基于AI的私人定制交通助手研究與應(yīng)用

李鴻瑞，張志良，李鵬程，申海杰

（西安思源學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，陜西西安，710038）

1 研究背景及意義

近年來，隨著全球經(jīng)濟(jì)水平的提高，在人口城市化的浪潮下，汽車已然成為市民尤為重要的出行方式。為提高交通運(yùn)輸效率、保障道路安全、降低交通事故發(fā)生，大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展為智能交通帶來了契機(jī)。將人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到交通中成為了一種不錯(cuò)的選擇。

本文提出一種全新的思路：利用城市交通的大數(shù)據(jù)分析的手段，根據(jù)用戶預(yù)設(shè)出行路段和出行時(shí)間等信息，提前主動(dòng)為用戶檢測(cè)路況，發(fā)現(xiàn)擁堵主動(dòng)推送擁堵消息至用戶手機(jī)，從而解決了用戶每次出行前均需要主動(dòng)查看路況、偶爾忘記查看而路況發(fā)生擁堵導(dǎo)致行程耽誤等不便問題。本文基于HomeAssistant平臺(tái)和樹莓派開發(fā)板實(shí)現(xiàn)基于AI的私人定制交通助手系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 開發(fā)環(huán)境

HomeAssistant是一款開源的構(gòu)建智慧空間的神器，通過其可以方便地連接各種外部設(shè)備，手動(dòng)或按照自己的需求自動(dòng)化地聯(lián)動(dòng)這些外部設(shè)備，構(gòu)建隨心所欲的智慧空間。

Traccar是一款免費(fèi)開源的GPS跟蹤服務(wù)工具，它支持多種設(shè)備和協(xié)議，功能齊全，有定位、地理圍欄、定位設(shè)備位置、報(bào)警，短信控制，通知，跟蹤運(yùn)動(dòng)路徑等功能。Traccar在多平臺(tái)上擁有高性能和穩(wěn)定性，提供專業(yè)托管，也可以在云端或本地托管。在設(shè)備方面，Traccar支持多協(xié)議、多設(shè)備型號(hào)的GPS跟蹤器。同時(shí)，安裝Traccar應(yīng)用程序可將移動(dòng)設(shè)備作為GPS跟蹤器。這意味著在不同場(chǎng)合可以高品質(zhì)到低成本的選購。Traccar提供Android和IOS平臺(tái)的應(yīng)用程序，且擁有功能齊全的Web界面，操作便捷。

Node-Red是IBΜ開發(fā)的一個(gè)圖形編程工具，適合在低成本硬件、云端、本地運(yùn)行，經(jīng)常被用來構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)?？梢暬幊痰姆绞皆试S將節(jié)點(diǎn)連接在一起執(zhí)行任務(wù)。它允許將不同類型的設(shè)備與不同的協(xié)議、不同語言的API服務(wù)和在線服務(wù)集成在一起，形成數(shù)據(jù)流，并擁有瀏覽器的流編輯器，允許快速開發(fā)Web應(yīng)用程序。

ΜQTT是一個(gè)客戶端-服務(wù)端架構(gòu)的發(fā)布/訂閱模式的消息傳輸協(xié)議。它的設(shè)計(jì)思想是輕巧、開放、簡(jiǎn)單、規(guī)范，易于實(shí)現(xiàn)。這些特點(diǎn)使得它對(duì)很多場(chǎng)景來說都是很好的選擇，特別是對(duì)于受限的環(huán)境如機(jī)器與機(jī)器的通信（Μ2Μ）以及物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境（IoT）[2]。ΜQTT占用資源少，可使用在微型控制器上穩(wěn)定運(yùn)行；小的消息頭可以在低帶寬下穩(wěn)定傳輸；可擴(kuò)展大量IoT設(shè)備；持久的會(huì)話減少了網(wǎng)絡(luò)重連使得消息傳遞可靠；使用TLS加密和身份驗(yàn)證使會(huì)話更安全。

