智慧公交关键技术及应用研究

范丹阳 赫晓慧 魏海涛

1.郑州大学水利与环境学院，河南郑州 450001；2.郑州大学智慧城市研究院，河南郑州 450001

近年来，随着中国城市化的快速发展以及机动车保有量的持续增长，交通拥堵对城市发展以及城市居民生活质量的影响日益显著，良好的出行条件已经成为人们的迫切需求。优先发展公共交通，提升公共交通管理与服务水平，建成使广大居民能够便利出行的“公交都市”已成为当前城市交通部门努力的方向。与此同时，国内“互联网+”概念的兴起和智慧城市试点工作的开展，为“智慧公交”这一新兴领域提供了新的技术支持和实现手段[1]。智慧公交是智慧城市的有机组成部分，它将传统的公交运营管理模式升级为云服务模式，可极大提高城市公交系统的智能化管理水平及运载能力[2]，并面向交通部门及公众提供多样化的公交信息服务，满足城市公交管理部门在管理方面及居民出行方面的需求，进一步推进智慧城市的建设。

1 城市公交面临的问题与挑战

公交作为城市交通的重要组成部分，在全国大部分城市的分担比例却不足20%，与此同时，等车难、车厢拥挤、线路不合理、信息获取不方便等问题极大地影响着搭乘公交出行的体验。当前，制约公交向信息化发展，实现智慧化管理主要有以下几个方面的因素：（1）公交实时数据获取困难，公交系统各部分之间通信不畅，难以对公交车站、车厢内进行实时监控；（2）数据开发利用程度不够，部分公交线路安排不合理，调度不科学，对历史统计数据、实时数据未进行充分有效的分析整理，公交大数据中所隐含的规律仍待挖掘；（3）公交信息发布手段单一，乘客无法预知公交到站时间、车内拥挤情况，及时获知自己所感兴趣的公交出行信息；（4）缺乏相应的应急保障机制。

借助新技术对公交行业的传统运营模式进行转换，释放出城市公交潜在的客运能力，提高乘客出行体验成为公交行业实现全面升级的必经之路。在当前智慧城市建设的大背景下，如何借助新兴的物联网技术、通信技术、数据挖掘、互联网技术等去解决传统公交行业中存在的问题，提高公交行业自身管理水平，为乘客提供更人性化的服务，是公交行业面临的重大课题。

2 智慧公交总体架构

智慧公交的总体采用面向服务的SOA架构，由感知层、支撑层、应用层、服务层等部分组成，系统架构如图1所示。

感知层：主要由公交车、车站及路网三部分的感知设备组成。利用车载感知设备实时获取车辆运行时的位置、行驶速度、载客量、交通路况等信息，基于公交车站的RFID读写器及视频监控识别车站附近一定范围内的公交车，并获取乘客候车情况，路网感知采集路面交通信息，道路压力、应力等物理信息及空气温度、湿度等气象信息。感知层是实现城市公共交通智慧化管理的基础，有助于全面、及时地掌握城市公共交通的整体运行情况。

图1 智慧公交总体架构图

传输层：公共交通类数据有着实时性强、数据量大、多源异构等特性，基于泛在通信网络如有线网、卫星通信、3G/4G等构筑起完备的智慧公交通信网，并利用其灵活地传递不同层级中各部分的信息，实现处理中心和各信息终端之间的互联互通，保证信息的及时处理与应用。

支撑层：基于底层硬件及服务器虚拟化等技术，对底层硬件资源进行统一化、虚拟化管理，建立能够满足数据存储、数据管理、空间分析、预测分析、数据挖掘等需求的智慧公交云服务器。云服务器是整个智慧公交云平台中数据处理的中枢，也是整个平台中最为关键的部分。

应用层：基于支撑层所提供的数据及分析结果，面向公交系统在智能调度、运行管理、个性化信息服务、应急响应等方面的实际需求，建立统一的公交管理服务平台，为公交管理部门及乘客提供多样化的服务，实现公交行业的智能化升级，提高运营管理水平。

表现层：基于多种信息载体，如电子公交站牌、车载显示屏、WEB网站、手机APP等，对外提供交通路况、公交位置、换乘查询等信息服务，是智慧公交提高信息覆盖度，满足乘客多样化信息需求，提升服务质量的具体表现形式。

3 智慧公交关键技术与应用

为保障智慧公交总体框架内各部分的正常运行，并向公交管理者、乘客提供可靠的服务，应采用适宜的技术方法对框架中所包含的关键层级进行处理。基于公交网络通信技术、公交大据挖掘技术等建立起完善的智慧公交数据传输及分析系统，满足智慧公交传输层、支撑层对数据传输、存储、管理、分析方面的需求，为应用层实现智能调度、线路站点优化、客流预测、个性化信息服务以及应急响应等功能提供支持。

