城市公交智能電子站牌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

姜 川，陳 晨，李樂童，趙智洋，景 強(qiáng)

（1. 正元地理信息集團(tuán)股份有限公司山東分公司，山東 濟(jì)南 250014）

近年來，一些大中型城市正逐步推廣建設(shè)智能化公交系統(tǒng)[1-2]，新設(shè)的智能電子站牌不僅能實(shí)時(shí)播報(bào)公交車運(yùn)行軌跡、即將到站信息、天氣預(yù)報(bào)、通知公告等，還可以實(shí)時(shí)監(jiān)控公交站點(diǎn)附近客流和治安狀況，使乘客的出行更加便捷。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文以長?。ㄔ醒胩K區(qū)）智能運(yùn)營中心智能電子站牌專項(xiàng)建設(shè)為例，提出軟硬件建設(shè)的思路及總體框架。

1.1 設(shè)計(jì)理念

在新型智慧城市建設(shè)理念指導(dǎo)下，通過繪制一張圖、建設(shè)一張網(wǎng)、進(jìn)行一治理，打造三中心，搭建一平臺(tái)、建立兩個(gè)保障體系、推進(jìn)N方面典型應(yīng)用，形成長?。ㄔ醒胩K區(qū)）智能運(yùn)營中心PPP項(xiàng)目的頂層設(shè)計(jì)。

智能公交電子站牌建設(shè)作為長?。ㄔ醒胩K區(qū)）智能運(yùn)營中心PPP項(xiàng)目建設(shè)的重要組成，結(jié)合云計(jì)算中心、云數(shù)據(jù)中心、調(diào)度指揮中心現(xiàn)有的基礎(chǔ)和智能電子站牌項(xiàng)目的具體要求，分配相應(yīng)存儲(chǔ)、計(jì)算、安全等各類資源，進(jìn)行統(tǒng)一部署，與長汀縣智慧城市頂層設(shè)計(jì)相結(jié)合，從建設(shè)資金、運(yùn)維模式、數(shù)據(jù)共享等方面提供扎實(shí)的保障。

乘客可以通過手機(jī)、實(shí)體電子站牌準(zhǔn)確獲得公交路線信息、車輛實(shí)時(shí)位置，城市管理者可以通過云數(shù)據(jù)中心調(diào)取運(yùn)營態(tài)勢(shì)、公交運(yùn)力等專題數(shù)據(jù)，為城市規(guī)劃、應(yīng)急指揮提供數(shù)據(jù)服務(wù)，構(gòu)建出覆蓋智能電子站牌設(shè)備、網(wǎng)頁、微信、APP等多元渠道的智慧公交出行服務(wù)體系，優(yōu)化乘客出行體驗(yàn)，提升出行滿意度。

1.2 設(shè)計(jì)思路

智能電子站牌是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，結(jié)合長汀縣傳統(tǒng)仿古設(shè)計(jì)站牌、公交車運(yùn)營的實(shí)際情況，提出包含嵌入式電子站牌硬件設(shè)計(jì)、公交站點(diǎn)采集定位、接電線路鋪設(shè)、基礎(chǔ)地基加固、通信協(xié)議對(duì)接、軟件平臺(tái)研發(fā)、軟硬件安裝調(diào)試等過程的技術(shù)方案，并跟蹤電子站牌實(shí)施過程的噴漆、焊接、組裝、調(diào)試每一個(gè)環(huán)節(jié)，最終將智能電子站牌分別投放于西外街、兆征路、營背街等路段。

智能電子站牌的報(bào)站提醒依托地理信息技術(shù)對(duì)站點(diǎn)和車輛實(shí)時(shí)位置比對(duì)[3-5]，因此，站點(diǎn)位置的采集是最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)，也是公共交通設(shè)施規(guī)劃調(diào)整的重要參考依據(jù)。本次研究過程采用中海達(dá)Qbox8 高精度北斗魔盒，接入千尋知寸位置服務(wù)，在固定解狀態(tài)下，對(duì)各站點(diǎn)采集位置達(dá)到厘米級(jí)精準(zhǔn)定位。

智能電子站牌報(bào)站的工作原理是在每一輛公交車上安裝車載終端[6]，車載終端將車輛GPS 位置數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)推送到智能運(yùn)營中心，在智能運(yùn)營中心部署軟件系統(tǒng)處理、分析、比對(duì)、分發(fā)數(shù)據(jù)。在公交車輛進(jìn)入站點(diǎn)200 m 范圍內(nèi)感應(yīng)即將到站的車輛。公交車輛GPS實(shí)時(shí)定位軌跡的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性，直接決定智能電子站牌報(bào)站的準(zhǔn)確性。如果出現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)丟失、消息堵塞等情況，則會(huì)導(dǎo)致報(bào)站的不準(zhǔn)。因此，本文采用MQTT通信方式傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，redis作為消息隊(duì)列提高數(shù)據(jù)處理的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。

