基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智慧公交系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

朱佳艷，盛 逸，王奇龍，劉欣欣

(寧波財(cái)經(jīng)學(xué)院 金融與信息學(xué)院，浙江 寧波 315175)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國(guó)汽車保有量呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)，城市擁堵問(wèn)題日益嚴(yán)重，國(guó)內(nèi)提出了新的概念——“智慧交通”，即“高效、安全、環(huán)保﹑舒適、文明”的智慧交通體系[1]。隨著我國(guó)交通智能化應(yīng)用的不斷推進(jìn)，行業(yè)整體處于成長(zhǎng)期，智能交通的需求增長(zhǎng)明確且空間廣闊[2]。

智慧交通作為全國(guó)各地交通建設(shè)的目標(biāo)，一直根據(jù)城市的實(shí)際情況在不斷地倡導(dǎo)和推進(jìn)中，但在現(xiàn)階段，智慧交通建設(shè)仍處于較低水平，還沒(méi)有確立智慧交通的功能定位、技術(shù)方法、載體等內(nèi)容，甚至連最基本的“大交通”概念都沒(méi)有形成[3]。同時(shí)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系的缺乏使得建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)分化的情況十分嚴(yán)重，嚴(yán)重阻礙了信息資源的互聯(lián)互通、共享和整合。

1 傳統(tǒng)公交系統(tǒng)存在的問(wèn)題

我國(guó)城市人口不斷增加，車輛迅速增多，但是由于目前城市道路建設(shè)相對(duì)滯后、線路位置規(guī)劃不當(dāng)、停車疏導(dǎo)管理不夠嚴(yán)格，導(dǎo)致道路車輛擁堵的情況嚴(yán)重，因此人們對(duì)公共交通的需求也隨之快速增長(zhǎng)。通過(guò)對(duì)公交系統(tǒng)的調(diào)查和分析，筆者發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)公交系統(tǒng)存在以下問(wèn)題。

1.1 公共設(shè)施不夠完善

公交站臺(tái)作為乘客上下車、換乘的平臺(tái)，設(shè)施不夠完善，公交車線路比較單一，遇到路況不明朗時(shí)，不能夠隨機(jī)應(yīng)變。公交車載客量有限，在人流量大的時(shí)候會(huì)造成公交車內(nèi)空間非常擁擠，出現(xiàn)人擠人現(xiàn)象，舒適度較差。

1.2 公交信息服務(wù)無(wú)法滿足公眾需求

目前，信息服務(wù)在發(fā)布途徑上多局限于交通廣播、交通電臺(tái)等方式，且信息內(nèi)容較為單一，多是重點(diǎn)路段的擁堵狀況、事故情況等，尚未覆蓋公眾需求較大的公交車到站信息查詢、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)路況查詢、出行策劃等服務(wù)。由于公交信息缺乏，乘客不能了解當(dāng)前公交車的行駛情況，利用公交信息來(lái)合理安排出行路線，只能在公交站上等，不能確定車輛到來(lái)的時(shí)間。

1.3 公交車運(yùn)行效率低

從當(dāng)前公交車的運(yùn)行情況來(lái)看，一方面，多輛同路線的公交車輛之間的配合缺乏協(xié)調(diào)優(yōu)化，資源分配不合理，造成一定程度的浪費(fèi)；另一方面，公交運(yùn)營(yíng)企業(yè)尚未建立統(tǒng)一的公交調(diào)度系統(tǒng)，已有的調(diào)度系統(tǒng)沒(méi)有與市民的通勤規(guī)律相結(jié)合，導(dǎo)致公交車擁擠，某些線路久等不來(lái)、打不到車、黑車泛濫等一系列問(wèn)題。

