一种智能公交车载系统的研制及性能分析

第39卷第2期2009年3月东南大学学报(自然科学版)J OURNAL O F SOUTHEAST UN I V ERS I TY (Natural S ci en ce Ed iti on)V o l 39No 2M ar .2009一种智能公交车载系统的研制及性能分析常新峰 沈连丰 胡 静 夏玮玮(东南大学移动通信国家重点实验室,南京210096)摘要:给出一种城市公交智能管理调度系统的总体解决方案,阐述该方案中智能公交车载系统的设计与实现方法,详细论述其硬件和软件设计的关键部分.提出一种基于新型检测模块的全新客流量采集方法,与其他方法相比可知,该方法能以较低的成本获得实时准确的客流量数据;车载系统充分利用蓝牙模块实现公交车定位、自动报站、数据传输以及数据无线更新等功能;针对车载系统接入站台系统的接入能力,运用排队理论建立数学模型并进行仿真分析,结果表明该车载系统能够成功接入站台系统.关键词:智能公交系统;车载系统;蓝牙技术;客流数据采集;数据无线更新中图分类号:TN915 5 文献标志码:A 文章编号:1001-0505(2009)02 0377 07Devel op m ent and perfor m ance analysis of a bus mounted syste mi n i ntelli gent transportati onC hang X infeng Shen L ianfengHu JingX ia W ei w ei(N ati onalM ob il e Comm un i cati on s Res earch Laboratory ,SoutheastU n i versity ,Nan ji n g 210096,C h i na)Abst ract :A nove l o vera ll so lution for i n telli g ent transpo rtation m anag i n g and scheduli n g sy ste m is propo sed .The de sign and i m ple m entation o f t h e bus m ounted sy ste m i n i n te lligent transpo rtation are described and then som e key po i n ts i n hardw are and so ft w are desi g n are discussed in deta i.l The ne w m ethod for passenger flow co llection based on the de signed new m odule is presented .It is show n that t h e new m ethod can co llect accurate data at l o w co st and h igh perfo r m ance com pared w ith o th ers .Th is sy ste m i m ple m ents t h e functions o f localization,autom atic bus stop repo r,t data tran s m is si o n and w ireless da ta update .B ased on queue theo r y ,a m a t h e m a tica lm ode l o f accessing capab ility is constructed and si m ulated .The resu lt show s that the bus m ounted sy ste m can access stati o n sy ste m successfull y .K ey w ords :i n telligent tran spo rta ti o n syste m;bus m ounted sy ste m;B l u etoo th ;passenger fl o w co llecti o n ;w ire less data update 收稿日期:2008 08 04. 作者简介:常新峰(1983 ),男,硕士生;沈连丰(联系人),男,教授,博士生导师,lfs hen@seu .edu .cn.基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2008AA 01Z 205)、科技部科技型中小企业技术创新基金资助项目(07C26213200392)、南京市专利技术产业化资助项目(200701084)、东南大学移动通信国家重点实验室自主研究课题资助项目(2008A08).