基于無線網(wǎng)的公交車進站預報系統(tǒng)及公交擁擠狀況分析與決策研究

1、 可修改 歡送下載 精品 Word 可修改 歡送下載 精品 Word 可修改 歡送下載 精品 Word學科(xuk)類別：工 基于無線網(wǎng)的公交(n jio)車進站預報系統(tǒng)及公交擁擠狀況分析與決策研究北京郵電大學 王堯 竇仁銀 孟祥輝 曹天昊周慧玲 副教授摘要(zhiyo)：該工程(gngchng)基于(jy)無線射頻技術并對其功能進行擴展從而搭建無線網(wǎng)絡，完成信息的處理、傳遞，構建智能公交報站系統(tǒng)。包括建立在底層網(wǎng)絡上的報站和預報站系統(tǒng)、建立在GPRS和internet網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和基于數(shù)據(jù)庫和web技術的用戶效勞和決策管理系統(tǒng)。關鍵詞： 無線射頻；射頻放大；數(shù)據(jù)庫；web前端應用；單片

2、機工程研究的背景與意義美國城市規(guī)劃專家Dom Nozzi曾說過一句著名的話：聰明式增長的城市就是使小汽車成為一個選項，而不是唯一答案。在國外的大局部城市，公共交通是出行的主要手段，人們并非買不起車，而是公共交通更節(jié)省時間和金錢，高額的燃油稅以及停車費，私家車絕對不是明智的選擇。然而在國內(nèi)的大城市香港除外，公交出行率一般缺乏40%，包括北京。即使在公交更經(jīng)濟的情況下，人們大多還是愿意自己駕駛，因為公交太慢了！公交出行率較低的最重要的原因就是惡劣的公交狀況大量浪費了乘客的時間。而現(xiàn)有的公交對出行的影響可以大致歸納出以下兩種情況：人們在乘坐公交車時遇到最多的事就是某一路車等了半天沒有來，浪費了大量的

3、時間在等車上。人們雖然坐上了公交車，可是車在路上遇上了交通擁堵，半天不動一步。而乘客們也進入了一種進退維谷的境地，把大量的時間浪費在了公交車上。針對以上兩種情況，我們所設想的解決方法包括：首先就是能夠實現(xiàn)公交車的進站預報，可以預測所有將要經(jīng)過該站的公交車還有幾站才能到，并以LED顯示和聲音播送的形式通知站內(nèi)等車的乘客，從而決定是繼續(xù)等待還是選擇其他線路或者交通方式的選擇問題，從而節(jié)省乘客的時間。而利用zigbee技術組成的無線網(wǎng)系統(tǒng)可以將預報信息沿著網(wǎng)絡依次傳遞到各個站點。針對第二個問題，我們提出的解決方法是收集公交車各個線路的運行信息，從而知道各個時段每一路車所經(jīng)過不同地段的交通情況。當信息

4、得到了長期的積累，擁有了統(tǒng)計學意義后，可以利用這些數(shù)據(jù)幫助乘客們選擇最正確出行線路。不但能解決以上兩個問題，同時我們(w men)可以把采集到的所有實時信息同步放在網(wǎng)頁上，以直觀的形式反映給廣闊(gungku)市民，并且根據(jù)出行時間段的不同，幫助(bngzh)乘客選擇最正確(zhngqu)線路(xinl)用時最少。以方便大家出行。最后，公交車調(diào)度管理者也可以根據(jù)長期積累數(shù)據(jù)對整個公交系統(tǒng)做出更優(yōu)的規(guī)劃和調(diào)度。工程研究的主要內(nèi)容該工程主要建立在無線射頻技術，單片機技術，GPRS技術，數(shù)據(jù)庫技術以及web技術之上。主要研究內(nèi)容有如下幾個方面：公交車與公交車站模型數(shù)學化，提出必要的信息傳輸模型，提出

5、合理算法基于CC1110無線射頻模塊的軟件設計與實現(xiàn)，完成公交車站點串行網(wǎng)絡的搭建運用ACK、CRC校驗、AES加密技術等技術確保無線串行網(wǎng)絡信息傳輸?shù)目煽啃耘c平安性研究和實現(xiàn)公交車站點通用算法，并實現(xiàn)系統(tǒng)對多路多交叉復雜路況的支持嵌入式系統(tǒng)的人機交互界面設計與實現(xiàn)，完成公交信息實時設置更新，實現(xiàn)公交進站報站與預報站Uart串口擴展技術通過RS232串口實現(xiàn)單片機的協(xié)同工作，以彌補單一CC1110無線單片機可擴展性與處理能力的缺乏基于嵌入式系統(tǒng)的GPRS通訊技術完成底層網(wǎng)絡向上位機的數(shù)據(jù)傳輸前端交互式電子地圖的設計與實現(xiàn)上位機數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)分析決策系統(tǒng)。工程研究的特色1.基于CC1110芯片的

