分布式處理技術(shù)下公交信息感知挖掘系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃正鋒，任 剛，華璟怡，陸麗麗

(1.寧波大學(xué)海運(yùn)學(xué)院，浙江寧波315211；2.東南大學(xué)交通學(xué)院，江蘇南京210096；3.公安部交通管理科學(xué)研究所，江蘇無錫214151)

城市交通擁堵問題伴隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程產(chǎn)生，是影響居民出行的一種城市病。間斷性供需失衡在城市交通網(wǎng)絡(luò)中一直存在，對交通擁堵的完全規(guī)避難以實(shí)現(xiàn)，因此緩解擁堵措施應(yīng)力求維護(hù)大多數(shù)出行者的利益。智能公交系統(tǒng)的建設(shè)就是該原則的體現(xiàn)，以先進(jìn)理論為指導(dǎo)，通過技術(shù)改造提升公交乘客時間價值，吸引私人小汽車出行者選擇公共交通出行，改善道路擁堵局面。目前，中國智能公交系統(tǒng)建設(shè)仍停留在初級規(guī)劃與試實(shí)施階段，還難以成為國家公共交通優(yōu)先發(fā)展戰(zhàn)略的有力保障。公交信息服務(wù)是提升公交服務(wù)質(zhì)量的重要手段，當(dāng)前智能公交系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)當(dāng)以解決公交信息感知與挖掘技術(shù)為首要任務(wù)，以此為基礎(chǔ)拓展到公交信息服務(wù)層面的應(yīng)用。

1 公交信息感知與挖掘技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

發(fā)達(dá)國家公交信息感知與挖掘技術(shù)的研發(fā)較早，已嵌入到一些成熟的公交運(yùn)營管理系統(tǒng)中。在美國，這套技術(shù)被應(yīng)用于城市公共交通管理局(Urban Mass Transportation Administration,UMTA)推出的先進(jìn)的公共交通系統(tǒng)(Advanced Public Transport Systems,APTS)，包括多個子系統(tǒng)：通信系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、車輛自動定位(Automatic Vehicle Location,AVL)系統(tǒng)、乘客自動計(jì)數(shù)(Automatic Passenger Counting,APC)方法、公交運(yùn)營軟件、交通信號優(yōu)先控制方法和乘客信息服務(wù)系統(tǒng)[1]。另外，其他發(fā)達(dá)國家在公共交通建設(shè)中也應(yīng)用了這套技術(shù)，例如，日本東京都交通局開發(fā)的城市公共交通綜合運(yùn)輸控制系統(tǒng)(Centralized Transit Control System,CTCS)，以及歐洲多數(shù)城市構(gòu)建的公交專用車道系統(tǒng)。

在中國，上海、北京等大城市通過安裝電子站牌、車載定位系統(tǒng)(Global Position System,GPS)等舉措逐步邁入公交智能化時代。但是與國外先進(jìn)的公共交通系統(tǒng)相比，中國的智能化水平仍然很低，很少利用動態(tài)交通信息和車輛定位信息對系統(tǒng)進(jìn)行深層次的開發(fā)。例如，相關(guān)的公交智能系統(tǒng)多數(shù)單純使用距離與車速的比值求得車站間運(yùn)行時間致使準(zhǔn)確率降低，因此所提供的信息服務(wù)并不可靠。換言之，不成熟的公交信息感知與挖掘技術(shù)導(dǎo)致公交公司幾乎沒有采用公交數(shù)據(jù)采集、處理、交互與發(fā)布的成套技術(shù)。雖然有些傳統(tǒng)方法采集了公交IC卡數(shù)據(jù)，并集中發(fā)送至調(diào)度中心進(jìn)行統(tǒng)一處理，但多數(shù)屬于事后的公交數(shù)據(jù)分析技術(shù)。之所以難以做到實(shí)時信息分析處理與發(fā)布，是由于公交lC卡數(shù)據(jù)量過于龐大，很多大中城市持卡乘客比例達(dá)到60%以上(南京市已接近80%)，公交IC卡信息一日的數(shù)據(jù)量可達(dá)數(shù)百萬條，如果集中進(jìn)行處理將超出傳統(tǒng)數(shù)據(jù)分析技術(shù)的實(shí)時性要求[2]。此外，如果結(jié)合GPS設(shè)備采集得到的自動定位和速度檢測信息進(jìn)行共同傳輸和分析，則會使實(shí)時處理的難度加大。

