基于物联网技术的上海市智能公共交通系统

郭 征 茜

(上海新兴媒体信息传播有限公司 上海 200072)



基于物联网技术的上海市智能公共交通系统

郭 征 茜

(上海新兴媒体信息传播有限公司 上海 200072)

公交信息化是上海市智慧城市建设的重要举措之一，采用物联网技术的智能公共交通系统则是公交信息化的最具有表征性的系统。基于物联网的智能公交系统，由车载终端信息采集系统、信息处理平台、候车亭信息发布系统及智能调度系统组成。为公交信息化提供了具有全局部署的、健全的营运整体解决方案。采用基于GPS和ZigBee的双信标定位提高了车辆定位精度，综合考虑车辆运行即时数据和历史数据的算法提高了公交到站预报的准确性，基于GPS和GIS的智能调度实现了对车辆的实时监控和集中管理。上海市智能公共交通系统投入运行以来，已取得良好的效果。

智能公交 车辆定位 公交到站预报

0 引 言

发展公共交通是改善城市交通的重要方面。上海市推进智慧城市建设行动计划提出了智能交通具体目标：建设公共交通信息服务系统，实时采集轨道交通全网各类运行动态信息和客流数据，提升地面公交动态客流信息采集能力，逐步实现轨道交通与地面公交换乘信息发布；完善公交企业营运调度系统，试点推进公交站点车辆信息预报发布服务系统，提升公交车辆运营效率。

上海市交通委组织业内企业和科研单位结合公共交通的需求和现状，经过长期的深入调查研究，提出了“一站式”服务理念，研发出了基于物联网的智能公交系统，为公交信息化提供具有全局部署的、健全的营运整体解决方案。

1 系统简介

1.1 总体目标

智能公交系统的总体目标是：

(1) 为市民提供公共交通信息服务

实时预报公交到达信息，发布公交最新线网调整信息，发布实时道路交通和市政施工信息；为政府发布公共安全等预警信息提供载体；播报新闻、娱乐节目、金融信息和天气预报等。

(2) 提供公交信息化管理手段和信息咨询

提供交通路况信息、客流量时空分布、市民利用公共交通出行行为分析等相关咨询，提高运营调度管理水平，实现公交服务可预见性和运行管理智能化；建立公交信息统一平台，可以全面有效地推进公交企业信息化建设步伐。

(3) 为政府管理提供信息支持

为政府和行业监管平台提供公交营运数据。有了车载实时信息和公交营运数据的支撑，监管平台可以有效进行行业监管、应急指挥和行业宏观管理；为政府部门及研究规划机构提供辅助决策支持。

1.2 系统设计

智能公交是将先进的信息、通信、传感、控制及计算机等技术有效地集成运用于公共交通的管理体系，建立一种实时、准确、高效的公交管理体系[1]。智能公交的实现依赖于车辆运行的实时数据。通过采集公交车辆的实时数据，经过数据处理和计算，提供系统的各类服务，实现预定的目标。

公交车辆的实时数据采集由车载智能终端系统完成，数据处理和计算在公交信息平台完成，而数据的输出则包括实时的电子站亭的车辆到站时间预报、公交调度，以及提供公交管理和城市交通管理的大数据。

必须考虑的问题是，城市公共交通是一个复杂的系统，就上海市而言，投入运行的公交车辆有近万辆，归属于600多条线路；每条线路有各自的行驶路线、停靠站点、调度规划；有近五千个公交站点，每个站点有不同线路的停靠车辆。随着城市整体公共交通发展，公交线路和公交站点还会不断增加，每条线路也有可能根据运行情况进行调整。因此，城市智能公交系统整体的设计必须能够适应这种多终端、多管理模式、多服务对象的系统，是实时的、动态的、可扩展的、可升级的、标准化的。