3.1 公交网络通信

公交网络通信技术是在传输层中实现信息传递的手段。采用通信技术将公交网络中所包含的车辆、车站、管理中心等要素联结为一个整体，可实现公交网络中“人-车-站-管理中心”之间的有机互动。由于公交信息具有数据量大、实时性强、车辆位置不固定、类型多样等特点，为保障公交网中各部分之间的通信顺畅，需建立一套稳定可靠的公交网络通信系统[3]。ZigBee技术具有成本低、体积小、能量消耗小、传输速率低等特点，可应用于车辆与车站之间的短距离通信；3G/4G网络适用于长距离无线数据传输，可利用它建立起乘客、车辆与智慧公交指挥中心的联系；利用NFC技术，能够快速获取乘客的IC卡信息并完成支付；在车站及车辆内提供WiFi接入服务，使乘客能够方便的获取互联网资源；架设城市公交专用通信线路，采取有线通信的方式完成车站与指挥中心的联系；卫星通信可作为一种非常规通信手段部署于应急系统中，在其他通信手段出现故障或紧急情况下使用。

3.2 公交大数据挖掘

城市公交数据挖掘的研究对象主要包括城市交通信息及城市公交运营中所产生的车辆GPS数据、公交运行数据、IC卡数据等，利用BP神经网络的预测方法、基于时间序列分析的预测方法、交通参数多步预测法等[4]数据挖掘相关算法对这些信息进行存储、清洗、梳理、钻取，获得潜在的城市公交运行规律，是优化现有公交资源分配方案，提高公交智慧化管理水平的重要方法。公交大数据挖掘主要包括以下几个方面的内容：

（1）车辆GPS数据。由车载GPS在公交车在运行过程中实时采集，包括车辆的位置、上下行、站点编号、进出站时间等数据，由这些数据可实时获取车辆的状态、速度、轨迹等信息，可用于分析各路公交车的运行情况、路面交通状况以及各车站的客流压力，公交指挥中心可据此动态调整发车间隔，及时疏解车站客流，实现对公交车辆的智能调度[5]。

（2）公交运行数据。主要包括公交线路信息、公交站点信息、公交调度信息等，这类数据比较全面的涵盖了公交系统运行中的各方面的统计信息，通过与其他信息如车辆晚点情况、超载率相结合，从中检测设置不合理的线路、站点、调度表，并予以调整，优化公交车辆运行安排。

（3）IC卡数据。基于公交IC卡、车内监控、车站监控等采集公交客流信息，获取客流在方向、线路、时间、断面上的动态变化，研究乘客出行特征、公交客流的时间性规律及空间性规律[6]，对公交客流的分布、总量、变化等进行预测，制定科学合理的运营计划，满足居民的出行需求。

3.3 个性化信息服务

利用智慧公交手机APP等方式采集乘客的历史出行记录、出行习惯、偏好目的地等个体特征信息，基于公交云平台对乘客的出行模式进行深入分析、挖掘和预测，并根据乘客的实时位置通过手机APP、短信、微信等多种手段向乘客推送基于位置的服务（LBS），提供附近公交车站、附近车辆位置、推荐线路、公交动态、车站周围酒店、重要通知等个性化信息，乘客可快速获取自己感兴趣的出行信息[7]。此外，通过在车站安装智慧公交信息查询终端机，乘客可快速获取到感兴趣的公交信息，为乘客出行带来更大的便利。

3.4 应急响应

针对车辆运行时可能发生的意外情况，如车辆事故、严重拥堵、车内治安事件等，制定相应预警机制并建立安全应急数据库，存放各种应急预案及突发案例。根据公交通信网络所实时传送的实时车流、车内监控、通话录音、报警信息等，判断是否有突发事件发生以及突发事件的类型，并将突发事件的信息汇总至指挥中心，指挥中心可依据事先制定的应急方案，结合实际情况采取报警、增发车辆、调整发车时刻等措施来应对，保障整个公交系统的稳定运营。

4 结语

公交车在城市交通中占有重要地位，一个高效、稳定、便捷、智能的公交管理服务平台对保障城市交通的顺利运行，满足居民出行需求有着重要意义。智慧公交通过感知层、传输层实时全面获取城市公交信息，并以云计算平台和公交专题数据库为基础进行数据管理及分析，充分利用公交大数据，挖掘城市公交运行规律，建立一体化公交管理服务平台，为公交管理者及乘客提供多样化服务，提升城市公交运营效率及管理水平，满足广大城市居民出行需求。随着通信技术、物联网、北斗卫星导航系统等新技术的持续发展，智慧公交将迎来新的发展机遇，发挥出更大的经济效益与社会价值。