2.2 設(shè)計(jì)思想

實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，首先要實(shí)現(xiàn)用戶語音與語音識(shí)別設(shè)備（如天貓精靈）的交互，比如去公司。一方面，語音識(shí)別設(shè)備將用戶的語音回傳給服務(wù)器，獲取分析內(nèi)容，并根據(jù)分析結(jié)果反饋給語音，如：“OK”。另一方面，云服務(wù)器（如阿里云）根據(jù)掃描結(jié)果判斷要調(diào)用的智能家居服務(wù)，并將身份認(rèn)證下發(fā)給本地服務(wù)器，認(rèn)證通過后本地服務(wù)器對(duì)其授權(quán)，然后接收云服務(wù)器打開的導(dǎo)航設(shè)備的指令，并將其發(fā)送給 HASS服務(wù)。 HASS管理的設(shè)備中的路況信息設(shè)備收到“去公司”命令后，采集路況信息。信息采集完成后，選擇最優(yōu)路線，通過TTS語音或廣播向車主播報(bào)實(shí)際路況信息，通過微信發(fā)送。 HASS 控制一切設(shè)備。此系統(tǒng)還會(huì)對(duì)近期油價(jià)進(jìn)行監(jiān)控。其系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目實(shí)施流程

3 詳細(xì)設(shè)計(jì)

HomeAssistant基本自定義配置組件包含：語音交互、油價(jià)組件、高德逆地理分析（路況信息、高德逆地理分析）、微信推送、天氣組件。

3.1 語言交互

語音交互主要由三部分組成：安裝了語音控制軟件的HomeAssistant終端、便攜式語音控制器和TTS 語音播報(bào)系統(tǒng)。

HomeAssistant終端接收到本地語音信息后，通過網(wǎng)絡(luò)將本地語音信息發(fā)送到語音云平臺(tái)進(jìn)行識(shí)別，然后對(duì)云端返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合本地指令，得到正確的控制指令。通過服務(wù)器和網(wǎng)關(guān)，將這些指令發(fā)送到相應(yīng)的設(shè)備執(zhí)行動(dòng)作指令，連接到HA的設(shè)備可以隨時(shí)隨地通過語音進(jìn)行控制。便攜式語音控制器通過內(nèi)部網(wǎng)關(guān)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)集成。終端在本地識(shí)別語音信息并將相應(yīng)的控制指令發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，并通過網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器發(fā)送給相應(yīng)的設(shè)備執(zhí)行動(dòng)作指令。同時(shí)，客戶端可以使用TTS技術(shù)將系統(tǒng)自動(dòng)處理的反饋文本信息轉(zhuǎn)換成語音文件進(jìn)行播放和傳輸。

3.2 路況信息

GPS設(shè)備采集位置和行駛速度信息，以大量數(shù)據(jù)獲取某路段的交通狀況，以及預(yù)測(cè)交通狀況的功能。這種方法需要支持大量的終端設(shè)備才能獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。路況數(shù)據(jù)主要來自浮動(dòng)車輛數(shù)據(jù)的采集和整理。 如今，出租車、長途巴士等。都裝有GPS，通過通信網(wǎng)絡(luò)，把這些車的經(jīng)緯度、車頭 方向、速度等信息傳遞到數(shù)據(jù)處理中心，就可以計(jì)算出實(shí)時(shí)路況數(shù)據(jù)。當(dāng)某個(gè)網(wǎng)絡(luò)中有足夠多的車輛時(shí)，這樣得到的結(jié)果也足夠準(zhǔn)確。唯一的問題是速度，因?yàn)槁窙r一直在變化。按照目前的技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸延遲可以控制在3~5分鐘。

系統(tǒng)詳細(xì)分析了出行者的信息需求，提出了一種交通引導(dǎo)策略，實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器與多個(gè)客戶端之間的信息傳輸、文本語音轉(zhuǎn)換等功能。在使用過程中，避免了傳統(tǒng)路況檢測(cè)的不便，可預(yù)測(cè)從預(yù)先設(shè)定的出發(fā)地點(diǎn)到目的地可供行駛的路段所需的行駛時(shí)間，以及各行駛路段的路況是否暢通，讓交通更智能。

路況信息模塊是對(duì)于要通行的路況進(jìn)行展示，可以具體顯示通行路線的路況信息，簡(jiǎn)潔直觀的展示出路況的舒緩和是否暢通等情況，還可根據(jù)行車時(shí)常結(jié)合GPS信息判斷并計(jì)算和統(tǒng)計(jì)出從家到上學(xué)之間的時(shí)間、從學(xué)校到家的時(shí)間、從家到上班的時(shí)間、下班接孩子的時(shí)間和放學(xué)回家期間的時(shí)間等，簡(jiǎn)單的說，只要設(shè)定好目的地和出發(fā)地，就可以計(jì)算出出行所需的時(shí)間以及路況是否暢通。如圖2所示。

圖2 路況

3.3 高德逆地址分析

高德逆地址分析設(shè)計(jì)部分采用Node-Red工具進(jìn)行編寫構(gòu)建。主要用于車輛定位?？梢詫?duì)車輛的實(shí)時(shí)位置進(jìn)行查詢。得益于高德的地理圍欄技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車輛離開常用位置，微信推送消息進(jìn)行提醒。對(duì)車輛防盜起到一定作用。