引文格式:常新峰,沈连丰,胡静,等.一种智能公交车载系统的研制及性能分析[J].东南大学学报:自然科学版,2009,39(2):377 383.优先发展城市公交运营系统可以缓解日益严重的城市交通压力,而推广城市公交智能管理调度系统是优先发展城市公交运营系统的有效途径之一.近几年,智能公交系统(i n te lli g ent tran spo rta ti o nsyste m s ,I T S)已经成为国内外的一个研究热点.文献[1]介绍了我国 十五!期间I T S 的相关成果并展望了 十一五!的发展前景;文献[2 3]提出使用GPRS 网络作为无线接入网,控制中心与车载设备通过GPRS 网和I n ter net 网实现数据交互,文献[2]还提出使用GPS 模块实现定位和导航功能,但其固有缺点是硬件成本过高,大规模推广困难;文献[4]着重论述不同接入网的切换以及车载设备与接入设备间数据高效可靠传输问题,但是没有深入探讨接入能力问题.本文针对城市公交智能管理调度系统(inte lli gent transporta ti o n m anag i n g and scheduli n g sy ste m,I TM SS)的要求,提出一种总体解决方案,该方案中将所研制的基于蓝牙(B lue too t h )和G P R S 技术的设备接入I n ter ne,t 便于大规模推广.本文详细论述了车载系统硬件与软件设计中的关键部分,对车载系统接入站台系统的接入能力进行理论分析和仿真,表明本文系统具有较好的性能.1 系统总体方案所研制的I TM SS 主要由以下4部分组成:车载系统、站台系统、车场系统以及控制中心系统,如图1所示.图1 城市公交智能管理调度系统框图车载系统使用蓝牙技术将客流量数据和监控数据发送给站台系统;使用投币机模块、下车检测模块和刷卡检测模块统计客流量数据;使用传感器采集公交车速度等行驶信息.站台系统为车载系统提供接入服务,将所接收的车载系统数据,发送到控制中心或将来自控制中心的数据处理后送至电子站牌,显示各线路车辆位置信息、天气信息等.控制中心系统根据站台系统传来的客流量数据和监控数据及时掌控公交车运营信息,并依据调度算法将调度指令发送给车场系统;通过GPRS 及Interne t 网络,实现与站台系统及车场系统间的数据交互.当公交车停靠车场时,车场系统可对车载系统进行数据更新,包括报站语音数据、广告数据等;车场系统接收控制中心的调度命令,实现对公交车的动态调度.此外,该方案车载系统中不使用G PS 模块,而是在站台系统辅助下,充分利用车载蓝牙实现公交车定位和自动报站功能.2 智能公交车载系统硬件设计智能公交车载系统硬件结构主要包括客流统计模块、控制器模块、蓝牙模块、自动报站模块、电源模块、显示模块和监控模块等.其中客流统计模块是车载系统硬件设计中的关键部分.2 1 客流统计模块设计与现有客流量数据采集方法不同[5 6],本文所提方法基于乘客上车时都必须刷卡或投币的事实而设计,通过累加有效刷卡人数和投币人数,获得上车乘客数,扣除下车乘客数后,得到当前车上乘客总数.该方法的主要特点在于能够提高所得上车人数的统计结果精度.客流统计模块由刷卡检测模块、投币机模块和下车乘客统计模块3部分组成.出于安全考虑,I C 公司不允许他人从刷卡器内部获取刷卡信息,因此本文设计了通过采集刷卡声音信号检测刷卡人数的方法.以南京市公交车为例,车上使用的刷卡器根据卡的类型发出 嘟!、 学生票!、 老人票!等声响.由于本项应用仅仅关注有无乘客刷卡以及刷卡人数,并不关注何种类型乘客刷卡,因此只要根据刷卡声音信号的有无及长短来统计刷卡人数即可.根据以上分析,本系统设计的刷卡检测模块由麦克风、带通检测模块、放大电路、单向导通电路、RC 滤波电路、比较电路和反相电路组成,如图2所示.对于不同城市的刷卡器所播报的不同声音,只需调整比较电路的电压门限和软件中的测量时间即可完成检测.实测表明:通过调整麦克风采集声音的灵敏度以及采用圆锥状塑料罩的方法可以减少背景噪音对有效刷卡信号的干扰.图2 刷卡检测模块框图本系统采用南京卓群科技开发有限公司生产的智能投币机,能够检测出0 1~100元面额的纸币和0 1~1元面额的硬币,其精度能够满足系统性能要求.下车乘客统计模块采用主动红外方式,结合相应的电路和软件,完成下车乘客数统计(统计上车乘客数时也可以使用主动红外方式,但其准确度低378东南大学学报(自然科学版) 第39卷于本文所述方法).综合上、下车客流统计,最终得到实时、准确的公交客流数据.2 2 其他模块设计蓝牙通信模块选用自行开发的SE M I T7708模块,该模块采用DELTA 公司的DFBM CF121芯片,发射功率接近100mW,在开阔环境下可靠通信距离可以超过100m[7];蓝牙模块的复位引脚由控制器的普通I /O 口控制,当蓝牙模块不能正常工作或通信完成时,由控制器负责重启蓝牙模块.