物联网、移动互联网、大数据是智能公交实现的技术基础。在物联网中，物与物之间可以相互通信、交换信息，“物”可以自主感知环境、启动服务行为改变环境。支撑物联网发展的关键技术包括标识技术、通信技术、网络技术、网络定位和发现技术、软件和算法技术等[2]。物联网的体系结构可分为感知层(数据采集)、传输层(异构网络互联和传输)、应用层(包括业务中间件和应用)，以及包括信息安全、网络管理、数据库等其公共技术[3]。

本设计的物联网模型见图1，系统组成见图2。

图1 智能公交系统的物联网模型

图2 智能公交系统构成

车载智能终端采集公交车辆的各类动态信息，包括位置信息(经纬度、进站出站等)、车辆运行数据(速度、方向路程等)、客流信息、视频监控数据等，通过3G/4G移动网络上报公交信息平台。

公交信息平台运用实时数据动态评估、数据融合和挖掘、数据实时智能预测等技术，对车载智能终端和电子站亭上传的车辆实时数据进行处理和计算，提供车辆到站预报、车队调度信息服务；数据接入公交运输管理部门、城市交通管理部门等上级管理部门的信息系统，进行交通综合管理、规划等。

信息发布系统包括前端播出控制系统和后端接收发布系统(公交站点候车亭)。前端播出控制系统通过数字电视频道发送图像和数据。主要发布车辆到站预报等实时公交信息，视频可播放政府宣传片、公益广告、生活短片、电视节目等，为市民乘车出行提供全新体验。

2 数据采集和信息发布

2.1 数据采集

车载智能终端承担车辆的数据采集和上报到信息平台。

车载智能终端系统主要实现以下功能：

(1) 车辆定位：车载智能终端采用GPS定位，确定自身的地理位置经纬度、速度等，并通过内置地图计算车辆在线路中的位置、下一个停靠的车站、离下一车站的距离；

(2) 自动报站：利用车辆定位系统获取的车辆位置，实现进站、出站自动报站、拐弯提醒、服务用语等，在LED显示屏上显示和语音播报；

(3) 客流监测：图像识别监测前后门的上下客数据，以及读取智能投币机、公交一卡通POS机数据；

(4) CAN总线接口：与公交车CAN总线互联，读取车辆CAN总线数据(发动机转速、速度、油表、里程等)；

(5) 视频监控系统：车箱内和车辆前后方的8路视频监控摄像头拍摄并保存在DVR中；

(6) 车辆调度：司机刷卡签到、签退，导入线路和站点信息、参数配置，异常状态报警，接收和显示后台调度命令，并将文字信息转换为声音提示；

(7) 设备控制和管理：系统自检，设备程序远程升级，参数设置；

(8) 通信：通过移动网络建立与信息平台的连接，上传终端读取的各类数据，接收中心传过来的各种信息和指令。

这些数据应主要包含车辆信息、线路信息、监控信息、乘客信息等[4]。本系统依据上海公交巴士通车载智能终端通信技术标准《GPS动态通信数据协议v2.7》，主要的通信数据见表1和表2：

表1 车载终端上传数据

表2 信息平台下传数据

2.2 信息发布

电子站牌信息服务系统是一个多媒体信息发布系统，视频与文字信息动静结合，提供车辆到站预报及换乘导航等实时公交信息，天气预报、新闻资讯等各类生活资讯，同时采用55寸大屏幕液晶屏播放电视节目、政府宣传片、娱乐节目、公益广告，让市民在候车的时间获得最好的体验。

公交信息电子站牌发布系统由前端播出控制系统和后端接收发布系统组成，前端播出控制系统由网络数据接收和打包组成，将交通信息通过移动网络VPN隧道下发，其他资讯等数据和视频节目流打包成TS流复用，利用数字电视地面广播频道向全市电子信息候车亭广播。

采用数字电视广播的方式具有低延时、全覆盖、不受网络影响等优势，对于高带宽的视频内容播放可大大节省网络资源，对于突发事件时政府发布紧急告示更具有战略意义。

后端接收系统将通过移动网络接收到的交通信息实时播放，而对电视通道接收的内容在本地存储，并按预设的播单编排播放。后端接收系统具有自检功能，检测工作状态、下载内容的完整性并上报给播控系统。