中國的智能公交系統(tǒng)所涉及的數(shù)據(jù)感知與挖掘技術(shù)多數(shù)屬于集中式處理方法，該方法可應(yīng)對公交車輛少、乘客有限的情況，但難以適應(yīng)中國公交車輛多、乘客量大的環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計(jì)，北京、上海在“十一五”末年分別擁有公交營運(yùn)車輛達(dá)2.5萬輛和1.8萬輛[3-4]，高峰時段幾乎滿載運(yùn)行。因此，中國有必要開發(fā)一套能實(shí)現(xiàn)實(shí)時信息處理、發(fā)布功能的公交信息感知與挖掘技術(shù)。

2 公交信息感知與挖掘系統(tǒng)

2.1 分布式處理技術(shù)

基于公交車載智能終端配置，將收集到的信息由短距離傳輸技術(shù)輸入到智能終端進(jìn)行信息挖掘。終端處理器內(nèi)置公交信息挖掘軟件，使得每輛公共汽車都有自主數(shù)據(jù)實(shí)時處理能力，可減少公交調(diào)度中心服務(wù)器的數(shù)據(jù)處理任務(wù)，從而降低運(yùn)算時耗。此技術(shù)克服了集中式處理面對大數(shù)據(jù)所遇到的高時耗缺陷，達(dá)到節(jié)省時間成本的效果，以真正實(shí)現(xiàn)信息發(fā)布的實(shí)時化。由于分布式處理技術(shù)下的公交車載智能終端與調(diào)度中心可聯(lián)網(wǎng)共享及交互信息，因此該系統(tǒng)除了實(shí)現(xiàn)實(shí)時的公眾信息服務(wù)功能之外，還能為交通部門的公交優(yōu)先管制技術(shù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，可適應(yīng)中國智能公交系統(tǒng)深層次的開發(fā)需求。

2.2 系統(tǒng)框架

公交信息感知與挖掘系統(tǒng)總體目標(biāo)是：以公共汽車內(nèi)檢測裝置所感知的動態(tài)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以公交車載智能終端信息挖掘軟件開發(fā)為核心，服務(wù)于公交信息發(fā)布及公交優(yōu)先管制。

公交信息感知與挖掘系統(tǒng)由三大模塊組成(見圖1)：

1）公交車載智能終端。

作為公交信息獨(dú)立處理器，是分布式公交信息感知與挖掘系統(tǒng)的體現(xiàn)，規(guī)避了因集中式處理而產(chǎn)生的信息滯后現(xiàn)象，提高了信息的實(shí)時處理與發(fā)布能力。公交信息感知裝置和公交信息挖掘軟件是其中兩塊重要組件。

公交信息感知裝置包括GPS定位測速裝置、IC卡信息讀取裝置、手機(jī)信息讀取裝置、視頻檢測監(jiān)控裝置等。信息感知裝置能夠檢測并采集多種實(shí)時公交運(yùn)營數(shù)據(jù)，包括公交載客量、到達(dá)時間、行駛速度等，用于公交信息融合及預(yù)測。