自动报站模块中的语音芯片采用V LSI 公司的V S1003B,该芯片是一个单片M P3/W M A /M I D I 音频解码器和ADPC M 编码器,内部包含一个高性能的低功耗D SP 处理器核V S -D SP ,能够产生高质量音质.在完成报站功能之余,可以在公交车行进中播放音乐,提供娱乐功能.监控、显示和电源等模块较为简单,不作赘述.3 智能公交车载系统的软件设计车载端软件分为数据采集模块、自动报站模块和数据无线传输模块3部分.数据采集模块负责采集刷卡信号数据、智能投币机数据、下车乘客统计模块数据;自动报站模块负责公交车自动报站,提醒下车乘客提早做好准备;数据无线传输模块负责将数据采集模块采集的数据以无线方式传给站台系统,并由其转发给控制中心系统.由于车载系统功能的实现需要站台系统配合,所以涉及一些对站台系统必要的讨论.3 1 刷卡乘客数的统计刷卡等声音信号经图2所示电路处理后,将变成不同占空比的方波信号.图3(a)给出了有效刷卡信号经处理后的输出波形示意图.当有信号进入刷卡检测模块时,输出低电平,否则输出高电平.控制器通过检测输出电平的高低以及时长来区分有效刷卡信号、系统内干扰信号和外界干扰信号.其中有效刷卡信号指刷卡时发出 嘟!、 学生票!、 老年票!等声音的信号;无效刷卡信号指刷卡时发出 刷卡太快,请重刷!、 过期卡,请年检!等声音的信号;外界干扰信号指汽车喇叭声等背景噪声而非刷卡引发的声音信号.设T H 和T L 分别表示高、低电平持续时间,T ts 表示有效刷卡信号经刷卡检测模块后的低电平最短持续时间,T tl 表示有效刷卡信号经刷卡检测模块后的低电平最长持续时间,T th 表示2次有效刷卡信号之间高电平的最短持续时间,则其决策方法为T L >T ts (1)T L <T tl (2)T H >T th(3)∀当式(1)、(2)和(3)都成立时,该输入信号为有效刷卡信号;#当式(1)或式(2)不成立时,该输入信号为外界干扰信号;∃当式(1)、(2)成立但式(3)不成立时,该输入信号为无效刷卡信号.图3 刷卡检测电路输出的方波信号上述决策方法的依据是:当T L 介于T ts 和T tl 之间时,该信号有可能为刷卡信号,低电平结束后,控制器继续采集输出电平值,只有当T H >T th 时,该信号才为一次有效刷卡信号,即同时满足式(1)、(2)和(3);如果T L <T ts 或T L >T tl ,这时已经能够断定该信号为无效刷卡信号,则不检验是否满足式(3),判定此次为外界干扰造成的误触发,如图3(b)所示;如果T L 介于T ts 和T tl 之间,但T H <T th ,即满足式(1)、(2)但不满足式(3),则为无效刷卡信号造成的误触发,如图3(c)所示.只有同时满足式(1)、(2)和(3)时,控制器才累加刷卡人数,否则不累加.3 2 公交车自动报站与公交车定位与现有基于G PS 的自动报站方法不同,本文提出的自动报站方法是通过车载系统识别站台系统中蓝牙模块识别地址(station iden tifica ti o n,SI D )实现的.当站台系统与车载系统成功建链后,车载系统的蓝牙模块立即将SI D 传送给车载控制器,控制器检索线路中所有站台的SI D :如果该线路中有此379第2期常新峰,等:一种智能公交车载系统的研制及性能分析I D号,则自动报站模块播放相应语音文件,否则进行出错处理.控制器检索完成后,将车载模块识别地址(bus i d entification,B I D)和客流量等数据一起发送给站台系统,并由其转发到控制中心;控制中心根据收到的SI D和B I D,即可判定该公交车到达哪个站台或在哪个站台附近.3 3 无线数据更新当公交车更改线路或被临时抽调时,原有的自动报站器需要用电缆将其连接到主机上,或者卸下自动报站器重新烧写相关芯片,才能对其中的语音数据进行更新,这给更新工作带来了很大的不便,为此本文提出一种无线更新数据的方法.车载系统分正常工作模式和数据更新模式2种,前者为默认模式.当需要进行数据更新时,工作人员切换车载系统为数据更新模式,然后由车场系统发起查询,并自动筛除不需要更新数据的B I D;车场系统与需要数据更新的车载系统建立无线链路后,传输数据直至更新任务完成.无线更新报站语音数据的方法也可用于更新天气信息数据、广告数据等.4 系统建模与性能分析随着发车频率、站台线路数的增加,必然会增大多辆车同时到达站台的概率,有可能出现部分车辆无法接入站台系统的情况,导致自动报站、客流量数据回传以及公交车定位等功能无法实现,因此有必要针对车载系统接入站台系统的接入性能进行建模仿真,并给出相应的改进措施.下面考察公交车到达和离开某一站台的特性.设第i路的车到达该站的前后间隔为T i,有n路车停靠该站台,由排队理论,可按如下方法建模.将站台系统看作服务窗口,站台系统对本站服务区内的公交车提供接入服务,窗口数等于站台系统中蓝牙模块数;顾客即为公交车,由于公交车采用定点发车方式,因此可以认为公交车到达站台过程服从到达率为 i=1/T i的泊松分布[8 9].