3 公交到站预报

公交车辆到站预报是广大公交乘客迫切需要的一项服务，可以让乘客预知车辆到站的时间，从而更有效地规划出行路线、换乘方案，更有效地利用候、乘车时间，改善乘车体验。

公交到站预测的核心是车辆定位，综合考虑当前车速、路况等因素进行计算。

3.1 多信标公交车辆定位

车辆定位的准确和可靠是预报准确度的关键。目前，车辆定位的技术主要有以下几种方案：

(1) GPS卫星定位

GPS卫星定位是非常成熟的技术，已经被广泛应用于车辆的定位。虽然GPS定位可使车辆持续获得精确的经纬度信息，但GPS在高架下或隧道中会产生数据中断，在高楼林立的城市商务区与住宅区会因“峡谷效应”产生定位漂移。另外，如果终端与中心的移动通信中断，中心也无法获取定位信息。

(2) 路标定位

在车辆和站点分别安装短距离无线通信模块，当车辆进入通信距离时可以互相识别，车辆可以根据电子地图确定自身的位置，车站可以检测到进入车站的车辆，并将车辆位置信息上传至控制中心。

一种方案是在车辆与公交站点分别安装RFID信标和读卡器[5]，当车辆进入车站时，信号可以被车辆检测到，读卡器读取车载信标信息来确定车辆的位置。在没有路标的地方，车辆利用里程表计算出最近一次路标的距离，然后通过无线传输方式传回控制中心。

另外一种方案是利用ZigBee短距离无线通信技术[6]，在车辆和车站分别安装ZigBee通信模块。当车辆接近车站时双方建立通信，从而可以互相检测到。并且ZigBee可检测到信号的强弱变化，从而判断车辆是进入还是离开车站。

(3) 推算定位

使用车辆上的里程表和罗盘计算车辆位置。车辆从一个已知的位置开始，系统计算距离和运行方向，然后与储存在车辆中的路线数据库比较，调节估计新的位置。为了修正累积的位置误差，它也在关键地方读取路标上的数据。

综合分析了以上几种方法，我们的方案采取以GPS为主要信标，以公交车站ZigBee(或RFID)路标作为第二信标的多信标车辆定位系统[7-8]。

在正常情况下，控制中心通过周期性获取车载终端上传的GPS定位数据即可准确得到车辆的位置。而车站ZigBee(或RFID读卡器)当检测到车辆经过时发送数据到中心。中心可以将其与GPS数据进行比对，如果车载GPS信号发生漂移或缺失，中心可根据第二信标对其校正。

3.2 车辆到站时间预测

车辆到站时间预测是依据车辆的当前位置，计算与车站之间的距离，并根据车辆的行驶速度进行预测。

由于路况的原因，车辆瞬时车速会有较大的变动，仅仅依靠瞬时车速计算时间往往有较大的误差。这里影响的因素包括：

时间段：工作日或节假日，以及每天的时间段：上下班时段，娱乐、购物高峰时段；

路段：路况差的路段，娱乐场所、商业街容易拥堵的路段。

对公交线路的历史数据，分析其历史到站时间的概率分布特点，可得到分日期、分时段绘制到站时间曲线。图3是X路公交在工作日不同时段的上、下行行程时间和平均速度，图4是XX站不同时间段的上下行站间行程时间。

图3 ×路公交在工作日不同时段的上、下行行程时间

图4 ××站不同时段的上下行的站间行程时间

从图中可以看到，工作日上下班时间车速较慢，车辆全程行驶时间较长；而同一站点上下行的站间行程时间在不同的时间段也有较大差异。

考虑实际运行环境对车辆到站时间计算的影响，本系统加入后台数据库中历史数据对车辆实时数据进行修正，综合考虑瞬时速度和历史数据的影响因子，采用加权求和的方法预测到站时间：

