基于大數(shù)據(jù)的智慧公交系統(tǒng)頂層架構(gòu)設(shè)計(jì)

車(chē)輝 呂輝 楊波 邢慧芬 樊玉琦

摘 要：隨著中國(guó)城鎮(zhèn)人口的增加，傳統(tǒng)城市公交系統(tǒng)難以滿(mǎn)足市民出行的需求，阻礙了城市發(fā)展。大數(shù)據(jù)技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，有力地推動(dòng)了城市智慧公交的建設(shè)和發(fā)展，提高了城市居民出行效率，推動(dòng)了城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展。文中從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，對(duì)智慧公交的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)、系統(tǒng)架構(gòu)、公交線網(wǎng)規(guī)劃決策支持子系統(tǒng)、公交車(chē)輛監(jiān)控調(diào)度子系統(tǒng)和公共交通信息服務(wù)子系統(tǒng)等進(jìn)行了頂層設(shè)計(jì)，并對(duì)數(shù)據(jù)處理技術(shù)進(jìn)行了分析，為智慧公交系統(tǒng)建設(shè)提供了頂層方案，具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：智慧交通;大數(shù)據(jù);頂層設(shè)計(jì);智能調(diào)度;公交電子站牌;公交APP

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.4;TN929.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）11-0-03

0 引 言

隨著中國(guó)城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，城市人口數(shù)量急劇增加，城市公共交通面臨著前所未有的壓力。城市公共交通具有大容量、低碳環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，是緩解城市交通壓力，解決城市居民出行問(wèn)題的最佳選擇。但傳統(tǒng)公交系統(tǒng)存在信息化、智能化水平較低，公交路線規(guī)劃不合理、服務(wù)水平較低等缺點(diǎn)，導(dǎo)致城市公交可達(dá)性較差，已難以滿(mǎn)足日益發(fā)展的城市出行需求。新一代信息與通信技術(shù)（ICT）的快速發(fā)展，有力地推動(dòng)了智慧公交的發(fā)展，提高了百姓的出行效率和乘車(chē)體驗(yàn)，也提高了城市居民的幸福指數(shù)。

智慧公交[1-2]是運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)[3]、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)[4]、人工智能、全球定位等技術(shù)，結(jié)合公交企業(yè)基礎(chǔ)管理和車(chē)輛調(diào)度業(yè)務(wù)需求，建設(shè)的城市公交智能化調(diào)度管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了公交線路智能規(guī)劃、公交車(chē)輛智能調(diào)度，從而提高了企業(yè)資源的利用效率，加強(qiáng)了公交運(yùn)營(yíng)安全管理，更提升了城市公共交通的服務(wù)質(zhì)量，滿(mǎn)足了城市居民的出行需求。

本文從智慧公交的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)、系統(tǒng)架構(gòu)出發(fā)，詳細(xì)闡述了公交線網(wǎng)規(guī)劃決策支持子系統(tǒng)、智慧公交車(chē)監(jiān)控調(diào)度子系統(tǒng)、公交信息服務(wù)子系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)，并簡(jiǎn)單闡述了線網(wǎng)規(guī)劃、公交調(diào)度的當(dāng)前常用算法。最后，本文對(duì)公交電子站牌系統(tǒng)和智慧公交APP進(jìn)行了設(shè)計(jì)，從而為城市智慧公交建設(shè)提供參考模板，具有一定的實(shí)用價(jià)值。大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用推動(dòng)了城市智慧公交的發(fā)展，有力緩解了城市交通擁堵，提高了百姓出行效率。

1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)

城市智慧公交系統(tǒng)以云計(jì)算、大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合全球定位系統(tǒng)（或北斗導(dǎo)航系統(tǒng)），整合企業(yè)、交通管理部門(mén)和城市居民等需求，以視頻監(jiān)控、智能終端、車(chē)輛定位和NFC等技術(shù)，有效加強(qiáng)公交公司的安全運(yùn)營(yíng)、智能化線路規(guī)劃和車(chē)輛智能調(diào)度，從而提升企業(yè)的資源利用效率和服務(wù)質(zhì)量，提高城市交通效率。智慧公交網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

智慧公交系統(tǒng)主要包括公交線網(wǎng)規(guī)劃決策支持子系統(tǒng)[5]、公交車(chē)輛監(jiān)控調(diào)度子系統(tǒng)[6]和公共交通信息服務(wù)子系統(tǒng)。智慧公交系統(tǒng)通過(guò)建設(shè)公交線網(wǎng)規(guī)劃決策支持子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了城市公交線路的最優(yōu)規(guī)劃，以滿(mǎn)足城市居民的出行需求，提升城市公共交通的服務(wù)質(zhì)量;通過(guò)建設(shè)公交車(chē)輛監(jiān)控調(diào)度子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了公交車(chē)輛運(yùn)行的自動(dòng)監(jiān)控，確保乘客安全出行，尤其是智能調(diào)度系統(tǒng)通過(guò)大數(shù)據(jù)分析結(jié)果為公交車(chē)調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)的資源最優(yōu)化配置和管理;公共交通信息服務(wù)子系統(tǒng)的建設(shè)則實(shí)現(xiàn)了交通信息的實(shí)時(shí)發(fā)布，使乘客能夠及時(shí)了解公交信息，有效提高公共交通的服務(wù)水平。智慧公交系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