为分析方便,定义如下参数:t sv为服务时间,指车载系统接入站台系统直至断开连接所消耗的总时间,本模型中假设t sv在(T sv-t,T sv+t]上服从均匀分布;T sv为t sv的期望值;t为t s v偏离T sv的最大值,仿真过程中取t=1;T sd为进站时,公交车从站台系统无线覆盖范围的最远距离处行驶至站台并停稳所消耗的时间(在本系统中依据公交车进站前的最后100m来计算T s d,假设该段路程公交车的平均速度为10k m/h,则T s d%36s);T s p为公交车停靠站台时间;Trg为车在服务区内的时间,由Ts d 和T s p组成,即T rg=T sd+T s p(4) T w t为当服务窗口处于工作状态时,公交车在排队队列中等待接入站台系统的等待时间;N ar为进站公交车总数;N su为成功接入站台系统的车辆数;N fa 为接入站台系统失败的车辆数;P af为接入失败率,定义为接入失败车辆数与进站公交车总数之比,即P af=N fa/N ar(5)因为站台内不同线路公交车的到达间隔相互独立,所以公交车到达站台的过程服从参数为 的泊松分布,即=&ni=1i(6)将公交站台的线路数n作为仿真参数,式(6)可简化为=&n i=1 i=n (7)式中, 为平均每路公交车的发车频率.为了进一步简化模型,仿真中使用参数T表示前后到达站台的公交车的到达时间间隔,T越小表明发车频率 越高或线路数n越多,则=1/T=n (8)经过上述分析,最终可以将站台系统建模简化为1个服务窗口、按泊松规律到达、服务时间服从均匀分布的M/U/1排队系统.由于公交车进站时都会减速,因此当有多辆公交车驶进站台时,可假设为依次进站.每当有车进站,将N ar+1;当公交车接收服务时间达到t sv时,将其从排队队列中删除,然后从队列中取紧接着进站的公交车接入站台系统,并将N su+1;如果公交车的等待时间T w t过长,即T rg-T w t<T sv,则也将其从队列中删除,认为其接入系统失败,并将N fa+1.设定仿真时间T si m为24h,仿真步长为0 1s.到达站台的公交车数量Nar与到达间隔T有关,与T s v,T rg等无关,即N ar%T si m/T;当T r g分别取36,50s 以及60s时对应的接入失败率P af与T sv和T的关系分别如图4(a)、(b)、(c)所示.T rg=36s表示公交车到站台时没有乘客上下车,公交车减速进站后,直接驶离站台;T rg=50,60s分别表示公交车在站台处上、下乘客消耗14和24s(扣除36s的进站时间).380东南大学学报(自然科学版) 第39卷图4 M/U/1模型中接入失败率与服务区内时间、服务时间、到达间隔关系图由图4(a)、(b)、(c)可以得出以下结论:∀当T固定,T sv增大时,接入站台系统失败率迅速增加.由于前辆车所需服务时间的增长,队列中长时间得不到服务的车辆数将增加,从而使得系统的接入失败率增加.#公交车在服务区内时间T rg长短影响接入失败率大小:假定T sv和T固定,接入失败率随着T rg的增大而变小.这是因为公交车T r g变长,意味着队列中公交车有足够时间等待接入站台系统,从而使得接入失败率变小.但此时只会改善公交车定位和数据传输功能的性能,而自动报站功能的性能不会因此而提高(因为自动报站要求在T s d内完成报站功能).蓝牙查询、建链、传输数据直至断链整个过程大约耗时12s(即t sv%12s,该值在阴雨天或有遮挡等情况下稍微大些).例如:在南京市长江路站有6条线路,到车间隔T平均大约为55 3s,在服务区内时间T r g平均大约为36+14 3=50 3s;在南京市北极会堂站有13条线路,到车间隔T平均大约为27 2s,在服务区内时间T rg平均大约为36 +23 9=59 9s.仿真结果表明:长江路站接入失败率约为0 03%,如图4(b)所示;北极会堂站接入失败率约为0 19%,如图4(c)所示.可见正常情况下绝大多数公交车能够成功接入站台系统.实际中道路交通规划、红绿灯设置及一些其他因素将会影响上述结论.例如:如果站台附近设有红绿灯,那么红灯时可能积压多辆公交车,导致绿灯通行时多辆公交车同时进站,使得接入失败率大幅度增加;如果公交车司机进站速度较快,T s d不足36s(设以平均速度15k m/h进站,则T sd约为24 s),这也会增大系统的接入失败率;如果无线通信环境比较恶劣,那么查询时间和建链过程都将消耗更长时间,每辆车的服务时间变长也将导致接入失败率大幅度增加.仍以南京市长江路站和北极会堂站为例,图5分别针对公交车正常情况下进站、以较快速度进站、较短时间内多辆车几乎同时进站、公交车进站速度较快且多辆车同时进站4种场景进行仿真.