Tpred=αTh+βTrα+β=1

其中：

Tpred：预测到站时间；

Th：历史到站时间曲线预测的公交车到站时间；

Tr：根据车辆实时位置计算的离站距离和当前速度求得的到站时间；

α: 预测Th过程的影响因子；

β: 预测Tr过程的影响因子。

一般而言，车站与车辆的距离较远时，以Th为主，反之，以Tr为主。

根据示范站点的统计，采用上述定位和计算方法，预报误差1分钟之内的达到近90%，2～5分钟的不到4%，未发现超过5%的情况；以往用GPS单一定位模式预测车辆到站时间误差2分钟内的比例为77%，在2分钟至5分钟之间的所占比例为15%，超过5分钟的8%；本系统的预测准确率显著提高[9]。

4 智能调度

4.1 GIS交通地理信息系统

GIS是集计算机图形和数据库于一体，用来存储和处理空间信息的高新技术[10]，它把地理位置和相关属性有机地结合起来，根据用户的需要将空间信息及其属性信息准确真实、图文并茂地输出给用户，满足用户对各种空间信息的要求，并借助其独有的空间分析功能和可视化表达功能，进行各种辅助决策。

结合GPS卫星定位系统和GIS地理信息系统，公交智能调度系统可以将电子地图、公交线路网络分别或同时、全部或局部显示在屏幕上，可以在地图上显示车辆的位置，可以在地图上选取车辆并显示此时车辆的运行状态、速度、方向、线路号、车牌号码、车型等信息，可根据现场的复杂多变的情况实时地调整车辆运行指标，提高运行计划的完成率，可同时记录实际行车轨迹及捕捉在道路上的轨迹。

特有GPS误差软件校正功能，依行车方向、车速等信息自动匹配道路，提高系统精度。

车辆轨迹平滑显示，“黑匣子”数据可查询，以满足网络盲区的调度需要。

GIS应用示例：

(1) 行车示意图：通过定位功能将在线营运车辆的运行情况及实际位置状态动态地显示在调度中心的调度界面上，实现对车辆运行情况的实时掌握(如图5所示)。

图5 行车示意图

(2) 轨迹回放：结合GIS地理信息系统(电子地图)，在系统运行过程中，自动记录营运车辆的行驶轨迹及各种异常情况，并将其保存在后台服务器中，以便随时查询(如图6所示)。

图6 轨迹回放

(3) 报警目标声光提示：提供报警目标声光提示、属性数据查询，可以指定任一或所有监控终端显示告警提示。可预先设定路线，偏航自动报警系统提供多态的符号，每一车辆符号可以有正常、激活、报警、求救等多种状态。事件发生后，电子地图弹出报警位置，并对接入的报警车辆进行确认，进行报警处理。

4.2 辅助决策

对企业的运行情况、运行质量等进行相关业务分析，从而为下一步公交线网优化调整、运力运能资源配置和辅助决策等，提供直接的依据。

(1) 车载智能终端客流检测设备的统计数据，形成于不同需求的客流报表，为客流分析、营运分析和行车作业计划、运调计划的形成提供必要的技术支持，对客流的时间、空间分布作出分析，为营运生产与调度提供决策支持。

(2) 规划管理支持

需求管理和预测：从交通控制系统获取的当前交通流数据，从公共交通信息系统获取的当前使用水平数据，从营运系统获取的客流量数据，从预测出行信息系统获取的交通需求数据，对所有运输模式的交通需求和交通运输规划的历史数据进行统计存档并建立模型进行预测。

公交线网和站点评价：根据各种历史客流量数据，进行公交枢纽站等的评价，根据各种历史数据(交通流数据、公共设施使用水平数据、客流量数据、预测出行者的交通需求数据)，进行公交线路优化布局分析，进行公交专用道、路口公交优先通行、单行线允许公交车通行等规划设计。