采用高德接口對(duì)GPS設(shè)備返回的地理編碼和常用地址位置進(jìn)行對(duì)比。如果是常用位置，例如家庭住址或公司單位，則返回逆地理編碼，系統(tǒng)經(jīng)過判斷響應(yīng)常用位置；否則，對(duì)現(xiàn)地理編碼通過GET請(qǐng)求進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的API服務(wù)，得到所在位置并響應(yīng)給系統(tǒng)。高德逆地理主體設(shè)計(jì)如圖3所示。前臺(tái)展示頁面根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)的地理消息在地圖上顯示設(shè)備位置。

圖3 高德逆地理

車輛位置及狀態(tài)模塊是對(duì)于設(shè)備定位進(jìn)行的展示，具體可通過定位信息展示出所帶有定位模塊的設(shè)備或者車輛，展示界面如圖4所示。

圖4 汽車定位界面

3.4 微信推送

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，微信已經(jīng)融入人們的社會(huì)生活，在信息傳遞方面也發(fā)揮著重要作用。我們?cè)O(shè)計(jì)了車輛點(diǎn)火啟動(dòng)、車輛熄火停車等信息的推送，防止車輛被盜。在微信推送(自動(dòng)化)模塊上，我們?cè)O(shè)計(jì)出微信推送的方式去智能的推送所需的信息，可選擇的推送信息包括車輛點(diǎn)火啟動(dòng)信息、車輛熄火停車信息、堵車信息等，如圖5所示；該系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)時(shí)路況信息，通過微信客戶端的公眾號(hào)推送使用者交通路線過程中的路況信息。如圖6所示，它確保用戶可以直觀地看到復(fù)雜的路況，例如通暢的交通狀況或非常擁擠的交通狀況。

圖5 微信推送自動(dòng)化

圖6 微信推送

3.5 油價(jià)信息

通過orlprice油價(jià)組件在網(wǎng)絡(luò)上爬取最新的油價(jià)信息，前臺(tái)界面通過列出表格顯示92#汽油、95#汽油、98#汽油、0#柴油等最新油價(jià)信息，直觀的展示了對(duì)所在地區(qū)的油價(jià)信息的對(duì)比。如圖7所示。

圖7 陜西省油價(jià)信息展示

不但可以顯示各地區(qū)每日最新油價(jià)，而且可以顯示油價(jià)跌漲情況，提前了解所在地區(qū)油價(jià)變化情況等，幫助用戶做出最佳的選擇。如圖8所示。

圖8 油價(jià)漲跌等信息預(yù)覽情況展示

4 系統(tǒng)展示

我們?cè)O(shè)計(jì)的整個(gè)系統(tǒng)包括語言交互模塊、路況信息模塊、車輛位置及狀態(tài)模塊、微信推送(自動(dòng)化)模塊、油價(jià)信息模塊，共五大模塊。系統(tǒng)主頁面展示效果如圖9所示。

圖9 主頁效果圖

5 總結(jié)和展望

本文主要闡述了關(guān)于基于AI的私人定制交通助手系統(tǒng)的研究背景，給出了系統(tǒng)具體的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。

本文的主要總結(jié)工作如下：(1)總結(jié)分析了國內(nèi)的主要交通問題以及用戶實(shí)際的出行問題，提出基于HomeAssistat平臺(tái)設(shè)計(jì)基于AI的私人定制交通助手系統(tǒng)。(2)根據(jù)需求分析，確定系統(tǒng)的總體功能架構(gòu)。(3)根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)的功能需求，結(jié)合軟硬件實(shí)現(xiàn)了基于AI的私人定制交通助手系統(tǒng)。

通過開發(fā)此項(xiàng)目，提高了本團(tuán)隊(duì)的理論知識(shí)和實(shí)際動(dòng)手能力。團(tuán)隊(duì)在老師的幫助下，以及參考了大量國內(nèi)外理論及具體應(yīng)用的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)有的條件下，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于AI的私人定制交通助手系統(tǒng)。結(jié)合實(shí)際的出行問題，能夠?yàn)橛脩籼峁┒ㄖ苹?，智能化的交通提醒服?wù)，有效的節(jié)省了用戶在路上因堵車所耗費(fèi)的時(shí)間，提高了用戶的出行體驗(yàn)，并具有一定的實(shí)用價(jià)值。