公交信息挖掘軟件是公交車載智能終端的核心軟件，用于處理采集得到的原始公交數(shù)據(jù)。信息挖掘軟件常由數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)平臺組成[5]。數(shù)據(jù)庫是按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組織、存儲和管理數(shù)據(jù)的倉庫，在本文中分為公交地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System-Public Transit,GIS-PT)地圖數(shù)據(jù)庫(由聯(lián)網(wǎng)生成)、實(shí)時采集數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫和反饋數(shù)據(jù)庫，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、挖掘、管理、應(yīng)用的分層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)平臺提供分析、挖掘、共享交互和接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等各種數(shù)據(jù)服務(wù)。其中：數(shù)據(jù)接口服務(wù)模塊對不同采集設(shè)備的數(shù)據(jù)以及與外部系統(tǒng)共享的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，解決匯集數(shù)據(jù)與實(shí)際情況偏差的問題；數(shù)據(jù)融合處理模塊對多源同類型數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析，為下一步數(shù)據(jù)應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)支撐；公交狀態(tài)估計(jì)預(yù)測模塊在對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和實(shí)時采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，不斷完善信息提取模型，提高交通模型預(yù)測的準(zhǔn)確性；數(shù)據(jù)歸檔服務(wù)模塊用于從數(shù)據(jù)庫中提取相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲。

2）公交信息服務(wù)平臺。

可將公交車載智能終端挖掘得到的信息直接聯(lián)網(wǎng)傳輸至此進(jìn)行發(fā)布，為各類出行者提供公交服務(wù)信息。公交信息發(fā)布途徑大致包括：手機(jī)應(yīng)用軟件供出行車聯(lián)網(wǎng)查詢公交出行信息，幫助出行者進(jìn)行出行方式及路徑選擇；交通樞紐觸摸屏提供公交路徑等多種信息查詢，便于乘客選擇公交線路；電子站牌顯示公交車輛預(yù)計(jì)到達(dá)時間等提醒信息，為乘客選擇公交車次服務(wù)；電話語音記錄公交車輛到達(dá)各個編號車站的預(yù)計(jì)時間等信息，供乘客手機(jī)撥號查詢；廣播電臺實(shí)時發(fā)布突發(fā)事件造成的公交延誤等信息，有益于特殊事件下的決策調(diào)整。

3）公交調(diào)度中心。

將整個城市的GIS-PT地圖數(shù)據(jù)庫及實(shí)時獲得的公交信息作為輸入?yún)?shù)，既服務(wù)于公交調(diào)度，還有助于公交優(yōu)先管制。公交優(yōu)先管制技術(shù)是在共享公交信息的基礎(chǔ)上提出的公交服務(wù)水平提升技術(shù)。例如，聯(lián)網(wǎng)對信號控制機(jī)進(jìn)行配時優(yōu)化、主動控制交叉口的公交延誤時間等。

2.3 系統(tǒng)實(shí)施流程

公交信息感知與挖掘系統(tǒng)實(shí)施流程如圖2所示。公交車載智能終端作為信息處理發(fā)布中主要調(diào)用的處理器，成為該系統(tǒng)的底層處理器，而調(diào)度中心只是在公交系統(tǒng)外部交通管制過程中才觸發(fā)運(yùn)行的上層處理器，由此形成分布式系統(tǒng)。公交車載裝置收集得到GPS定位測速數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、IC卡和手機(jī)信息等識別數(shù)據(jù)，通過近距離傳輸技術(shù)輸入到公交車載智能終端，統(tǒng)一在實(shí)時聯(lián)網(wǎng)更新的GIS-PT地圖數(shù)據(jù)庫平臺上進(jìn)行數(shù)據(jù)操作，由信息挖掘軟件進(jìn)行地圖匹配、樣本過濾、參數(shù)校正等數(shù)據(jù)處理分析，最終獲得可發(fā)布的信息。一方面通過GSM(Global System for Mobile Communications)/GPRS(GeneralPacketRadioService)/3G(Third Generation)無線通信和IP網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇煌屑~觸摸屏、電子站牌、到站查詢電話端、廣播電臺站、手機(jī)移動終端等。另一方面將信息傳輸至公交調(diào)度中心，進(jìn)行其他交通管制優(yōu)化。例如，通過信號機(jī)終端調(diào)整獲得公交優(yōu)先信號，或者進(jìn)行突發(fā)事件下的公交調(diào)度和交通組織優(yōu)化。此類事件包括大型活動交通組織，提供的信息有助于交通組織者進(jìn)行地面公交車輛調(diào)度及道路交通疏導(dǎo)，對潛在擁堵交通流進(jìn)行主動控制。