图5 两个具体场景的接入失败率与服务时间关系图由图5可以得到以下结论:∀当公交车进站速度较快时,车载系统接入381第2期常新峰,等:一种智能公交车载系统的研制及性能分析站台系统的接入失败率会随之变大,且随着服务时间的变长而急剧变大,因为此时T sd 变小,从而导致T rg 变小;#由于红绿灯等因素造成的多辆公交车同时进站将使得系统的接入失败率急剧增大,这是因为站台系统仅一个接入窗口,短时间内无法处理多辆车的接入服务;∃进站速度较快或短时间内多辆车同时进站对类似北极会堂的大站(线路数多)影响大于类似长江路站的中小站(线路数较少).这是因为北极会堂等大站本身已经处于高负荷下运作,如果再额外增加其工作量,将使得系统性能急剧下降.为了降低系统在特殊场景下的接入失败率,本文对站台系统提出一些改进措施.增加站台系统接入点个数(即蓝牙模块个数),多蓝牙模块之间协同工作,从而提高系统接入服务能力.具体协同方法是:其中1个蓝牙模块(以下简称主模块)只负责查询,其余蓝牙模块(以下简称从模块)只负责建链和数据交互.主模块查询到 合法!公交车I D 后,由空闲的从模块与该车载系统建立链接并交互数据,如果此时从模块都不空闲,则将该公交车I D 排入等待队列,等待接入服务.虽然增加了使用的蓝牙模块个数,但硬件成本仍然远低于每个车载系统使用GPS 模块和GPRS 模块的方案.下面根据改进后的站台系统和车载系统建立新的数学模型,新模型与上述M /U /1模型大体相同,但服务窗口数目和接入算法不同.所建立的站台系统新模型有c 个服务窗口、按泊松规律到达、服务时间服从均匀分布的M /U /c 排队系统[10].为便于比较,仍以南京市长江路站和北极会堂站为例,仿真时间24h ,仿真步长0 1s ,仿真结果见图6,即图6为图5中进站速度较快且多辆车同时进站场景下的仿真图.由图6可见,增加站台服务窗口数目后,车载系统接入站台系统的接入失败率会大大降低,且数目越多,接入失败率越低(此时每辆公交车的T sv 一般小于旧模型下的12s ,因为主模块查询到 合法!设备I D 后,立即由辅模块与之建链和数据交互,而不需要像旧模型中那样等待主模块查询完成后再去建链和数据交互).但该结论的前提条件是:多皮克网同时工作时相互间没有干扰.而实际情况是多皮克网同时工作时存在同频干扰和邻频干扰[11].不过当只有几个皮克网同时工作时,干扰问题对系统的影响较小[12].多蓝牙皮克网共存时的干扰问题,将在下阶段工作中进行深入研究.图6 服务窗口数对系统接入失败率的影响图5 结语本文设计的车载系统不使用GPS 和GPRS 模块,仅使用蓝牙模块,降低了系统的硬件成本,能够成功实现自动报站、公交车定位、数据传输及车载数据无线更新等多项功能.在站台系统辅助下,自动报站和公交车定位的实现不受高楼、隧道、立交桥等影响.此外,本文提出的无线数据更新方法,可以方便地更新车载系统中的报站语音数据、广告数据等.最后,本文对车载系统接入站台系统的接入能力进行仿真,仿真结果表明,在站台系统的配合下,该车载系统绝大数情况下能够成功接入站台系统,实现自动报站、公交车定位以及客流数据回传功能.参考文献(R eferences)[1]T ang Shu m i ng,W ang F e i y ue ,W ang G ang ,e t a.l D eve lop m en t and re sea rch o f i nte lli g en t tran s por tati on s y ste m si n C hina s tenth f i ve y ear plan [C ]//IEEE Inte lli g ent T ranspo r ta tion Syste m s Con ference (I T SC 06).T o ron t o,Canada ,2006:377 382.[2]X ia X in ,N i u Z h isheng ,W ang W en jia .C oncept and deploym ent o f i nterne t IT S [C ]//IEEE Intellig ent T ranspo rta ti o n Syste m s Co nference.W ashing ton D C,U SA,382东南大学学报(自然科学版) 第39卷2004:939 944.[3]梁松,梁艳,陈继努.基于G PR S的智能公交系统通信平台的实现[J].通信技术,2007,10(40):56 58.L i ang Song,L i ang Y an,Chen Ji nu.I m p l e m en tion o f comm un i ca tion p latform fo r i n t e lli g en t pub lic transpor t a tion sy stem based on G PR S[J].Comm un ica ti o ns T 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