6、帶功放的無線射頻模塊的使用本系統(tǒng)無線組網(wǎng)局部所使用的是基于CC1110芯片的無線射頻模塊。CC1110有高性能和低功耗的8051微控制器核，并有強大和靈活的開發(fā)工具，便于開發(fā)，性能穩(wěn)定。，CC1110的RF射頻收發(fā)器集成了一個高度可配置的調(diào)制解調(diào)器。這個調(diào)制解調(diào)器支持不同的調(diào)制格式，其數(shù)據(jù)傳輸率可達500kbps。通過開啟集成在調(diào)制解調(diào) 器上的前向誤差校正選項，能使性能得到提升。CC1110為數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸、清晰信道評估、連接質(zhì)量指示和電磁波激發(fā)提供廣泛的硬件支持。尤為重要的是其可工作在433M免費頻段內(nèi)。然而，單獨CC1110無線射頻所能支持的通訊距離大約為幾十米至幾百米

7、，此距離不能滿足實際應用需求兩公交站點之間的距離，因此工程選擇了帶射頻放大的CC1110無線模塊，其穩(wěn)定通信距離為2公里，根本解決了通訊距離的問題。在一些障礙物較多，路線較復雜或是通訊距離要求更長的地方，還可以通過加無線中繼節(jié)點的方法來保證通訊的穩(wěn)定性。帶功放的無線射頻模塊的選擇無論在性能上還是在本錢上都具有很大優(yōu)勢。2軟硬件局部(jb)通用性、穩(wěn)定性與靈活性軟件(run jin)局部(jb)的編寫(binxi)考慮到使用的方便性與實用性，克服了一模塊對應一程序，不可在線編輯，掉電重要數(shù)據(jù)喪失(sngsh)等缺陷。各站點模塊所燒寫程序一致，可動態(tài)增減站點關鍵信息，并且依據(jù)相關編碼方式，系統(tǒng)網(wǎng)絡

8、支持首次初始化局部站點關鍵信息，來保證網(wǎng)絡的初始化的正確性。經(jīng)過編輯后的站點信息使用eeprom備份來保證意外掉電所帶來的數(shù)據(jù)喪失，并支持上電自動讀取再次初始化?？傊?，系統(tǒng)的通用性與穩(wěn)定性得到了保證。 算法編碼局部獨立于具體軟硬件之外，因此支持硬件的升級，改造，甚至可將此項技術應用于其他方面，其靈活性可見一斑。3底層網(wǎng)絡，GPRS網(wǎng)絡與Internet網(wǎng)絡的銜接公交車站的報站與預報站依靠的是底層網(wǎng)絡，而GPRS網(wǎng)絡負責將匯總的公交車到站數(shù)據(jù)經(jīng)由GPRS網(wǎng)絡，Internet網(wǎng)絡傳至上位機數(shù)據(jù)庫，3層網(wǎng)絡獨立開來但又聯(lián)系精密，花費較小的代價完成了數(shù)據(jù)底層傳輸，數(shù)據(jù)采集，與數(shù)據(jù)應用三大塊功能。在不

9、降低系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，大大節(jié)約了本錢，增加了實用性。4.數(shù)據(jù)處理，路面擁塞狀況分析與決策上位機通過Socket與站點節(jié)點GPRS模塊想連接，直接獲取實時參數(shù)，并存儲到本地MySQL效勞器上?？蛻舳伺c用戶直接交互的電子地圖，主體由Flash實現(xiàn)，應用actionscript2.0為主題，輔助以actionscript3.0的一些新特性，并通過xml，php，javascript和myslq共同構建的當前較為流行的ajax框架，為用戶提供實時，直觀，清晰的顯示。用戶在可以通過前段電子地圖查看當前個公交路線實時運行狀態(tài)，而且可以以自己需要對指定時間范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進行查詢，效勞器端數(shù)據(jù)分析與決策系統(tǒng)在