圖1 公交信息感知與挖掘系統(tǒng)框架Fig.1 Framework of the bus information perception and mining system

2.4 核心軟件的信息映射模型

公交信息挖掘軟件根據(jù)獲取的感知信息，經(jīng)由信息挖掘過程處理，生成公交發(fā)布或共享信息。其中，輸入的感知數(shù)據(jù)與輸出的發(fā)布數(shù)據(jù)之間存在映射關(guān)系。建立合理的信息映射模型是實(shí)施挖掘過程的理論指導(dǎo)，是實(shí)現(xiàn)公交信息挖掘軟件功能的有力保障，是體現(xiàn)系統(tǒng)可靠性的核心環(huán)節(jié)。

公交信息挖掘軟件的輸入數(shù)據(jù)類型包括視頻監(jiān)控圖像識別數(shù)據(jù)、GIS-PT地圖數(shù)據(jù)、手機(jī)射頻消費(fèi)數(shù)據(jù)、乘客IC卡消費(fèi)數(shù)據(jù)，以及GPS定位測速數(shù)據(jù)；輸出數(shù)據(jù)類型包括手機(jī)應(yīng)用軟件數(shù)據(jù)、電子站牌顯示數(shù)據(jù)、交通樞紐觸摸屏數(shù)據(jù)、電話語音記錄數(shù)據(jù)以及廣播電臺播報數(shù)據(jù)。圖3給出了軟件輸入、輸出數(shù)據(jù)變量映射，在此對重要的輸出數(shù)據(jù)及其所利用的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行說明，揭示公交信息挖掘過程中的信息映射規(guī)律。

1）公交路徑運(yùn)營時間(TRT)。

通過GIS-PT地圖界面為乘客提供由等車、換乘、公交運(yùn)行等時間組成的全程出行時耗信息，能夠在手機(jī)應(yīng)用軟件和交通樞紐觸摸屏上顯示。這項(xiàng)數(shù)據(jù)的獲取不僅需要采集對象車輛的所有輸入數(shù)據(jù)，而且需要采集其他相互影響的公交車輛聯(lián)網(wǎng)共享數(shù)據(jù)。

2）預(yù)計(jì)到達(dá)車站時間(AST)。

特定線路運(yùn)營車輛的到站預(yù)測時間可通過手機(jī)應(yīng)用軟件、電子站牌、交通樞紐觸摸屏和電話語音方式進(jìn)行發(fā)布。服務(wù)于車站等車乘客，方便乘客對公交線路選擇做出決策。由于固定公交線路的到站時間只受自身運(yùn)營條件影響，因此這項(xiàng)數(shù)據(jù)的獲取只需輸入對象車輛檢測得到的數(shù)據(jù)。

3）預(yù)計(jì)到達(dá)交叉口時間(AIT)。

屬于拓展的公交信息服務(wù)，將常規(guī)路網(wǎng)節(jié)點(diǎn)也作為決策點(diǎn)，因此可在具有電子地圖顯示功能的手機(jī)應(yīng)用軟件和交通樞紐觸摸屏上顯示。一方面可以為乘客提供與私人小汽車對比的出行時耗，另一方面可以為交通管理者提供交叉口交通控制決策的輸入數(shù)據(jù)。這項(xiàng)數(shù)據(jù)的獲取主要依賴于車內(nèi)GPS檢測數(shù)據(jù)。