5 结 语

上海市智能公交系统已投入运行，取得令人满意的预期效果。目前浦西的公交线路基本做到了全覆盖。约8 700辆车(涉及645条公交线路)安装了智能车载终端，途径4 800多个站点。车队调度人员坐在终点站调度室内通过电脑客户端就可以查看线路下每辆车的行驶情况以及准确位置，遇紧急情况可人工干预实施应急预案。

在面向公众的信息发布服务方面，已在市区800多个站点建设了候车亭信息发布屏，显示停靠该站的线路的下一班车到站时间，同时播出最新的资讯类电视节目、各种便民信息，提升了乘客的候车体验。除此之外，信息发布系统又增加了手机APP预报，大部分公交线路实现了移动终端发布的试运行，市民可以通过手机等移动终端实时获取各条线路各个站点的车辆到站预报信息，大大方便了市民出行规划。

目前，一种新型立杆式电子站牌已经开始部署。在现有立杆式站牌安装太阳能电池板和OLED显示，可适用于缺乏场地条件和电力供应条件的任何公交站点，因此有望在不久的将来使电子信息发布覆盖到所有公交站点。

公交信息化建设作为智慧城市交通的重要组成部分必将大力继续推进。随着公交信息化系统进一步融入城市交通网，产生的大数据也将进一步为城市区域职能、道路建设规划提供依据。

[1] 蒋轶玮，周丹丹，田玉静. 基于物联网的智能交通系统架构设计[J]. 电声技术, 2012, 36(8):69-72.

[2] Vermesan O, Friess P, Guillemin P, et al. Internet of Things Strategic Research Roadmap[J]. Information Security & Technology, 2009, 29(16):300-304.

[3] 张辉. 物联网技术框架与标准体系[J]. 中国产业经济动态，2010(12)：27-31.

[4] Road transport and traffic telematics-Public transport-Reference data mode[S].TC 278，Date:2005-09.

[5] 肖硕, 魏学业, 王钰. 基于信标优化选择的无线传感网络定位方法研究[J]. 电子测量与仪器学报, 2009, 23(3):65-69.

[6] 张鸰. 一种基于ZigBee的车辆定位方法[J]. 电脑知识与技术，2013(12)：7843-7846.

[7] 上海新兴媒体信息传播有限公司. 基于双信标和双模通信的公交车定位方法：中国, CN20130265023.0[P/OL]. 2013-09-11.http://www2.soopat.com/Patent/202020131026.

[8] 曾庆化, 刘建业, 赵飞,等. 基于GPS和无线传感器的智能交通系统[J]. 全球定位系统, 2009, 34(5):34-38.

[9] 朱昊，陶晨亮，赵方. 上海实时公交信息服务关键技术研究和试点工程评估[C]// 第八届中国智能交通年会，2013.

[10] 李海明. GIS概念中的空间基础信息[C]// 中国地理信息系统协会1999年年会论文集(下)，1999-10.

SHANGHAIINTELLIGENTPUBLICTRANSPORTSYSTEMBASEDONINTERNETOFTHINGS

Guo Zhengxi
(ShanghaiNewMediaInformationCommunicationCo.,Ltd.,Shanghai200072,China)

Public transport informatization is one of important measures for the construction of smart city in Shanghai city. The intelligent public transport system based on the Internet of things is the most representative system of public transport informatization. The system is composed of the vehicle terminal information collection system, information processing platform, shelter information release system and intelligent scheduling system. It provides a global deployment, a sound overall operational solution for public transport informatization. Using double beacon based on GPS with ZigBee, the positioning precision is improved. Considering of the vehicle real-time data and historical data of the algorithm improves the accuracy of prediction of the bus arrival. Intelligent scheduling based on GPS and GIS realizes the real-time monitoring of vehicles and centralized management. Shanghai intelligent public transport system has been brought into operation and has achieved good results.

Intelligent public transport system Vehicle positioning Bus arrival time prediction

2016-09-21。郭征茜，工程师，主研领域：计算机应用，智能交通。

TP393

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.08.024