10、收到用戶查詢請求后，抽象出所需參數(shù)，并根據(jù)用戶的精度要求數(shù)據(jù)范圍規(guī)模選擇不同時間、空間復雜度的算法進行計算，如直接暴力搜索，應用floyd或dijstra等最短路算法，或對大量數(shù)據(jù)采用蟻群等高級算法，以實現(xiàn)高速的決策分析。 工程成果及其性能分析 該工程基于無線射頻技術并對其功能進行擴展從而搭建無線網(wǎng)絡，完成信息的處理、傳遞，構建智能公交報站系統(tǒng)。GPRS技術的使用，能將公交車進站實時信息傳送至上位機終端，不但能到達對公交車的站點定位，而且通過對長時間積累的公交到站信息數(shù)據(jù)進行充分挖掘，既可以很好的的表達整個公交系統(tǒng)運行狀況，又能可將此數(shù)據(jù)加以利用提供應乘車者以直觀界面協(xié)助乘客選車選擇路線等。下

11、面將對整個系統(tǒng)進行詳細介紹：1.智能公交網(wǎng)絡普通節(jié)點 底層網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸、報站顯示模塊 普通節(jié)點(ji din)主要有兩局部(jb)組成(z chn)，以CC1110為核心(hxn)的無線收發(fā)局部(jb)與以Mega16為核心的系統(tǒng)界面與報站與報站系統(tǒng)，兩局部通過RS232串口協(xié)同工作，具體功能塊如圖1所示： 如圖1所示,CC1110局部主要負責與前后站點的數(shù)據(jù)傳輸，當其收到并確認信息后，一方面會將其通過串口發(fā)送給Mega16單片機，另一方面會對數(shù)據(jù)進行相應處理發(fā)送給相鄰站。CC1110本身并不帶有站點信息，其所存站點信息是可有由系統(tǒng)開機或經(jīng)由Mega16添加或刪除后實時改變。無線收發(fā)有ACK功

12、能、重發(fā)機制以保障信息傳輸?shù)姆€(wěn)定。 Mega16的外圍硬件有LCD12864,4*4矩陣鍵盤用于完成簡單人機界面，支持對公交車站站點信息設置和報站與預報站的顯示。2.智能公交網(wǎng)絡高級站點 底層網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸、報站顯示與數(shù)據(jù)上傳模塊 高級節(jié)點與普通節(jié)點的功能根本相同，不同的是高級節(jié)點能將采集到的公交車進站信息經(jīng)由GPRS上傳至上位機數(shù)據(jù)庫，這就要求當位于高級站點之后的站點收到公交車到站信息后能夠信息回傳之高級站點。其結構圖如圖2所示： 如圖2，GPRS的聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)傳送均由Mega16單片機控制。Mega16對GPRS模塊的控制是通過串口實現(xiàn)的，由于Mega16的串口只有一對，故使用串口擴展技術解決

13、了Mega16與CC1110和GPRS的一對多的串口連接問題。3.公交車節(jié)點 公交車信息攜帶與傳輸模塊 公交車節(jié)點是整個無線網(wǎng)絡信息傳輸?shù)拈_始，系統(tǒng)要完成的最根本任務即時是對公交車進站這一事件的跟終，這一事件有無線網(wǎng)絡來感知(gnzh)，其所包含關鍵信息也決定了網(wǎng)絡中所傳遞有用數(shù)據(jù)的長度，影響到網(wǎng)絡的負載。因此，公交車節(jié)點的設計雖較簡單單也是至關重要的。其具體結構如右圖所示： 如圖3，公交車節(jié)點(ji din)的數(shù)據(jù)發(fā)送是由外部按鍵觸發(fā)的，當公交車進站時，按下進站鍵此鍵是公交車語音系統(tǒng)對車上乘客(chngk)提醒到站所需，此時公交車會向相應站點發(fā)送到站信息。車站(chzhn)節(jié)點會對數(shù)據(jù)進行處

14、理和轉發(fā)。4.交互式電子地圖，上位(shn wi)機數(shù)據(jù)采集及效勞器端數(shù)據(jù)分析決策系統(tǒng) 用戶通過可登陸web的入電腦， 等終端設備訪問效勞器，效勞器通過提供應用戶電子地圖實現(xiàn)用戶與數(shù)據(jù)的交互。交互式電子地圖可以實時地提供應用戶各個公交線路上公交車的到站信息，地圖上不同顏色的線段反映了各公交站間車輛的運行狀態(tài)這種顏色可由效勞器維護人員設置，同時，用戶還可以在這張地圖上通過選擇特定的線路和時間區(qū)段，來獲得指定條件下的公交線路擁塞評估以及效勞器端通過設定的模型所得出的最優(yōu)出行路線，這些結果也可以通過地圖上線段，標注或其他直觀清晰地方式呈現(xiàn)給用戶。并且，用戶在設置查找條件的時候可以直接從地圖上選出所需