其中，公交線網(wǎng)規(guī)劃決策支持子系統(tǒng)根據(jù)居民出行和公交客流的數(shù)據(jù)資料及預(yù)測(cè)經(jīng)過(guò)，運(yùn)用數(shù)據(jù)規(guī)劃、圖論等方法，深入研究公交線網(wǎng)最優(yōu)布局，為公交線網(wǎng)規(guī)劃提供決策支持。智慧公交車(chē)監(jiān)控調(diào)度子系統(tǒng)主要以GIS電子地圖、GPS衛(wèi)星定位、RFID、GPRS/CDMA移動(dòng)通信等技術(shù)，通過(guò)實(shí)時(shí)收集公交車(chē)的位置和狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)公交車(chē)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和車(chē)輛智能化調(diào)度。公共交通信息服務(wù)子系統(tǒng)利用互聯(lián)網(wǎng)、手機(jī)和公交電子站牌等為乘客提供全方位的公交信息，方便市民出行。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 公交線網(wǎng)規(guī)劃決策支持子系統(tǒng)

公交線網(wǎng)規(guī)劃決策支持子系統(tǒng)包括3種功能，即公交運(yùn)行現(xiàn)狀分析、公交線網(wǎng)優(yōu)化和公交線網(wǎng)規(guī)劃的評(píng)價(jià)。它將有關(guān)規(guī)劃信息提供給交通管理部門(mén)和社會(huì)公眾：系統(tǒng)通過(guò)對(duì)公共交通的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，根據(jù)城市居民出行分析模型對(duì)居民出行進(jìn)行預(yù)測(cè)，制定短期和長(zhǎng)期的公交車(chē)運(yùn)營(yíng)計(jì)劃;系統(tǒng)通過(guò)對(duì)城市公共交通的公交站臺(tái)吞吐量、途徑站臺(tái)車(chē)輛、在行駛的公交車(chē)輛、公交線路數(shù)量等信息組成的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，結(jié)合城市公交線路班次優(yōu)化模型、車(chē)輛配置優(yōu)化模型、車(chē)輛時(shí)刻表優(yōu)化模型、行車(chē)線路優(yōu)化、司乘人員配置模型，對(duì)初始運(yùn)營(yíng)計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整;系統(tǒng)還設(shè)置人機(jī)交互系統(tǒng)，必要情況下企業(yè)管理人員可對(duì)決策進(jìn)行干預(yù)。公交線網(wǎng)規(guī)劃決策支持子系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

公交線網(wǎng)規(guī)劃決策支持子系統(tǒng)在大數(shù)據(jù)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)公交系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，并利用如聚類(lèi)分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、粒子群算法、蟻群算法等，對(duì)公交車(chē)客流量、乘客上下車(chē)時(shí)間、相應(yīng)站點(diǎn)等進(jìn)行分析，對(duì)乘客出行規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從而發(fā)現(xiàn)車(chē)輛運(yùn)行規(guī)律、隱含的公共交通規(guī)則等，為公交路線規(guī)劃、公交車(chē)輛管理、公交資源分配等作出科學(xué)、合理的安排。

3.2 智慧公交車(chē)輛監(jiān)控調(diào)度子系統(tǒng)

智慧公交車(chē)輛監(jiān)控調(diào)度子系統(tǒng)是運(yùn)用系統(tǒng)工程理論將交通流誘導(dǎo)技術(shù)、車(chē)輛定位技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)、公交運(yùn)營(yíng)優(yōu)化與評(píng)論技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、通信技術(shù)、電子技術(shù)、智能卡技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)科學(xué)集成，形成集公交車(chē)輛科學(xué)調(diào)度、智能卡收費(fèi)等于一體的智能化智慧公共交通管理系統(tǒng)。它包括公交運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控子系統(tǒng)和智能化調(diào)度子系統(tǒng)。

（1）公交運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控子系統(tǒng)

系統(tǒng)通過(guò)將車(chē)載視頻監(jiān)控、全球定位系統(tǒng)（或北斗導(dǎo)航系統(tǒng)）、報(bào)警器和車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)傳感器等多種設(shè)備采集的數(shù)據(jù)通過(guò)車(chē)載智能網(wǎng)關(guān)，利用移動(dòng)通信技術(shù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)匠鞘泄还芾碇行?，?shí)現(xiàn)對(duì)公交車(chē)輛的實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過(guò)公交運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控子系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)管理、公交車(chē)位置定位和追蹤、車(chē)內(nèi)視頻監(jiān)控、緊急告警和遠(yuǎn)程服務(wù)等功能，從而提高了公交車(chē)的安全運(yùn)營(yíng)水平。