1.4 對(duì)公交車缺乏實(shí)時(shí)監(jiān)控

由于沒(méi)有對(duì)公交車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，導(dǎo)致車輛到站時(shí)間不確定，即使在固定的間隔時(shí)間內(nèi)發(fā)車，但是由于客觀因素和人為因素等導(dǎo)致公交車到站的時(shí)間不確定，經(jīng)常性地延長(zhǎng)間隔時(shí)間，乘客無(wú)法預(yù)測(cè)車輛到達(dá)時(shí)間。即乘客無(wú)法知曉車輛的準(zhǔn)確到達(dá)時(shí)間，耽誤乘客出行。如遇意外情況，公交車公司難以及時(shí)調(diào)動(dòng)車輛，出現(xiàn)乘客長(zhǎng)時(shí)間等不到車的現(xiàn)象。

2 系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新

智慧公交系統(tǒng)致力于解決傳統(tǒng)公交的諸多問(wèn)題，為智慧公交能有一個(gè)持續(xù)性發(fā)展，它還需要有以下幾項(xiàng)技術(shù)的支持。

2.1 結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)整合采集的信息

智慧公交系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)整合處理公交車運(yùn)行相關(guān)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)；能夠通過(guò)多種智能終端為乘客提供多種出行服務(wù)，避免交通擁堵路段，節(jié)約出行時(shí)間；對(duì)公交車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，科學(xué)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化、信息化的管理；可自行收集公交車運(yùn)營(yíng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，便于利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘、分析，制定合理的運(yùn)營(yíng)管理措施，提高公交企業(yè)效益和公交服務(wù)水平。

利用GIS地理信息技術(shù)[4]、GPS全球定位技術(shù)、4G無(wú)線通信、數(shù)據(jù)處理技術(shù)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)集成。GPS的自動(dòng)采集和數(shù)據(jù)管理技術(shù)大大縮短了數(shù)據(jù)采集和整合的時(shí)間，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的存儲(chǔ)和管理。通過(guò)將數(shù)據(jù)以統(tǒng)一格式存儲(chǔ)在公交集團(tuán)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)獲得集團(tuán)關(guān)注的信息，為公司決策提供理論依據(jù)，有助于智慧公交服務(wù)系統(tǒng)的建立。

以大數(shù)據(jù)[5]、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)[6]等新型交通基礎(chǔ)設(shè)施為基礎(chǔ)，從出行需求分析、出行需求滿足度和智慧出行整體理念等方面，構(gòu)建“自動(dòng)駕駛產(chǎn)品集”為城市微循環(huán)、公交、環(huán)衛(wèi)、機(jī)場(chǎng)等應(yīng)用場(chǎng)景，構(gòu)建汽車更智能、道路更智能、交通基礎(chǔ)設(shè)施更智能的全方位城市交通體系，構(gòu)建安全、綠色、舒適、快捷、準(zhǔn)時(shí)的智慧城市出行服務(wù)體系。

2.2 通過(guò)可視化監(jiān)測(cè)道路情況

隨著監(jiān)控系統(tǒng)的廣泛部署，先進(jìn)的視頻監(jiān)控技術(shù)在智慧交通中有著重要的意義和市場(chǎng)機(jī)遇。通過(guò)建立智慧化路段時(shí)間的預(yù)測(cè)算法，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)公交車車輛運(yùn)行的狀態(tài)和路況，并及時(shí)對(duì)車輛超速等情況進(jìn)行報(bào)警提示并記錄，保證車輛的行駛安全。通過(guò)先進(jìn)的視頻監(jiān)控技術(shù)及時(shí)指揮調(diào)度車輛，可在救援、危險(xiǎn)運(yùn)輸?shù)确矫嫣峁┲С趾头?wù)。

目前無(wú)論是作為完成城市交通管理和指揮的手段，還是信號(hào)控制，又或是路邊和車載誘導(dǎo)，都必須有路面信息作為基礎(chǔ)。根據(jù)目前路面的交通情況，提供多樣化的智能終端，乘客可以通過(guò)智能手機(jī)或公交車站電子廣播屏，實(shí)現(xiàn)對(duì)公交信息的實(shí)時(shí)查詢和到站預(yù)測(cè)，以便及時(shí)掌握交通信息，提前做好合理的出行路線規(guī)劃，從而提高出行效率，提高市民的滿意度。