15、路線或標示，具有較強的互動性。上位機的數(shù)據(jù)采集那么是通過Socket與站點GPRS模塊相連接，直接接受實時數(shù)據(jù)，并存儲在本地數(shù)據(jù)庫上，供分析決策系統(tǒng)使用。效勞器端數(shù)據(jù)分析與決策系統(tǒng)通過用戶給出的查找條件，抽象出所需參數(shù)，并應用建立好的模型對數(shù)據(jù)進行測試與結果分析，最終的出最優(yōu)結果，返回給用戶。這個返回結果在客戶端上也是以電子地圖的形式出現(xiàn)的。5.系統(tǒng)工作流程 如上圖，以387路公交車行駛路線為例，“西直門南、“索家墳等表示(biosh)387路公交車行駛路線上的各站，車到站時，會給站“到站信息(xnx)，此信息經(jīng)處理(chl)后成為“站站信息，經(jīng)各“無線設備(shbi)依次向前傳遞(chund

16、)，各站會自行處理信息后做出相關反響報站與預報站并接力。而且此公交車到站信息公交車標識，站名，到此站時間會通過“高級站點的“GPRS傳輸設備傳輸至遠處PC終端，存儲至數(shù)據(jù)庫。正如上圖所示，高級站點之前的站點是單向傳遞，而之后是雙向的，這使得公交車進站信息總能匯總至高級站點傳至上位機。根據(jù)需要設定信息的單雙向可以大大減少了系統(tǒng)的冗余，減輕了網(wǎng)絡的負載。 上位時機將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)分析整理，并以web前端應用的形式展現(xiàn)給乘客，以方便乘客出行。同時，數(shù)據(jù)經(jīng)過長時間的積累后，會對整個公交系統(tǒng)有一個整體的了解，這些數(shù)據(jù)也對公交系統(tǒng)的規(guī)劃有很好的參考價值。6.系統(tǒng)對多路多交叉等復雜路況的支持圖6其為系統(tǒng)的具

17、體模擬展示方案，圖上所標每一站均放置一普通節(jié)點明光橋北除外，其放置高級節(jié)點。最終成果包括4個局部。用來放在公交站點的智能公交網(wǎng)站點模塊9個，用來放在汽車上的公交車模塊5個，GPRS通訊模塊1個，上位機管理系統(tǒng)。該演示方案模擬了由304路、21路、80路、498路和387路五路公交車組成的網(wǎng)絡，表達了公交線路重疊，交叉等復雜狀況下的運行情況。而且系統(tǒng)軟件算法可以支持更多路的復雜情況該演示方案模擬了由304路、21路、80路、498路和387路五路公交車組成的網(wǎng)絡，表達了公交線路重疊，交叉等復雜狀況下的運行情況。而且系統(tǒng)軟件算法可以支持更多路的復雜情況。同時，為了防止干擾，我們使用了一個不常用的通

18、訊頻率，同時使用CRC校驗并糾錯，并且我們定義了自己的幀頭和幀尾，最大限度的防止無線通訊的干擾對整個系統(tǒng)的影響。工程研究的技術架構工程主要涉及到單片機技術、無線射頻技術、數(shù)據(jù)庫技術、web技術、GPRS技術等，其間的聯(lián)系系如下列圖所示： 工程(gngchng)成果的測試(csh)情況及數(shù)據(jù)處理 為了(wi le)了解相鄰兩個車站之間的距離，經(jīng)過(jnggu)我們實際測試，兩節(jié)點平均(pngjn)穩(wěn)定通信距離是1.5公里。而且統(tǒng)計了一些站點所要通過的車的線路數(shù)和平均每分鐘內(nèi)所通過的車輛數(shù)，這些數(shù)據(jù)便于我們了解芯片的數(shù)據(jù)處理量和確定反響延遲等算法的大概時間毫秒級。我們對節(jié)點的信號強度做過測試，隨著距離的增加，信號強度在一定范圍內(nèi)衰減，并且在1500m的時候還能保持足夠的強度值。此外，我們在實際車站點進行了實際測試，在相鄰的兩個車站間，信息能順利傳輸。為了測試系統(tǒng)的整體效果，我們把所有節(jié)點組成了幾條交叉路線，并設置一個中心節(jié)點，最初信息的傳遞在某些節(jié)點間不能順利進行，比方會出現(xiàn)延時、丟包、卡死或者不能轉發(fā)等情況，經(jīng)過對算法的改善和對硬件的改良，最終測試情況良好，能順利運行整個系統(tǒng)。 工程成果的社會效益我們的成果解決了廣闊市民