電子站牌與系統(tǒng)平臺(tái)之間采用TCP 方式建立連接，設(shè)備上電后發(fā)送登陸指令，平臺(tái)收到指令后發(fā)送設(shè)備校時(shí)與設(shè)置站點(diǎn)名稱指令，后續(xù)平臺(tái)再立即推送線路站點(diǎn)信息指令，電子站牌按固定周期向平臺(tái)發(fā)送心跳消息，對(duì)接電子站牌MQTT通信協(xié)議的解析如表1所示。

表1 設(shè)備校時(shí)與設(shè)置站點(diǎn)名稱格式

1.3 系統(tǒng)架構(gòu)

智能電子站牌系統(tǒng)并不局限于對(duì)公交車報(bào)站單一屬性，而是集成多種硬件設(shè)施和軟件系統(tǒng)為一體的綜合性智能化系統(tǒng)[7-9]。整體架構(gòu)由智能電子站牌、車載終端、應(yīng)用系統(tǒng)（基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、電子站牌集中控制管理系統(tǒng)、視頻監(jiān)控管理云平臺(tái)、智慧公交大數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)、智慧公交移動(dòng)端）、基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、數(shù)據(jù)資源組成，各組成部分互為支撐。

總體框架采用面向服務(wù)的架構(gòu)（SOA）技術(shù)，在深入研究計(jì)算模型、技術(shù)框架及其標(biāo)準(zhǔn)體系的基礎(chǔ)上，依托虛擬化節(jié)點(diǎn)主機(jī)、云存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等硬件資源，將智能感知和業(yè)務(wù)專題數(shù)據(jù)統(tǒng)一組織存儲(chǔ)、按需分配，支撐車載終端、智能電子站牌、應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行，滿足城市管理、服務(wù)民生、行業(yè)監(jiān)管的要求，如圖1所示。

圖1 總體架構(gòu)圖

1.4 硬件設(shè)計(jì)

智能電子站牌設(shè)備是為長汀縣仿古公交站牌嵌入定制的產(chǎn)品，在結(jié)構(gòu)與外形方面匹配適應(yīng)古韻汀州的定位，主框架所有工藝加工采用激光切割和轉(zhuǎn)塔數(shù)控沖床，外表采用8 mm 全鋼化玻璃覆蓋，顯示區(qū)域采用的是55 寸LCD 顯示屏，顯示分辨率為1 920 px×1 080 px，默認(rèn)顯示4條公交線路，對(duì)線路較多的站點(diǎn)采用滾動(dòng)的方式顯示。

智能電子站牌以基于Android 核心板集中控制系統(tǒng)為核心，集成無線通信、顯示屏狀態(tài)管理、滾軸廣告、照明、語音、溫控、時(shí)控、故障回傳、視頻監(jiān)控等功能，由通信設(shè)備實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交換，如圖2、3所示。

圖2 電子站牌硬件結(jié)構(gòu)圖

圖3 電子站牌效果圖

2 系統(tǒng)軟件研發(fā)

從長?。ㄔ醒胩K區(qū)）智能運(yùn)營中心PPP項(xiàng)目頂層設(shè)計(jì)的角度，采用虛擬化、服務(wù)化、資源化的設(shè)計(jì)思想，將整個(gè)城市公交智能電子站牌系統(tǒng)架構(gòu)劃分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層，可視化呈現(xiàn)城市公交運(yùn)行態(tài)勢(shì)，為城市交通管理提供堅(jiān)實(shí)可靠的數(shù)據(jù)和信息支撐，如圖4所示。

圖4 軟件架構(gòu)圖

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

通過基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)整合匯聚公交基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源，確保數(shù)據(jù)的完整性、現(xiàn)勢(shì)性，涵蓋人員管理、線路管理、分組管理、電子站牌管理、公交車輛管理、車載終端管理、特殊區(qū)域管理等功能模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市公交基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)、統(tǒng)一管理、共享服務(wù)。

在站點(diǎn)采集定位完成后，將北斗魔盒采集的坐標(biāo)按要求格式錄入到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，通過系統(tǒng)維護(hù)各公交站點(diǎn)的空間和屬性信息。同時(shí)，系統(tǒng)提供對(duì)線路、站點(diǎn)、車輛、司機(jī)等數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、添加、修改、刪除等操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)公交專題數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用和統(tǒng)計(jì)分析。

2.2 電子站牌集中控制管理系統(tǒng)

通過電子站牌集中控制管理系統(tǒng)與智能電子站牌設(shè)備的無縫對(duì)接，實(shí)時(shí)監(jiān)控電子站牌的運(yùn)行狀態(tài)，提供對(duì)電子站牌的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理，可在遠(yuǎn)端控制主機(jī)開關(guān)機(jī)、音量控制、定時(shí)LCD開關(guān)機(jī)、報(bào)警溫度、滾屏方式、首末班時(shí)間等，還可以向智能公交電子站牌設(shè)備終端推送線路站點(diǎn)、即將到站、廣告、時(shí)間、天氣等信息。