2.3 利用開源的Map-Box和Echars技術(shù)進(jìn)行可視化處理

Map-Box使用Web服務(wù)擴(kuò)展應(yīng)用程序的功能，用于地理編碼、定位、空間分析等。通過(guò)編程創(chuàng)建靜態(tài)地圖，用Echarts[8]中的增量渲染技術(shù)結(jié)合其他各種細(xì)節(jié)的優(yōu)化，Echarts可以顯示千萬(wàn)級(jí)的數(shù)據(jù)量，并且仍然能夠在這個(gè)級(jí)別的數(shù)據(jù)上進(jìn)行平滑的縮放、平移等交互，同時(shí)提供了流式加載的支持，使用WebSocket或數(shù)據(jù)塊來(lái)加載，加載多少渲染不需要在繪制之前長(zhǎng)時(shí)間等待所有數(shù)據(jù)加載完成。基于Map-Box地圖圖層，覆蓋一層又一層的特效，可以讓原來(lái)靜態(tài)的地圖動(dòng)起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)可視化的功能。

2.4 通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)客流量進(jìn)行預(yù)測(cè)

采用非線性阻尼最小二乘法[9]對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化構(gòu)建客流預(yù)測(cè)模型，力求解決BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容易陷入局部最優(yōu)解和收斂速度慢的問(wèn)題。針對(duì)單機(jī)模式下BP算法無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)預(yù)測(cè)多個(gè)公交站點(diǎn)的短期客流預(yù)測(cè)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于Hadoop平臺(tái)的并行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。采集客流量的信息和車輛運(yùn)行的動(dòng)態(tài)信息，根據(jù)車流量和客流量進(jìn)行判斷，及時(shí)調(diào)整車輛的發(fā)車間隔，幫助公交公司調(diào)度車輛，在人流量高峰期增加班次，減少乘客等車時(shí)間以及改善公交車內(nèi)擁擠情況，從側(cè)面減少車內(nèi)讓座糾紛，為公交公司的經(jīng)濟(jì)效益提供技術(shù)支持。

2.5 通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)合理規(guī)劃出行路線

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[7]來(lái)研究時(shí)間預(yù)測(cè)算法，建立公交路段區(qū)間所形成的時(shí)間預(yù)測(cè)模型?；谶z傳算法優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)參數(shù)并提供技術(shù)支持?；趧?dòng)態(tài)交通信息和歷史數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移算法可以計(jì)算出車輛的到站時(shí)間。乘客可以從手機(jī)App上或者公交車站的電子屏上了解該車輛的到達(dá)時(shí)間、發(fā)車時(shí)間及班次等，也可以查詢路線或地圖，輸入目的地，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)為車輛安排行駛的最佳路線，避免了換乘出錯(cuò)、坐錯(cuò)車等問(wèn)題，減少人們查詢和規(guī)劃路線的時(shí)間，從而合理安排時(shí)間到達(dá)公交車站，避免了長(zhǎng)時(shí)間等待公交車的情況。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的主要內(nèi)容包括控制系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)、智能終端3個(gè)部分，具體研究?jī)?nèi)容如下。

3.1 控制系統(tǒng)

智慧交通的控制系統(tǒng)通過(guò)信息采集、處理、方案生成、管控制指令多模式發(fā)布，保障城市交通的順暢運(yùn)行。通過(guò)對(duì)采集的大數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、分析和預(yù)處理，監(jiān)控車輛的運(yùn)行狀態(tài)、采集GPS數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了車輛、車站、控制中心三者之間的信息交互，控制公交調(diào)度系統(tǒng)。

3.2 調(diào)度系統(tǒng)

