一种基于ZigBee的公交车智能停靠解决方案

徐 特，孙华磊，黄炯岗，李 娜

(长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

一、研究背景

我国公交系统由于线网规划、道路交通设计、公交信息系统等各方面的滞后和设计不协调，公交车在停靠站的运行秩序混乱的现象一直很突出。具体现象表现为:公交车无序进站造成泊位资源无法充分利用;车辆随机选位停靠造成乘客无法定点候车;这些问题都严重影响了公交系统的运行效率和道路服务水平，而且增加了安全隐患［1］。

目前智能公交系统尚未全面普及，而公交调度不能对每一个公交车进站的信息进行实时的动态反馈调度。为了改善公交车进站混乱的状况，作为对公交调度系统盲点的补充，本文现提出公交车进站智能引导系统的构想［2］。

二、公交车排队模型分析

(一)公交进站排队系统

实际可认为公交车站的到达规律近似服从泊松分布，而上下客的时间服从负指数分布，因而公交车站的车辆到站－上下客过程可看作一个泊松输入，负指数分布服务的单路排队多通道排队系统。该模型的特点是:服务系统中有N个服务台，顾客按泊松流来到服务系统，平均到达率为λ;服务时间服从负指数分布，平均服务率为μ［3］。

(二)公交车进站排队原理

当站内无公交车时，优先分配最靠出站口的停车位，方便后车进入。当站内有车时，我们进行分情况讨论:当所有泊位停满时，车辆在站外等候，采取离开一辆进一辆的方式进站;当泊位未停满时，以乘客等待时间最少(即车辆从发送信号到进站与乘客调整等待区域时间一致时等待时间最少)为原则计算，基于BP神经网络模型分析，我们可以得到如下公式:

先定义如下变量:

设站台泊位为i，其使用状态有fi表示，则有

tdd(r，k，i)——线路 r的第 k 辆车在泊位 i处的停靠时间

ta(r，k，i)——线路 r的第 k 辆车从发送信号开始到达泊位i处的时间

tp(r，k，i)——乘坐线路 r的第 k 辆车的乘客从看到显示屏到移动至泊位i处的时间

Nsp(r，k)——站台上等待线路r的第k辆车的乘客数量

Nbp(r，k)——线路 r的第 k辆车准备下车的乘客数量

做如下假设:

一是乘客数量根据每一路车的具体情况取统一标准值。

二是考虑公交车到站前乘客已经都到达站内或者接近，不考虑在排队完成后再加进队列的乘客，同时，车辆不允许离开泊位再停车。

假设车辆v1为线路r1的第ka辆车，v1所分配到的泊位设为i，若v1到达车站的时候仅有自己，即此时f1=1，直接停靠在泊位1即可;若f1=0，则需要进行分配泊位i'，过程如下:分析可知V1到站过程中乘客所需要时间，即v1到达i'的时间t1(i')为:

乘客总等待时间为:

设v1从发射的信号被接收到到达指定泊位的时间为t1(i')，同时站台上的乘客也在向指定泊位定向移动，时间设为tp(r1，k1，i')。如果车辆v1比乘客先到达泊位i'，则上车乘客的平均等待时间tw(r1，k1，i')与其移动时间 tp(r1，k1，i')相等(即移动后无需额外等待时间)，否则tw(r1，k1，i')就包括上车乘客的移动时间与移动后等待时间之和，也等于到达泊位v1的时间。即有:

而另分配泊位后，车辆v1的乘客总等待时间Tw(i')为:

假设泊位编号1到n，考虑基于等待时间Tw(i')最小的时间分配的泊位m满足

上述函数的约束条件为:

公式(1)表示乘坐线路r的乘客到达泊位m的平均时间要小于Tp，Tp为乘客可接受的最大移动时间，可通过交通调查获得。

公式(2)表示车辆在泊位m上停靠后，车辆车门关闭的时间小于等于最后一名乘客到达泊位的时间。tp(m)表示乘客移动到泊位m所需要的最大移动时间。△t为由车门关闭等引起的额外损失时间。