4）到達(dá)車站時車內(nèi)乘客數(shù)(SN)。

作為公交服務(wù)質(zhì)量或舒適度的一個體現(xiàn)，影響乘客的乘車選擇，可在電子站牌上顯示。這項(xiàng)數(shù)據(jù)由視頻、手機(jī)、IC卡數(shù)據(jù)融合分析得到，可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成人均道路使用面積，為交通管理者提供公交優(yōu)先管制的實(shí)施依據(jù)與評價指標(biāo)。

5）公交延誤信息(TD)。

作為公交運(yùn)營狀態(tài)的評價指標(biāo)或者突發(fā)事件的判別指標(biāo)，可選擇通過廣播播報以便使所有道路使用者獲知，由公交運(yùn)營的時間、速度等指標(biāo)分析得到。

以上所述公交信息挖掘軟件不僅能夠用于獲知所發(fā)布的信息，也能夠拓展他用，例如識別常發(fā)型與偶發(fā)型交通擁堵事件。具體實(shí)現(xiàn)過程如下：通過GPS數(shù)據(jù)得知公交車輛是否長時間在道路上停駛等交通狀態(tài)，推斷對應(yīng)路段是否發(fā)生交通事故或者公交車輛拋錨等偶發(fā)事件。

圖2 公交信息感知與挖掘系統(tǒng)實(shí)施流程Fig.2 Implementation process of the bus information perception and mining system

3 結(jié)語

文獻(xiàn)[6]將智能交通技術(shù)的發(fā)展分成四代，公交信息感知與挖掘系統(tǒng)能為中國大數(shù)據(jù)交通背景下的第四代智能交通技術(shù)的發(fā)展提供公交營運(yùn)方面的設(shè)備和軟件產(chǎn)品支撐。公交車載智能終端作為信息處理器，提高了公交信息實(shí)時處理與發(fā)布能力，由此設(shè)計(jì)了基于分布式處理技術(shù)的公交信息感知與挖掘系統(tǒng)，為易產(chǎn)生大規(guī)模公交數(shù)據(jù)的中國城市提供智能公交體系建設(shè)的核心技術(shù)。中國已將智能交通建設(shè)納入城市交通發(fā)展的長期戰(zhàn)略，相關(guān)政策法規(guī)配套出臺，為該系統(tǒng)的實(shí)施提供了保障。然而，國家尚未出臺智能公交設(shè)備應(yīng)用的國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，有必要事先擬定公交信息感知與挖掘系統(tǒng)的地方或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為分布式處理技術(shù)的應(yīng)用提供便利接口。根據(jù)示范效果具體情況修訂地方或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，進(jìn)一步上升至國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為推廣本系統(tǒng)做好技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)。

圖3 車載智能終端公交信息挖掘軟件的信息映射模型Fig.3 Information mapping model of the bus information mining software at the onboard intelligent terminal

[1]張泉，黃富民，楊濤.公交優(yōu)先[M].中國建筑工業(yè)出版社，2010.Zhang Quan,Yang Tao.Public Transport Priority[M].China Architecture&Building Press,2010.

[2]戴霄，陳學(xué)武.基于公交IC信息的公交數(shù)據(jù)分析方法研究[D].南京：東南大學(xué)，2006.

[3]北京市交通委員會.北京市“十二五”時期交通發(fā)展建設(shè)規(guī)劃[R].北京：北京市交通委員會，2012.

[4]上海市交通運(yùn)輸和港口管理局.上海市城市公共交通“十二五”規(guī)劃[R].上海：上海市交通運(yùn)輸和港口管理局，2012.

[5]東南大學(xué).廣靖錫澄高速公路數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)[R].南京：東南大學(xué)，2013.

[6]Ran B,Jin P J,Boyce D,et al.Perspectives on Future Transportation Research:Impact of Intelligent Transportation System Technologies on Next-generation Transportation Modeling[J].Journal of Intelligent Transportation Systems,2012,16(4):226-242.