公交運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控子系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)既可以通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳送到公交監(jiān)控中心，以供管理者查看，也可存儲(chǔ)在本地。當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地時(shí)，既可以通過(guò)移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行備份，也可在公交車(chē)進(jìn)入公司時(shí)通過(guò)無(wú)線傳輸技術(shù)傳送到監(jiān)控中心，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)備份。

（2）智能化調(diào)度子系統(tǒng)

智能化調(diào)度子系統(tǒng)對(duì)采集的乘客吞吐量、各站點(diǎn)乘客集散量、車(chē)輛行駛車(chē)速等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘、統(tǒng)計(jì)分析，從而預(yù)測(cè)未來(lái)乘客集散高峰期、車(chē)輛運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)、站點(diǎn)乘客量。此外，它將采集的數(shù)據(jù)自動(dòng)輸入，運(yùn)用智能化調(diào)度算法自動(dòng)生成相應(yīng)的調(diào)度形式，并且由車(chē)輛排班系統(tǒng)自動(dòng)生成優(yōu)化的車(chē)輛發(fā)車(chē)時(shí)刻表。智慧公交車(chē)輛監(jiān)控調(diào)度子系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

智能化調(diào)度系統(tǒng)的基本原理是運(yùn)用大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，對(duì)公交車(chē)信息、乘客數(shù)量信息、公交行駛等信息進(jìn)行挖掘分析，形成城市公交管理知識(shí)庫(kù)，并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)城市公交進(jìn)行建模，從而完成對(duì)公交乘客集散量、公交行駛時(shí)間的預(yù)測(cè)分析，然后利用調(diào)度系統(tǒng)的決策支持模塊進(jìn)行公交車(chē)調(diào)度，以滿(mǎn)足居民出行的需求[7-8]。智能調(diào)度系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源，既包括企業(yè)設(shè)備自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)，也包括企業(yè)手動(dòng)輸入的數(shù)據(jù)，同時(shí)還包括乘客與公交公司互動(dòng)和相關(guān)部門(mén)以及媒體的相關(guān)信息。公交公司把分析處理好的數(shù)據(jù)推送到各終端設(shè)備上，以供乘客出行參考。

智能調(diào)度技術(shù)可以采用多種優(yōu)化算法，一類(lèi)是啟發(fā)式算法，這種算法相對(duì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)際應(yīng)用;另一類(lèi)是基于人工智能的啟發(fā)式算法，如采用帶收縮因子和線性遞減慣性權(quán)重的粒子群算法[9]，這類(lèi)算法相對(duì)復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)。

3.3 公共交通信息服務(wù)子系統(tǒng)

公共交通信息服務(wù)子系統(tǒng)利用互聯(lián)網(wǎng)、智能終端和智慧公交電子站牌等手段，為乘客提供全方位的公交信息服務(wù)，如當(dāng)前日期、時(shí)間、今日天氣、車(chē)輛距離本站站數(shù)、乘客提示信息或公益信息等。

（1）智慧公交電子站牌系統(tǒng)

智慧公交電子站牌系統(tǒng)運(yùn)用GPS技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)和GIS技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)公交車(chē)車(chē)輛運(yùn)行位置信息發(fā)布、車(chē)輛到站信息播報(bào)和公眾服務(wù)信息發(fā)布等功能，提供了出行公交車(chē)信息指南，使居民能夠及時(shí)掌握公交車(chē)運(yùn)行信息。此外，智慧公交電子站牌系統(tǒng)也具有公共信息發(fā)布、廣告資訊發(fā)布功能，可滿(mǎn)足城市居民需求。智慧公交電子站牌系統(tǒng)如圖5所示。

（2）智慧公交APP

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展使智能終端成為百姓的日常必備工具。通過(guò)在城市智慧交通APP中集成公交信息模塊[10]，可以使百姓實(shí)時(shí)、方便地獲取公交車(chē)相關(guān)信息，如公交線路、公交車(chē)到站信息等。同時(shí)，百姓也可通過(guò)公交信息模塊掌握線路周邊信息，比如站臺(tái)美食、天氣狀況等，從而提高城市公共交通的服務(wù)質(zhì)量。智慧公交APP模塊主要功能包括靜態(tài)公交查詢(xún)、實(shí)時(shí)公交查詢(xún)、周邊公交查詢(xún)、公交換乘查詢(xún)、周邊興趣點(diǎn)查詢(xún)、天氣查詢(xún)和交通管理通告等。智慧公交APP功能架構(gòu)如圖6所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

城市公交具有綠色、環(huán)保的特點(diǎn)，是城市居民出行的主要交通工具。但傳統(tǒng)公交系統(tǒng)存在智能化、信息化和服務(wù)水平較低的缺點(diǎn)，難以滿(mǎn)足百姓出行的需求。大數(shù)據(jù)技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，有力地推動(dòng)了智慧公交的建設(shè)，提高了公交線路規(guī)劃、調(diào)度和管理的智能化水平，使百姓出行更加便捷。因此，本文所提出的智慧公交系統(tǒng)很有實(shí)用價(jià)值，未來(lái)應(yīng)用市場(chǎng)廣闊。

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