则按照此算法分配车位，能实现从车辆信号被车站终端接收后在进站过程中乘客等待时间最短，不会产生不舒适的感觉，并达到进站上下车效率最优。

三、方案设计

(一)设计思路

综合考虑车站泊位、车辆进出方式、车站站牌设施等方面，在现有的公交站台设施的基础上，基于ZigBee无线传输技术，通过车载和车站通讯终端实时监测即将到达停靠站的公交车辆。

指示过程如下:(1)公交车接近站台，信号被车站终端接收。(2)站台接收信息后将车辆停靠车位发布在电子站牌上，车辆按位置进站，同时行人到指定位置候车。(3)通过隔断门有序上下车。(4)公交车离站，向终端发送信息，终端引导下一辆车进入。

(二)技术实现

我们选用了ZigBee技术作为通讯模块。Zig-Bee是一种高可靠的无线数据传输网络，使用方便，工作可靠，价格低廉。本方案在公交车上安装基于ZigBee技术的信号发射器，在站台设置接收和发射节点。

图1 信息交互示意图

四、实验数据分析

以某路公交车为实例进行对比分析。对该路公交车进行跟踪调查，并在实验室进行系统模拟可得:

公交车上单向出行人数均为420，得到420×(3－2)=400s=7min的时间节省

改进前的运行速度

运行速度增加1.44km/h。

其中:V0－改进前运行速度;V0'－改进后运行速度;△V－增加的运行速度

减少用户出行时间:t0－t0'=2.11min

平均每个乘客节省2.11min，出行时耗降低了约 8.8%。

五、创新特色

本方案填补了一般公交站设计和交通管理研究的盲点，能够做到在较低的改建成本和易操作的组织措施的条件下，改进公交车站内的混乱组织。公交车智能进站方案的动态泊位引导，能够做到在有限的公交泊位的情况下，实现泊位利用率的最大化。有组织地引导公交车进站，即使在繁忙状态下，泊位也能不间断利用，提高运行效率［4］。

基于ZigBee的公交车进站引导方案最核心的思想在于公交车空闲泊位的准确获取和停靠信息及时发布。并且能够实现全程无需人工参与，节约了人力成本，减少了人工操作的反应时间。

总之，本方案填补了车联网中无法对具体公交站进行调度指挥的空白，将单个车辆停车定位变得更加精确。

六、应用前景

本公交车进站引导系统在车联网技术不断应用和发展的大背景下，立足于“城市公共交通优先发展”的战略，提高公共交通占机动化出行比例，缩短乘客的乘车时间。该系统不仅结合了车辆的信息指示，也对站内的停靠和上下车实施动态引导，无需进行所有车站的统一调度和联网。本系统具有两方面优势:一是可与交通信号灯结合，实现路段整体调控。本方案可采用“红波控制理论”，在传输系统的引导下，当车站无空闲泊位时，站台终端会将延长红灯信号时间的指令发送给上游信号灯，实现红波控制，避免出现排队溢出现象［5］。二是造价低，设备安装和改造简单。暂使用ZigBee无线数据传输网络，成本低，公交站改造较容易，车辆也只需加装信号收发模块，具有很强的操作性，同时设备的维护也较为简单。升级空间大，随着无线数据传输系统的不断发展，可以不断升级ZigBee系统，增加信号强度和可靠性。

［1］安蕾，王磊，张洁.交通高峰时段“人车互等－公交车进站停靠低效问题”的调查研究——以西安市钟楼公交车停靠站为例［J］.华中建筑，2014(6):127～130.

［2］彭国雄，莫汉康.城市公交停靠站设置常见问题及对策［J］.交通运输工程学报，2001(3):77～80.

［3］王炜，过秀成等.交通工程学［M］.南京:南京:东南大学出版社，2000:34～47.

［4］葛宏伟.城市公交停靠站点交通影响分析及优化技术研究［D］.东南大学，2006.

［5］Wong S，Yang H，Au Yeung W，et al.Delay at signal－controlled intersection with bus stop upstream［J］.American Society of Civil Engineers，1998(3):229～234.