智能電子站牌作為電子站牌集中控制系統(tǒng)的消息接收端，響應(yīng)系統(tǒng)下達(dá)的各項(xiàng)任務(wù)，控制電子站牌屏幕顯示內(nèi)容。同時(shí)，乘客在等車的過程中宣傳客家首府、古韻汀州風(fēng)貌，垃圾分類、綠色出行等公益廣告。

2.3 視頻監(jiān)控管理云平臺(tái)

視頻監(jiān)控管理云平臺(tái)集成實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控、本地與遠(yuǎn)程錄像播放、視頻巡檢、圖像抓拍、設(shè)備管理與維護(hù)、報(bào)警管理、報(bào)表統(tǒng)計(jì)、系統(tǒng)管理等功能模塊，可以提供公交車內(nèi)、公交站點(diǎn)周邊區(qū)域的監(jiān)控視頻，為智能電子站牌設(shè)備的安全提供保障。

在智能電子站牌內(nèi)置2T硬盤存儲(chǔ)監(jiān)控視頻，可設(shè)置開始時(shí)間點(diǎn)、結(jié)束時(shí)間點(diǎn)及選擇視頻通道進(jìn)行歷史視頻回看。通過視頻監(jiān)控管理云平臺(tái)可以將智能電子站牌周邊區(qū)域的監(jiān)控圖形傳輸?shù)街悄苓\(yùn)營中心，支撐交通管理部門對(duì)公交站點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。

2.4 智慧公交大數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)

通過智慧公交大數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)集成整合車載終端、電子站牌等物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，結(jié)合地理信息技術(shù)在電子底圖上可視化呈現(xiàn)實(shí)時(shí)公交車輛位置、公交站牌分布情況，對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析匯總整合、專題化分析，還提供公交模擬線路圖更直觀表達(dá)公交站點(diǎn)的到站信息[10-12]。

智慧公交大數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)從車輛總數(shù)、月累計(jì)營運(yùn)里程、月累計(jì)完成趟數(shù)、車輛平均速度多個(gè)維度統(tǒng)計(jì)公交運(yùn)營態(tài)勢(shì)，可以宏觀匯總統(tǒng)計(jì)線路總數(shù)、站點(diǎn)總數(shù)、路線長度等公交基礎(chǔ)設(shè)施情況，還可以直觀展示上行車輛、下行車輛、營運(yùn)里程、趟數(shù)、平均速度等每日運(yùn)力數(shù)據(jù)，為公共交通管理決策和規(guī)劃設(shè)計(jì)提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。

2.5 智慧公交移動(dòng)端

智慧公交移動(dòng)端包括微信小程序和手機(jī)APP，提供查詢公交路線、公交站點(diǎn)、附近公交、公交換乘、常用線路、站點(diǎn)收藏、上下車提醒等功能，可通過手機(jī)查詢每一輛公交車的實(shí)時(shí)位置，使手機(jī)一秒變身智能公交電子站牌。通過智慧公交移動(dòng)端使乘客在出行前，即可通過手機(jī)快速定位到自己所在位置，查看附近公交站點(diǎn)位置以及公交站點(diǎn)的線路信息，還可獲取公交車的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息，提前安排出發(fā)時(shí)間、換乘線路。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

整體系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)使用WebSocket建立鏈接推送消息，前端業(yè)務(wù)功能使用RESTful 接口POST提交到后端，服務(wù)器接收到請(qǐng)求調(diào)用相關(guān)的Java包響應(yīng)，Java包依據(jù)請(qǐng)求內(nèi)容調(diào)用處理程序，從service層傳遞到mapper層進(jìn)行數(shù)據(jù)庫交互，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)處理邏輯，完成響應(yīng)后將結(jié)果進(jìn)行前端界面渲染與展示。

3.2 系統(tǒng)測(cè)試

選取三元閣公交站點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)記錄、比對(duì)公交車到站與智能電子站牌報(bào)站是否一致，驗(yàn)證預(yù)報(bào)站點(diǎn)、信息發(fā)布的準(zhǔn)確性。同時(shí)，在微信小程序、APP中獲取公交線路、車輛實(shí)時(shí)位置等信息，比對(duì)手機(jī)報(bào)站是否準(zhǔn)確，比對(duì)附近公交、站點(diǎn)線路查詢等結(jié)果是否與現(xiàn)場(chǎng)一致。

通過在現(xiàn)場(chǎng)2 h的記錄以及1個(gè)月的隨機(jī)抽查，驗(yàn)證了微信小程序、APP中獲取公交線路、車輛實(shí)時(shí)位置等信息準(zhǔn)確無誤，智能電子站牌滾軸廣告、視頻、通知、天氣、線路等均無故障發(fā)生，報(bào)站準(zhǔn)確率達(dá)100%。

4 結(jié) 語

本文提出一種集成多種硬件設(shè)施和軟件系統(tǒng)為一體的綜合性智能化城市公交智能電子站牌系統(tǒng)，并對(duì)智能電子站牌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了全面的分析闡述。通過城市公交智能電子站牌在長汀縣的實(shí)際應(yīng)用，優(yōu)化了公交出行的乘客體驗(yàn)，提高了城市公交智能化水平。