shù)據(jù)、車輛調(diào)度數(shù)據(jù)、路單數(shù)據(jù)、車輛GPS數(shù)據(jù)、羊城通刷卡數(shù)據(jù)以及二維碼刷卡數(shù)據(jù)等原始數(shù)據(jù)共計7300萬條/日，形成客流OD、客流走廊、線路客流、站點客流、換乘客流、職住人數(shù)、旅行時間、擁擠度、暢行指數(shù)等結(jié)果數(shù)據(jù)共計3.5億條/日?！霸颇X”的實施把廣州城市公共交通系統(tǒng)建成一個“可視生態(tài)系統(tǒng)”，通過對公交數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，挖掘客流規(guī)律，優(yōu)化發(fā)車班次，動態(tài)設(shè)定站點，從而讓城市公交、地鐵運營效率更高，實現(xiàn)城市公共交通的高效運轉(zhuǎn)，為智慧城市、數(shù)字城市的建設(shè)添磚加瓦。