利用算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建客流預(yù)測(cè)模型，通過(guò)對(duì)客流量的預(yù)測(cè)，及時(shí)對(duì)公交車輛進(jìn)行調(diào)度調(diào)控，避免用戶長(zhǎng)時(shí)間的等待。根據(jù)當(dāng)前的天氣情況、路段的通行狀況，及時(shí)對(duì)出行線路情況進(jìn)行調(diào)整，避免道路進(jìn)一步擁堵，幫助城市交通快速恢復(fù)暢通。車輛調(diào)度系統(tǒng)要保證車輛的間隔時(shí)間均衡，恢復(fù)被打亂的行車次序，根據(jù)路段擁堵情況變更路線，根據(jù)客流量進(jìn)行空余車輛調(diào)度等功能。

3.3 智能終端

智慧公交系統(tǒng)的關(guān)鍵是為用戶提供智能終端，為用戶出行提供便利。用戶可以通過(guò)手機(jī)App、公交電子站牌來(lái)查詢公交信息，輸入出行時(shí)間和目的地，系統(tǒng)可為此制定出行路線。智能終端可以顯示預(yù)測(cè)的公交車到站時(shí)間，做好準(zhǔn)確的報(bào)站，使乘客實(shí)時(shí)掌握公車運(yùn)行路線、情況等。智能終端是與乘客進(jìn)行直接交互的，系統(tǒng)簡(jiǎn)潔明了，方便用戶輕松使用。

(1)搜索功能：用戶通過(guò)輸入公交車的線路或目的地，可以查看此輛公交車開往的方向、首班車時(shí)間、末班車時(shí)間、票價(jià)、途經(jīng)站點(diǎn)等信息。

(2)乘車碼功能：二維碼功能可提供手機(jī)支付，方便用戶出行。

(4)制定出行計(jì)劃功能：用戶可以輸入公交車號(hào)、出行時(shí)間和地點(diǎn)，系統(tǒng)為用戶制定相應(yīng)的出行計(jì)劃。

(5)意見(jiàn)反饋功能：為用戶提供系統(tǒng)反饋功能，會(huì)有客服人員進(jìn)行管理，并對(duì)其做出完善。

(6)通知功能：系統(tǒng)顯示近段時(shí)間公交集團(tuán)發(fā)布的通知以及當(dāng)天的路面情況。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷完善和各種技術(shù)的成熟，智慧交通的建設(shè)是未來(lái)我國(guó)交通事業(yè)的必然趨勢(shì)，智慧公交系統(tǒng)的開發(fā)很好地帶動(dòng)了智慧交通的發(fā)展，推動(dòng)了智慧城市的建設(shè)。

智慧公交系統(tǒng)的研究不僅能帶動(dòng)智慧城市的建設(shè)，還很好地解決了現(xiàn)如今因車流量過(guò)多而引起的交通堵塞的問(wèn)題，減少了花費(fèi)在路上的時(shí)間，更好地為大眾解決了出行難的問(wèn)題，為乘客出行制定最優(yōu)的出行線路，為社會(huì)提供更加優(yōu)質(zhì)的公共服務(wù)。

城市的交通體系包括道路、車輛、管理和服務(wù)4個(gè)方面，城市交通狀況的優(yōu)劣與否取決于以上4個(gè)方面的發(fā)展水平。總體而言，城市公交發(fā)展主要解決以下幾個(gè)問(wèn)題。

(1)集成公交運(yùn)營(yíng)[10]企業(yè)公交車輛調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)度、智能調(diào)度、視頻監(jiān)控一體化管理。

(2)提升了用戶對(duì)公共交通服務(wù)體驗(yàn)的滿意度，增強(qiáng)了公眾搭乘公共交通的意愿，使乘客實(shí)時(shí)了解出行情況，保證乘坐舒適度。

(3)根據(jù)城市客流分布情況優(yōu)化公交調(diào)度，提高公共出行的便利性，提高了公交利用率，優(yōu)化了城市交通。